《机电一体化技术概论》课件（上）

理解机电一体化的概念知道典型的机电一体化产品了解典型机电一体化的组成机电一体化涉及的关键技术第一章绪论学习要点机电一体化的概念机电一体化又称机械电子学，英文称为Mechatronics，它是由英文机械学mechanics的前半部分与电子学electronics的后半部分组合而成机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。典型机电一体化产品典型机电一体化组成机械本体动力驱动传感与检测控制及信息处理执行机构它们的5大组成部分是什么？机电一体化关键技术机械技术传感检测技术自动控制技术伺服驱动技术计算机与信息技术6第2章自动控制基础掌握自动控制系统数学模型建立和分析。掌握自动控制系统校正及设计。3掌握自动控制系统的概念和要求。12重点掌握自动控制系统运用。4本章学习基于概念，对系统进行分析、设计和应用控制工作过程：电动机转速自动控制与人工控制对比2.1自动控制系统的

基本概念及要求

自主示例：自动控制与人工控制案例

人工控制系统的工作过程：眼睛—观察转速表(测量元件)的读数头脑—将实际转速与期望转速进行比较，经过思考估算出需要改变电位器的位置，然后发出控制命令手—根据命令改变电位器的位置，相应地增减电动机的工作电压，使转速保持在所需的范围内。电机、减速器－带动负载工作自动控制系统的工作过程：通过闭环检测、给定与实际差值放大，带动电动机及负载按预期转速工作。9自动控制与人工控制比较:在自动控制系统中，测量仪表、控制仪表、自动调节阀分别代替了人工控制中人的观察、思考和手动操作，因而大大降低了人的劳动强度；同时由于仪表的信号测量、运算、传输、动作速度远远高于人的观察、思考和操作过程，因此自动控制可以满足信号变化速度快、控制要求高的场合。1、自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使生产设备或生产过程在受到外界干扰偏离正常状态后，其工作状态或参数能够自动地按照预定的规律运行。2、自动控制系统：实现自动控制作用的系统称为自动控制系统。自动控制系统性能的优劣直接影响产品的产量、质量、成本、劳动条件，自动控制系统在智能制造、智能控制技术起核心支撑作。在工业、农业、交通运输和国防各个方面都离不开自动控制。2.1.1自动控制系统的

基本概念

自动控制示例3.自动控制系统的组成－功能方框图2.1.1自动控制系统的

基本概念

自动控制系统组成被控对象:机器、设备、生产过程等控制装置:控制器、检测元件等方框图是描述系统的一种常用手段（1）检测及变送装置（传感变送器）

传感器用于把工艺变量转化为特定信号（电信号或气压信号）的仪器，变送器把特定信号变成标准统一的信号，在自动控制系统中起着“检测”的作用，为显示、反馈控制提供依据；常见的传感器如温度、流量、压力、转速、位移等物理量.（2）控制器

将传感变送器送来的信号与工艺参数的给定值信号进行比较，得到偏差信号；对偏差按一定的运算规律确定控制信号大小及方向，由控制信号驱动执行器动作。常见的控制器：智能PID仪表、PLC（可编程控制器）、计算机、控制板、电路板等装置（3）执行机构（执行器）

执行器接受控制器送来的信号，根据控制量的大小和方向，对被控对象产生直接的控制作用。执行器通常包括各种继电器、电磁铁、调节阀、电动机等.16

（4）被控变量：指需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位、反应器的温度、物料流量等。

（5）给定值(或设定值)：对应于生产过程中被控变量的期望值。可由调节器内部或由外界给定。

（6）测量值：由检侧元件得到的被控变量的实际值。

（7）操纵变量(或控制变量)：受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量，它是调节阀的输出。

（8）控制信号：控制器将偏差按一定规律计算得到的量。17

（1）根据设定值的规律：

可分为定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。

（2）根据控制系统有无闭环

：

分为闭环控制系统和开环控制系统。

（3）根据被控变量的的响应速度：

可分为过程控制和随动控制两大类。

（4）按被控变量的不同：

可以分为温度控制系统、流量控制系统、压力控制系统、液位控制系统、成分控制系统、速度控制系统、位置控制系统等类型。4.自动控制系统的分类开环控制系统示例：电磁炉基于闭环控制系统进行学习5、对控制系统性能的要求

常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。（2）快速性（1）稳定性（3）准确性206、控制系统的过渡过程在阶跃干扰的作用下，控制系统的过渡过程有如下几种基本形式：

（1）等幅振荡过程被控变量在某稳定值附近振荡，而振荡幅度恒定不变。这意味着系统在受到阶跃干扰作用后，就不能再稳定下来，一般不采用。只是在某些工艺上允许被控变量在一定范围内波动、控制质量要求不高的场合，这种形式的过渡过程才被采用。21

