第六章 控制原理分類及控制器比較

1、第六章 控制原理分類與控制器比較本章教學(xué)要點(diǎn)和要求：1、掌握機(jī)電控制系統(tǒng)的工作原理2、掌握機(jī)電控制系統(tǒng)的分類3、掌握控制器的選擇4、了解機(jī)電控制系統(tǒng)的接口 第一節(jié) 機(jī)電控制工程的控制原理及分類一、機(jī)電控制系統(tǒng)的工作原理機(jī)電控制系統(tǒng)的控制分為人工控制與自動(dòng)控制。自動(dòng)控制就是在沒有人的直接參與下，利用控制器（例如機(jī)械裝置、電氣裝置或電子計(jì)算機(jī)）使生產(chǎn)過程或被控制對象（例如機(jī)器或電氣設(shè)備）的某一物理量（溫度、壓力、液面、流量、速度、位移等）準(zhǔn)確地按預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。圖6-1展示出在車床上加工軸件的例子。操作工人轉(zhuǎn)動(dòng)帶有刻度盤的手輪，絲杠帶動(dòng)刀架移動(dòng)以控制刀具的切槽進(jìn)給。在這個(gè)大家熟知而簡單的例子中，被

2、控對象是刀架，被控參數(shù)是切槽的進(jìn)給，而控制器是刀架傳動(dòng)絲杠和刻度手輪。這個(gè)例子稱為人工控制。 圖6-1 手動(dòng)加工軸件 圖6-2 人工控制恒溫箱 如果工藝人員按加工工件的要求，預(yù)先編出數(shù)控程序，把數(shù)控程序輸入數(shù)控機(jī)床，于是機(jī)床在數(shù)控程序的操縱控制下，自動(dòng)地加工出復(fù)雜而精確的零件。此例的操作人員在加工過程中，不直接參與操作，與產(chǎn)品之間的沒有實(shí)時(shí)的聯(lián)系，稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)。圖6-3是恒溫箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在這個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，圖6-2中的溫度計(jì)熱電偶代替，并增加了電氣、電機(jī)及減速器等裝置。 圖6-3 自動(dòng)控制恒溫箱為了便于對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析以及了解其各個(gè)組成部分的作用，經(jīng)常把一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)畫

3、成方框圖的形式。由圖6-4還可以清楚地看出，系統(tǒng)的輸入量就是給定的電壓信號(hào)，系統(tǒng)的輸出量（即被調(diào)節(jié)量）就是被控物理量溫度?？刂葡到y(tǒng)是按偏差的大小與方向來工作的，最后使偏差減小或消除（這在以后的章節(jié)中進(jìn)一步講述），從而使輸出量隨輸入量而變化。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，偏差是基于反饋建立起來的，自動(dòng)控制的過程就是“測偏與糾偏”的過程，這一原理又稱為反饋控制原理。利用此原理組成的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)。圖6-4 恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖二、機(jī)電控制系統(tǒng)的分類（一）按控制系統(tǒng)有無反饋來分1、開環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)的輸出量不影響系統(tǒng)的控制作用，即系統(tǒng)中輸出端與輸入端之間無反饋通道時(shí)稱開環(huán)系統(tǒng)。圖6-1中普通車削加工

4、的例子就是開環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入是工人轉(zhuǎn)動(dòng)手輪的轉(zhuǎn)角；系統(tǒng)的輸出是刀架位移，以得到切槽進(jìn)給。系統(tǒng)輸出與輸入間是沒有反饋通道的。圖6-5中所示的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，由于沒有反饋通道，故該系統(tǒng)也是開環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸出對控制作用沒有任何影響。系統(tǒng)的輸出量受輸入量的控制。而圖中若四個(gè)方框的任一個(gè)性能變化，這稱為系統(tǒng)內(nèi)部存在擾支，將影響輸出量與輸入量不一致，也就是說擾動(dòng)將影響輸出的精度。圖6-5開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床2閉環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)的輸出與輸入間存在著反饋通道，即系統(tǒng)的輸出對控制作用有直接影響的系統(tǒng)，稱為閉環(huán)系統(tǒng)。因此，反饋系統(tǒng)也就是閉環(huán)控制系統(tǒng)。例1：學(xué)習(xí)駕駛時(shí)的倒樁移庫例2：鈔紙廢水應(yīng)急控制系統(tǒng)圖1-4就

