控制元件十篇

控制元件篇1

关键词：控制理论；自动控制元件；反馈控制教学

作者简介：周鑫（1979-），男，湖南益阳人，第二炮兵工程大学控制工程系，讲师；刘志国（1977-），男，湖南益阳人，第二炮兵工程大学控制工程系，讲师。（陕西　西安　710025）

基金项目：本文系第二炮兵工程大学“自动控制元件”课程建设的研究成果。

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）31-0052-03

所谓控制，就是根据系统内外部变化，进行有目的的调整，一次又一次地克服不确定性，纠正偏差，使系统始终处于某种特定状态的一种活动。[1]控制理论认为，任何系统、过程与运动都可以看作一个复杂的控制系统，控制理论思想的应用并不仅仅局限于工业生产或军事设备控制方面，也可以扩展到其他领域。

教学是一种有计划、有目的的活动。教学的目的在于使学生形成一定的心理过程及特性。学生的心理过程是有规律的，因而是可以控制的，问题在于掌握借以控制这种过程的规律。由此认为，控制理论对于教学来说，在原则上也是适用的。因此可以将控制理论的基本原理和方法推广至教学领域，建立教学控制系统，结合教学过程的特点及规律，改革传统教学过程，研究和解决教学过程中的一系列问题，以实现对教学过程的有效控制和全面优化，从而更好地控制教学质量，提升学员的学习积极性，提高教员的教学水平，达到教学相长的目的。

一、反馈控制教学的基本原理

控制系统由被控对象和控制装置组成，控制方式分为开环控制、闭环控制和复合控制，传统的知识注入型教学过程通常为开环控制方式。以学员作为控制对象，以课程教学目标为期望值，以教学效果为控制量，可建立课程教学开环控制系统，如图1所示。

在图1所示的系统中，教员进行课堂授课时，学员扮演的是被动接收知识的角色。从控制理论观点来看，传统的知识注入型教学存在着控制作用的断续性与反馈联系的偶然性问题，因而不是最佳的教学方式。由于缺少有效且连续的反馈信息，教员无法及时掌控教学情况，学员学习主动性差，教员教学水平提高缓慢，往往难以达到预期教学效果。

若在系统中增加前馈补偿和反馈通道，则可建立闭环（反馈）教学控制系统，如图2所示。

由图2可知，由于建立了良好的反馈联系，教员在教学过程中能够及时发现实际教学效果与教学目标的偏差，从而根据反馈控制原理适时改变控制方式（调节教学内容、教学进度、教学方法和教学手段等），以保证：教学过程始终沿着教学目标的固有轨道前进；教学内容、方法和手段适合教学对象，且不断趋于完美；教学研究与教学本身得以同步发展。

在课程教学实践中，应该依据课程、学员和教员等各方面的实际情况，深入分析课程教学控制系统的各个组成部分，细化前馈和反馈环节，建立课程教学控制系统模型，图3为针对“自动控制元件”课程建立的教学反馈控制系统结构图。

由图3可知，在“自动控制元件”教学反馈控制系统中，以自主预习的前馈补偿方式以及自主复习的局部反馈方式促使学员在自控（学员自学）和他控（学员之间的相互学习、交流、激励）方式作用下，初步消化和掌握教员在课堂授课过程中讲授的理论知识。教员在课堂授课过程中，采用有效的课堂提问等方法，及时掌握学员学习动态，实时调整教学过程，以保证教学效果；课后，通过每周答疑、课后作业、课程实验、课中考核、课外实践以及学员针对课程提供意见建议等多种反馈方式，获取学员对课程知识的掌握和应用情况以及学习态度、精神状态等，并根据反馈信息适时调整教学过程，从而缩小教学效果与教学目标的偏差。在传授知识和能力的同时，教员的授课能力也可通过自身的总结交流、教学督导组的评价以及学员的意见建议等三个反馈渠道得到及时反映，以促进教学水平的提高。

二、反馈控制教学中需要注意的问题

在教学控制系统中，教学是一种有目的、有计划的实施控制活动的过程。要实现有效控制，首先必须建立较为准确的系统模型，然后根据课程、学员和教员的实际情况制定行之有效的控制方式。既要因“材”施教，也要因“才”施教，“材”指的是课程的教学目标和教学内容，“才”指的是学员和教员。实现因“材”施教和因“才”施教的关键在于构建有效的信息反馈通道。

1.教学控制系统模型的建立

系统模型越准确，控制效果越好。因此在系统建模时，必须深入分析教学反馈控制系统的各部分结构，了解“材”和“才”的实际情况，确定系统期望和反馈信息及其之间的关系。教学控制系统中需要明确的主要信息和组成部分包括：

（1）系统期望，即教学目标。严格依照专业人才培养方案和课程标准制定课程的总体教学目标和各章节、每次授课的教学目标。

（2）被控对象，即学员。通过课前召开座谈会、课中答疑以及与学员代表交流沟通等方式全方位了解授课对象。

（3）控制方式，即教学实施方案。制定具体且具有针对性的课程教学改革方案、课程教学设计方案和课堂教学方案。而在课堂教学实施计划开展之前，教员应该进行精心的教学准备，具体工作包括深入理解教学内容、设计具有一定特色的多媒体课件和教案、熟练掌握几种教学方法、开发交互式课程学习网站和建设试题库等。

（4）评价方式，即根据学员的学习情况，把实际值与期望值进行比较，对教学工作做出客观评价。按照教学目标衡量实际成效，最理想的情况是在偏差较小时就有所察觉，并采取措施加以改善。但是，仅凭经验是远远不够的，必须制定客观公正、切实可行的评价方案对学员进行综合评定，才能客观地评价教学效果。

控制元件篇2

关键词：飞行控制软件；单元测试；动态测试

中图分类号：TP301

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）005-0029-03

作者简介：刘思思（1985-），女，陕西商洛人，硕士，上海机电工程研究所工程师，研究方向为飞行控制软件开发、系统集成与验证；刘迪（1985-），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，上海机电工程研究所工程师，研究方向为制导控制系统设计与仿真。

0 引言

在飞行控制软件（简称飞控软件）开发过程中，单元测试环节必不可少。其中，静态度量指标可以用专门的工具很方便得出其具体数值，而动态测试虽然也有专门的工具，但编写测试用例需要花费大量时间和精力。当前，航天多型号开发任务重，迫切需要应用自动化的测试工具软件来提高动态测试的工作效率。

本文结合飞控软件的特点，论述通过自动生成测试用例的工具软件Cantata6.2进行单元动态测试的方法。

1 飞行控制软件特点

飞控软件的主要功能是完成相关设备之间的实时信息交互与控制解算，从而实现飞行过程中姿态和位置的控制。飞控软件主要分为应用层软件、接口协议层软件和底层驱动软件3个部分，软件架构如图1所示。

应用层软件由实现姿态和位置控制的各功能模块组成；接口协议层软件主要为飞行控制设备与其它设备之间通信的协议模块；底层驱动软件主要由飞行控制设备的接口驱动模块以及硬件输入输出模块组成。

飞控软件嵌入在飞控设备中，具有实时性高、时序和逻辑复杂、可靠性高的特点。首先，要确保底层驱动软件和接口协议软件的正确性，使得各类信号得以正确传输；其次，要确保软件与控制算法模型的一致性，输入输出及解算正确；最后，要确保软件时序和逻辑的正确性。只有这样才能保证飞行控制系统正常工作。

2 飞行控制软件单元测试的意义

对飞控软件的最小组成单位――函数进行测试的目的在于检验其能否正确地实现其功能，满足性能指标和接口要求。通过语句（SC）、条件（DC）、修正条件判断（MC/DC）等覆盖率指标评价程序结构，及早发现软件代码中的编码和逻辑错误。

对控软件来说，被测函数已经完成了编码和调试，能够通过编译和链接进行单元测试。此外，不考虑每个模块与其它模块之间的关系，为每个模块设计驱动模块和桩模块，每个模块进行独立的单元测试，各模块的单元测试可以并行进行，能够提高测试效率，也较容易实现100%的覆盖率指标要求[1]。

3 Cantata6.2测试工具

3.1 Cantata6.2简介

Cantata6.2采用先进的代码分析器和AutoTest技术，智能分析被测代码，扫描代码的所有可能路径，根据选定的覆盖率标准，自动生成满足100%覆盖率的测试用例。对全局变量、返回值自动赋期望值，并包含对全局变量、返回值、调用函数参数传递等进行检查。对形参为复杂类型，如结构体指针的情况，能自动生成相应的测试对象，即构造一个结构体数组，将结构体数组的地址赋给形参。自动生成桩函数，在测试工程中替代真实的外部函数。使用Cantata6.2进行单元测试的原理如图2所示。

