机电控制基础综合训练指导书

《机电控制基础课程设计》

指 导 书

适用专业： 机械电子工程

江苏科技大学机械与动力工程学院

2008年8月

目 录

第一章 液压系统的设计

1.1 液压系统的设计步骤 1.2 设计内容

第二章 直流电机调速仿真

2.1 PID电机调速原理图 2.2 Simulink仿真 2.3 要求

第三章 机床电气控制

3.1 三菱F1系列PLC的编程元件 3.2 三菱F1系列PLC的基本指令与编程 3.3 设计内容

1 11

13 13 26

27 29 34

第一章 液压系统的设计

1.1 液压系统的设计步骤

液压系统设计的步骤大致如下： 1）明确设计要求，进行工况分析。 2）初定液压系统的主要参数。 3）拟定液压系统原理图。 4）计算和选择液压元件。 5）估算液压系统性能。

6）绘制工作图和编写技术文件。

根据液压系统的具体内容，上述设计步骤可能会有所不同，下面对各步骤的具体内容进行介绍。

1.1.1明确设计要求进行工况分析

在设计液压系统时，首先应明确以下问题，并将其作为设计依据。 1）主机的用途、工艺过程、总体布局以及对液压传动装置的位置和空间尺寸的要求。

2）主机对液压系统的性能要求，如自动化程度、调速范围、运动平稳性、换向定位精度以及对系统的效率、温升等的要求。

3）液压系统的工作环境，如温度、湿度、振动冲击以及是否有腐蚀性和易燃物质存在等情况。

在上述工作的基础上，应对主机进行工况分析，工况分析包括运动分析和动力分析，对复杂的系统还需编制负载和动作循环图，由此了解液压缸或液压马达的负载和速度随时间变化的规律，以下对工况分析的内容作具体介绍。

图1位移循环图

- 1 -

? 运动分析

主机的执行元件按工艺要求的运动情况，可以用位移循环图(L—t)，速度循环图(v—t)，或速度与位移循环图表示，由此对运动规律进行分析。

1）位移循环图L—t

图1为液压机的液压缸位移循环图，纵坐标L表示活塞位移，横坐标t表示从活塞启动到返回原位的时间，曲线斜率表示活塞移动速度。该图清楚地表明液压机的工作循环分别由快速下行、减速下行、压制、保压、泄压慢回和快速回程六个阶段组成。

2）速度循环图v—t(或v—L)

工程中液压缸的运动特点可归纳为三种类型。图2为三种类型液压缸的v—t图，第一种如图2中实线所示，液压缸开始作匀加速运动，然后匀速运动，

图2 速度循环图

最后匀减速运动到终点；第二种，液压缸在总行程的前一半作匀加速运动，在另一半作匀减速运动，且加速度的数值相等；第三种，液压缸在总行程的一大半以上以较小的加速度作匀加速运动，然后匀减速至行程终点。v—t图的三条速度曲线，不仅清楚地表明了三种类型液压缸的运动规律，也间接地表明了三种工况的动力特性。 ? 动力分析

动力分析，是研究机器在工作过程中，其执行机构的受力情况，对液压系统而言，就是研究液压缸或液压马达的负载情况。

1）液压缸的负载力计算。工作机构作直线往复运动时，液压缸必须克服的负载由六部分组成：

F?Fc?Ff?Fi?FG?Fm?Fb (1)

式中：Fc为切削阻力；Ff为摩擦阻力；Fi为惯性阻力；FG为重力；Fm为密封阻力；Fb为排油阻力。

- 2 -

图3导轨形式

① 切削阻力Fc：为液压缸运动方向的工作阻力，对于机床来说就是沿工作部件运动方向的切削力，此作用力的方向如果与执行元件运动方向相反为正值，两者同向为负值。该作用力可能是恒定的，也可能是变化的，其值要

② 摩擦阻力Ff

为液压缸带动的运动部件所受的摩擦阻力，它与导轨的形状、放置情况和运动状态有关，其计算方法可查有关的设计手册。图3为最常见的两种导轨形式，其摩擦阻力的值为：

平导轨： Ff?f?Fn V形导轨： Ff?f?Fnsin(a/2)根据具体情况计算或由实验测定。

(2)

(3)

式中：f为摩擦因数，参阅表1选取；∑Fn为作用在导轨上总的正压力或沿V形导轨横截面中心线方向的总作用力；α为V形角，一般为90°。

③ 惯性阻力Fi。

惯性阻力Fi为运动部件在启动和制动过程中的惯性力，可按下式计算：

Fi?ma?G?v?t (4)

表1 摩擦因数f 导轨类型 导轨材料 运动状态 启动时 滑动导轨 铸铁对铸铁 摩擦因数(f) 0.15～0.20  低速(v＜0.1～0.120.16m/s) 高速(v0.05～0.08 ＞0.16m/s) 铸铁对滚柱(珠) 滚动导轨 静压导轨 淬火钢导轨对滚 柱(珠) 铸铁 - 3 -

0.005～0.020.003～0.006 0.005

式中：m为运动部件的质量(kg)；a为运动部件的加速度(m/s2)；G为运动部件的重量(N)；g为重力加速度，g=9.81 (m/s2)；Δv为速度变化值(m/s)；Δt为启动或制动时间(s)，一般机床Δt＝0.1～0.5s，运动部件重量大的取大值。

