机械专业实验Word格式.docx
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（2）信号同步装置，保证附加误差源与原有误差源反向；
（3）运动合成装置，实现附加误差源与原有误差源的合成。
误差补偿系统的组成，从控制系统的角度看，它由误差检测环节、控制器、伺服系统和机械传动机构组成（如图3-1所示），其中由伺服驱动系统和机械传动部件组成的执行机构是影响控制系统动态特性的主要因素。
图3-1误差控制系统框图
2．2误差补偿的控制算法
首先应该分析或建立系统的动态数学模型，针对系统的动态特性采取某种控制算法，目的是为了达到需要的控制效果。
本实验装置中，机械传动机构的动态特性可以用一个积分环节来近似描述；
步进电机的动态特性可以用一阶惯性环节来描述。
因此，控制系统框图可简化为3-2图所示：
图3-2补偿控制系统框图
本实验系统软件设计了五种控制算法供补偿控制实验。
（1）最速控制：
其控制量U（i）由下式给出。
U（i）=kp*e（i）
e（i）=10*ruler_value[i]-coder_value[i]
kp——是一个常数，其大小由实验整定，在本实验模块中已由软件内部设置，不需实验者在操作界面中输入。
ruler_value[i]——第i个采样点所检测到的光栅尺的脉冲个数
coder_value[i]——第i个采样点所检测到的光电编码盘的脉冲个数
（2）常规PID控制：
U（i）=U（i-1）+k0*e（i-1）+k1*e（i-2）+k2*e（i-3）
K0=kp+ki*ts+kd/ts
K1=-kp-2*kd/ts
K2=kd/ts
其中Kp（比例系数）、ki（积分系数）、kd（微分系数）是由实验者输入
的常数，ts为采样周期，本系统中，
上述控制就是按偏差的比例、积分、微分控制，是过程控制中应用最广泛的一种控制。
实验中，比例、积分、微分系数的设定应反复试测，以达到满意的控制效果。
一般规律是：
增大比例系数将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减少静差。
但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。
增大积分系数有利于加快消除静差，但过大的积分系数将会使系统有较大的超调。
增大微分系数有利于加快系统响应，使超调量减少，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有敏感的响应。
在实验中，根据各系数对过程影响的趋势，可以采取先比例，再积分，再微分的整定步骤来确定各系数的大小。
（3）智能PID控制：
是在常规PID基础上，剖析了其不足，建立的非线性PID控制。
由于系统动态过程及暂态过程中，对于比例、积分、微分控制作用的要求是不同的，因此，在动态过程的不同阶段，采取不同的比例、积分、微分控制作用将有利于解决稳定性与准确性之间的矛盾，又能增强系统对不确定因素的适应性。
PID参数的动态调整，来源于对系统动态特征的认识，本系统选用误差e和误差变化量e作为基本的特征变量，设计了如下的推理规则：
（1）IF|e（i）|≥M1,则u（i）=k0kpe（i）（强比例控制模式）；
（2）IF|e（i）|<
d1且|e（i）|<
d2则u（i）=u（i-1）（保持模式）；
（3）IF（e（i）e（i））>
0或（e（i）=0与e（i）≠0）则（PI控制模式）：
{IF|e（i）/e（i）|M2,THENu（i）u（i-1）+k1kpe（i）+k1kie（i）;
IF|e（i）/e（i）|M2,THENu（i）u（i-1）+k2kpe（i）+k2kie（i）}；
（4）IF（e（i）e（i））0或e（i）e（i-1）0,则（弱比例控制模式）：
{IF|e（i）|M3,THENu（i）u（i-1）+k3kpe（i）;