用户可以使用Cantata6.2工具AutoTest选择相应的覆盖率规则集，通常航天A级软件要满足修正条件判断（MC/DC）覆盖率100%，B级软件要满足分支判断（DC）覆盖率指标100%，C级软件要满足语句（SC）覆盖率指标100%。飞控软件通常均为A级软件，选择DO-178B/ED-12B Level A Coverage规则，自动生成满足SC、DC、MC/DC3个覆盖率指标要求的测试脚本文件。

3.2 含有桩函数的测试实例

本文以飞控软件的指令形成函数模块为例，检验Cantata6.2的动态测试功能。该函数模块的主要功能是形成稳定控制系统姿态控制等的指令信号。代码框架如下：

void Instruction （C_INSTRCUTION *C_）

{

……； //定义局部变量

if（C_->fInTT < t1）

{

……； //控制解算

}

else

{

……； //控制解算

Function1（C_）；

……；

if（C_-> fInTT < t2） //注①

{

……；

}

else

{

……；

}

……；

}

}

利用Cantata6.2进行动态测试。自动生成10个测试用例并执行完后，语句覆盖率和分支判断覆盖率都没有达到100%，源代码中注①处标注的条件判断的假分支没有得到执行。于是，手动添加一个测试用例，使得在给定的输入条件下结构体变量C_-> fInTT的值落在[t2，∞）的区间内，接着重新执行该测试用例，结果还是执行不到该假分支。仔细分析代码后发现，该分支中的条件判断表达式中的结构体变量C_-> fInTT的值已被桩函数Function1（C_）修改。

处理方法如下：第一步，在Cantata6.2的调用接口控制界面中，为该桩函数添加一个新的桩函数实例，并手动修改结构体变量C_-> fInTT的值，该数值应大于或等于t2；第二步，在Cantata6.2测试用例界面，将调用序列更改为新的桩函数实例。至此，执行全部11个测试用例之后，满足语句和分支判断覆盖率全达到100%的指标要求。

3.3 编译器对测试结果的影响

飞行控制软件的编译器目前主要使用CCS2.2或CCS3.3，在用Cantata6.2进行单元测试时，CCS被设置为Simulator模式，Cantata6.2会自动调用CCS，执行编译好的测试中间文件，进而生成测试结果文件。测试过程中，笔者发现对于如下代码段，Cantata6.2自动生成的测试用例对X自动赋值为0.9999，调用CCS2.2执行用例后，代码运行的实际路径与期望路径不一致，测试结果不能达到100%的分支覆盖率指标要求。

#define ZEROP 0.00001

void Function2 （void）

{

if（X

{

……；

}

else

{

……；

}

……；

}

笔者分别在CCS2.2和CCS3.3编译器环境下，验证了该代码段的运行情况，最终得出结论如下：①在CCS2.2编译器下，程序执行真分支，与期望不一致，结果不正确；②在CCS3.3编译器下，程序执行假分支，与期望一致，结果正确。上述结果表明，不同的编译器版本影响程序实际执行路径的正确性。

4 基控软件的Cantata6.2使用策略

4.1 Cantata6.2使用策略

飞控软件中包含很多复杂的结构体数据类型，Cantata6.2能够对结构体类型自动赋值，不用手动一一赋值；而且飞控软件涉及大量数学计算，Catata6.2的测试脚本是开放的纯C代码，可在其脚本管理器界面或测试脚本中直接修改某个测试用例的变量值，提高测试效率。Cantata6.2测试工具是通用的，而飞控软件具有其特殊性，就二者的融合使用，笔者总结出如下经验：

（1）飞控软件中一般都包含do while（1）的死循环结构，测试时需要将这类死循环放开，测试用例才能执行完毕。

（2）飞控软件中包含有很多类似“x=x”的赋值操作，本义是在某些特定条件下，x的值不变，测试时要将这类语句注释起来，否则Cantata6.2会报错。

（3）当被测函数包含子函数时，Cantata6.2会自动作打桩处理，但桩函数有可能会修改某些全局变量的值，进而导致某个分支始终无法覆盖。这时，可以在该桩函数的调用接口添加一个桩函数实例，并手动修改该变量的值，再将调用序列更改为新的桩函数实例，如3.2小节所述实例。

（4）飞控软件作为嵌入式软件，最终是固化在飞控设备中，构成飞控系统运行。因此，软件一般都包含对硬件端口地址的操作，如果是从端口输出数据，测试时需要将这些代码注释起来，如果是读取某个地址的值，则可以自己定义一个变量代替该数值，否则将导致不能自动生成测试用例。

（5）飞控软件中的控制算法一般都包含有积分计算，开发人员一般习惯定义静态的局部变量，遇到这种情况时，应该将这些变量移到函数外部定义，否则会导致不能自动生成测试用例。

4.2 测试驱动开发

Cantata6.2测试工具能够自动生成测试用例，即使不满足语句、分支判断、修正条件判断覆盖率100%要求，测试人员也能很快根据覆盖率结果图示手动添加新的测试用例，使得该用例执行后覆盖到上一次未覆盖到的分支。但是，就笔者的使用经验而言，Cantata6.2对被测代码的要求比较高，被测代码要符合标准C要求，其头文件不能相互嵌套重复引用，否则一个.c文件和其相关的.h文件加载进去就会出现错误提示和警告，而且必须将这些错误提示解决完并通过编译后，才能进行下一步生成测试用例的工作。此外，由控软件具有逻辑复杂、运算量大的特点，要借助Cantata6.2的自动生成测试用例的功能快速完成飞控软件测试，这也对飞控软件的代码质量和框架结构提出了比较高的要求。在飞控软件框架结构和代码质量比较高的情况下，可以加载整个.c文件，一次性生成整个.c的全部测试用例，而不用单个函数去建测试工程，从而加快测试速度。笔者总结使用经验如下：

（1）飞控软件的自动驾驶仪模块根据控制系统的模型编写，模型中包含滚动、偏航、俯仰三通道控制解算算法，该模块代码最好拆成3个函数模块，单个模块代码行数要在200行以内，便于测试，代码结构也更加清晰。

（2）由控软件的特殊功能需求，同一个函数中包含多个条件表达式“与”或者“或”，再进行逻辑（即if else）判断的用法非常多，譬如if（条件表达式1&&条件表达式2||条件表达式3），开发人员在编写代码时，最好将这些条件表达式的计算在if判断之前完成，以有利于测试用例能够正常覆盖到期望的分支。

（3）依据航天软件工程化标准要求，飞控软件的安全关键性等级一般为A级，单元测试必须满足语句（SC）、分支判断（DC）、修正条件判断（MC/DC）覆盖率均达到100%。MC/DC要求每个判定中的每个条件都曾至少一次独立影响判定结果。由控系统的特殊算法需求，模型中涉及分段函数计算比较多，选择MC/DC覆盖率标准后，某些代码会覆盖不到。代码结构如下，斜体加粗部分为未覆盖到的代码：

if（（x1>x2）&&（x1< （x2+const1）））

{

……；

}

else if（ （x1>（x2+ const2））&&（x1< （x2+const3））） //注2：0

{

……；

}

else

{

……；

}

分析上述代码，笔者认为由于选择了修正条件判断覆盖率标准MC/DC，Cantata6.2认为第一个判断条件“x1>x2”的假分支不应再包含“x1>（x2+const2）”的判断条件。类似情况，建议控制系统设计师修改模型文件，或者软件开发人员优化程序结构。

（4）通过3.3小节中的实例，建议开发人员应该选择升级版本的编译器作为开发工具。此外，笔者尝试了将ZEROP定义为局部变量0.00001，结果程序无论在CCS2.2还是CCS3.3编译器下，均执行不到期望的正确分支，这对编码质量提出了较高要求。

5 结语

利用Cantata6.2自动生成测试用例的功能能够快速完成单元动态测试，促进开发人员提高编码质量，提高飞控软件的可移植性和可维护性，满足当前航天多型号软件开发和单元测试的工作需求。同时，工具内置的很多规则集能够帮助测试人员快速定位软件编码错误和框架问题，进而帮助开发人员更好的优化程序结构，进一步提高航天软件研制水平。

参考文献：

[1] 张猛，毛亮.航天嵌入式软件的单元测试方法探讨[J].航天器工程，2006（7）：32-35.