④ 重力FG

垂直放置和倾斜放置的移动部件，其本身的重量也成为一种负载，当上移时，负载为正值，下移时为负值。

⑤ 密封阻力Fm

密封阻力指装有密封装置的零件在相对移动时的摩擦力，其值与密封装置的类型、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关。在初 算 时，可按缸的机械效率(ηm=0.9)考虑；验算时，按密封装置摩擦力的计算公式计算。

⑥ 排油阻力Fb

排油阻力为液压缸回油路上的阻力，该值与调速方案、系统所要求的稳定性、执行元件等因素有关，在系统方案未确定时无法计算，可放在液压缸的设计计算中考虑。

2）液压缸运动循环各阶段的总负载力。 液压缸运动循环各阶段的总负载力计算，一般包括启动加速、快进、工进、快退、减速制动等几个阶段，每个阶段的总负载力是有区别的。

① 启动加速阶段：这时液压缸或活塞处于由静止到启动并加速到一定速度，其总负载力包括导轨的摩擦力、密封装置的摩擦力(按缸的机械效率ηm=0.9计算)、重力和惯性力等项，即：

F?Ff?Fi?FG?Fm?Fb

(5) (6) (7) (8)

② 快速阶段： F?Ff?FG?Fm?Fb ③ 工进阶段： F?Ff?Fc?FG?Fm?Fb

④ 减速： F?Ff?FG?Fi?Fm?Fb

对简单液压系统，上述计算过程可简化。例如采用单定量泵供油，只需计算工进阶段的总负载力，若简单系统采用限压式变量泵或双联泵供油，则只需计算快速阶段和工进阶段的总负载力。

3）液压缸的负载循环图。

对较为复杂的液压系统，为了更清楚的了解该系统内各液压缸(或液压马达)的速度和负载的变化规律，应根据各阶段的总负载力和它所经历的工作时间t或位移L按相同的坐标绘制液压缸的负载时间(F—t)或负载位移(F—L)

- 4 -

图，然后将各液压缸在同一时间t (或位移)的负载力叠加。

图4为一部机器的F—t图，其中：0～t1为启动过程；t1～t2为加速过程；t2～t3为恒速过程； t3～t4为制动过程。它清楚地表明了液压缸在动作循环内负载的规律。图中最大负载是初选液压缸工作压力和确定液压缸结构尺寸的依据。

图4负载循环图

1.1.2 液压缸的设计计算

1) 初定液压缸工作压力 液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑以下因素：

(1)各类设备的不同特点和使用场合。

(2)考虑经济和重量因素，压力选得低，则元件尺寸大，重量重；压力选得高一些，则元件尺寸小，重量轻，但对元件的制造精度，密封性能要求高。 所以，液压缸的工作压力的选择有两种方式：一是根据机械类型选；二是根据切削负载选。如表2、表3所示。

表2 按负载选执行文件的工作压力 负载/N 工作压力/MPa

表3 按机械类型选执行文件的工作压力 机械类型 工作压力MPa 机 床 磨床 a≤2 组合机床 龙门刨床 拉床 3～5 ≤8 8～10 农业机械 工程机械 10～16 20～32 ＜5000 50010000 ～10000～20000～30000～20000 2.5～3 30000 3～4 50000 4～5 ＞50000 ＞5 ≤0.8～1 1.5～2 2) 液压缸主要尺寸的计算

缸的有效面积和活塞杆直径，可根据缸受力的平衡关系具体计算，详见

- 5 -

《液压与气压传动》教材。

3) 液压缸的流量计算

液压缸的最大流量： qmax?A??max(m3/s)

(10)

式中：A为液压缸的有效面积A1或A2 (m2)；?max为液压缸的最大速度(m/s)。

液压缸的最小流量： qmin?A??min(m3/s) 式中：?min为液压缸的最小速度。

液压缸的最小流量qmin，应等于或大于流量阀或变量泵的最小稳定流量。若不满足此要求时，则需重新选定液压缸的工作压力，使工作压力低一些，缸的有效工作面积大一些，所需最小流量qmin也大一些，以满足上述要求。

流量阀和变量泵的最小稳定流量，可从产品样本中查到。 1.1.3液压元件的选择

1) 液压泵的确定与所需功率的计算 ? 液压泵的确定

(1)确定液压泵的最大工作压力。 液压泵所需工作压力的确定，主要根据液压缸在工作循环各阶段所需最大压力p1，再加上油泵的出油口到缸进油口处总的压力损失ΣΔp，即

pp?p1? (11)

??p

(12)

ΣΔp包括油液流经流量阀和其他元件的局部压力损失、管路沿程损失等，在系统管路未设计之前，可根据同类系统经验估计，一般管路简单的节流阀调速系统ΣΔp为(2～5)×105Pa，用调速阀及管路复杂的系统ΣΔp为(5～15)×105Pa，ΣΔp也可只考虑流经各控制阀的压力损失，而将管路系统的沿程损失忽略不计，各阀的额定压力损失可从液压元件手册或产品样本中查找，也可参照表4选取。

表4 常用中、低压各类阀的压力损失(Δpn) 阀名 单向阀 Δpn(×10Pa) 0.3～5阀名 背压阀 Δpn(×10Pa) 3～8 5阀名 行程阀 Δpn(×10Pa) 1.5～2 5阀名 转阀 Δpn(×10Pa) 1.5～2 5- 6 - 0.5 换向阀 1.5～3 节流阀 2～3 顺序阀 1.5～3 调速阀 3～5 (2)确定液压泵的流量qp。泵的流量qp根据执行元件动作循环所需最大流量qmax和系统的泄漏确定。

① 多液压缸同时动作时，液压泵的流量要大于同时动作的几个液压缸(或马达)所需的最大流量，并应考虑系统的泄漏和液压泵磨损后容积效率的下降，即

qp?K?qmax(m3/s)