IF|e（i）|M3,THENu（i）u（i-1）+k4kpe（i）}
其中：
kp为比例控制系数；
ki为积分控制系数；
d1、d2分别为允许误差及误差变化范围；
M1、M2、M3分别为针对误差及误差变化率的三个阈值；
k0、k1、k3均为增益系数，k0、k1、k31；
k2、k4均为抑制系数，k2、k41。
（4）模糊自学习控制：
模糊控制的基本思想是用机器来模拟人对系统的控制。
它的特点是不需要知道被控制对象的数学模型；
易于实现对具有不确定性的对象和具有强非线形的对象进行控制；
对被控对象特性参数的变化具有较强的鲁棒性；
对于控制系统的干扰具有较强的抑制能力。
模糊控制规则可以从操作者的经验或专家的知识推出。
通过采用模糊控制规则的自调整和自寻优的方法，还可以进一步优化控制律以获得更好的控制效果，这就是模糊自学习控制。
本实验采用双输入单输出的模糊控制器。
输入是误差E和误差变化率EC，输出是控制量U。
通过设定它们的模糊集、论域及其隶属函数确定它们的赋值表。
模糊控制规则是根据系统的阶跃响应和相平面轨迹来设计的21条控制规则。
其形式是：
“若误差为Ã
i，并且误差变化率为
，则控制量为
”。
利用控制规则进行模糊推理得到控制量，再对控制量进行逆模糊化，最后得到控制量的精确值，送往由步进电机和机械传动部分组成的执行机构。
控制规则采取自调整和自寻优的控制方法，自调整的关键是设立调整因子a，控制规则可以用一个解析表达式概括为：
u=-[aE+（1+a）EC]
a=（1/N）（as-a0）|E|+a0
式中0£
a0£
as£
1，aÎ
[a0-as]。
上述控制规则的特点是调整因子a在[a0，as]范围内随着误差|E|的大小呈线形变化，（as-a0）越大自学习强度越大，但强度过大会引起系统振荡，N为误差E和误差变化EC的量化等级。
本实验以丝杠加工过程中的导程误差为实验研究对象，以差动螺母作为运动合成装置输入补偿运动。
首先检测并绘制其丝杠在某一段内的导程误差曲线，再采取某一种控制算法，控制差动螺母进行实时补偿，并绘制出补偿后的丝杠导程误差曲线，供比较和分析。
三、实验步骤
1．从菜单或工具栏中进入实验三，显示实验三主界面。
用右下角操作工具栏中的按钮调好工作台的测试起点。
2．分别点击“运行参数”、“控制参数”位图按钮设置运行参数和控制参数。
3．点击“测量补偿”位图按钮，进行误差测量补偿。
（也可点击“实时测量”位图按钮进行实时测量而不要补偿）
4．点击其它位图按钮，进行结果显示、分析和输出打印。
各位图按钮的详细说明如下：
1．控制参数：
让用户选择一种控制算法。
对于不同的控制算法，还有相应的对话框显示，供用户输入相应控制参数。
此参数的设置是为“测量补偿”按钮按动时所用，若测量补偿之前未设置控制参数，则以缺省参数（最速控制）代替。
●最速控制：
不需输入参数；
●PID控制：
输入参数分别为PID控制算法的比例、积分、微分三个控制参数；
●智能PID控制：
输入参数中，Kp为比例控制系数；
Ki为积分控制系数；
d1、d2分别为允许误差及误差变化范围（即在该范围内，控制器将不施加控制）；
M1、M2、M3分别为针对误差和误差变化率的三个阈值,M1为强比例控制模式的下限，M3为弱比例控制模式的上限；
k0为增益系数，k0>
=1，k1为增益系数，k1>
=1，k2为抑制系数，k2<
1，k3为增益系数，k3>
=1，k4为抑制系数，k4<
1。
●模糊自学习控制：
输入参数中，a1、b1为误差的论域，a2、b2为误差变化的论域，a3、b3为控制量的论域；
选择“自学习”选择框，则对模糊控制算法进行自学习，a0、as为调整因子，要求满足0<
=a0<
=as<
=1。
●用户自定义控制算法：
本程序允许用户将自己的控制算法编程形成动态链接库，链入本应用程序。
2．实时测量：
点击“实时测量”按钮，仅驱动丝杠前进并检测出丝杠导程误差数据，形成误差数据文件error.dat，实时显示误差曲线。