[2] 陶幸辉，宋志刚.嵌入式飞控软件测试方法研究及实践[J].软件导刊，2011（8）：14-16.

[3] 马飒飒，赵守伟，肖小峰.基于覆盖与故障注入的飞控软件测试技术研究[J].计算机测量与控制，2005，13（3）：291-293.

控制元件篇3

关键词：军用光电；质量控制；元器件

电子元器件是构成热像仪等军用光电产品的最小单元，是整个装备的基础和重要保障资源，它的可靠性直接关系到装备整体的可靠性和战术技术指标，关系到装备的成败。由于元器件在决定整机装备的可靠性方面起着决定性的作用，对元器件质量控制方法、技术和管理的探讨，一直以来都是世界各国可靠性工作研究的主题。随着现代电子技术的发展，特别是微电子技术的发展，为军用光电产品向小型化和模块化发展创造了有利的条件，同r也对元器件质量控制工作提出了更高的要求。然而，元器件质量控制又属于技术基础工程，与一个国家的工业基础密切相关，在实施方法和思路上也应随着工业技术的进步和发展而不断改进完善。

1.国内军用光电产品元器件质量控制方法存在的问题

国内现行的二次筛选模式是靠使用者对元器件进行质量把关的，而不是把元器件的质量控制放在生产和流通环节来进行控制。这种方法存在如下问题：

1）筛选试验条件的设计是以元器件的失效机理和制造工艺为依据的，元器件使用方在不完全了解元器件复杂的制造工艺情况下设计的筛选试验条件，其有效性是值得怀疑的；筛选试验中由于条件限制，检测试验操作不当，防护不当，还会对元器件造成损伤，引入其他缺陷或隐患。因此，不恰当的筛选试验，起不到提高元器件使用可靠性的目的。

2）整机厂元器件筛选试验中积累的宝贵的试验数据，无法及时反馈到元器件制造厂，不利于提高元器件制造厂改进设计和制造工艺。

3）在整机厂实施元器件筛选试验的过程中，暴露出一些实际问题和困难，例如：元器件筛选试验耗时较长，在生产阶段进行100%的筛选，常常与生产进度发生冲突；建立筛选试验工艺线，投资较大，普遍存在低端设备重复建设，整体水平不高的现象。

4）在整机研制阶段，由于有元器件筛选这个必须进行的环节，使研发人员放松了自身对元器件技术特性、使用质量和可靠性知识的学习和了解，将元器件质量控制的责任推给了筛选环节，不利于提高整机的设计质量。

5）在整机生产阶段，由于有元器件筛选这个后续的把关环节，使采购人员放松了对元器件采购环节的质量控制，也放松了自身对业务知识的学习。

6）随着表贴器件和超大规模集成电路的广泛应用，整机厂实施元器件筛选的技术难题表现越来越突出，特别是超大规模集成电路的大量使用，整机厂实施这类器件的筛选越来越困难，测试设备、测试软件和老化设备无法满足要求，测试和老化夹具的开发技术远远滞后于微电子技术的发展，有些需要使用时现场开发才能检测性能的集成电路甚至无法实施器件级的筛选，例如现场可编程门阵列（FPGA）等。

7）由于元器件选型不当和设计不当造成的故障，也无法通过筛选来消除。因此，随着技术的进步和元器件质量状况的变化，整机厂如何实施元器件质量控制工作已成为一个新的有待探讨的问题。

2.军用光电产品用元器件质量控制的新思路

从源头抓起，才能真正提高元器件的质量，达到保证整机使用元器件的质量要求。生产方和使用方共同努力，各尽其能，才能真正提高元器件的质量和可靠性。在生产方设计技术能力和质量控制手段得到完善和加强的条件下，基于以上理论和实际信息分析，提出以下整机厂元器件质量控制的新思路：

1）从市场角度和制定产品标准的角度，推动和督促元器件生产方建立相应的可靠性筛选和评价条件。由生产方依据产品的失效模式和机理，制定有效的筛选技术条件，确保提供用户的元器件已剔除早期失效产品，而不是由元器件的使用方来建立筛选评价条件。

2）由生产方和供应商保证提供已剔除早期失效进入使用寿命期的元器件，使用方严格供方检查制度，严格控制元器件的供货渠道和供货质量状况，建立元器件质量控制机构，定期对供方进行考评复核。

3）使用方严格产品设计确认阶段的元器件评价，确定选用元器件的类型和质量等级。严格控制设计质量，建立相应的设计准则（热设计准则、降额设计准则和容差设计准则等）和评审制度。

4）使用方根据历史使用元器件数据的统计分析结果、元器件的质量等级情况和生产厂的质量信誉，有针对性地选择质量控制手段。如，免筛选、验证性筛选和二次筛选，筛选试验依据的技术规范应随元器件应用环境、元器件制造技术的提高和试验设备的发展而进行更改和调整。

5）使用方应注重电路组件的环境应力筛选技术研究，建立设计阶段样机电路组件环境应力筛选制度，严格按军用标准要求对样机电路组件进行环境应力筛选试验，开展高加速寿命试验（HALT）研究，充分暴露设计和工艺缺陷。

6）使用方设计选型时，选用市场主流元器件，避免选用即将淘汰的元器件。

3结束语

生产方和使用方各尽其责，根据元器件制造技术的进步并结合实际工程应用的需要，选择行之有效的元器件质量控制技术和方法，是提高元器件质量可靠性的必由之路。在元器件生产方确实保证元器件固有质量水平的情况基础上，从源头抓起，双方共同努力和配合，才能达到事半功倍的效果，不断提高元器件的质量特性指标和质量可靠性。

参考文献：

控制元件篇4

关键词:超磁致伸缩 执行器 流体控制元件

0.引言

液压伺服系统的性能主要取决于组成该系统的阀、泵和液压马达等流体控制元件的性能。因此提高流体控制元件的性能一直是人们努力的目标。传统的流体控制元件主要采用电动机、电磁铁作为驱动元件。近年来，随着一些新型功能材料的出现，使大幅度提高流体控制元件的性能成为可能。超磁致伸缩材料就是一种新型的电（磁）─机械能转换材料，具有在室温下应变量λ大，能量密度高，响应速度快等特性，国外以将它应用于伺服阀、比例阀和微型泵等流体控制元件中，并取得了一些进展。本文就这方面情况做些介绍。

1.超磁致伸缩执行器

1.1超磁致伸缩材料[1][2]

超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material）有别于传统的磁致伸缩材料（Fe、Co、Ni等），是指美国水面武器中心的Clark博士于70年代初首先发现的在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物，典型材料为TbxDy1-xFe2-y。式中x表示Tb/Dy之比，y代表R/Fe之比，x一般为0.27～0.35，y为0.1～0.05。这种三元稀土合金材料已实现商品化生产，典型商品牌号为Terfenol-D(美国的Edge Technologies公司)或Magmek86(瑞典的Feredyn AB公司)，代表成分为Tb0.27Dy0.73Fe1.93。

与压电材料（PZT）及传统的磁致伸缩材料Ni、Co等相比，超磁致伸缩材料具有独特的性能：在室温下的应变值很大（1500～2000ppm），是镍的40～50倍，是压电陶瓷的5～8倍；能量密度高（14000～25000J/m），是镍的400～500倍，是压电陶瓷的10～14倍；机电耦合系数大；响应速度快（达到μs级）；输出力大，可达220～880N。

由于超磁致伸缩材料的上述优良性能，因而在许多领域尤其是在执行器中的应用前景良好。

1.2超磁致伸缩执行器

超磁致伸缩执行器的结构简单、位移大、输出力强、易实现微型化、并可采用无线控制。超磁致伸缩执行器按结构可分为以下三种类型：

1.2.1直接驱动型[3]

这种超磁致伸缩执行器主要采用棒状超磁致伸缩合金直接驱动执行器件，不采用放大机构，其一般结构如图1所示。由于超磁致伸缩材料的抗压强度远远大于其抗拉强度，因此采用预压弹簧使其在一定的压力下工作。图中上下两块永久磁铁用来提供一定的偏磁场，使超磁致伸缩棒在合适的线性范围内工作。这种超磁致伸缩执行器的结构相对简单、位移大、输出力强，主要被应用于水声换能器、新型马达、微位移控制器和流体阀中。

1.2. 2位移（力）放大型[2]

