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1、25 七月 2024机电控制技术机电控制技术第一章第一章 机电控制技术概述机电控制技术概述25 七月 2024机电控制技术目目 录录1.1 控制系统控制系统1.2 机电控制系统机电控制系统1.3 机电控制技术的发展机电控制技术的发展1.4 机电控制技术的相关技术机电控制技术的相关技术1.5 机电控制技术的社会、技术和经济效益机电控制技术的社会、技术和经济效益25 七月 2024机电控制技术 1.1.1 控制的基本概念控制的基本概念 控制是指为达到某种目的，对某些对象施加所需的操作。控制是指为达到某种目的，对某些对象施加所需的操作。1.1 控制系统控制系统1.1.2 控制系统概述控制系统概述1.
2、控制系统的基本概念控制系统的基本概念 为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，形成一个有机体，这个有机体称为控制系统。控制定的方式连接起来，形成一个有机体，这个有机体称为控制系统。控制系统是物理学的一部分，是专门用来对物质运动规律进行控制的，其数系统是物理学的一部分，是专门用来对物质运动规律进行控制的，其数学表征形式是运动的微积分方程。它的作用就是根据现在的理想与现实学表征形式是运动的微积分方程。它的作用就是根据现在的理想与现实之间的差距来指导系统下一步的操作。之间的差距来指导系统下一步的操作。2
3、5 七月 2024机电控制技术25 七月 2024机电控制技术2.控制系统的分类控制系统的分类1）按给定量的特征分）按给定量的特征分随动控制系统在工业部门又称为伺服系统。这种系随动控制系统在工业部门又称为伺服系统。这种系统的给定量的变化规律是不能预先确定的。统的给定量的变化规律是不能预先确定的。 （1）恒值控制系统。）恒值控制系统。（3）随动控制系统。）随动控制系统。（2）程序控制系统。）程序控制系统。恒值控制系统是一种使预期量不随时间变化的常量恒值控制系统是一种使预期量不随时间变化的常量反馈控制系统。该系统的预期量一经给定，在运行反馈控制系统。该系统的预期量一经给定，在运行过程中就不再改变过
4、程中就不再改变(但可按期校准或更改给定量但可按期校准或更改给定量)。其任务是保证在任何扰动下系统的被控量为恒值。其任务是保证在任何扰动下系统的被控量为恒值。 程序控制系统的给定量为变量，但其变化规律是预程序控制系统的给定量为变量，但其变化规律是预先确定的。可以预先将给定量的变化规律编成程序，先确定的。可以预先将给定量的变化规律编成程序，由该程序发出控制指令，在输入装置中再将控制指由该程序发出控制指令，在输入装置中再将控制指令转换为控制信号，使被控量按指令的要求运动。令转换为控制信号，使被控量按指令的要求运动。 25 七月 2024机电控制技术2）按系统中传递信号的性质分）按系统中传递信号的性质
5、分（1）连续控制系统。）连续控制系统。（2）离散控制系统。）离散控制系统。连续控制系统是指系统中各部分传递的信号都是时连续控制系统是指系统中各部分传递的信号都是时间的连续函数的系统。该系统包括线性连续控制系间的连续函数的系统。该系统包括线性连续控制系统和非线性连续控制系统。其中，能用线性微分方统和非线性连续控制系统。其中，能用线性微分方程描述的系统称为线性连续控制系统；不能用线性程描述的系统称为线性连续控制系统；不能用线性微分方程描述，且存在着非线性部件的系统称为非微分方程描述，且存在着非线性部件的系统称为非线性连续控制系统。线性连续控制系统。离散控制系统是指系统中某一处或数处的信号是以离散控
6、制系统是指系统中某一处或数处的信号是以脉冲序列或数字量传递的系统。在离散控制系统中，脉冲序列或数字量传递的系统。在离散控制系统中，数字信息的测量、放大、比较和给定等过程均由计数字信息的测量、放大、比较和给定等过程均由计算机实现，计算机的输出经算机实现，计算机的输出经D/A转换器后传给伺服转换器后传给伺服放大器，然后再去驱动执行元件也可由计算机直接放大器，然后再去驱动执行元件也可由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后驱动数字式执行元输出数字信号，经数字放大器后驱动数字式执行元件。件。 25 七月 2024机电控制技术3.控制系统的控制方法控制系统的控制方法控制方法的不同，控制系统的组成部分也不
7、同。最常用的有比例积分微分控制方法的不同，控制系统的组成部分也不同。最常用的有比例积分微分(PID)控制方法。随着科学技术的突飞猛进，于是新的控制方法便发展起来。控制方法。随着科学技术的突飞猛进，于是新的控制方法便发展起来。1）自适应控制）自适应控制2）模糊控制）模糊控制 3）神经网络控制）神经网络控制4）智能控制）智能控制5）计算机控制）计算机控制计算机控制是指利用计算机来实现生产过程的自动计算机控制是指利用计算机来实现生产过程的自动化控制。化控制。自适应控制是指通过不断地测量系统的输入自适应控制是指通过不断地测量系统的输入/输出状输出状态及其性能参数，逐渐了解和掌握对象的信息，然态及其性能