(13)

式中：K为系统泄漏系数，一般取1.1～1.3，大流量取小值，小流量取大值；?qmax为同时动作的液压缸(或马达)的最大总流量(m3/s)。

② 采用差动液压缸回路时，液压泵所需流量为：

qp?K(A1?A2)?max(m/s)

3 (14)

式中：A1，A2为分别为液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积(m2)；?max为活塞的最大移动速度(m/s)。

③ 当系统使用蓄能器时，液压泵流量按系统在一个循环周期中的平均流量选取，即

z

qp??Vi?1i?K/Ti (15)

式中：Vi为液压缸在工作周期中的总耗油量(m3)；Ti为机器的工作周期(s)；Z为液压缸的个数。

(3) 选择液压泵的规格：根据上面所计算的最大压力pp和流量qp，查液压元件产品样本，选择与pp和qp相当的液压泵的规格型号。

上面所计算的最大压力pp是系统静态压力，系统工作过程中存在着过渡过程的动态压力，而动态压力往往比静态压力高得多，所以泵的额定压力pp应比系统最高压力大25%～60%，使液压泵有一定的压力储备。若系统属于高压范围，压力储备取小值；若系统属于中低压范围，压力储备取大值。

- 7 -

(4)确定驱动液压泵的功率。

① 当液压泵的压力和流量比较衡定时，所需功率为：

p?pp?qp??/1000(kW)

(16)

式中：pp为液压泵的最大工作压力(N/m2)；qp为液压泵的流量(m3/s)；

?为液压泵的总效率，各种形式液压泵的总效率可参考表5估取，液压泵规

格大，取大值，反之取小值，定量泵取大值，变量泵取小值。

表5 液压泵的总效率 液压泵类型 总效率

② 在工作循环中，泵的压力和流量有显著变化时，可分别计算出工作循

环中各个阶段所需的驱动功率，然后求其平均值，即

P?t1P1?t2P2?????tnPn/(t1?t2?????tn)

222齿轮泵 0.6～0.7 螺杆泵 0.65～0.80 叶片泵 0.60～0.75 柱塞泵 0.80～0.85 (17)

tn为一个工作循环中各阶段所需的时间(s)；式中：…，…，t1，t2，P1，P2，

Pn为一个工作循环中各阶段所需的功率(kW)。

按上述功率和泵的转速，可以从产品样本中选取标准电动机，再进行验算，使电动机发出最大功率时，其超载量在允许范围内。

? 阀类元件的选择

(1) 选择依据

选择依据为：额定压力，最大流量，动作方式，安装固定方式，压力损失数值，工作性能参数和工作寿命等。

(2) 选择阀类元件应注意的问题

1) 应尽量选用标准定型产品，除非不得已时才自行设计专用件。 2) 阀类元件的规格主要根据流经该阀油液的最大压力和最大流量选取。选择溢流阀时，应按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，应考虑其最小稳定流量满足机器低速性能的要求。

3) 一般选择控制阀的额定流量应比系统管路实际通过的流量大一些，必要时，允许通过阀的最大流量超过其额定流量的20%。 ? 蓄能器的选择

(1) 蓄能器用于补充液压泵供油不足时，其有效容积为：

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V??AlKii ?qpt(m)

3 (18)

式中：A为液压缸有效面积(m2)；l为液压缸行程(m)；K为液压缸损失系数，估算时可取K＝1.2；qp为液压泵供油流量(m3/s)；t为动作时间(s)。

(2) 蓄能器作应急能源时，其有效容积为：

V??AiliK(m)

3 (19)

当蓄能器用于吸收脉动缓和液压冲击时，应将其作为系统中的一个环节与其关联部分一起综合考虑其有效容积。根据求出的有效容积并考虑其他要求，即可选择蓄能器的形式。 ? 管道的选择

(1) 油管类型的选择

液压系统中使用的油管分硬管和软管，选择的油管应有足够的通流截面和承压能力，同时，应尽量缩短管路，避免急转弯和截面突变。

1)钢管：中高压系统选用无缝钢管，低压系统选用焊接钢管，钢管价格低，性能好，使用广泛。

2)铜管：紫铜管工作压力在6.5～10MPa以下，易变曲，便于装配；黄铜管承受压力较高，达25MPa，不如紫铜管易弯曲。铜管价格高，抗震能力弱，易使油液氧化，应尽量少用，只用于液压装置配接不方便的部位。

3)软管：用于两个相对运动件之间的连接。高压橡胶软管中夹有钢丝编织物；低压橡胶软管中夹有棉线或麻线编织物；尼龙管是乳白色半透明管，承压能力为2.5～8MPa，多用于低压管道。因软管弹性变形大，容易引起运动部件爬行，所以软管不宜装在液压缸和调速阀之间。

(2) 油管尺寸的确定 1)油管内径d按下式计算：

d?4q???1.13?103q?(mm) (20)

式中：q为通过油管的最大流量(m3/s)；?为管道内允许的流速(m/s)。一般吸油管取0.5～5(m/s)；压力油管取2.5～5(m/s)；回油管取1.5～2(m/s)。

2)油管壁厚δ按下式计算：

δ≥p·d/2〔σ〕

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(21)

式中：p为管内最大工作压力；〔σ〕为油管材料的许用压力，〔σ〕=σb/n；σb为材料的抗拉强度；n为安全系数，钢管p＜7MPa时，取n=8；p＜17.5MPa时，取n=6；p＞17.5MPa时，取n=4。根据计算出的油管内径和壁厚，查手册选取标准规格油管。 ? 油箱的设计