位移（力）放大型超磁致伸缩执行器根据原理可分为杠杆放大式和液压放大式两种。杠杆放大式超磁致伸缩执行器主要采用杠杆机构来得到较大的位移或力的输出，还可以采用两种类型的超磁致伸缩棒，即一根具有正的另一根具有负的磁致伸缩系数来获得更好的效果。具体原理如图2所示。液压放大式超磁致伸缩执行器主要应用了流体力学中的帕斯卡定律，它的具体原理将在后面介绍。

图1 超磁致伸缩执行器

图2 具有正负磁致伸缩棒及预应力杆的运动放大器 1.2.3薄膜型[4]

目前，在超磁致伸缩材料的应用领域出现了一个新的研究热点—薄膜型超磁致伸缩微执行器的开发与应用。下面是在微型流体控制元件中应用较多的薄膜式超磁致伸缩微执行器的原理。

如图3所示，这类执行器主要采用一些传统的半导体工艺，在非磁性基片的上、下表面分别镀上具有正、负磁致伸缩特性的薄膜材料，当外加磁场变化时，薄膜会产生变形，从而带动基片偏转和弯曲以达到驱动目的。 与通常的体磁致伸缩执行器相比，薄膜型超磁致伸缩微执行器成本较低，并且由于薄膜中的二微磁弹性相互作用又使其具有一些新的功能，这对于超磁致伸缩材料的实际应用具有重要意义。

2. 超磁致伸缩执行器在流体控制系统中的几则应用实例

2.1燃料注入阀[5]

控制元件篇5

【关键词】PLC电气控制课程 电动机正反转 PLC技术 实训项目 技术文件

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）03C-0186-03

PLC电气控制课程实训教学要求通过实训，使学生掌握PLC（可编程序控制器）的基本编程方法，并能使用PLC完成一些简单的传统继电器控制项目；以其中的一个小项目“PLC控制电动机正反转”为例，说明整个设计、施工工作过程的步骤，以及所要提交的技术文件有哪些，让学生在学校就开始锻炼专业工作技能。鉴于每一个工程项目都有许多技术文件，因此，在PLC电气控制课程实训教学中，应培养学生学习阅读及撰写技术文件的专业技能，培养学生掌握实训项目的工作步骤，加深对实训课程内容的认识，提升学生专业技术工作技能，为今后的专业工作打下良好基础。

一、“电动机控制要求说明”技术文件

要完成一个工作任务的第一步，就要掌握任务的控制要求，对工作任务的生产工艺、控制过程的要求必须掌握，因此，第一个技术文件就是“电动机正反转控制要求说明书”。控制要求用来说明工作任务的目的、方式及实现的过程，说明项目的工作原理，包括基本的操作方法，以及必要的保护措施、实现控制功能的方法；它是后续设计、安装、维护、维修工作的重要技术文件；在撰写或分析工作任务控制要求时，要对工作任务的各个方面进行综合考虑，可以通过与设备的生产者、使用者沟通，掌握整个项目的生产工艺流程，以及基本控制要求、安全保o措施的实施方法；也要充分了解操作者操作设备的流程和习惯，为设备提供方便的操作方式，还要考虑日后设备的运行维护。“实训任务控制要求”文件在高职学生实训时多为教师已经编写好给学生的；为锻炼学生分析问题的能力，教师也可以要求学生互相出任务。下面为电动机正反转PLC控制要求说明：

电器元件作用规定：SB2、SB3分别为电动机正转、反转起动按钮，SB1为停止按钮，FR为热继电器，KM1、KM2分别为电动机正转、反转接触器；FU1为电动机短路保护熔断器，FU2为可编程序控制器（PLC）短路保护熔断器，FU3为PLC输出端短路保护熔断器，接触器线圈电压为～220V。

工作原理说明：按下SB2，KM1接触器线圈得电并自锁，其常开主触点接通，电动机正转运行；按下SB1，KM1线圈断电，主触点断开，电动机断电停止运行。按下SB3，KM2接触器线圈得电并自锁，其常开主触点接通，电动机反转运行；按下SB1，KM2线圈断电，主触点断开，电动机断电停止运行。FU1为主电路短路保护的元件，FU2为PLC的短路保护元件，FU3为PLC输出端的短路保护元件；FR热继电器作为电动机过载保护元件，当电动机出现过载时，FR常闭触点断开，切断电动机控制电路，使电动机断电停止运行；为确保两个方向接触器不能同时工作，在设计PLC程序时，必须考虑两个输出点的互锁问题，在PLC外部的接触器线圈控制电路也要采用接触器常闭触点互锁。

二、“PLC控制地址分配表”技术文件

根据工作任务的控制要求，确定需要控制的执行器件（由PLC输出点控制的元件），同时根据方便操作及电路保护的要求，确定控制电路的各种指令或保护元件（给PLC发出动作指令的输入点控制元件）；设计PLC地址分配表，用以说明PLC的I/O地址与哪些元件连接，以及这些元件的功能及作用（实际工程项目中，还要根据这些指令元件及执行元件的种类、数量的多少，决定PLC 输入/输出点中数字量、模拟量需要多少个点 ，为选择PLC的类型提供依据）。同时，还要考虑操作方式的不同，是否采用多地控制的方式、急停按钮的联接方式不同，等等，都会影响PLC输入、输出点数的多少；因此，第二个技术文件就是“PLC的地址分配表”。通过编写“PLC地址分配表”，可以让学生掌握哪些元件应该接输入端，哪些元件应该接输出端；表1为地址分配表。

三、“电动机正反转PLC控制电气原理图”技术文件

设计好PLC输入/输出地址分配表，根据控制要求完成下一个文件：“电动机正反转PLC控制电气原理图”，电气原理图是用来表示电路各电气元器件中导电部件的连接关系和工作原理的图纸，并不以元件的实际外形来描述；它是电气设备最重要的技术图纸，也是其他电气系统图的依据；绘制电气原理图的文字符号及图形符号必须采用最新国家标准，图纸的布局应遵循主电路在左边或上面，控制电路及辅助电路在右边或下面；所有触点均以未通电或未受压的状态来画；输入信号元件采用常开或常闭触点，可根据工作需要设计，起动按钮多采用常开触点，而急停按钮、限位开关等安全保护元件，不应采用常开触点，而应采用常闭触点形式，当出现问题时可快速断开电路；如果为了减少输入点，可以将安全保护的常闭信号输入点串联；对于不能同时工作的接触器，在程序中要采用互锁设计，在接触器硬件连接时也要采用互锁，起到双重保险的作用。图1为电动机正反转PLC控制电气原理图。

学生通过设计或绘制电气控制原理图，能够掌握PLC控制电路的接线方式，如PLC的工作电源是交流220V；输入接口电路的类型，是直流输入型还是交流输入型；输入端电源的接线，是漏型还是源型；以及输出接口电路的类型，是晶体管或晶闸管类型，还是继电器类型，带交流负载还是直流负载；输出端子的分组接线方式，PLC输出点的带负载能力等知识，都在设计或绘制PLC控制电气原理图的过程中得到掌握或巩固，使学生的专业技术设计能力得到提高。

四、“电动机正反转PLC控制程序”技术文件

设计好电气原理图，根据控制任务要求，以及I/O地址分配表的设置，设计电动机正反转PLC控制程序；可以是梯形图程序，也可以是语句表程序，但梯形图程序比较直观易懂，因此多采用梯形图程序，通过定义符号表，可以使用绝对地址或符号地址编程，在设计PLC程序时根据个人的设计习惯，可用基本指令设计，也可使用功能指令设计，当工程项目比较大时，程序比较长，应采用子程序的方式设计程序，以减少程序运行时间；指导教师可以要求学生以不同的方式设计程序，以锻炼学生的程序设计能力；设计好程序并下载到PLC中进行调试，以满足控制要求。图2为以基本指令、绝对地址编程的电动机正反转控制PLC程序。

五、“电器元件清单”技术文件

前面四个文件是电动机正反转PLC控制最基本的技术文件；对于实际的工程项目，还要进行设备及电气元器件的安装接线，因此，还需要有后续的技术文件。首先，要根据电动机的容量选择电器元件的型类、型号、规格及数量，如断路器、接触器、熔断器、热继电器等元件型号，以及导线的大小，根据输入、输出信号点的种类及选择PLC的型号，并列出元件清单，以便采购及安装。在选择元件型号时，除了必须满足容量的要求外，还应根据安装方式、操作方便、便于S修、经济效益最佳化的理念选择电器元件，这就是第五个技术文件“电器元件清单”。要完成这个文件，学生必须掌握各种元件的选型要求及方法，选择合适的保护元件，才能对电动机或控制电路起到应有的保护作用；元件的选型对学生的专业技术能力有了更高的要求，也是企业电气设计技术人员必须掌握的职业技能。高职学生实训时可根据专业的不同或实训时间的不同，选择性完成这个文件。表2为元件清单示例。

