TwinCAT机电控制与检测实验教程

本书介绍的实验内容具有很好的可移植性、优选性、应用性和开放性，可起到举一反三的作用，学生在完成基本实验后可自主开展设计性、综合性、创新性实验开发。

本书立足于新工科创新型实践教学培养模式，满足机电控制与检测实验教学目标。全书分三个部分共9章：第一部分即第1~2章，主要介绍了TwinCAT软件基本操作、IEC61131-3编程基础；第二部分即第3~6章，主要介绍了机电控制与检测基础内容，并基于TwinCAT构建了配套的实验项目，解析了实验项目的设计过程，旨在为读者在工程实践中将理论应用于实际奠定基础；第三部分即第7~9章，这部分属于本书的提高部分，主要面向多轴复杂机电控制与检测装置，从介绍装置的机械和电气结构入手，围绕着机构运动学分析展开控制程序的设计，构建控制系统和控制界面，以目的为导向，将TwinCAT知识融入工程实验之中。
本书主要作为“机电控制与检测”课程的配套实验教材，也可以作为“数控技术”“机器人学”等课程的实验教材，为高年级本科生和研究生做机电控制与检测项目开发提供参考，还可供使用TwinCAT的一线工程技术人员参考。

华中科技大学博士，国内机电控制技术领域专家，主要开展智能制造控制技术研究，致力于基于工业总线的测控技术研究与开发，研发出多种基于工业总线的开放式控制系统，并应用多种机电产品的开发和工程化工作，并成功应用与数控机床和机器人，先后主持或参与国家重点研发计划、国家自然科学基金、863重点课题、国防预研等省部级项目及企业技术开发项目20余项，相关技术发表SCI/EI收录论文15篇。