油箱的作用是储油，散发油的热量，沉淀油中杂质，逸出油中的气体。其形式有开式和闭式两种：开式油箱油液液面与大气相通；闭式油箱油液液面与大气隔绝。开式油箱应用较多。

(1) 油箱设计要点

1) 油箱应有足够的容积以满足散热，同时其容积应保证系统中油液全部流回油箱时不渗出，油液液面不应超过油箱高度的80%。

2) 吸箱管和回油管的间距应尽量大。

3) 油箱底部应有适当斜度，泄油口置于最低处，以便排油。 4) 注油器上应装滤网。

5) 油箱的箱壁应涂耐油防锈涂料。

(2) 油箱容量计算油箱的有效容量V可近似用液压泵单位时间内排出油液的体积确定。

V=KΣq (22)

式中：K为系数，低压系统取2～4，中、高压系统取5～7；Σq为同一油箱供油的各液压泵流量总和。 ? 滤油器的选择

选择滤油器的依据有以下几点：

(1)承载能力：按系统管路工作压力确定。

(2)过滤精度：按被保护元件的精度要求确定，选择时可参阅表6。 (3)通流能力：按通过最大流量确定。

(4)阻力压降：应满足过滤材料强度与系数要求。

表6 滤油器过滤精度的选择 系统 低压系统 70×105Pa系统 100×10Pa系统 140×105Pa系统 电液伺服系统 高精度伺服系统 5过滤精度(μm) 元件 100～150 50 25 10～15 5 2.5 滑阀 节流孔 流量控制阀 安全阀溢流阀 - 10 -

过滤精度(μm) 1/3最小间隙 1/7孔径(孔径小于1.8mm) 2.5～30 15～25 1.2 设计内容

1.2.1 题目

（1）设计一台钻镗两用组合机床动力滑台的液压控制系统。要求其完成的工作循环是：快进——工进——二工进——死挡铁停留——快退——原位停止。快进快退速度为7.3m/min，工进速度应能在6.6～660mm/min范围内无级调速，最大行程为400mm（其中一工进为100mm，二工进为80mm），最大切削力为18KN，运动部件的总重量为25KN，采用平面导轨，往复运动加、减速时间均为0.05s。

（2）某厂要设计制造一台双头车床，加工压缩机拖车上一根长轴两端的轴颈。由于零件较长，拟采用零件固定，刀具旋转和进给的加工方式。其加工动作循环是快进—工进—快退—停止。同时要求各个车削头能单独调整。其最大切削力在导轨中心线方向估计为12000N，所要移动的总重量估计为15000N，工作进给要求能在0.020～1.2m／min范围内进行无级调速，快速进、退速度一致，为 4 m／min，试设计该液压传动系统。

该机床的外形示意图

1-左主轴头；2-夹具；3-右主轴头；4-床身；5-工件

（3）设计某专用铣床的机电液控制系统，要求其完成的工作循环是：工件夹紧——动力头快进——动力头工进——延时停留1s——动力头快退到原位——工件松开。运动部件的总重量为25000N，快进与快退速度相等，均为5m/min，工进速度为100～1200mm/min，最大行程为400mm，其中工进行程为180mm，最大切削力为18000N，采用平面导轨，往复运动加、减速时间均为0.05s。

（4）某立式组合机床的动力滑台采用液压传动，已知切削负载为28000N，

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滑台工进速度为50mm/min，快进、快退速度为6m/min，滑台（包括动力头）的质量为1500kg，滑台对导轨的法向作用力为1500N，往复运动的加、减速时间为0.05s，滑台采用平面导轨，fs=0.2,fd=0.1,快速行程为100mm，工作行程为50mm

1.2.2 设计要求

? 液压系统工况分析（含负载分析、速度循环分析、负载循环图等） ? 拟定液压系统原理图（附运动部件动作循环图、电磁铁动作顺序表等） ? 液压系统的计算

1.2.3 分组

每个班级，根据学号分组设计 1）1—8号 2）9—16号 4）25—

第1题 第2题 第3题 第4题

3）17—24号

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第二章 直流电机调速仿真

2.1 PID电机调速原理图

直流电机PID调速原理图如下所示，输入信号in与反馈信号out相减后经过比例积分微分运算后传递给被控对象（电机），反馈信号可由测速发电机得到并输出至比较器，构成一个闭环系统。由于加入积分运算，整个系统是一个无差系统，可根据需要进行P控制、PI控制和PID控制，实际速度控制中PI控制采用较多。

比例In+-+微分+被控对象Out积分

图5 PID电机调速原理图

2.2 Simulink仿真 2.2.1 Simulink简介

Simulink是一种用来实现计算机仿真的软件工具。它是MAILAB的一个附加组件，用来提供一个系统级的建模与动态仿真工作平台。它一般可以附在MAILAB上同时安装，也有独立安装。Simulink是用模块组合的方法来使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型的，特别对于复杂的非线性系统，它的效果更为明显。

Simulink模型可以用来模拟线性或非线性、连续或离散或者两者的混合系统，也就是说它可以用来模拟几乎所有可遇到的动态系统。另外，Simulink还提供一套图形动画的处理方法，使用户可以方便地观察到仿真的整个过程。 Simulink没有单独的语言，但它提供了s函数规则。所谓的s函数可以是一个M文件、FORTRAN程序、C或C++语言程序等，通过特殊的语法规则使之能够被Simulink模型或模块调用。s函数使Simulink更加充实、完备，具有更强的处理能力。