六、“电器元件布置图”技术文件

在实际的工程项目中，需要将电器元件安装在电气控制柜中，并进行电气连线；如何布置、安装电器元件；因此需要有指导安装电气控制柜、控制按钮站等的技术文件，也就是第六个技术文件“电器元件布置图”。电气元件布置图的绘制应遵循：操作元件安装位置便于操作，笨重元件放在下方；发热元件应放在电控柜的上方，并且有良好通风。图3为电器元件布置图示例。

七、“电气安装接线图”技术文件

各个电器元件安装完毕后，要对电柜外电器元件的安装位置、接线点进行描述，为设备的安装人员及维修人员提供技术资料，这就是电气安装接线图，用以说明各个电气元件的实际位置，各种管线的大小、线路的走向等信息。各种电器元件可用圆圈或方框来表示，元件中需要接线的端子必须标注出来，并标明所要连接的线号，图中各电器元件符号要与电气原理图中相应的电器元件符号一致，并符合国家标准。图4为电气安装接线图示例。

电气原理图、电器元件布置图、电气安装接线图是电气控制设备必有的技术图纸，强电类专业的学生应该掌握阅读这些技术文件的方法，为今后就业打下良好的技术基础。

综合以上分析可知，本实训项目基本的技术文件有七个：电气系统控制要求说明书、PLC控制地址分配表、电气原理图、PLC控制程序、电器元件清单、电器元件布置图、电气安装接线图。在高职院校专业技能实训的过程中，可以根据专业或实训时间的不同，要求学生完成相应的技术文件。电气原理图、电器元件布置图及电气安装接线图这三张图纸，可以要求学生用电脑绘图软件完成，也可以用手绘的方式完成，用电脑的方式就有可能会有一些学生直接拷贝，没有认真完成任务，而手绘的方式就可以大大降低这种现象。完成这些技术文件，将会提升学生的专业技能水平。

在实际工程项目中，由于项目的不同，技术文件的格式及数量也会有所不同，大家可以在工作中积累经验。

【参考文献】

[1]许.电机与电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2016

[2]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012

控制元件篇6

关键词：液压系统；执行元件；控制；PLC控制

1引言

液压系统中执行元件主要由直线来回运动的液压缸和旋转往复运动的液压马达组成，控制元件是希望能够实现液压缸（液压缸的灵活直线）和液压马达的灵活转动以实现系统作业，可以说执行元件和控制元件是液压系统中的重要组成部分，而实现对液压系统的有效控制则是液压系统高效工作的关键。利用PLC实现对液压系统的有效控制是一种灵活性强、控制功能强大的设计，要想了解如何利用PLC实现对液压系统的有效控制，应当在了解液压系统工作原理的基础上对PLC有效控制的设计进行相应了解，下面笔者就先从液压系统的原理部分开始进行简单介绍。

2液压系统中执行元件方向和速度的换接

基于实际工程对液压设备执行元件方向和速度的高要求，因此实现对液压系统执行元件运动速度和方向的有效控制至关重要。例如利用液压系统执行切削加工控制时，必须保证刀具在接触工件之间（前）能够速度快以节省时间，但是在切削过程中则应当以慢且合适的速度以保证工件的切削质量，切削完成后又应当加快速度减少空间形成，可见在切削加工中对速度的要求是快――慢――快，这就牵涉到液压系统执行元件速度的控制，只有掌握好速度的控制才能够确保实际生产中工件的质量。

其主要工作原理是，当流入液压缸内液体量增多时，活塞运动加快，相应的液压系统输出的控制速度加快，当液压缸内液体量变少时，活塞运动变慢，控制速度降低。图1所示液压系统能够具体实现的速度控制功能可见表1.

结合控制原理图和液压系统速度控制功能图可知，其中利用行程开关 、 很容易实现Z4、Z5的通电与断电，从而实现执行元件的控制，但是若想实现Z8的通、断点是一个相对而言较复杂的过程，若不能利用PLC实现控制，就必须利用人工或机械装置进行操控，这是非常复杂的。

3利用PLC程序进行控制

若利用PLC进行液压系统控制就能够很容易实现控制图中元件Z8的通、断电，且通过调用已输入的不同程序指令还可以实现不同动作之间的组合使用。图1是PLC和电磁阀Z4、Z5、Z8、电源的接线图。

经过分析可知：（1）当按下按钮 ，则接线图 处通电，相应的，所编制的梯形图程序中 出程序可读，因此可执行梯形图中S20行处指令，其内容为：y000通电，Z4通电，从而可实现系统活塞的快进运动；（2）活塞运动碰到SQ4开关后，x2（程序指令中的x002）通电，则可读出S21行的控制指令，其指令内容为：y001通电，Z5通电，活塞可实现快退；（3）活塞运动碰到SQ3后，x1（即可读出梯形程序中x001处指令）通电，同时执行S22行处指令，其编程内容为：y000通电，Z4通电，活塞执行进给指令，但同时因y2通电，（为什么y2通电，是不是应该交代清楚）因此同时Z8通电，因此活塞执行进给指令工作时速度很慢；（4）活塞运动碰到行程开关SQ4后，x2（梯形程序x002处程序）通电，执行S23行处指令，其指令内容为：y001通电，Z5通电，活塞执行退回指令，但同时y2通电，即Z8通电，则活塞执行退回指令时速度较慢（慢退）；（5）活塞运动碰到SQ3开关时，x1（梯形程序x001处程序）通电，此时执行S20行指令，则可重复执行（1）到（4）的程序控制。（有没有问题）

从PLC的具体控制流程中也可以看出，利用PLC进行液压系统控制时无需安装复杂、专门的机械装置去控制Z8的通、断电。且输入程序指令的多样性也决定了Z4、Z5、Z8三者之间的多重组合，从而实现液压系统的多样化运动。另外PLC还可以实现液压控制系统的多重运动形式。

4结语

利用PLC进行液压系统的速度和方向控制具有很强的灵活性。当使用PLC程序进行液压系统控制时，可以自动完成液压系统执行元件的方向和速度控制，同时还可以在系统各硬件设施位置不改变的情况下，通过调用不同程序指令来实现不同的控制运动动作，从而实现液压系统的执行元件的多样化动作，相较于传统的通过设置专门机械装置来实现液压系统的控制，利用PLC进行液压系统控制的实用性更强。且其设计方案对其他机械设备的运动控制而言也有很实际的参考价值。

参考文献

控制元件篇7

关键词：Protel DXP 2004 SP2；液压控制回路；液压控制元件库

PROTEL是PORTEL公司于20世纪80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件。它较早在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它。几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在条件栏上常会要求会使用PROTEL。早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行。但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低。Protel DXP是Altium公司2002年7月推出的第7代Protel系列软件，是基于Windows操作平台的一款产品。它将原理图绘制、电路仿真、PCB设计、设计规则检查、FPGA及逻辑器件设计等完美地融合在一起，为用户提供了全面的设计解决方案，并可用于PCB抄板等反向研究与推理过程，是电子线路设计人员首选的计算机辅助设计软件。2004年初，Altium公司推出了最新版本的Protel软件——Protel DXP 2004。与以前的版本相比较，Protel DXP 2004的功能得到进一步增强，其改进型Situs自动布线规则大大提高了布线的成功率和准确率。此外，Protel 2004全面支持FPGA设计技术。SP2升级包更增强了Protel DXP 2004的功能。Protel DXP 2004 SP2具有强大的设计功能，完全能够满足电子电路设计的需要，是目前用户群最大、实际工程应用最广泛的版本。

现今机械与电气两个学科联系得很紧密，国家教育部组织举办的很多职业技能竞赛里都包括了“机电一体化设备组装与调试”的项目，在这项竞赛里就要求选手既要懂得电气PLC、电工等知识，也要求能够看懂液压、气压控制回路图等机械基础知识。但在日常教学里，对于绘制液压与气压的控制回路图虽然有专门的软件，例如德国Festo公司的FluidSIM，但这类软件通常都是国外厂家设计的，需要不菲的金钱购买才能使用，并且一套软件只能装在一台计算机上，很大的限制了使用。这里另辟蹊径，用在学校里普及的Protel DXP 2004 SP2原理图设计系统及其原理图元件库编辑等功能实现液压控制电路的绘制。