第1章TwinCAT快速入门1
1.1TwinCAT 3简介1
1.1.1TwinCAT介绍1
1.1.2TwinCAT的操作系统1
1.1.3TwinCAT软件基本组成2
1.1.4TwinCAT基本功能3
1.2TwinCAT 3的运行机制4
1.2.1TcCOM组件和Module4
1.2.2TwinCAT3 的运行机制5
1.3新建一个TwinCAT项目8
1.3.1准备操作8
1.3.2新建项目9
1.3.3项目环境介绍11
1.4新建一个PLC项目14
1.4.1添加一个PLC项目14
1.4.2选择Target15
1.4.3物理设备扫描16
1.4.4编写PLC代码18
1.4.5PLC程序的下载和执行20
1.4.6PLC变量的修改21
1.5TwinCAT Measurement21
1.5.1新建Measurement项目22
1.5.2Measurement功能说明24
1.6常见问题排除27
1.6.1TwinCAT system启动错误27
1.6.2扫描不到设备28
1.6.3ADS错误28
1.6.4无法切换Run模式28
1.6.5NC错误28
第2章IEC61131-3编程基础30
2.1IEC 61131-3概述30
2.2公共元素及变量30
2.2.1语言元素30
2.2.2数据类型32
2.2.3变量34
2.3程序组织单元34
2.3.1函数35
2.3.2功能块35
2.3.3函数与功能块的区别35
2.3.4程序35
2.4PLC编程语言36
2.4.1指令清单语言36
2.4.3梯形图语言37
2.4.4功能块图语言38
2.4.5顺序功能图语言39
2.5交通灯逻辑控制——梯形图语言40
2.5.1梯形图变量调试40
2.5.2交通灯梯形图控制实验41
2.6交通灯逻辑控制——ST语言47
2.6.1ST语言变量调试47
2.6.2交通灯ST语言控制实验48
第3章机电系统控制基础50
3.1控制系统概述50
3.2机电系统建模50
3.2.1系统的传递函数51
3.2.2系统建模实例51
3.3时间响应分析52
3.3.1二阶系统的单位阶跃响应52
3.3.2二阶系统响应的性能指标52
3.3.3阶跃响应下的系统辨识54
3.3.4PID控制器54
3.3.5稳态误差与系统型别的判定55
3.4频率响应分析55
3.4.1频率响应与频率特性55
3.4.2频率特性的表示方法56
3.4.3频率特性的求解方法56
3.4.4振荡环节的频率特性与系统辨识58
3.5TwinCAT运动控制系统59
3.5.1CoE协议与控制模式59
3.5.2PTP控制62
3.5.3HMI设计66
3.6一维工作台控制系统实验70
3.6.1一维工作台简介70
3.6.2工作台位置控制实验72
3.6.3工作台力矩控制实验85
3.6.4时间响应与PID控制实验90
3.6.5频率响应与系统辨识实验94
3.7弹簧-质量-阻尼控制系统实验95
3.7.1弹簧-质量-阻尼系统简介95
3.7.2控制模式与参数设置99
3.7.3时间响应与增益系数估计实验101
3.7.4频率响应与系统辨识实验103
第4章机电系统检测基础110
4.1信号分析110
4.1.1信号时域分析110
4.1.2信号相关分析111
4.1.3信号频域分析111
4.2信号转换113
4.2.1A/D转换过程113
4.2.2A/D转换器的技术指标114
4.2.3D/A转换过程114
4.2.4D/A转换器的技术指标115
4.2.5采样定理115
4.3信号调理117
4.3.1信号放大117
4.3.2电桥118
4.3.3信号滤波119
4.4传感器技术120
4.4.1光栅尺120
4.4.2电阻应变片120
4.4.3磁电转速传感器121
4.4.4电涡流传感器121
4.4.5振动速度传感器121
4.4.6光电编码器122
4.5信号检测实例122
4.5.1传感器模拟量输入模块测量实验123
4.5.2传感器测量专用模块测量实验126
4.5.3电桥称重操作实验133
4.5.4电桥称重设计实验139
4.5.5TwinCAT数据采集实验141
第5章智能控制与感知系统148
5.1实验台简介148
5.1.1轴承转子实验台结构148
5.1.2实验台测控系统149
5.2实验台建模与控制仿真150
5.2.1实验台建模与识别150
5.2.2经典PID控制152
5.2.3基于粒子群算法的PID参数自整定152
5.3轴系动平衡分析158
5.4滚动轴承故障分析159
5.4.1IEPE加速度传感器159
5.4.2滚动轴承故障特征频率159
5.4.3稳定转速下轴承故障分析161
5.4.4变转速下的轴承故障分析164
5.5智能控制与感知实验165
5.5.1转速控制实验165
5.5.2振动加速度信号短时傅里叶变换及谱阵分析实验173
5.5.3轴系动平衡实验173
5.5.4基于MQTT的状态监测实验177
第6章异步电动机变频控制182
6.1三相异步电动机的机械特性及变频调速182
6.1.1三相异步电动机及其机械特性182
6.1.2交流调速系统185
6.2ABB变频器功能介绍187
6.2.1变频器的基本原理187
6.2.2ABB-ACS355变频器及其控制模式189
6.2.3本地控制191
6.2.4现场总线控制194
6.3智能测控A型实验台测控实验198
6.3.1设备组成198
6.3.2三相异步电动机机械特性测试与变频调速操作实验199
第7章三轴绘图实验台控制系统207
7.1三轴绘图实验简介207
7.2PTP控制模式208
7.2.1NC轴配置209
7.2.2回限位功能块FB_BackToXW设计211
7.2.3平面两轴联动功能块FB_PTP2设计221
7.2.4完整PTP程序设计226
7.3PTP进阶实验231
7.3.1电子凸轮实验231
7.3.2外部位置发生器实验239
7.3.3FIFO实验242
7.4NCI控制247
7.4.1NCI控制基础247
7.4.2NCI项目创建253
7.4.3NCI程序设计254
7.4.4实验操作256
7.5拓展实验258
7.5.1运动仿真实验258
7.5.2轨迹获取实验259
第8章Delta并联机器人262
8.1Delta机器人简介262
8.2Delta机构运动学分析263
8.2.1Delta机构运动学反解263
8.2.2Delta机构运动学正解266
8.2.3Delta机构运动学速度分析269
8.3松下驱动器整定271
8.4运动控制系统272
8.5基于ADS的同步运动实验274
第9章SCARA机器人276
9.1SCARA机器人简介276
9.1.1机械结构276
9.1.2电气结构277
9.2SCARA运动学模型分析278
9.2.1几何建模278
9.2.2运动规划279
9.2.3直线插补和圆弧插补279
9.3SCARA运动控制系统281
9.3.1运动控制系统简介281
9.3.2人机交互界面(HMI)282
9.4机器人仿真平台284
9.4.1平台简介284
9.4.2机器人仿真模型与接口286
9.4.3机器人G代码仿真实验288
9.5基于ADS的同步运动实验292
9.5.1ADS通信接口设计292
9.5.2机器人G代码同步运动实验294
参考文献297