8、参数，逐渐了解和掌握对象的信息，然后根据所得的信息按一定的控制策略，作出决策去后根据所得的信息按一定的控制策略，作出决策去更新控制器的参数，从而达到所要求的控制性能指更新控制器的参数，从而达到所要求的控制性能指标。标。模糊控制是指以模糊集合理论为基础的控制技术。模糊控制是指以模糊集合理论为基础的控制技术。是指以人工神经网络为基础的控制技术。是指以人工神经网络为基础的控制技术。一个理想的智能控制系统应具备以下几个方面的功能：一个理想的智能控制系统应具备以下几个方面的功能：（1）具有关于人机环境的知识及如何利用这些知识的策略；）具有关于人机环境的知识及如何利用这些知识的策略；（2）具有自适应、自组
9、织、自学习和自协调的能力；）具有自适应、自组织、自学习和自协调的能力；（3）能满足多目标、多层次的高标准要求，有判断决策的能力；）能满足多目标、多层次的高标准要求，有判断决策的能力；（4）有容错性；）有容错性；（5）具有智能化的人机界面。）具有智能化的人机界面。25 七月 2024机电控制技术4.控制系统的基本要求控制系统的基本要求由于控制系统应用于不同的场合，因而对它有不同的性能要求。一般可将控由于控制系统应用于不同的场合，因而对它有不同的性能要求。一般可将控制系统的基本要求归结为以下几种：制系统的基本要求归结为以下几种：（1）稳定性。）稳定性。（2）精确性。）精确性。 （3）快速性。）快速
10、性。（4）安全性。）安全性。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。控制系统的精确性即控制精度，一般以稳态偏差来控制系统的精确性即控制精度，一般以稳态偏差来衡量。衡量。由于技术上的原因，安全控制的问题尚未很好地解由于技术上的原因，安全控制的问题尚未很好地解决，在国内外发生过多次安全事故，损失巨大。因决，在国内外发生过多次安全事故，损失巨大。因此此，国内外对于控制系统的故障诊断十分重视，成国内外对于控制系统的故障诊断十分重视，成立了专门的委员会负责这一学科的组织和发展工作。立了专门的委员会负责这一学科的组织和发展工作。快速性是指当系统的被控量与给定量之间产
11、生偏差快速性是指当系统的被控量与给定量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。快速性越好的系统，时，消除这种偏差的快慢程度。快速性越好的系统，消除偏差过渡过程的时间就越短，因而具有较好的消除偏差过渡过程的时间就越短，因而具有较好的动态性能。动态性能。25 七月 2024机电控制技术1.2 机电控制系统机电控制系统1.2.1 机电控制系统概述机电控制系统概述 20世纪世纪60年代，一系列高新技术，如微电子技术、自动化技术、生物年代，一系列高新技术，如微电子技术、自动化技术、生物技术、传感技术、光纤通信技术等，都以空前的速度向前发展，并且逐技术、传感技术、光纤通信技术等，都以空前的速度向前发展，并
12、且逐渐向传统产业渗透，机械系统已不再是单纯的机械结构，而更多的是与渐向传统产业渗透，机械系统已不再是单纯的机械结构，而更多的是与信息系统、自动控制系统等结合在一起，组成一个有机体，并逐渐形成信息系统、自动控制系统等结合在一起，组成一个有机体，并逐渐形成以电机为支柱的机电系统，即机电控制系统。以电机为支柱的机电系统，即机电控制系统。25 七月 2024机电控制技术1.2.2 机电控制系统的基本要素机电控制系统的基本要素 常见的机电控制系统应包括机械本体、传动装置、常见的机电控制系统应包括机械本体、传动装置、检测传感部分、执行装置、驱动部分、控制和信息处检测传感部分、执行装置、驱动部分、控制和信息
13、处理单元及接口等几个基本要素。理单元及接口等几个基本要素。1.2 机电控制系统机电控制系统25 七月 2024机电控制技术1.机械本体机械本体2.传动装置传动装置 3.检测传感部分检测传感部分4.执行装置执行装置传动装置的主要功能是传递转矩和转速。常用的机传动装置的主要功能是传递转矩和转速。常用的机械传动装置包括齿轮传动、带传动、链传动、挠性械传动装置包括齿轮传动、带传动、链传动、挠性传动、间歇传动和轴系传动等。具体要求包括以下传动、间歇传动和轴系传动等。具体要求包括以下3个方面：精密化、高速化、小型化、轻量化。个方面：精密化、高速化、小型化、轻量化。执行装置是根据控制信息和指令完成既定动作的
14、装执行装置是根据控制信息和指令完成既定动作的装置。根据动力源的不同，可将执行装置分为电气执置。根据动力源的不同，可将执行装置分为电气执行装置、液压执行装置和气动执行装置。行装置、液压执行装置和气动执行装置。 1）电气执行装置）电气执行装置 2）液压执行装置）液压执行装置 3）气动执行装置）气动执行装置检测传感部分的功能是对机电控制系统运行所需的检测传感部分的功能是对机电控制系统运行所需的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别的信号，各种参数及状态进行检测，并转换成可识别的信号，传输到信息处理单元。传输到信息处理单元。机械本体是机电控制系统所有功能元素的机械支持机械本体是机电控制系统所有功能元素