液压控制回路是为了便于阅读与分析控制线路，根据简明、清晰、易懂的原则，采用代表各种液压元件、辅件及连接形式的图形符号组成表示一个液压系统工作原理的简图。其中的液压元件应以元件的静态或零位来表示，元件符号只表示元件的职能和连接系统的通路，不表示元件的具体结构和参数，也不表示系统管路的具体位置和元件的安装位置，元件的名称、型号和参数一般应在系统图的元件表中注明，必要时可标注在元件符号旁边。

1制作液压元件库及其元件

1.1创建液压元件库

启动原理图元件库编辑器，创建一个原理图元件库文件“液压元件库.SchLib”。具体方法（1）启动Protel DXP 2004 SP2；（2）执行菜单命令【File】/【New】/【Libray】/【Schematic Library】，即可创建一个新的“Schlib1.SchLib”； （3）对新创建的元件库进行保存，命名为“液压元件库.SchLib”。如图1所示。

图1创建一个新的“液压元件库.SchLib”

1.2制作液压元件库中的元件

绘制液压控制回路图时，组成控制回路的各个元件均要用图形符号表示出来，而且要用文字符号表示出各个图形名称。为了便于设计、阅读、安装和使用，液压控制线路必须采用统一的符号、文字、标准和方法（相关符号可以参考国家标准）。

下面以制作“三位四通电磁换向阀”为例子（如图2），介绍如何在Protel DXP中实现液压元件符号的画法，从而组成一个液压元件库。

图2三位四通电磁换向阀图形符号

1）按前所述进入原理图元件编辑器，在当前的元件库文件中所默认的即将制作的新元件名称为“Component_1”。

2）执行菜单命令【Tools】【Rename Component】，会出现更改元件名称的对话框，在该对话框中将新建元件的名称改为“三位四通电磁换向阀”，然后单击按钮即可。

3）在屏幕任意处单击鼠标右键，在弹出的右键菜单中执行命令【Options】【Document Options】，弹出对话框中选中复选框【Snap】栏设为“5”，【Visible】栏设为“10”，然后单击按钮即可。

4）按[PageUp]键将工作区放大至合适的区域。

5）单击画矩形工具 ，绘制元件“三位四通电磁换向阀”的三位和两个电磁阀部分，如图3所示。

图3元件三位四通电磁换向阀第一部分

6）单击画直线工具钮 ，出现十字光标后，按下[Tab]键可修改线的粗细与颜色，在此不作修改，绘制元件“三位四通电磁换向阀”的弹簧等部分，如图4所示。

图4元件三位四通电磁换向阀弹簧等部分

7）重新执行菜单命令【Options】【Document Options】，弹出对话框中选中复选框【Snap】栏设为“1”，【Visible】栏设为“10”，为画箭头作准备，然后单击按钮即可。

8）单击画多边形工具钮，绘制元件“三位四通电磁换向阀”的箭头部分，完成如图2所示。

9）执行菜单命令【File】/【Save】或单击主工具栏中的按钮即可将新建的元件“三位四通电磁换向阀”保存在当前的元件库文件“液压元件库.SchLib”中。

图5用顺序阀的平衡回路

如果要制作其他的新元件，执行菜单命令【Tools】/【NewComponent】，即可打开一个空白的绘图区，然后重复上述操作步骤即可。如此反复操作，“液压元件库.SchLib”即可创建，为制作液压控制回路作准备。

2绘制控制液压控制回路

以图5为例，该图是用顺序阀的平衡回路。

2.1进入原理图设计系统

这与绘制电子线路图方法一样。

1）新创建一个项目文件“液压控制回路.PRJPCB”。

2）选择【File】/【New】命令，即可创建“Sheet1.SchDoc”文件， 然后进行保存，重命名为“用顺序阀的平衡回路.SchDoc”。

2.2装入元件库

1）单击元件库窗口中的 按钮，出现如图6所示对话框。该对话框的作用是用来装入所需的元件库或移出不需要的元件库。

2）在指定的路径C：“Program Files“Altium2004 SP2“Library下找到“液压元件库”，双击所需的元件库“液压元件库”，然后单击 按钮就可以将上述库文件装入原理图管理浏览器中（如图7）。此时， “液压元件库.ddb”就被装入，再单击 就会完成元件库的加载，如图8所示。

图6改变当前元件库对话框

图7加载元件库对话框

图8装入液压元件库

图9元件放置对话框

（1）放置元件。在元件库工具栏中，用鼠标左键选择需要加载的液压元件，然后点击（如图9），此时在作图区域会出现该元件的图形符号，按TAB键设置该元件在图纸上的显示属性并放置好（如图10）。

图10元件设置属性对话框

（2）重复上述步骤，将所需元件逐一放置在图纸对应位置上。

3调整布局并连线

完成图见如图5所示。（如果将可视栅格参数设置为0或者通过调节“图片”工具栏中“亮度”，可将图中栅格消失）。

参考文献：

控制元件篇8

关键词：应用型人才;毕业设计;培养;创新;实践

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）19-0123-02

一、引言

贵州大学机械工程学院机电传动与控制实验室拥有一套综合实验设备，包括液压实验台、气动实验台以及相关配套的仪器、电子元件和仿真软件。基于此实验台可以完成机电传动与控制专业的本科生相关课程的实验教学、课程设计和毕业设计等实验与实践教学环节。实验和实践内容涉及许多基础理论知识和专业知识，课程包括电工与电子技术、液压传动、气压传动、机电一体化原理与控制、液压传动系统、液压控制系统、传感器原理及应用、机电传动与控制、PLC原理及应用以及计算机相关语言及操作系统等。机电传动与控制专业的学生可利用该实验成毕业设计：设计液压控制系统或气压控制系统;设计电气控制回路并编制控制程序;设计控制系统动作仿真;动手搭建实际控制系统等，在此过程中，借助计算机辅助设计的功能，利用FluidSIM、AutoCAD、SolidWorks等软件完成控制程序编制、回路动作仿真以及系统图、装配图和非标零件图的绘制等设计内容。

二、毕业设计指导实例分析

以毕业设计题目“液压自动顺序控制系统的设计”为例，叙述如何对毕业设计进行创新性指导。

1.明确设计对象。液压顺序控制回路是实现多个执行元件依次动作的液压控制回路，是液压回路中较为典型的一种控制回路，是液压系统的一个重要的应用领域。液压顺序控制回路在工业生产中应用相当广泛，如在自动化生产线中的分拣装置、传送装置、提升装置、进给装置、加工装置和装配装置中均可采用不同形式的液压顺序控制;在薄板压力机、拉床、注塑成型机、自动机床刀架等机械中也采用各种形式的液压顺序控制系统。

液压自动顺序控制是在顺序控制液压回路的基础上，采用液压元件、电器控制元件及PLC控制器等实现系统的自动控制。按执行元件液压缸的数量不同，液压自动顺序控制分为双缸控制、三缸控制及多缸控制。按采用控制元件的不同分为液压元件控制、电器元件控制、PLC控制及计算机控制等形式。按控制方法不同，分为压力控制、行程控制和时间控制。在压力控制顺序动作回路中，可分为用负载压力自动控制液压缸顺序动作的回路、用顺序阀的顺序动作回路及用压力继电器的顺序动作回路等，用压力控制的顺序回路，由于管路中的压力冲击，会使后一行程的液压缸产生先动现象，特别是对多缸的顺序动作，有时无法安排各个压力顺序的调定压力，所以对顺序要求严格或多缸的液压系统，用压力控制方式效果不理想，一般宜采用行程控制方式。在行程控制顺序动作回路中，可分为用行程阀的顺序动作回路、用行程开关的顺序动作回路、用顺序缸的顺序动作回路及用位置传感器检测实现的顺序动作回路等，采用顺序缸控制的顺序回路，一旦设计完成，其动作顺序和行程位置均无法改变。在时间控制顺序动作回路中，可分为用延时阀的顺序动作的回路、用时间继电器实现的顺序动作回路及PLC编程实现时间延时的顺序动作回路等，用延时阀实现的顺序动作回路，调节不准，一般用得较少。在液压自动顺序控制系统中，双液压缸顺序控制是最为典型的顺序控制，在双液压缸作用下可以实现多个位置控制，每个液压缸可以有一个位置量，也可以有多个位置量。本毕业设计题目要求设计双液压缸液压顺序控制回路，控制方式为行程控制和时间控制相结合的方式，设计两个位置量的情况，用位置传感器进行位置信号的采集，并进行继电器控制回路的设计和PLC控制回路的设计。设计出的顺序动作回路，不仅可以实现自动控制，而且在液压系统不变的情况下，只需修改设计的控制程序，可以对控制的行程、控制时间进行调整和修改。