同MATLAB一样，Simulink也不是封闭的，它允许用户可以很方便地定制自己的模块和模块库。同时Simulink也同样有比较完整的帮助系统，使用

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户可以随时找到对应模块的说明，便于应用。

综上所述．Simulink就是一种开放性的，用来模拟线性或非线性的以及连续或离散的或者两者混合的动态系统的强有力的系统级仿真工具。 目前，随着软件的不断升级换代，Simulink在软硬件的接口方面有了长足的进步，Simulink已经可以很方便地进行实时信号控制和处理、信息通信以及DSP的处理。许多知名大公司已经使用Simulink作为他们产品设计和开发的强有力工具。

2.2.2 启用Simulink并建立系统模型

由于Simulink是基于MATLAB环境之上的高性能的系统级仿真设计平台，因此启动Simulink之前必须首先运行MATLAB，然后才能启动Simulink并建立系统模型。启动Simulink有两种方式：

(1) 用命令行方式启动Simulink。即在MATLAB的命令窗口中直接键入如下命令：>>simulink

(2) 使用工具栏按钮启动Simulink。即用鼠标单击MATLAB工具栏中的Simulink按钮。

启动Simulink，建立系统模型，其相应的基本操作如图4.1所示。 当用户完成Simulink系统模型的编辑之后，需要保存系统模型，然后设置模块参数与系统仿真参数，最后便可以进行系统的仿真。

无论采用何种方式，用户都可以在短短几分钟内熟练掌握启动Simulink的方法并开始创建动态系统模型。在系统模型编辑器中，用户可以“拖动”Simulink提供的大量的内置模块建立系统模型。下一节将对Simulink中的内置系统模块作一个比较全面的介绍，以便初学者无需查阅各个模块的帮助文献，便可以迅速建立所需的系统模型。

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依次表示新建、打开系统模型文件 依次表示新建、打开与保存系统模型文件 图2.1 启动Simulink，建立系统模型的基本操作

2.2.3 Simulink模块库简介与使用

在2.1节中，用户已经掌握了如何启动Simulink并新建一个动态系统模型。为便于用户能够快速构建自己所需的动态系统，Simulink提供了大量以图形方式给出的内置系统模块，使用这些内置模块可以快速方便地设计出特定的动态系统。为了便于用户对Simulink内置模块库的认识与使用，本节简单介绍Simulink中的模块库以及模块库中具有代表意义的系统模块。图2.2所示为Simulink的模块库浏览器。

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图2.2 Simulink的模块库浏览器 Simulink的模块库能够对系统模块进行有效的管理与组织，使用Simulink模块库浏览器可以按照类型选择合适的系统模块、获得系统模块的简单描述以及查找系统模块等，并且可以直接将模块库中的模块拖动或者拷贝到用户的系统模型中以构建动态系统模型。 2.2.4 Simulink公共模块库

Simulink公共模块库是Simulink中最为基础、最为通用的模块库，它可以被应用到不同的专业领域中。Simulink公共模块库共包含9个模块库，如图2.3所示。下面分别介绍几个个模块的功能：

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连续系统模块库 连续系统模块库离散系统模块库 离散系统模块库函数与表库 函数与表库数学运算库 数学运算库非性线系性系非线统统模模块块库库 信与号系与系信号统统模模块块库库 模块搜索 模块描述 系统模块 系统模块库 系统输出模块库系统输出模块库 系统输入模块库系统输入信号模块库 子系ulink统模子块系库统模块库 Sim图2.3 Simulink的公共模块库

1. Continuous（连续系统模块库）

连续系统模块库以及其中各模块的功能如图2.4所示。

图2.4 连续系统模块库及其功能

2. Discrete（离散系统模块库）

离散系统模块库以及其中各模块的功能如图2.5所示。

图2.5 离散系统模块库及其功能

3. Functions & Tables（函数与表库）

函数与表库以及其中各模块的功能如图2.6所示。 4. Sinks（系统输出模块库）

系统输出模块库以及其中各模块的功能如图2.7所示。 5. Sources（系统输入模块库）

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模块功能说明： 模块功能说明：模块功能说明： 模块功能说明：连续信号的数值微分 连续信号的数值微分输入信号的连续时间积分 输入信号的连续时间积分单步积分延迟，输出为前一个输入单步积分延迟，输出为前一个输入 线性连间描述 线性连续系续统系的统状的态状空态间空描述线性连续系续统系的统传的递传函递数函描述线性连数描述 对输入信号进行固定时间延迟对输入信号进行可变时间延迟线性连续系统的零极点模型对输入信号进行固定时间延迟 对输入信号进行可变时间延迟 线性连续系统的零极点模型 线性离散系统的传递函数描述 线性离散系统的传递函数描述线性离散系统的零极点模型描述线性离散系统的零极点模型描述 线散性离散系统线性离系统的滤波的器滤描波述器描述 线统态的空状间态空间描述 线性离性散离系散统系的状描述离散时间积离分器散时间积分器 离散信号的一阶保持器单位延迟离散信号的一阶保持器 单位延迟 离散信号的零阶保持器离散信号的零阶保持器 系统输入模块库以及其中各模块的功能如图2.8所示。 6. Math（数学运算库）