（2）发散振荡过程它表明系统在受到阶跃干扰的作用后，不但不能使被控变量回到给定值，反而越来越偏离给定值，以致超出生产的规定限度，严重时引起事故。这是一种不稳定的过渡过程，因此要尽量避免。（3）衰减振荡过程被控变量在稳定值附近上下波动经过二三个周期就稳定下来。这是一种稳定的过渡过程，在过程控制中，多数情况下都希望得到这样的过渡过程。22

（4）非振荡的单调过程它表明被控变量最终稳定下来了，是一个稳定的过渡过程。但与衰减振荡相比，其回复到平衡状态的速度慢、时间长，因此一般不采用。综上所述，一个自动控制系统的过渡过程，应该是一个渐趋稳定的过程，这是满足生产要求的基本保证；因此，在大多数场合下，对待干扰应是采用衰减振荡的调节过程。237、过渡过程及性能指标：以阶跃响应曲线形式表示的质量指标定值系统随动系统

最大偏差A（或超调量σ）：对一个定值控制系统来说，最大偏差是指过渡过程中被控变量第一个波的峰值与给定值的差；在随动控制系统中，通常采用超调量指标24定值系统随动系统

衰减比：是过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，即B1:B2一般用n:1表示。n愈小，衰减程度愈小，n愈大，愈接近非周期单调过程.n=1时，过渡过程为等幅振荡;n<1时，过渡过程则为发散振荡;n>1时，过渡过程为衰减振荡;n→∞，过渡过程为单调过程。从便于操作管理，一般希望衰减比在4:1—10:1为好。25

调节时间ts：是指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态所用时间，即整个过渡过程所经历的时间。从理论上讲，被控变量完全达到新的稳定状态需要无限长的时间，但通常在被控变量进入新稳态值的±5%的范围内不再超出时，就认为被控变量已达到新的稳态值。因此，实际的过渡时间是从扰动开始作用之时起，直至被控变量进入新稳态值的±5%的范围内所经历的时间。定值系统随动系统26定值系统随动系统

余差e（∞）是指过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与设定值之差。即e(∞)＝y(∞)－ys在控制系统中，余差反映了系统的控制精度。

振荡周期T过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔称为振荡周期。在相同的衰减比条件下，振荡周期短些为好。272.2自动控制系统的数学模型1、数学模型的定义：数学模型是描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式。数学模型具有相似性、通用性、简化性及精确性等特点。2、数学模型的作用：便于用数学工具进行定量分析计算。建模为分析和设计自动控制系统提供理论指导，同时对仪表维护、校验以及控制器的控制规律的选用也具有实践指导意义。3、建立数学模型方法：解析法和实验法，工程上共享已有成果。4、数学模型的类型：微分方程、传递函数、动态结构图等表达方式282.2自动控制系统的数学模型5、自动控制系统常用数学模型：典型环节有比例环节、积分环节、微分环节、惯性（一阶）环节、二阶（振荡）环节。（1）比例环节

