2014第1章机电控制系统基本概念

1、本课程内容体系,第1单元机电控制系统的认识能力 机电控制系统和分类、基本要求 第2单元MATLAB的应用 软件使用和动态仿真，配合实验：利用MATLAB仿真 第3单元机电控制系统的数学模型 控制系统的数学模型建立、传递函数、方框图及其简化。 第4单元机电控制系统的分析方法 典型信号、一阶、二阶系统的时间响应,本课程内容体系,第5单元 机电控制系统的性能分析 基本概念、判断方法 第6单元 机电控制系统的性能改善方法 基本概念、校正方法。 第7单元典型运动控制系统 7.1 变频器调速技术应用 7.2 交流伺服控制,本课程内容体系,第单元机电控制系统中常用PLC的原理及应用 PLC的组成与工作原理、

2、指令系统、控制系统的设计与应用 第单元机电控制系统中常用单片机的原理及应用 MCS-5l单片微机的硬件结构、定时/计数器和中断系统、单片机应用举例 参考书：自动控制理论，向贤兵主编 机电控制系统动态仿真, 刘白雁主编,第1章 机电控制系统的基本概念,1-1 自动控制系统 1-2 控制系统分类 1-3 机电控制系统,人工控制与自动控制,煤气灶上油煎鸡 蛋时的油温控制 自行车速度控制 汽车驾驶 收音机音量调节,电饭煲 空调 抽水马桶 汽轮机转速控制 导弹飞行控制 声控光控路灯,1-1 自动控制系统 系统：由相互关联和制约的多个环节组成的一个整体，并就某种目标而运动。 自动控制：在无人直接参加的情况

3、下，利用控制装置使被控对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。 自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动控制。,一、控制系统的发展史,自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等 生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论 四个阶段:,1、胚胎萌芽期（1945年以前） 十八世纪以后，蒸汽机的使用提

4、出了调速稳定等问题 1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 1877年产生了古氏判据和劳斯稳定判据 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器 十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机 促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展。 十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机 促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制 二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快 飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。,2、经典控制理论时期（19401960） 1945年

5、美国人Bode “网络分析与放大器的设计”，奠定了控制理论的基础，50年代趋于成熟。 主要内容： 对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等 3、现代控制理论时期（50年代末60年代初） 空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上。 Kalman “控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论的基础 解决多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的控制 4、大系统和智能控制时期 （70年代） 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。例人工智能、模拟人的人脑功能、机器人等。,二、反馈控制原理和反

6、馈控制系统的组成 1、反馈控制原理 水箱水位人工控制原理,人工控制与自动控制：水箱水位控制问题,控制对象：水箱系统 被控量： 水箱水位 希望状态：实际水位=希望值 人工控制系统 人的作用：主要完成测量、比较和执行三种任务 人工闭环控制（反馈控制）,水箱水位人工控制原理,人工控制：眼、脑、手、水箱+阀门,水位测量与变送 人眼观测水位 控制器（比较、决策） 人脑进行比较与判断，决定如何调节阀门 执行器（电动机+减速机构）人的手臂和手的操作,水箱水位自动控制,水箱水位自动控制原理,人工控制：眼、脑、手、水箱+阀门,自动控制：传感器、控制器、执行器、水箱+阀门,反馈,扰动,2、反馈控制的特点,控制及时

7、，动态性能好。 伸手取物示意图 克服扰动能力强，控制精度高。,伸手取物示意图,图1-4 伸手取物示意图,3.反馈控制系统的组成,自动控制系统：控制装置受控对象 方框图(方框+箭头+求和圆+线条)：分析系统内各部分之间关系的图解法,c(t),给定器,控制器,执行机构,被控对象,检测元件,r(t),e(t),u(t),(t),D(t),b(t),-,+,组成,检测元件：对系统输出量进行自动检测并转化为能与给定量进行比较的反馈信号。 控制器：对被控对象起控制作用装置的总体，称做控制装置或控制器。 执行机构：按控制器的指令（控制量），对被控对象执行控制任务。 被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生

8、产过程。,一些基本术语与概念,前向通路：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通路 主反馈通路：输出经过测量元件到达输入端的通路 主回路：前向通路+主反馈通路 内回路：局部前向通路+局部反馈通路 单回路系统、多回路系统 反馈控制系统受到的外部作用 参考（有用）输入：决定系统被控量的变化规律 扰动：系统外部扰动、系统内部扰动,总结-反馈的分类,反馈(feedback)：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈。 按照不同的原则可将反馈作各种分类。 1正反馈或负反馈 负反馈(negative feedback)：输入信号-反馈信号(或输出信号)使得系统的输出偏差减小。