3．误差补偿：
点击“测量补偿”按钮，将先以指定的参数对丝杠的导程误差进行测量并同时显示误差曲线，然后工作台自动退回到原起点，再根据用户选择的控制算法和指定的控制参数，对丝杠误差进行实时补偿，并绘出补偿后的误差曲线。
5．测量结果：
显示丝杠误差实时测量曲线。
6．补偿结果：
显示丝杠误差实时补偿曲线。
7．测量数据：
显示丝杠误差实时测量数据。
8．补偿数据：
显示丝杠误差实时补偿数据。
9．辨识参数：
设置系统辨识输入参数。
系统辨识的输入类型为阶跃输入，
其中“输入速度”为每秒送给电机的脉冲数，电机每得到400个脉冲，其主轴旋转一周。
10．启动辨识：
启动系统，并获取系统在指定的阶跃输入下的输出响应。
10．响应曲线：
系统在指定的阶跃输入下的响应曲线，依据系统辨识理论，可获得系统模型。
四、实验报告要求
1．整定PID控制参数，自己调整P、I、D控制系数，得到最佳的补偿效果，然后记录测量补偿时的运行参数、控制参数。
打印测量、补偿曲线。
2．分析补偿前后的传动链误差曲线性质，分析补偿速度对补偿效果的影响、分析不同控制算法产生的控制效果。
实验二螺纹数控加工仿真
●了解数控加工螺纹的基本原理和方法。
正确运用误差测控仪系统进行仿真实验。
●了解本实验系统实现螺纹数控加工仿真的原理和方法。
在螺纹数控加工时，主轴与刀具之间必须保持严格的运动关系，即主轴转一转，刀具应均匀移动一个（被加工螺纹）导程的距离，这是靠主轴伺服电机与丝杠伺服电机的不同脉冲川实现的，即所谓的“电联系”，或“电子传动链”。
在本系统中，可以用被测丝杠和螺母之间的相互运动关系来实现螺纹数控加工仿真。
设想主轴伺服电机以统一的转速运转，将车刀安装在仪器的工作台上，则工作台的不同移动速度即可加工不同的螺距。
即把驱动电机和补偿电机两部分的运动合成某一导程，通过检测到的编码盘、光栅尺的读数来实时仿真螺纹加工过程，屏示加工螺纹形状及螺距大小，从而展现电轴传动加工螺纹的原理。
在误差测控仪中，丝杠的螺距为2mm，如果螺母固定不动，只驱动丝杠运动，得到的导程为2mm；
如果丝杠运动的同时也驱动螺母运动，则得到一个合成导程，这个导程的计算公式为：
2´
（1-螺母转速¸
丝杠转速）mm。
其中螺母转速方向与丝杠前进时的转动方向相同时螺母转速为正，相反时为负。
通过改变丝杠和螺母的转速即可得到不同的导程。
1．输入运行参数。
可以采用对话框给出的缺省参数，也可以修改对话框给出的参数。
参数范围：
工件长度：
10~40（毫米）；
采样密度：
0~80（点/周）；
前进转速：
0~80（转/分）；
后退转速：
螺母转速：
-3.0~3.0（转/分）；
放大系数：
10~30。
2．点击实时测控图标，仅驱动丝杠转动，此时螺母不动，被测丝杠既旋转又前进，丝杠的螺距为2mm，因此仿真加工出螺距为2mm的螺纹。
如图2-2所示。
图2-1仅驱动电机转动仿真示意图
3．点击加工仿真图标，在弹出对话框中确认或改变差动螺母转速，前进转速和螺母转速的参数调节范围同上，如图2-2所示，确认后则通过驱动丝杠和螺母同时运动仿真出不同导程的螺纹。
图2-2螺纹数控加工仿真示意图
三、实验报告要求
1．简述测控仪的螺纹数控加工仿真的基本原理和方法。
2．仿真出螺距为1.9mm、2.1mm的螺纹，配置螺母转速和丝杠转速，打印出仿真示意图。
思考：
1．屏示螺纹形状是如何实时仿真实现的？
2．数据采样时，是以光栅尺信号作为基准，还是以编码盘信号作为基准？
实验三PLC控制三相异步电动机变频调速实验
一、实验目的
1.学习和掌握变频器的操作及控制方法；
2.测试三相异步电动机变频调速性能。
二、实验内容及步骤：
松下VFO变频器的操作模式分：
面板操作模式、外部操作模式以及混合操作模式三种。
面板操作模式是根据面板设定的启动信号和频率信号进行的运行方式；
外部操作模式是根据外部的启动信号和频率信号进行的运行方式；