输出量与输入量成比例的环节称为比例环节，其微分方程为

。（2）积分环节

输出量与输入量对时间的积分成正比的环节称为积分环节。（3）微分环节

输出量与输入量的导数成正比的环节称为微分环节。（4）一阶环节：292.2自动控制系统的数学模型6、控制系统的方块图

及其简化。（1）定义：方块图是把环节方框中的文字描述用传递函数来表示其特性的一种示意图。（2）作用：在分析系统时经常需要对方块图

作一定的变换，尤其是多回路控制系统，更需要对系统的方块图作逐步等效变换，直至变为典型的反馈系统的结构形式，通过求出系统总的传递函数，以便对系统进行分析。（3）基本连接及规律：串联连接、关联连接和反馈连接。30（1）串联连接。是指环节间输入信号和输出信号的串联传递关系，前一个的输出即为后一环节的输入，环节串联以后总的传递函数如下式。31（2）并联连接：在并联连接中，各环节的输入相同，而总的输出为各个环节输出的代数和。32（3）反馈连接。输出C(s)经过一个反馈环节H(s)后，反馈信号B(s)与输入R(s)相加减，再作用到传递函数为G(s)的环节。33（4）系统典型传递函数－输入量R(s)作用下的闭环传递函数（4）系统典型传递函数－扰动量N(s)作用下的闭环传递函数342.3控制系统的分析工程上对系统性能进行分析的主要内容是稳定性分析、稳态性能分析和动态性能分析，稳态性能分析就是系统的稳态误差的确定，如已知系统的误差传递函数采用终值定理，如已知响应曲线可直接读图确定；主要介绍系统的动态性能分析和稳定性分析。数学模型是对控制系统进行理论研究的前提，建立数学模型后，运用适当方法对系统的控制性能作全面的分析、计算及设计，高阶系统一般可以近似为低阶系统处理，下面主要对一、二阶系统性能的时域分析法进行介绍，另有频域分析法、状态空间分析法。352.3控制系统的分析1、时域分析法：指控制系统在一定的输入下，根据输出量的时域表达式及响应曲线，分析系统的稳定性、瞬态和稳态性能的一种方法。2、系统响应：分析系统的性能需要用系统的响应来进行，所谓响应就是系统的输出对输入的反应。系统的响应由系统本身的结构（数学模型）、初始状态和输入信号的形式所决定，初始状态可视为零，通常输入信号采用单位阶跃函数r（t）=1，系统的响应称之为单位阶跃响应。362.3控制系统的分析3、时域分析法步骤：（1）根据系统传递函数和给定输入，求输出像函数；（2）对输出像函数进行拉氏反变换求时域表达式；（3）根据响应曲线读图或公式确定性能指标。4、一阶、二阶时域分析及结论二阶系统分类：根据ζ的取值范围系统的阶跃响应分为：临界阻尼（ζ=1）、过阻尼（ζ>1）、零阻尼（ζ=0）、负阻尼（ζ<0）、欠阻尼（0<ζ<1），系统在过阻尼和欠阻尼时满足稳定条件，由于欠阻尼具有较好的控制性能，因此得到广泛应用。标准方程：372.3控制系统的分析5、系统稳定性分析（1）引入：工程上所使用的控制系统必须是稳定的，不稳定的系统无法工作，因而稳定性是系统正常工作的首要条件。（2）系统绝对稳定的充要条件：系统的稳定性可用数学模型和响应曲线进行判断，其充要条件由特征方程的特征根符号决定。对于一阶、二阶系统特征根求解容易，而对于高阶系统求解特征根困难，为此，可采用劳斯－赫尔维茨代数判据或MATLAB软件编程来判断高阶系统的绝对稳定性。382.3控制系统的分析（2）应用示例：6、MATLAB软件在系统分析中应用（1）MATLAB概况：主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域；MATLAB软件主要包括MATLAB和Simulink两大部分。392.4控制系统的校正校正的概念在原有的系统中有目的地增添一些装置和元件，人为地改变系统的结构和性能，使之满足所要求的性能指标，我们把这种方法称为系统校正。增添的装置和元件称为校正装置和校正元件。根据校正装置在系统中所处位置的不同，一般分为串联校正、反馈校正和顺馈补偿；重点基于MATLAB软件对串联校正中常用的PID控制规律进行设计分析。校正的引入：原系统性能不能满足要求时，采用校正措施。40１.串联校正如果校正装置Gc(s)串联在系统固有部分的前向通道中，则称为串联校正。412.反馈校正将校正装置Gc(s)与需要校正的环节进行反馈连接，形成局部反馈回路，称为反馈校正。过程控制与自动化仪表423.复合校正复合校正是在反馈控制的基础上，引入输入补偿构成的校正方式，通常可以分为两种：一种是引入给定输入信号补偿；另一种是引入扰动输入信号补偿。过程控制与自动化仪表434、

校正应用举例

有一随动系统，框图如下。图中G1(s)为随动系统的固有部分。现对其进行串联校正，串联一个比例校正装置，比例系数Kc=0.5。具有校正环节的系统框图举例444校正应用举例校正前、后系统的阶跃响应曲线454校正应用举例结论：加入串联校正装置，降低系统增益后：１）系统的相对稳定性得到改善，超调量下降，振荡次数减少。２）增益降低为原来的１/２，系统的稳态精度变差。比例积分（PI）控制（1）比例积分调节的动作规律传递函数或PI调节综合了P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除静差。PI调节器P---主导作用I---辅助作用5PID控制（2）比例积分调节的特点①无差调节。②PI调节是在P调节的基础上引入I，虽可消除静差，但却降低原有系统的稳定性。因此，为了保持控制系统原来的衰减率，PI调节器比例度必须适当加大.③只要偏差存在，积分作用就一直进行，对于时间滞后大的对象，会出现积分饱和现象。④PI调节器适用于对象纯滞后不大，时间常数也不大，而又不允许被控参数有静差的场合。Ti对PI调节过程的影响比例微分调节在负荷变化剧烈、扰动幅度较大或过程容量滞后较大的过程中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高系统的控制质量。加入微分调节可提高控制系统的稳定性PD调节的抗干扰能力很差,只能应用于被控参数变化非常平稳的过程。微分调节具有快速超前作用，但对于纯滞后过程无效。PD调节是有差调节。PD调节器P---主导作用D---辅助作用过程控制与自动化仪表49比例积分微分控制理想PID实际PID比例积分微分控制器的输出特性曲线50

PID控制器各种组合控制效果图3.6比例积分微分控制

PID调节器兼有PI、PD调节器两者的优点，克服干扰能力强，使系统的稳定性提高。对于容量滞后较大，纯滞后不太大，不允许有静差的过程，采用PID调节可以全面改善控制品质,因此，被大多数的温度、成分控制系统所选用。