15、的机械支持部分，包括机身、框架和机械链接等。部分，包括机身、框架和机械链接等。25 七月 2024机电控制技术5.驱动部分驱动部分 6.控制和信息处理单元控制和信息处理单元7.接口接口驱动部分可在控制信号的作用下提供动力，根据控驱动部分可在控制信号的作用下提供动力，根据控制信号驱动各种执行装置完成各种动作和功能。制信号驱动各种执行装置完成各种动作和功能。接口是控制系统中各单元和环节之间进行物质、能接口是控制系统中各单元和环节之间进行物质、能量和信息交换的连接界面，具有对信号进行变换、量和信息交换的连接界面，具有对信号进行变换、放大及传递的功能。它将各组成要素连接成为一个放大及传递的功能。它将各
16、组成要素连接成为一个有机体，由控制和信息处理单元引导各功能环节协有机体，由控制和信息处理单元引导各功能环节协调一致地运行。调一致地运行。控制和信息处理单元可将传感器的检测信息和外部控制和信息处理单元可将传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析和加工，根据信息输入命令进行集中、存储、分析和加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有序地运行。它一般由计算机、可编控制整个系统有序地运行。它一般由计算机、可编程序控制器、数控装置以及逻辑电路、程序控制器、数控装置以及逻辑电路、A/D与与D/A转转换器、输入换器、输入
17、/输出接口和计算机外部设备等组成。输出接口和计算机外部设备等组成。25 七月 2024机电控制技术1.3 机电控制技术的发展机电控制技术的发展1.3.1 机电控制技术的发展概况机电控制技术的发展概况随着科学技术的不断发展、生产工艺的改进，特别是计算机技术的应用，随着科学技术的不断发展、生产工艺的改进，特别是计算机技术的应用，新型控制策略的出现，不断改变着机电控制技术的面貌。在控制方法上，新型控制策略的出现，不断改变着机电控制技术的面貌。在控制方法上，从手动控制发展到自动控制；在控制功能上，从简单控制发展到智能化从手动控制发展到自动控制；在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；在操作上，从人工
18、处理到计算机处理；在控制原理上，从单一的控制；在操作上，从人工处理到计算机处理；在控制原理上，从单一的有触头硬接线继电器的逻辑控制系统发展到以微处理器为中心的网络化有触头硬接线继电器的逻辑控制系统发展到以微处理器为中心的网络化自动控制系统。自动控制系统。世界各先进工业国家的机电控制技术的各有特点，其发展的重点和具体世界各先进工业国家的机电控制技术的各有特点，其发展的重点和具体做法也不尽相同，但总的趋势是一致的，归纳起来主要包括以下做法也不尽相同，但总的趋势是一致的，归纳起来主要包括以下3个方个方面：面：（1）向高精度、高效率、高性能和智能化的方向发展。）向高精度、高效率、高性能和智能化的方向发
19、展。（2）向小型化、轻型化和多功能化的方向发展。）向小型化、轻型化和多功能化的方向发展。（3）向系统化和复合集成化的方向发展。）向系统化和复合集成化的方向发展。25 七月 2024机电控制技术1.4 机电控制技术的相关学科机电控制技术的相关学科机电控制技术是在传统技术的基础上，与一些新兴技术相结合而发展起机电控制技术是在传统技术的基础上，与一些新兴技术相结合而发展起来的。与机电控制技术的技术可以归纳为检测传感技术、信息处理技术、来的。与机电控制技术的技术可以归纳为检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、精密机械技术及系统总体技术。这些共自动控制技术、伺服传动技术、精密机械技术及
20、系统总体技术。这些共性相关技术之间的关系如下图所示。性相关技术之间的关系如下图所示。25 七月 2024机电控制技术1.5 机电控制技术的、技术和经济效益机电控制技术的、技术和经济效益机电控制技术综合利用各相关技术的优势，扬长避短，取得了系统优化机电控制技术综合利用各相关技术的优势，扬长避短，取得了系统优化的效果，产生了显著的社会、技术和经济效益，具体表现如下：的效果，产生了显著的社会、技术和经济效益，具体表现如下： （1）提高精度。）提高精度。 （2）增强功能。）增强功能。 （3）节约能源，降低消耗。）节约能源，降低消耗。 （4）提高生产效率，降低成本。）提高生产效率，降低成本。 （5）提高安全性和可靠性。）提高安全性和可靠性。 （6）减轻劳动强度，改善劳动条件。）减轻劳动强度，改善劳动条件。 （7）改善操作性和使用性。）改善操作性和使用性。 （8）简化结构，减轻负担。）简化结构，减轻负担。 （9）增强柔性应用功能。）增强柔性应用功能。25 七月 2024机电控制技术