2.明确顺序动作要求。对双液压缸顺序控制，回路有以下三种方式。

（1）A缸推出A缸停留B缸推出B缸停留A缸返回A缸停留B缸返回B缸停留

（2）A缸推出A缸停留B缸推出B缸停留B缸返回B缸停留A缸返回A缸停留

（3）B缸停留A缸推出A缸停留A缸返回A缸停留B缸推出B缸停留B缸返回

3.明确控制方式和要求。采用行程和时间控制相结合的自动控制方式，分别设计继电器控制系统和PLC控制系统。

三、设计过程

1.液压控制回路的设计。首先，要求学生自行设计液压双缸自动顺序控制的液压控制回路，包括选择所有的液压元件和电器元件。让学生根据毕业设计任务书的要求，认真做好液压系统回路的计算，根据计算的结果，选择元器件。最后完成完整的顺序动作液压系统回路图的绘制，液压回路方案不是唯一的。

2.继电器控制回路设计及元器件的选择。根据任务书的控制要求、控制形式和控制方式，设计出电气回路的程序控制。在设计过程中，让学生学习实验台配套的液压仿真软件FluidSIM，并会利用该软件进行控制回路和电气控制系统的设计。基于FluidSIM界面，根据气动回路和控制要求，绘制出液压控制回路和电气控制回路。设计控制回路时，该软件还可以检查回路图结构的正确性。由于该软件中的元件参数的调节范围与工业生产实际设备完全一致，所以可对设计的回路进行准确的系统模拟，同时可不断对电气回路进行优化，使电气回路最简单、最合理地实现控制要求，达到最佳控制。在这个过程中，涉及到基础理论和专业知识，包括液压传动与控制、电气技术、机电传动与控制以及计算机仿真等，通过不断反复修改和设计，使学生把所学的知识联系在一起，每个同学的设计方案、程序及其结果均可以不同。

3.继电器控制实验回路的搭建。在液压仿真软件FluidSIM中完成液压回路和电气回路后，就可在Festo实验台上进行液压回路和继电器电气控制回路的搭建。这个过程使学生认识具体的液压元件、电气控制元件等，并选择所需的部件，完成毕业设计的实际接线工作和动作的检验，学生在实践中完善自己的知识结构。这个过程较复杂，可以根据以下两个步骤完成控制回路的搭建。（1）认识实验台和实验设备的工作原理和使用，认识实验台液压元件、电气元件的使用规则。如红线用于+24V，蓝线用于接地线，而黑线用于控制信号线。当学生充分地认识这些规则后，在后面进行复杂的电气回路接线时，就能方便地检查可能出现的故障。（2）让学生由简单到复杂地完成毕业设计的电气实验回路的搭建，由单缸到双缸或多缸，由半自动控制到全自动控制、由液压控制到液压电气控制等，让学生逐步完成电气控制回路的设计。

4.PLC控制回路的设计及元器件的选择。（1）PLC控制回路的设计。学生完成液压回路和电气回路设计，并按控制要求实现PLC的控制。实验室有西门子公司的S7-300型号的PLC，首先让学生基于可编程控制原理及应用课程中所学到的知识，学习S7-300PLC的编程环境、编程语言，了解PLC控制的特点，并学会将其下载到PLC中进行运行。在学习过程中，让学生了解PLC与继电器控制的不同，并将两者作一个对比，细心体会它们的优缺点，更有利于学生对这两个知识点的掌握。根据设计的功能和考虑问题的全面与否，每个同学可设计出不同的PLC控制的LAD图，最终实现设计任务书的要求。（2）PLC元器件的选择。实验时的PLC控制电气元件以及传感器等是实验室提供的，在实际生产中，可以根据实际生产情况通过网络、联系生产厂家、设计手册等途经进行控制电气元件和传感器的选择，在选择具体元气件时，注意其功能、型号、应用范围以及成本等方面的要求。

5.PLC控制实验回路的搭建。PLC控制实验回路的搭建与继电器控制回路的搭建有共同相似的部分，区分它们的不同点，主要注意PLC控制的地址分配应与设计的程序相对应，位置传感器采集信号转换为电信号后输入电气控制元件的接线部分不要错。

四、计算机辅助设计功能的利用

在上述设计过程中的许多方面，都需要借助计算机才能完成。如控制程序的编制、动作的仿真、系统图的绘制等。同时毕业设计的最后一项，需要学生完成非标件的设计，非标件包括液压缸、溢流阀、换向阀、节流阀、油箱等，考虑设计的工作量，每个学生可任意分配一个非标液压元件进行设计，设计内容包括结构设计和计算，绘制装配图和对应的所有零件图，在这方面，训练学生利用AutoCAD、SolidWorks等软件进行辅助设计，充分锻炼学生应用计算机进行绘图、计算的能力。

五、结论

通过上面的几个步骤，学生就可以掌握利用先进实验设备和计算机辅助设计功能，完成相应的毕业设计任务。学生通过四年的系统学习，在掌握本专业的基础知识和专业知识的基础上，利用实验设备和相关软件为学生提供的综合实验和设计场所，通过综合性的毕业设计实践环节的教学，把所学的各门基础理论知识和专业知识结合起来，建立起综合性知识结构，使学生对所学的知识达到灵活掌握和融会贯通。同时，通过实际实验控制回路的设计、计算、仿真、搭建，不仅锻炼了学生的实际动手能力，而且还培养了学生的创新能力，使学生能够把实际学到的知识得心应手地进行综合运用，培养学生成为高素质应用型人才。

参考文献：

[1]吴振顺.气压传动与控制[M].哈尔滨工业大学出版社，2010.

[2]官忠范.液压传动系统[M].北京：机械工业出版社，2011.

控制元件篇9

摘要：由于煤炭开采的特殊性，电力系统运行的稳定直接决定着井下作业的安全，随着计算机和电子电气技术的相互融合，智能化的电力系统控制单元已经被广泛地应用到煤矿开采工作之中。本文简要分析了目前煤矿电力系统所存在的问题，并结合计算机电气控制技术，设计优化出一套智能高效的单元控制系统。

关键词：煤矿电力系统；智能控制单元；优化设计

 

 

一  引言

    随着我国煤炭工业的蓬勃发展，煤炭开采规模正在急剧攀升，与之配套的电力控制系统和井下设备也在不断更新换代，力图满足煤炭开采的需要。随着计算机电气自动化技术的日益成熟，电气智能控制系统已经逐渐应用于井下煤炭开采作业之中，例如高压防爆配电装置已经大面积使用PB、BGP等智能控制系统[1]。由于井下作业环境相对比较恶劣，一些常规电气控制设施容易脱皮老化，控制开关偶尔发生不动作或误动作的事故。于此同时，现有的高压防爆配电装置虽然安装了过流、过压和漏电保护器，具有一定地智能性，但是遇到一些紧急突发情况便难以应付处理，极易引发重大安全事故。本文结合计算机电气自动化控制技术，设计优化出一套智能高效的单元控制系统，实现了煤矿开采过程中电力系统的智能调控。

二  我国煤矿电力系统智能控制单元所存在的问题

随着计算机电气自动化技术日新月异地发展，许多煤炭企业开始利用互联网远程控制手段，构建分布式的电力系统智能控制单元，进而形成远程操作的智能控制体系。虽然我国电力系统的智能控制单元的研发应用取得了一定的成绩，例如开发了PB、BGP等高压防爆配电控制系统，但是就整体而言还存在着较多的问题亟待解决。

   （一）智能控制单元的性能不够完善

煤炭电力系统智能控制系统是由不同的单元模块共同组建构成的，系统的灵敏性、实效性、可靠性和安全性都是每个控制单元所决定的，因而控制单元性能的完善与否直接影响着系统的各项性能。目前我国智能控制单元模块仍然沿用九十年代开发的产品，这些控制单元模块经历了几十年的历练和实践，虽然在稳定性方面有一定的保障，但是灵敏性能、通讯性能以及故障判断性能等相对来说不够完善，急需更新升级。

（二）智能控制单元难以适应井下作业工况

    由于井下作业环境相对比较恶劣，许多智能控制元件处于煤粉、瓦斯等浓度较大的环境下，一些常规电气控制设施容易脱皮老化，控制开关偶尔发生不动作或误动作的事故。于此同时，现有的高压防爆配电装置虽然安装了过流、过压和漏电保护器，具有一定地智能性，但是遇到一些紧急突发情况便难以应付处理，极易引发重大安全事故。    