PID调节器的特点及适用场合

PID的调节效果最好（从超调量、过渡过程时间、稳态误差看）PI其次，PD次之（有差），P再次之，I调节最差调节器不同调节规律响应过程比较

536、控制系统Simulink辅助设计分析设某控制系统的传递函数利用Simulink仿真工具辅助分析在不同的控制方式下，系统的动态响应情况。系统的控制框图举例54（1）采用比例（P）控制（2）采用比例积分（PI）控制55（3）采用比例微分（PD）控制（4）采用比例积分微分（PID）控制56定义：单回路控制系统是指由一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控对象所构成的一个回路闭环系统。作用：无论自动化控制技术如何发展，单回路控制系统在工业生产中的应用占有80%以上比例；同时，也是构成其他类型控制系统如串级、比值、前馈、均匀、分程等控制系统的基础。学会与掌握单回路控制系统的操作应用、分析与设计、工程实施等内容是控制技术最为核心的要求。2.5单回路控制系统系统分析-主要内容控制系统组成和控制性能指标检测变送环节执行器环节控制器的控制算法控制器参数整定和控制系统投运简单控制系统设计示例2.5.1单回路控制系统组成及工作原理

对于控制系统设计和应用来说，控制方案的设计和调节器参数的整定是其中两个重要内容。如果控制方案设计不正确，仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质量的；若控制方案很好，但是调节器参数整定不合适，也不能使系统运行在最佳状态。检测变送环节检测变送环节-温度压力式温度计（温包）一体化温度变送器温度检出元件热电阻、热电偶光学高温温度计半导体温度计（热敏电阻）双金属温度计智能温度变送器架装温度变送器电接点温度计1、检测变送环节检测变送环节的性能检测变送环节的传递函数检测变送环节的作用:将工业生产过程的参数（流量、压力、温度、物位、成分等）经检测、变送单元转换为标准信号对检测变送环节的基本要求:准确:检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，误差应小；迅速:应能及时反映被控或被测变量的变化；可靠:检测元件和变送器的基本要求，它应能在环境工况下长期稳定运行检测变送环节的传递函数:环节增益环节时间常数环节时滞检测变送环节检测变送仪表的工作特性能满足被测变量测量和系统运行需要应具有的仪表输入输出特性称为检测变送仪表的工作特性量程:检测仪表规定输出范围对应的被测变量范围零点:被测变量下限值仪表工作特性:检测仪表输入是被测变量，输出是标准信号，仪表工作特性是该仪表输出和输入之间的关系量程调整:零位不变时，改变仪表输出上限与被测变量上限一致零点迁移:零位仪表标准输出下限所对应的被测变量下限迁移到某值。分正迁移和负迁移2、执行器环节执行器位于控制回路最终端，也称为最终元件控制系统的控制性能指标与执行器的性能和正确选用有着十分重要的关系执行器直接与被控介质接触，在高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境运行时，执行器的选择尤为重要最常见执行器是控制阀，也称调节阀控制阀由执行机构和调节机构两部分组成执行机构将控制器输出信号转换为控制阀的推力或力矩，并将推力或力矩转换为直线或角位移调节机构将位移信号转换为流通面积的变化，改变操纵变量的数值执行器环节-执行机构气动薄膜执行机构（多弹簧）气动活塞式双作用执行机构长行程执行机构气动薄膜执行机构电动执行机构电动执行机构电液执行机构电液执行机构3、控制器的控制算法常规模拟仪表用硬件实现模拟PID控制算法P（比例）控制算法PI（比例积分）控制算法PD（比例微分）控制算法PID（比例积分微分）控制算法计算机控制装置用软件实现数字PID控制算法位置控制算法增量控制算法速度控制算法开关控制算法双位控制算法三位控制算法时间比例控制算法常用控制器波纹管型气动PID背包式调节记录仪最早气动调节记录仪电动PID调节器模拟控制器数字式PID调节器KMM单回路调节器可编程控制器Honeywell的DCSFoxboro的控制器Rosemount控制器数字控制器计数器时间继电器继电器开关控制

4、

被控参数的选择根据工艺要求选择被控参数，是系统设计中的重要内容。选取被控参数的一般原则：⑴选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数。⑵当不能用直接参数作为被控参数时，应选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。⑶被控参数必须具有足够高的灵敏度。⑷被控参数的选取，还必须考虑工艺过程的合理性和国内外仪表生产的现状。675、操纵变量的选择操纵变量在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操纵变量，最常见的操纵变量是介质的流量。当被控变量选定以后，接下去应对工艺进行分析，找出有哪些因素会影响被控变量发生变化的。68操纵变量的选择一般来说，影响被控变量的外部输入往往有若干个而不是一个，在这些输人中，有些是可控(可以调节)的，有些是不可控的。原则上，是在诸多影响被控变量的输人中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入，作为操纵变量，而其他未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。696、执行器的选择在机电控制系统中的执行器主要是各类电动机，就应用角度可分为常规电机、伺服电机、特殊电机等类型当被控变量选定以后，接下去应对工艺进行分析，找出有哪些因素会影响被控变量发生变化的。位置控制用电机