混合操作模式是启动信号、频率信号分别由面板设定、外部设定（或分别由外部设定、面板设定）的运行方式。
变频器出厂时，已将操作模式设定为外部模式。
本实验采用外部操作模式（参数设置：
P08=2,P09=2）。
最大运行频率值采用出厂设定值50HZ。
通过变频器控制三相异步电动机，并由三相异步电动机带动工作台主轴在不同频率下运行，同时测量并记录一些相关参数如：
电压、速度等，从而得出三相异步电动机变频调速性能。
图3-1为VFO变频器外部操作模式连线图。
其中，PLC的电源由断路器QF1控制，VFO变频器的电源由断路器QF4和接触器KM4的主触头共同控制。
实验步骤：
1．学生根据图3-1接线（为安全起见，变频器和三相异步电动机的主控电路以及PLC外围的继电器KA4、接触器KM4输出线路已接好）；
2．征得老师同意后，合上断路器QF1和QF4，输入并运行PLC程序；
3．按“启动”按钮，接触器KM4的主触头闭合，变频器得电；
4．按“正向”按钮，Y10输出，电动机正转。
根据实验记录表调节电位器1的旋钮，使电动机在某一频率下运行。
按“复位”按钮，定时器开始定时10S，同时计数器C240开始计数，其速度为：
N（10S内主轴转数）×
6。
记录正转时各频率所对应的电压值、速度值；
5．按“反向”按钮，Y11输出，电动机反转。
根据实验记录表调节电位器1的旋钮，
使电动机在某一频率下运行。
记录反转时各频率所对应的电压值、速度值；
6．按“停止”按钮，电动机停转；
实验记录表：
频率（HZ）
正转
反转
速度（r/min）
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
图4-1VFO变频器外部操作模式连线图
三．实验说明及注意事项
1．本实验中，电动机的工作电压为380VAC，请注意安全；
2．继电器接触器KM4的作用是给变频器上电，不可作为变频器的启停控制，否则损坏变频器。
变频器的启停由对变频器的输入端5的控制来实现,变频器的正反转由对变频器的控制输入端6的控制来实现；
3．“主轴准停”为安装于主轴上的接近开关的一个常开触点，用于测量主轴的旋转速度（r/min）。
X5作为高速计数输入端，与其相关联的内部高速计数器为C240。
四．实验用仪器工具
PC机1台
PLC1台
RS-232串行电缆线1根
变频器1台
三相异步电动机1台
断路器（QF1、QF4）2个
继电器（KA4）1个
接触器（KM4）1个
按钮5个
实验导线若干
五．实验前的准备
预习实验指导书及附录相关内容。
六．实验报告要求
1．画出PLC控制程序梯形图并写出相对应的指令代码；
2．分别画出正转和反转时的：
速度频率曲线，并分析之。
思考题
1．试说明三相异步电动机变频调速的工作原理；
2．变频器的外部操作模式实验中，如果要求变频器最大工作频率超过50HZ（如120HZ、
200HZ等），怎么办？
实验四PLC顺控程序设计及调试实验
一、实验目的：
1．学习和掌握PLC的实际操作方法；
2．学习和掌握PLC顺控程序的设计及调试方法；
图4-2为PLC和PC连接示意图。
其中:
编程电缆线将PC机的COM2和PLC的接口连接起来。
PC机上安装的工具软件FXGP-WIN具有如下基本功能：
●可进行PLC梯形图的输入﹑编辑及指令转换；
●可对PLC控制程序进行错误检查；
●实现PLC和PC之间程序的传输；
●对PLC控制程序的运行状况进行实时监控和调试。
运用FXGP-WIN，可大大缩短PLC控制程序的开发和调试时间。
图4-3为用于信号灯控制的PLC外部接线图。
其控制要求如下：
图4-1顺控示意图
实验步骤：
1．在断电的情况下，学生按图4-3接线；
2．经老师检查合格后方可接通断路器QF1；
3．运行工具软件FXGP-WIN，输入梯形图并对其进行编辑；
4．将梯形图转换为指令代码；
5．将控制程序传给PLC；
6．运行PLC控制程序，观察信号灯的亮灭情况；