三  电力系统智能控制单元的优化设计

   （一）硬件模块单元设计

电力系统智能控制单元的硬件模块包含了信号采集、信号转化以及信号反馈处理等工序，是整个智能控制系统的核心单元。硬件模块的单元设计主要是从电力系统智能控制的原理入手，进而配备各项硬件设施来达到远程智能控制的目的。智能控制单元的原理是信号采集器采集的电流和电压信号经过放大之后传输至中央处理器之中，该处理器中的A/D信号转化设备将电流或电压信号转换成数字信号[2]，获取到数字信号之后，中央处理器开始根据工程师设定的保护数据及程序对该数字信号进行计算、处理和判断，最后自动地进行相应的逻辑动作，最后通过总线上的缓冲驱动器对继电保护器发出开闭信号，从而实现电力系统的智能控制。图一为智能控制单元硬件总体结构框图。

图一 智能控制单元硬件总体结构框图

   （二）软件模块单元设计

电力系统智能控制软件模块单元设计不仅包含常规的数据采集、转换、判断和处理等程序，而且还囊括了系统异常时的故障识别、处理和储存，可以说软件模块单元设计的合理与否在很大程度上上决定了智能控制单元的安全性和稳定性。一方面，软件模块单元在进行正常工作是，信号采集器每时每刻要对设备线路上的电流电压等信号进行监测采集，当信号数据处于设定的合理范围之内时，程序自动判断进入到下一步骤，例如若设备线路的电流过载，软件控制程序将会自动载入电流过载保护模块，通过对继电保护器的动作来确保电力系统的稳定安全。另一方面，软件模块中的故障判断和处理程序与正常程序处于一种一一对应的关系，一旦信号数据参数出现故障，整个系统程序瞬时转换为故障状态，从而按照对系统故障的诊断处理进行下一步的动作，从图二中可以明显地看到，若控制系统正常工作时，主程序通常进行电信号的采集处理工作，根据得到的数据信号量的大小来选择模块控制，万一系统发生故障，此时系统便切换到故障处理程序。

               图二 软件设计单元主程序图

四  结语

   由于煤炭开采的特殊性，电力系统运行的稳定直接决定着井下作业的安全， 于此同时我国煤炭工业正处于蓬勃发展的兴旺时期，煤炭开采规模和开采量急剧攀升。随着计算机和电子电气技术的相互融合，智能化的电力系统控制单元将会被广泛地应用到煤矿开采工作之中，这不仅会提高煤炭开采的效率，同时也能够大幅度地确保井下作业的安全性，可以说，智能化控制将会是未来煤炭电力系统的发展趋向。

 

参考文献

[1] 陈炳森 煤矿电力系统智能控制单元的分析及设计[J] 煤炭技术，2014（11）

控制元件篇10

随着社会的发展，电气控制逐步成为各类生产机械的重要组成部分，而现在工厂所用的电气自动化系统通常是将用到的各种断路器、接触器、继电器等传统低压电器与PLC、变频器、触摸屏等现代智能化控制设备组合装配成电气控制柜,同时也将控制系统的控制、测量、信号、保护、调节等功能组合在一起，安装在生产现场或控制室内。本文将以温度控制柜为例，对其装配工艺进行阐述。

1 温度控制柜的概述

1.1 控制柜的组成 本温度控制柜主要是控制热处理时的温度，它采用先进的PLC程序进行控制，使热处理的温度更加精确，同时也使热处理的整个系统更加智能化。控制柜的精确性离不开它复杂的内部结构。温度控制柜除主柜外，还有八个操作盘对它起辅助作用。每个柜子都有各自的工艺要求，从安装到接线，工艺要求都是相当的高。一个大控制柜和八个操作盘具体如下：

①温度循环控制盘：这是温度控制柜的主柜，温度控制盘主要通过触摸屏和PLC程序来控制热处理温度。

②装入料台操作盘：主要控制材料的装入，材料装满后，会自动停止。

③装入室操作盘：主要控制室内温度，通过外边的按钮控制室内情况。

④除油室操作盘：主要作用是除去室内多余的油污。

⑤中间真空室操作盘：保证热处理在真空状态下进行。

⑥发蓝处理室操作盘：控制发蓝区的温度。

⑦上下料台操作盘：主要控制原料在室内的上下运行。

⑧抽出室操作盘：控制原料的进出。

⑨卸料料台操作盘：按指定位置卸下处理好的元器件。

1.2 控制柜的常用元器件与线型的介绍 温度控制柜常用的元器件有很多，例如改变频率的变频器、转变电压的变压器、检测信号的火焰继电器、保持吸合的接触器、由PLC带动动作的中间继电器、以及有开关作用的断路器、连接PLC的I/O接头、PLC模块、发光二极管、触摸屏等。

温度控制柜常用的线型有多种，大致可分为一次线和二次线两种。所谓一次线一般规定线径在2.5mm2以上的，那么以下的就是二次线了。

①常用的一次线有150mm2、95mm2、35mm2、25mm2、16mm2、10mm2、6mm2、4mm2、2.5mm2的。其中6mm2以上的线大部分是黑颜色的线，其它的分为红、白、黄、蓝四种，根据客户的要求选择不同的线颜色。

②常用的二次线有1.5mm2、1mm2、0.75mm2、0.5mm2的二次线都分为红、黄、蓝、黑、棕、白、黄绿七种。二次线多为控制线。其中0.5mm2的多为电子线，是焊接在PLC上的。

2 温度控制柜的装配工艺

2.1 准备工作 首先找齐设备安装所需的电气材料。

①要先准备设备上需使用的已经喷涂过的电气柜、电气底板、电气面板、按钮盒及电气小配件。

②准备好工具，如电钻、铆钉枪、卷尺、螺丝刀、线槽切割机、导轨切割机、剥线钳、压线钳、剪刀、万用表等。

③对元器件进行正确选型，例如断路器、变频器、接触器、中间继电器、变压器、互感器、PLC模块、按钮等。元器件有大有小，各不一样，有的虽然外观一样，但型号却大有不同。我们需根据客户要求认真选型。

然后安装电气底板。

①根据电气原理图中的底板布置图量好线槽与导轨的长度。

②两根线槽如果搭在一起，其中一根线槽的一端应磨成45度斜角。线槽接口应平直、严密，槽盖应齐全、平整、无翘角。固定或连接线槽的螺钉或其他紧固件，紧固后其端部应与线槽内表面光滑相接。线槽敷设应平直整齐，水平或垂直允许偏差为其长度的2‰，全长允许偏差为20mm。并列安装时，槽盖应便于开启。线槽的出线口应位置正确、光滑、无毛刺。

2.2 元器件安装工作 装配前首先看明图纸及技术要求，检查产品型号、元器件型号、规格、数量等与图纸是否相符，检查元器件有无损坏，必须按图纸安装，元器件安装顺序应从板前视，由左至右，由上至下。控制柜中安装的各种设备、电器元件、接线端子应按照图纸要求安装或粘贴该元件项目代号的标签。标签的位置一般在元件的左上角或者比较容易观察的位置。不同的元器件有不同的安装方法，通常小的元器件由导轨固定，大的元器件由螺丝固定。本温度控制盘的具体要求如下：

①小型元器件如中间继电器、接触器一般固定在导轨上，元器件之间不留空隙。

②断路器等大型元器件安装时，需用电钻打孔、攻丝，然后用螺丝固定。元器件间隔为5mm。

③元器件安装时如果没有特殊要求，应保证左边对齐，距线槽20mm。

④安装在一起的相同的元器件要保证在一条线上，保持平齐。

⑤对于变压器等电压较高的元器件，一定要留安全距离，安全距离一般为20mm。

⑥PLC模块安装时，模块与基板之间需用M3*10的螺钉固定，不需要用平垫弹垫，拧紧力矩不能太大，松紧适中，以防滑牙。

⑦对于客户提供的元器件，一定要按照客户要求来安装。

2.3 接线工艺 首先要正确选线，本温度控制柜的线有一千多根。选线要根据线所在的回路来选择，具体有几点：

①主回路：一般有R相S相T相，一般用红、白、蓝三种颜色的线，型号为BVR450/750的线。

②交流控制回路：此回路有R相和S相，导线颜色为黄色，型号为BVR450/750的1mm2的线。