位置控制用电机分为步进电机、DC伺服电机、无刷DC伺服电机（AC伺服电机）等。707、检测仪表的选择对检测仪表及变送器的基本要求是能够可靠、正确和迅速地完成信号的转换，为此需要考虑三个主要问题：其一、仪表在现场工作环境条件下能否可靠地长期工作，其二、测量误差是否不超过工艺规定的界限，其三、测量信号的动态响应是否迅速。总之，对测量仪表正确选型、精心地进行维护、规范化地安装和排除信号干扰是用好测量仪表、保证测量仪表的输出信号能真实反映被控变量的关键。718、控制器的选择控制器（调节器）是控制系统的核心部件，控制器的选择主要包括控制规律的选择和正、反作用方式的选择；工程上根据不同的对象特性，选择与之相配合的控制规律来进行控制，以符合工艺的控制要求；正、反作用方式的选择为确保整个控制系统构成负反馈，以满足系统稳定性的要求。

（1）调节器控制规律的选择调节器的控制规律也称调节规律，是指调节器的输出信号u与输入信号e之间随时间变化的规律。其基本控制规律有位式、比例（P）、积分（I）、微分（D）及其组合。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分和微分控制规律，简称PID。PID的优点：原理简单使用方便鲁棒性强（对过程变化不敏感）适应性广（应用面宽）

（2）调节器正、反作用的选择主要考虑控制器、执行器、被控对象、测量变送器各个环节放大系数KC、KV、K0、Km的符号联乘为负。只要事先知道了对象、控制阀、测量变送器放大系数的正负，就很容易确定控制器的正、反作用方式。环节正负的确定方法：输入增加，输出也增加，则环节放大系数符号为正；而输入增加，输出减小，则环节的放大系数符号为负。调节器的正、反作用举例759、系统运行与调试自动控制系统各个组成部分根据工艺要求设计，通过仪表正确选型、按设计的要求安装接线、线路经过检查正确无误、所有仪表和设备经过检查符合精度要求并已运行正常；可着手进行控制系统的调试，调试主要包括系统的投运和调节器参数的整定。（1）

控制系统的投运

在单回路控制系统方案设计、仪表正确选型、安装调校就绪后，或者装置经过停车全面检修之后，再将系统投入生产使用的过程称为系统的投运。也就是将系统由手动工作状态切换到自动工作状态。这一过程是通过调节器上的手动-自动切换开关从手前位置切换到自动位置来完成的，但是这种切换必须保证无扰动地进行。手动-自动切换的一般程序:1.准备工作⑴熟悉生产工艺过程⑵熟悉控制方案⑶全面检查过程检测控制仪表⑷进行仪表联调试验2.系统投运⑴检测系统投入运行⑵调节阀手动遥控⑶调节器投运(手动→自动)系统由自动控制切换到手动操作的程序：①系统先由自动控制转入手动遥控；②再进行手动操作。整定的任务：根据被控过程的特性，确定PID调节器的比例度、积分时间以及微分时间的大小。

在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标,以保证系统具有一定的稳定裕量。另外还应满足系统稳态误差、最大动态偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。（2）

调节器参数的工程整定整定的实质就是通过调整调节器的参数，使其特性与被控对象特性相匹配，来改善系统的动态和静态特性，以达到最佳的控制效果。理论计算整定法——

要求已知过程的数学模型

工程整定方法——

一般不要求知道对象特性

整定方法临界比例度法(闭环整定）具体步骤：1）首先将调节器的积分时间置于最大，微分时间置零，比例度置为较大的数值2）等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小直到出现等幅振荡曲线为止。记录下此时的临界比例度和等幅振荡周期3）按经验公式计算出调节器的参数现场实验整定法现场实验整定法，实质上是一种经验试凑法，所以也称为经验法。在现场的应用中，将各类过程控制系统调节器的整定参数按先比例、后积分、最后微分的顺序置于某些经验数值后，把系统闭合起来，然后再作给定值扰动，观察系统过渡过程曲线。若曲线还不够理想，则改变调节器的δ、Ti和Td的数值，进行反复试凑，以寻求“最佳”的整定参数，直到控制质量符合要求为止。2.6复杂控制系统概况