数学运算库以及其中各模块的功能如图2.9所示。

模块功能说明： 表数据选择器（从表中选择数据） 表数据选择器（从表中选择数据）模块功能说明：求取输入信号的数学函数值 对输入信号进行内插运算 求取输入信号的数学函数值对输入信号进行内插运算输入信号的一维线性内插输入信号的一维线性内插 信二号维的线二维线性内插 输入输信入号的性内插信n号n维线性内插 输入输信入号的维的线性内插M函入进行运运算算输输出出结果M函数数（，对对输输入进行结）果 多项式求值多项式求值 查找输入信号所在范围S-函数模块查找输入信号所在范围 S函数模块 S-函数生成器S函数生成器 图2.6 函数与表库及其功能

模块功能说明块：功能说明： 模以数值形式值显形示式输显入示信输号入信号 以数悬浮信号显悬示浮器信号显示器 为子系统或统模或型模提型供提输供出输端出口端口 为子系信号显示器信号显示器 当输入非当零输时入停非止零仿时真停止仿真 中断输出信号 中断输出信号将仿据m写入mat文件 将仿真数据真写数入.at文件将仿真数据输出到atlab将仿真数据输出到MMATLAB工工作作空空间间 使atlab使用MA用TLMAB图形图显形示显数示据数据 图2.7 系统输出模块库及其功能

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图2.8 系统输入模块库及其功能

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模块功能说明： 模块功能说明：有限带宽白噪声有限带宽白噪声 输出频率随时间线性变换的正弦信号 输出频率随时间线性变换的正弦信号输出当前仿真时间 输出当前仿真时间常数输入 常数输入以固定速率输出当前仿真时间以固定速率输出当前仿真时间 从MATLAB工作空间中输入数据从Matlab工作空间中输入数据 m输at入文件中输入数据 从.mat文从件中数据接地信号接地信号 为子统或其它其模它型提入端口入端口 为系子系统或模供型输提供输输入脉冲信号输入脉冲信号 输入斜坡信号输入斜坡信号 输入服从高斯分布的随机信号输入周期信号信号发生器输入服从高斯分布的随机信号 输入周期信号 信号发生器 正弦信号初始器正弦信号初始器 输入阶跃信号输入服从高斯分布的随机信号输入阶跃信号 输入服从高斯分布的随机信号 模块功能说明：模块功能说明： 求取信号的绝对值求取信号的绝对值 输出强制系统输入为零的代数状态按位逻辑运算输出强制系统输入为零的代数状态 按位逻辑运算 逻辑真值查找 逻辑真值查找出复输入的相幅值与相位 输出输输入数的复幅数值与位输出输系统入的输实入部或部出输系统的虚实部或虚部 点乘运算信号增益信号逻辑运算点乘运算 信号增益 信号逻辑运算 幅值与相位转化为复数形式特定的一些数学函数矩阵增益幅值与相位转化为复数形式 特定的一些数学函数 矩阵增益 求取输入的最小或最大值求取输入的最小或最大值 乘法或除法器乘法或除法器 从输入实部与虚部构造复数关系运算器求整运算器符号运算渐变增益从输入实部与虚部构造复数 关系运算器 求整运算器 符号运算 对输入求和或差渐变增益 三角与双曲对函数输入求和或差 图2.9 数学运算库及其能

2.2.5 构建Simulink框图

2.2节中简单介绍了Simulink中的一些比较常用的系统模块。本节将介绍如何使用这些系统模块以构建用户自己的系统模型。当Simulink库浏览器被

启动之后，通过鼠标左键单击模块库的名称可以查看模块库中的模块。模块库中包含的系统模块显示在Simulink库浏览器右边的一栏中。对Simulink库浏览器的基本操作有：

(1) 使用鼠标左键单击系统模块库，如果模块库为多层结构，则单击“+”号载入库。

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(2) 使用鼠标右键单击系统模块库，在单独的窗口打开库

(3) 使用鼠标左键单击系统模块，在模块描述栏中显示此模块的描述。 (4) 使用鼠标右键单击系统模块，可以得到系统模块的帮助信息，将系统模块插入到系统模型中，查看系统模块的参数设置，以及回到系统模块的上一层库。

此外还可以进行以下操作：

(1) 使用鼠标左键选择并拖动系统模块，并将其拷贝到系统模型中。 (2) 在模块搜索栏中搜索所需的系统模块。 2.2.6 模块选择

这里用一个非常简单的例子介绍如何建立动态系统模型。此简单系统的输入为一个正弦波信号，输出为此正弦波信号与一个常数的乘积。要求建立系统模型，并以图形方式输出系统运算结果。已知系统的数学描述为 系统输入： u ) ? sin t ，t≥0 (t 系统输出： y(t)?au(t),a?0启动Simulink并新建一个系统模型文件。欲建立此简单系统的模型，需要如下的系统模块（均在Simulink公共模块库中）：

(1) 系统输入模块库Sources中的Sine Wave模块：产生一个正弦波信号。

(2) 数学库Math中的Gain模块：将信号乘上一个常数（即信号增益）。 (3) 系统输出库Sinks中的Scope模块：图形方式显示结果。

选择相应的系统模块并将其拷贝（或拖动）到新建的系统模型中，如图2.10所示。

图2.10 选择系统所需模块

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在选择构建系统模型所需的所有模块后，需要按照系统的信号流程将各系统模块正确连接起来。连接系统模块的步骤如下：

(1) 将光标指向起始块的输出端口，此时光标变成“+”。

(2) 单击鼠标左键并拖动到目标模块的输入端口，在接近到一定程度时光标变成双十字。这时松开鼠标键，连接完成。完成后在连接点处出现一个箭头，表示系统中信号的流向，如图2.11所示。