9、 正反馈（positive feedback)：输入信号+反馈信号。 2直流反馈或交流反馈 直流反馈:反馈量是直流信号。 交流反馈:反馈量是交流信号。,总结-反馈的分类,3电压反馈或电流反馈 电压反馈:反馈量正比于输出电压。 电流反馈:反馈量正比于输出电流。 4串联反馈或并联反馈 串联反馈:输入量和反馈量都是电压，它们在输入回路中串联比较。 并联反馈:输入量和反馈量都是电流，它们在输入回路中并联比较。,四、基本术语及符号定义,输出量：表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控制的物理量。 给定值(基准输入量)：作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。 反馈信号：

10、与被控参数有一定的函数关系。 偏差信号：是给定值和反馈信号之差。 扰动：所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素，称为干扰量或扰动量。,常用典型输入信号,一阶跃函数,二斜坡函数（匀速函数）,三抛物线函数（匀加速函数）,R=1时，称为单位阶跃函数，记为l(t) 。R(S)=1/S。,R=1时，称为单位斜坡函数。,R=1/2时，称为单位抛物线函数。,四脉冲函数,五正弦函数,当 时，则称为单位脉冲函数,设定器,控制器,被控对象,扰动,被控量,设定器,被控过程,传感器,控制器,闭环控制系统 :,开环控制系统：,一、按有无反馈分,1.分类,2、开环控制与闭环控制的比较,开环 优点 :结构简单，成本

11、低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。 缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。 闭环 优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。,二、按信号的形式分,连续系统和离散系统： 如果系统中传递的信号都是时间的连续函数，则称为连续系统。 系统中只要有一个传递的信号是时间上断续的信号，则称为断续系统，或采样系统,或离散系统。注意计算机控制系统一定是离散系统。,三、按给定值分,恒值系统：也称镇定系统。输出量以一定的精度等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，扰动可随时变化的

12、系统称为恒值系统，在生产过程中，这类系统非常多。例如，冶金部门的恒温系统，石油部门的恒压系统等。 随动系统：输出量能以一定精度跟随给定值变化的系统称随动系统，又称为跟踪系统。这类系统的特点是系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时间函数。例如，火炮系统，卫星控制系统等。,随动控制系统,例：防空导弹制导,目标跟踪雷达跟随目标,导弹导引雷达跟随目标 跟踪雷达（提前量）,导弹跟随导引雷达, 输入是随时间任意变化，要求输出跟随其变化 ,四、按控制器的类型分,传统控制系统：模拟控制系统。采用常规控制器，一个控制回路中配有一个控制器，控制规律由不同的机构、模拟电路等硬件实现。 程序控制系统：采样控制

13、系统。自动控制系统的被控制量如果是根据预先编好的程序进行控制的系统称程序控制系。例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的程序控制系统等。,程序控制系统,例：龙门刨床工作台控制, 输入是按预定规律变化的 ,1-3 机电控制系统,涉及到很多方面，主要有精密机械技术、伺服传动技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术等。,1、机电一体化系统的内部功能,对输入的物质、能量和信息进行预定的变换、传递和保存，从而输出所需的物质能量和信息。,2、机电一体化系统的组成要素,由五大部分组成： 机械本体部分 电子信息处理部分 动力部分 传感检测部分 执行部分,3、机电一体化系统的特征,信息化

14、 具有柔性自动化功能 具有省能、省资源和智能化三大效果 产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展,二、机电控制系统及其类型,机电控制系统：以机械装置或机器为控制对象，以电子装置为控制器，被控参数是机械量如位移、速度、加速度、运动轨迹以及机器操作和加工过程等。,1、伺服传动系统,定义：以机械参数（位移、速度等）作为被控量的一种类型的自控系统。 基本要求：输出能精确地响应给定量的变化，达到位置随动的目的。 用途：用于机械设备的位置和速度的动态控制。,2、数字控制系统,定义：根据编制的程序，由控制器生成数字形式的指令，通过伺服驱动机器运动的一种控制系统。 优点：高度柔性。 用途：用于数控机床及绘图仪等机电