生产工艺的革新、生产过程的大型化、复杂化和智能化，以及产品质量提出更高的要求；如具有大滞后多容量、明显非线性的对象特性、控制过程中扰动信号频率较高且幅度大，单回路控制系统难以胜任。为此，引入串级、比值、前馈、均匀、分程、选择性等复杂控制系统，同时，进一步引入神经网络、模糊控制、专家系统等人工智能算法以提升系统性能。复杂控制系统亦可采用单回路控制系统的分析和设计方法，以串级控制学习为代表。821、串级控制引入对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，简单控制系统往往满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。（1）示例１：为了控制管式加热炉原油出口温度，可以设置图所示的温度控制系统，根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度，即改变燃料量来维持原油出口温度保持在工艺所规定的数值上，这是一个简单控制系统。（2）示例2：转速、电流双闭环串级调速系统83串级控制系统的回路有主回路和副回路，亦称为主环和副环。主回路是稳定被控变量值恒定为目的，完成“细调”；主控制器的设定值是由工艺规定的，是一个定值，因此，主回路是一个定值控制系统。而副控制器的设定值是由主控制器的输出提供的，随主控制器输出变化而变化；因此，副回路是一个随动系统，起预调作用，属于“粗调”。2、串级控制特点84其一、系统有两个闭合回路，形成内、外环；主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量；由于副回路的快速作用，使整个控制系统对进入副回路的干扰具有很强的克服能力。其二、主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值。其三、由于副回路的存在，改善了对象的特性使系统的工作频率提高，具有一定的自适应能力。2.7随动控制系统常识

1、随动控制内涵：自动控制系统中，如被控量是位移、速度或加速度等机械变量的反馈控制系统，称为随动控制系统或伺服系统。2、伺服系统的主要任务：是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能得到精确方便的控制。通过对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制，使其按照预期的运动轨迹和规定的参数进行运动。3、随动控制系统的分类（1）根据驱动方式可分为直流伺服系统和交流伺服系统.（2）根据功能特征分为位置控制、速度控制和转矩控制等类型.（3）根据控制方式，可分为开环、半闭环和闭环三种基本控制方式。2.7随动控制系统常识

4、随动控制关键技术：（1）其技术要求：为稳定性好、精度高、响应快、低速大转矩、高速恒功率、调速范围宽；为此，需要专门的或比常规控制系统性能要求更高的元件和技术。（2）关键技术：伺服传动、精密机械、检测传感、自动控制、计算机与信息处理、系统总体技术。2.7随动控制系统常识

5、随动控制系统的组成（1）随动控制系统的典型功能方框图如下图所示。2.7随动控制系统常识

（2）基本原理：

运动控制器对偏差运算处理后，发送随动控制信号到伺服驱动器。由伺服驱动器驱动伺服电机运行；再通过伺服电机上的编码器反馈信号返回至运动控制器，至此，整个随动控制系统实现运动控制器的闭环控制。控制器可以完成随动控制的所有细节，包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等功能。896、随动控制系统设计及分析类同于前面的控制系统，其核心是掌握和选用运动控制器，要做的主要工作：其一、进行方案设计；其二、控制器、电机、传感器等硬件选型及集成；其三、编制应用程序，给运动控制器发送相应的速度、位置指令，实现机电装置所需要的运动功能。随动控制系统案例2.8双闭环调速系统实验

1、直流电动机转速/电流双闭环PID控制方案仿真实验：参考前述双闭环控制直流电动机调速系统的功能方框图首先通过仿真实验掌握自动控制系统的数学模型建立、Matlab/Simulink仿真平台应用，然后结合实训平台的调试运行验证“直流电动机转速/电流双闭环PID控制方案”的有效性。2、实验平台实验：利用智能制造实训室的数控加工中心、立体仓储、机器人等随动控制系统实训平台，以及A5300、A3000过程控制实训平台，通过了解系统的结构、部件作用、操作、调试、运行等环节，进一步理解控制系统的原理和应用。结合实验指导书完成91《机电一体化技术概论》笫3章传感器检测技术机械工业出版社92笫3章传感器检测技术3.1传感器检测技术概述机械工业出版社1.传感器检测定义传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。中国物联网校企联盟认为，传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。”93笫3章传感器检测技术3.1传感器检测技术概述机械工业出版社1.传感器检测定义如图所示。人脑识别外界事物与机电系统检测和反馈作用过程相类似，是机电一体化系统必不可少的组成部份，是机与电有机结合纽带。外界信息五种感官人脑四肢等传感器电子计算机执行器94笫3章传感器检测技术3.1传感器检测技术概述机械工业出版社2.传感器组成

传感器一般由敏感元件、转换元件及转换电路组成，某些特定传感器还需要辅助电源才能工作。如图3-2所示。被测物理量输出电量敏感元件转换元件转换电路辅助电源95笫3章传感器检测技术3.1传感器检测技术概述机械工业出版社3.传感器分类及信号预处理目前市场上传感器种类繁多，同一种传感器可检测多种参数，通常情况下可按以下三种方式分类：一按工作原理分类、二按被测物理量分类、三按应用范围分类。在这里，主要介绍按被测物理量分类：1）应变（扭矩）和力测量---金属丝应变片、半导体应变片传感器等；2）位移测量---如电位器、旋转编码器、电容式传感器等；3）大位移测量---激光和超声波测距传感器等；4）机械振动测量---压电式加速度传感器、磁电式速度传感器等；96笫3章传感器检测技术3.1传感器检测技术概述机械工业出版社3.传感器分类及信号预处理5）转速测量---光电编码器、光电开关和测速发电机等；6）压力与流量测量---如磁电式传感器、超声波流量计等7）温度测量---电阻式与热电偶式温度计。