图2.11 系统模块之间的连线

在Simulink的最新版本中，连接系统模块还有如下更有效的方式：

(1) 使用鼠标左键单击起始模块。

(2) 按下Ctrl键，并用鼠标左键单击目标块。 2.2.7模块操作

下面介绍一些对系统模块进行操作的基本技巧，掌握它们可使建立动态系统模型变得更为方便快捷。

1、模块的复制

如果需要几个同样的模块，可以使用鼠标右键单击并拖动某个块进行拷贝。也可以在选中所需的模块后，使用Edit菜单上的 Copy 和Paste 或使用热键Ctrl+C和Ctrl+V完成同样的功能，如图2.12所示。

图2.12 模块的复制

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2. 模块的插入

如果用户需要在信号连线上插入一个模块，只需将这个模块移到线上就可以自动连接。注意这个功能只支持单输入单输出模块。对于其他的模块，只能先删除连线，放置块，然后再重新连线。具体操作如图2.13所示。

图2.13 系统模块的插入

3. 连线分支与连线改变

在某些情况下，一个系统模块的输出同时作为多个其它模块的输入，这时需要从此模块中引出若干连线，以连接多个其它模块。对信号连线进行分支的操作方式为：使用鼠标右键单击需要分支的信号连线（光标变成“+”），然后拖动到目标模块。

对信号连线还有以下几种常用的操作：

(1) 使用鼠标左键单击并拖动以改变信号连线的路径。

(2) 按下Shift键的同时，在信号连线上单击鼠标左键并拖动，可以生成新的节点。

(3) 在节点上使用鼠标左键单击并拖动，可以改变信号连线路径。 信号连线分支与连线改变如图2.14所示。

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图2.14 连线分支与连线改变

4. 信号组合

在利用Simulink进行系统仿真时，在很多情况下，需要将系统中某些模块的输出信号（一般为标量）组合成一个向量信号，并将得到的信号作为另外一个模块的输入。

图2.15 信号组合

2.2.8 运行仿真

1. 系统模块参数设置与系统仿真参数设置

当用户按照信号的输入输出关系连接各系统模块之后，系统模型的创建工作便已结束。为了对动态系统进行正确的仿真与分析，必须设置正确的系统模块参数与系统仿真参数。系统模块参数的设置方法如下：

(1) 双击系统模块，打开系统模块的参数设置对话框。

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按按下下Shift键、使用鼠标Shift键、左键左键单击并拖动单击并拖动 使右用键鼠单标右击键连单线击拖连线拖到动目到目动标标模模块块 使用鼠左标键左单键击单击并并拖拖动动 (2) 在参数设置对话框中设置合适的模块参数。

图2.16 系统模块参数设置

当系统中各模块的参数设置完毕后，可设置合适的系统仿真参数以进行动态系统的仿真。有关系统仿真参数设置的知识请参照有关书籍。对于图2.16所示的动态系统，系统模块参数设置如图中所示（增益取值为5），系统仿真参数采用Simulink的默认设置。 2. 运行仿真

当对系统中各模块参数以及系统仿真参数进行正确设置之后，单击系统模型编辑器上的Play图标（黑色三角）或选择Simulation菜单下的Start便可以对系统进行仿真分析。对于图2.16所示的动态系统，采用上述的模块参数设置与默认的仿真参数进行仿真。仿真结束后双击Scope模块以显示系统仿真的输出结果，如图2.17所示。

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图2.17 系统仿真及结果输出

2.3 要求

电机的速度模型可等效为一个一阶系统，请自行设置一个一阶系统，结合图5的PID调速原理，采用Simulink做PID调速仿真。并进一步分析各环节及参数对系统性能的影响。