7．如果信号灯的亮灭情况不正确，须进行程序修改和调试。
可借助“梯形图监控”和“元件监控”两种方法对程序进行监控、调试，直至程序正确。
图4-2PLC和PC连接示意图
图4-3PLC外部接线示意图
三．实验仪器及工具软件
断路器1个
按钮2个
指示灯3个
四．实验说明及注意事项
1．不可带电拔插RS-232串行电缆线，以免损坏PC和PLC接口；
2．编程电缆线接至PC机的COM2。
预习实验报告并画出控制程序梯形图。
1．简要说明工具软件FX-WIN的作用及其先进性；
2．画出控制程序梯形图并写出相应指令。
七．思考题
1．编写能实现下列要求的PLC控制程序：
2．编写十字路口交通信号灯PLC控制程序。
实验五PC与PLC串行通信程序设计与调试实验
1．学习和掌握PC和PLC之间的串行通信方法；
2．加深对PLC和PC的认识和了解。
二、实验内容及步骤
PC和PLC之间的串行通信常常被应用到机电控制系统之中，学习和掌握PC和PLC之间的串行通信，学生不仅可加深对PLC、PC机的认识，而且能拓宽知识面。
图8-1为PC和PLC连接示意图。
RS232电缆线将PC机的COM1和PLC的FX2N-232-BD串行接口板连接起来。
在本实验中，PC机和PLC之间进行双向串行通信。
一方面，PC机作为发送方，PLC作为接收方，PC机发送信息，PLC接收；
另一方面，PLC作为发送方，PC机作为接收方，PLC发送信息，PC机接收。
图8-1PLC和PC连接示意图
实验步骤:
1．学生按图8-1和图8-3接线；
2．在老师检查合格后，开PC机，接通PLC的电源开关（断路器QF1）；
3．将用于串行通信的梯形图输入PLC并运行；
4．运行PC机上“串行通信.EXE”软件，得到用VB制作的PLC和PC串行通信界面（如图8-2所示）；
5．在VB界面上，用鼠标点某个软按钮“开”，则控制电柜上相应的指示灯亮；
用鼠标点某个软按钮“关”，则控制电柜上相应的指示灯灭。
如：
用鼠标点L1的软按钮“开”，则控制电柜上指示灯L1亮；
用鼠标点L1的软按钮“关”，则控制电柜上指示灯L1则灭。
其它类推；
6．将电柜上的某些信息如：
“启动”、“停止”、“复位”传至PC机并显示在串行通信界面（如图8-2所示）的长方框内：
在控制电柜上，按下“启动”按钮，在串行通信界面的长方框内应出现“启动”字样；
按下“停止”按钮，在串行通信界面的长方框内应出现“停止”字样；
按下“复位”按钮，在串行通信界面的长方框内应出现“复位”字样。
图8-2串行通信VB界面
图8-3PLC外围接线图
三．实验说明及注意事项
1．PC机的串行接口COM1和PLC的FX2N-232-BD串行通信板的通信格式必须一致：
通信格式规定为:
数据长度为8位、偶校验、停止位为1位、波特率位2400；
2．为实现PLC和PC之间的通信，规定如下：
PLC接收数据缓冲地址：
D20–D30
PLC接收数据目的地址：
D60–D70
PLC发送数据源地址：
D40–D50
PLC发送数据缓冲地址：
D0–D10。
3．PC机上“串行通信.EXE”软件，是事先用VB编制好的PLC和PC串行通信界面程
序。
它的作用是：
在PC机和PLC进行串行通信时，负责发送信息给PLC和接收
来自PLC的信息。
四．实验用仪器工具
RS232电缆线1根
FX2N-232-BD串行接口板1块
断路器（QF1）1个
按钮3个
预习实验报告及附录，并画出PLC方通信程序梯形图。
画出梯形图，写出指令代码，分析实验结果。
1．试比较串行通信与并行通信的异同点；
2．为什么PC机的串行接口COM1和PLC的FX2N-232-BD串行通信板的通信格式必须一致？
3．什么是缓冲区？
其作用是什么？
在串行通信中，接收数据缓冲区和发送缓冲区有什么不同？
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