在机电设备中，常用传感器有：1）机电设备运动位置的测量：光电开关或电涡流式接近开关、霍尔开关等；2）机电设备运动位移的测量：光电编码器、光栅尺、电容式位移传感器；3）机电设备运动转速的测量：测速发电机、光电码盘等。97笫3章传感器检测技术3.1传感器检测技术概述机械工业出版社3.传感器分类及信号预处理通常情况下，传感器检测到的信号都是比较微弱的，不利于远距离传输。如果不及时对信号进行处理，有用信号将被淹没在噪声信号中。因此，首先要将传感器输出的信息转化为标准信号，比如电压（0-5v）、电流（4-20mA）或者其他合适信号，经过滤波、放大和模数转换后传输至计算机。传感器测量电路计算机及输出被测量电压、电流

等(非电量)被测量(电量)电源信号传输电机风扇执行机构98笫3章传感器检测技术3.2机电设备速度检测传感器机械工业出版社1.测速发电机测速发电机是利用发电机的原理，用于测量机电设备旋转速度的传感器。以直流测速发电机为例：如图3-4所示。NS+-vbcdABNS+-abcdABE0

99笫3章传感器检测技术3.2机电设备速度检测传感器机械工业出版社1.测速发电机当位于永久磁场中的转子线圈随机械设备以转速v旋转时，因切割磁力线，在线圈两端将产生空载感应电动势E0，根据法拉第定律：

NS+-vbcdABNS+-abcdABE0

式中：Ce---为电势常数

φo---为磁通广西机电职业技术学院

熊治文2020.4100笫3章传感器检测技术3.2机电设备速度检测传感器机械工业出版社输出感应电动势E0与旋转速度v成正比，因此利用测量电压大小便可得出转速。通常测速发电机与伺服电机轴相连，可作伺服电机的速度反馈。测速发电机分为电磁式（定子有两组在空间互成900的绕组）、和永磁式两种，常用永磁式。广西机电职业技术学院