向量信号输出，其中黄色显示为Mux第一端口的信号、紫色显示为Mux第二端口的信号。 单击Start Simulation按钮以缺省参数仿真 - 26 -

第三章 机床电气控制

3.1三菱F1系列PLC的编程元件

? 编程元件的编号规则

? 以英文字母开头 字母表示编程元件的的功能 ? 后跟三位八进制数字

? 编程元件

? 输入继电器（X）

? 输出继电器（Y） ? 定时器（T） ? 计数器（C）

? 辅助继电器（M） ? 特殊辅助继电器（M） ? 状态器（S）

输入继电器（X）

? 数量

输入继电器共有24个 ? 编号

X400～X407 X410～X413 X500～X507 X510～X513

? 特点

在梯形图中只能有输入继电器的触点，而不能出现输入继电器的线圈。 输出继电器（Y）

? 数量

输出继电器共有16个

? 编号

Y430～Y437 Y530～Y537

? 特点

输出继电器的线圈不能由PLC的外部信号来驱动，只能由程序的执行结果来驱动。 定时器（T）

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? 数量

定时器共有32个

? 编号

T050～T057 T450～T457 T550～T557 T650～T657

? 特点

定时器相当于继电-接触器控制系统中的时间继电器，它能提供无数对常开、常闭延时触点供用户编程使用。

定时器的延时时间是由编程中的设定值K来决定的。 计数器（C）

? 数量

计数器共有32个 ? 编号

C060～C067 C460～C467 C560～C567 C660～C667

? 特点

? 计数器主要于记录脉冲个数或根据脉冲个数设定某一时间。

? 计数器的计数范围是0～999

辅助继电器（M）

? 种类

? 一是通用型，不具备掉电保护功能 ? 另一种是掉电保护型，失电后不复位。

? 数量

通用型辅助继电器共有128个 掉电保护型辅助继电器64点 ? 编号

通用型 M100～M277 掉电保护型 M300～M377

? 特点

辅助继电器的功能相当于继电-接触器控制系统电路中的中间继电器。 它不能由任何外部设备来驱动，也不能直接驱动外部负载。

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特殊辅助继电器（M）和状态器（S）

? 特殊辅助继电器数量 15个 ? 特殊辅助继电器编号

M70～M74 M76～M77 M470～M473 M570～M573

? 特殊辅助继电器用途 进行运行监视、初始化脉冲、电池电压下降指示等

? 状态器的数量 40个 ? 状态器的用途

在编制步进程序中使用的基本元件

? 状态器的编号 S600～S647 ? 状态器的特点

属于掉电保护继电器 3.2 三菱F1系列PLC的基本指令与编程 LD、LDI、OUT指令

? 指令的作用

? LD（LoaD）:取指令，是常开触点与母线的连接指令。 ? LDI(LoaD Inverse)：取反指令，是常闭触点与母线的连接指令。 ? OUT：驱动线圈的输出指令。

? 指令的使用说明

? LD、LDI可与后面讲到的块操作指令ANB、ORB相配合，用于分支电路的起点

? OUT指令用于Y、M、T、C、S及F（功能指令线圈），不能用于X；

并联输出OUT指令可连续使用任意次

? OUT指令用于T和C，其后须跟常数K。K为延时时间或计数次

数

? 指令举例

LD、LDI、OUT指令的例子

X400

（Y430） X401

（Y431） K 10 （T450） T450

（Y431）- 29 - LD X400 OUT Y430 LDI X401 OUT Y431 OUT T450 K 10 LD T450 OUT Y431

（a）梯形图 （b）语句表

AND、ANI指令

? 指令的作用

? AND：与指令，用于单个常开触点的串联；

? ANI(ANd Inverse)：与反指令，用于单个常闭触点的串联。

? 指令的使用说明

? AND和ANI指令用于单个触点与左边触点的串联，可连续使用； ? 若是两个并联电路块（两个或两个以上触点并联连接的电路）

串联，则需用后面的ANB指令。

? 指令举例

X400

X401

（Y430）

LD X400 AND X401 OUT Y430

（Y431） X402 Y430

LD X402 ANI Y430 OUT Y431

X403

（Y432）

AND X403 OUT Y432

（a）梯形图 （b）语句表

OR、ORI指令

? 指令的作用

? OR：或指令，用于单个常开触点的并联；

? ORI(OR Inverse)：或反指令，用于单个常闭触点的并联。

? 指令的使用说明

? OR、ORI指令仅用于单个触点与前面触点的并联；

? 若是两个串联电路块（两个或两个以上触点串联连接的电路）

相并联，则用后面将学的ORB指令。

? 指令举例

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X400 X401

（Y430） LD X400 OR X402 AND X401 OUT Y430 LD X403 AND Y430 OR Y431 AND X404 ORI M101 OUT Y431

X402

X403 Y430 X404

（Y431） Y431

M101

（a）梯形图 （b）语句

表

ORB指令

? 指令的作用

ORB(OR Block)：或块指令，用于串联电路块的并联连接

? 指令的使用说明

? 串联电路块与前面的电路并联连接时，分支的开始用LD、LDI

指令，分支结束用ORB指令；

? 串联支路并联的次数不受限制，但每并联一次就要用一次ORB

指令； ? ORB指令不带目标编程元件，是一个独立指令。

? 指令举例

X400 X402 X404

X401

（Y430） LD X400 AND X401 LD X402 AND X403 ORB

LDI X404 OR X406 ANI X405 ORB

OUT Y430

X403 X405

X406

（a）梯形图 （b）语句表

ANB指令

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? 指令的作用

ANB(And Block)：与块指令，用于并联电路块的串联连接 ? 指令的使用说明

? 并联电路块与前面的电路串联连接时，分支的开始用LD、LDI

指令，分支结束用ANB指令； ? 多个并联电路块连续串联连接，按顺序用ANB指令进行连接，ANB使用次数不受限制；

? ANB指令不带目标编程元件，是一个独立指令。

? 指令举例

X400 X403 X401 X402

（Y430） X404 X405

X406

LD X400 OR X403 LD X401 ORI X404 ANB

LD X402 OR X405 ANB

ORI X406 OUT Y430

（a）梯形图 （b）语句表

S、R指令 ? 指令的作用

? S（Set）：置位指令,使操作保持的指令。

? R(Reset)：复位指令，使操作保持复位的指令。

? 指令的使用说明

? S指令用于将Y、S、M200～M377等元素置1并具有保持功能； ? R指令用于取消Y、S、M200～M377等元素的自保持功能并置

0。

? 指令举例

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X400

（S M205）

LD X400

S M205

LDI X401

X401

（R M205）

R M205

（a）梯形图 （b）语句表

RST指令 ? 指令的作用

RST（ReSeT）：复位指令，用于计数器或移位寄存器的复位。 ? 指令的使用说明

? 程序执行时优先执行RST指令,在复位状态时,计数器或移位寄存器不再接受其它输入数据；

? 复位电路、计数器的计数电路及移位寄存器的移位电路是相互

独立的,编写时可任意安排它们的先后次序。

? 指令举例

X400 M71 X402 M120 RST

LD X400

C461

OR M71 RST C461

K 10

LD X402 ANI M120 OUT C461 K 10 LD C461 OUT Y430

OUT

C461

（Y430） （a）梯形图 （b）语句表

MC、MCR指令

? 指令的作用

? MC(Master Control)：主控指令，用于公共逻辑条件控制多个线

圈，使主母线移到主控触点之后。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/x6l8.html