熊治文2020.4101笫3章传感器检测技术3.2机电设备速度检测传感器机械工业出版社2.光电转换测速传感器(1)工作原理光电效应具体可分为以下几种：1）外光电效应光线照射下，使电子从物体表面逸出的现象。具体光敏器件有光电管、光电倍增管等。2）内光电效应在光线照射下，使物体的电阻率发生改变的现象。具体光敏器件有光敏电阻。3）光生伏特效应在光线照射下，使物体产生一定方向的电动势的现象。具体光敏器件有光敏二极管、光敏三极管光电池等。102笫3章传感器检测技术3.2机电设备速度检测传感器机械工业出版社(1)工作原理如图3-5所示，当光照射在基极-集电结上时，就会在集电结附近产生光生电子-空穴对，从而形成基极光电流，从而使三极管导通。103笫3章传感器检测技术3.2机电设备速度检测传感器机械工业出版社(2)光电转换测速传感器构成光电转换测速传感器有旋转圆盘和光电开关构成，如图3-6所示为透射式光电开关和反射式光电开关的基本结构。104笫3章传感器检测技术3.2机电设备速度检测传感器机械工业出版社3.光电转速传感器应用为了精确测量机电设备的运转速度，通常在机电设备的转轴1上安装带孔的圆盘2，将对射式光电开关安装在圆盘2的边缘，保证对射式光电开关的光路和圆盘的孔在一条直线上。这样可以保证运动设备在旋转时，圆盘随着转轴一起转动。如图3-8所示，105笫3章传感器检测技术3.2机电设备速度检测传感器机械工业出版社对射式光电开关实物106笫3章传感器检测技术3.2机电设备速度检测传感器机械工业出版社3磁电转换测速传感器（1）工作原理磁电转换测速传感器是利用电磁感应原理将机电设备转动速度转换成电信号的一种传感器。由于不需要辅助电源，就能把被测对象的运动量转换成易于测量的电信号，而且具有输出功率大，稳定性好，工作频率范围宽（10～1000Hz）等优点，所以得到普遍应用。当转轴旋转时，磁盘的凸凹齿形将引起磁盘与永久磁铁间气隙大小的变化，从而使永久磁铁组成的磁路中磁通量随之发生变化。感应线圈感应脉冲电势，其频率为107笫3章传感器检测技术3.2机电设备速度检测传感器机械工业出版社（1）工作原理根据测得的脉冲频率f，由于磁轮的齿数是已知的，因此可很方便的得知被测对象的转速n。108笫3章传感器检测技术3.2机电设备速度检测传感器机械工业出版社（2）应用举例在实际使用安装过程中，需要注意以下几个的问题：1）磁轮与传感器的安装距离应在0.5-1.2mm之间，如图3-11a所示。因为距离太远可能会造成漏磁严重，检测不到脉冲数的变化。2）传感器应与磁轮转轴垂直成90度，并且与磁轮中心对齐，如图3-11b所示。109笫3章传感器检测技术3.2机电设备速度检测传感器机械工业出版社（2）应用举例根据磁电式转速传感器的工作原理可知，当传感器的感应线圈匝数、安装气隙大小以及永磁体的磁场强度一定时，传感器输出的脉冲电势的幅值大小就仅取决于转轴转速。如果被测量的转速过低，通常需要在输出信号前进行处理、放大。不至于输出脉冲电势的幅值过小，而无法被测量出来。如图磁电式转速传感器测车轮转速图。110笫3章传感器检测技术3.3机电设备位置检测传感器机械工业出版社1霍尔位置传感器（1）霍尔效应及元件在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图3-12中的UH，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·霍尔在1879年发现的。UH称为霍尔电压。111笫3章传感器检测技术3.3机电设备位置检测传感器机械工业出版社1霍尔位置传感器（1）霍尔效应及元件这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向半导体薄片横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，半导体薄片两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。112笫3章传感器检测技术3.3机电设备位置检测传感器机械工业出版社（2）霍尔位置传感器在位置检测的应用①接近开关113笫3章传感器检测技术3.3机电设备位置检测传感器机械工业出版社（2）霍尔位置传感器在位置检测的应用②行程控制114笫3章传感器检测技术3.3机电设备位置检测传感器机械工业出版社2光电位置传感器（1）测量原理光电位置传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。利用三极管的开关作用可以产生光电脉冲信号，用于位置检测、工件计数或转动物体速度测量等，在这里主要介绍位置的检测。115笫3章传感器检测技术3.3机电设备位置检测传感器机械工业出版社2光电位置传感器（1）测量原理如图3-16所示表明了四种形式的工作方式。116笫3章传感器检测技术3.3机电设备位置检测传感器机械工业出版社2光电位置传感器（1）测量原理如图3-16所示表明了四种形式的工作方式。117笫3章传感器检测技术3.3机电设备位置检测传感器机械工业出版社2光电位置传感器（2）应用举例由于光电位置传感器价廉物美、体积小、性能可靠，因此广泛用于自动控制系统、生产流水线、安全警戒和家用电器中。例如检测生产流水线上的不同产品高度、缺件剔除、工件位置等；生产线中检测是否有料；安全防盗报警；带材对中控制等。118笫3章传感器检测技术3.3机电设备位置检测传感器机械工业出版社2光电位置传感器（2）应用举例119笫3章传感器检测技术3.3机电设备位置检测传感器机械工业出版社3电涡流位置传感器（2）工作原理电涡流式位置传感器的组成如图3-19所示。检测用敏感元件为检测线圈，当金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生涡流而吸收振荡能量，使振荡减弱以至停振。振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。120笫3章传感器检测技术3.3机电设备位置检测传感器机械工业出版社3电涡流位置传感器（2）应用位移测量121笫3章传感器检测技术3.3机电设备位置检测传感器机械工业出版社3电涡流位置传感器（2）应用振动测量122笫3章传感器检测技术3.3机电设备位置检测传感器机械工业出版社3电涡流位置传感器（2）应用厚度测量123笫3章传感器检测技术3.4机电设备位移检测传感器机械工业出版社1光电编码器式传感器（1）工作原理光电编码器，又称为手轮脉冲发生器，简称手轮，是一种通过光电转换将输出轴的机械几何位移量转换为脉冲或数字量的传感器，主要应用于各种数控设备，是目前应用最多的一种传感器。124笫3章传感器检测技术3.4机电设备位移检测传感器机械工业出版社1光电编码器式传感器（2）分类光电编码器的主要工作原理为光电转换，但其根据原理的不同又可分为增量型、绝对型和混合式增量型。在这里主要介绍前两种：增量式编码器125笫3章传感器检测技术3.4机电设备位移检测传感器机械工业出版社1光电编码器式传感器（2）分类光电编码器的主要工作原理为光电转换，但其根据原理的不同又可分为增量型、绝对型和混合式增量型。在这里主要介绍前两种：绝对式编码器126笫3章传感器检测技术3.4机电设备位移检测传感器机械工业出版社1光电编码器式传感器（3）光电编码器应用它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。127笫3章传感器检测技术3.4机电设备位移检测传感器机械工业出版社2.光栅式传感器（1）光栅尺的结构128笫3章传感器检测技术3.4机电设备位移检测传感器机械工业出版社2.光栅式传感器（2）工作原理当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的关系为129笫3章传感器检测技术3.4机电设备位移检测传感器机械工业出版社2.光栅式传感器（2）工作原理θ越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/θ倍。例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。130笫3章传感器检测技术3.4机电设备位移检测传感器机械工业出版社2.光栅式传感器（3）光栅传感器的应用光栅位移传感器具有测量精度高（分辨率为0.1μm），动态测量范围广（0～1000mm），可进行无接触测量，容易实现系统的自动化和数字化的特点。图为Croma系列三坐标测量仪。131笫3