5、是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其工作原理已如前所述。圖6-6是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)時(shí)的方框圖。系統(tǒng)的輸出（工作臺(tái)的移動(dòng)）通過檢測裝置（同步感應(yīng)器或光柵等）把信號(hào)反饋到輸入端，與輸入信號(hào)一起通過控制裝置對工作臺(tái)的移動(dòng)進(jìn)行控制。圖6-6 閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床閉環(huán)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是由于存在有反饋，若內(nèi)外有干擾而使輸出的實(shí)際值偏離給定值時(shí)，控制作用將將這一偏差，因而精度較高。缺點(diǎn)也正是存在有反饋，若系統(tǒng)中的元件有慣性，以及與其配合不當(dāng)時(shí)，將引起系統(tǒng)振蕩，不能穩(wěn)定工作。閉環(huán)與開環(huán)系統(tǒng)相比較，閉環(huán)系統(tǒng)搞干擾能力強(qiáng)，對外擾動(dòng)（如負(fù)載變化）和內(nèi)擾動(dòng)（系統(tǒng)內(nèi)元件性能的變動(dòng)）引起被控量（輸出）的偏差能夠自動(dòng)糾正。而

6、開環(huán)系統(tǒng)則無此糾正能力，因而一般來說，閉環(huán)較開環(huán)系統(tǒng)的精度為高。但是，由于開環(huán)系統(tǒng)沒有反饋通道，因而結(jié)構(gòu)較簡單，實(shí)惠容易。閉環(huán)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮穩(wěn)定性問題，這給設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)帶來許多困難。閉環(huán)系統(tǒng)主要用于要求高而復(fù)雜的系統(tǒng)中。（二）按控制作用的特點(diǎn)來分，即按照給定量的特點(diǎn)來分。1、恒值控制系統(tǒng)前面介紹的恒溫箱控制系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是箱內(nèi)的溫度要求保持在某一給定值，這就是恒值控制系統(tǒng)。即當(dāng)給定量是一個(gè)恒值時(shí)，稱為恒值控制系統(tǒng)。這個(gè)恒值的給定量，也就是恒定值的輸入信號(hào)，隨著工作的要求，是可以調(diào)整變化的，但作調(diào)整后，又是一個(gè)新的恒值給定量，并且得到一個(gè)新的，與之對應(yīng)的恒值輸出量。對恒值控制系統(tǒng)，要注

7、意干擾對被控對象的影響，研究怎樣將實(shí)際的輸出量保持在希望的給定值上。2、程序控制系統(tǒng)輸入量按預(yù)定程序變化的系統(tǒng)，叫程序控制系統(tǒng)。例如，數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)系統(tǒng)就是程序控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)可以是開環(huán)的，也可以是閉環(huán)的。3、隨動(dòng)系統(tǒng)輸出量能夠迅速而準(zhǔn)確地跟隨變化著的輸入量的系統(tǒng)，稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。具有機(jī)械量輸出的隨動(dòng)系統(tǒng)，又可稱為伺服系統(tǒng)。隨動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用很廣。例如，液壓仿形刀架，輸入是工件的靠模形狀，輸出是刀具的仿形運(yùn)動(dòng)。又如，各種電信號(hào)筆式記錄儀，輸入是事先未知的電信號(hào)，輸出是記錄筆的位移。還有雷達(dá)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)及火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)都是隨動(dòng)系統(tǒng)。以上這些隨動(dòng)系統(tǒng)，由于輸出均是機(jī)械量，故也都是伺服系統(tǒng)。機(jī)

8、電控制工程中主要是研究閉環(huán)控制系統(tǒng)，也就是研究反饋控制理論與方法。但是，對于機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)特性，除自激振蕩外，大多為開環(huán)系統(tǒng)，因此開環(huán)系統(tǒng)的研究也是很重要的。三、控制系統(tǒng)的基本組成由于反饋控制系統(tǒng)是完整而典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)，繼上面介紹的基本概念之后，這里再將其基本組成及有關(guān)名詞術(shù)語敘述如下，以便加深及全面理解自動(dòng)控制系統(tǒng)。圖6-7示出了典型反饋控制系統(tǒng)的組成圖。一個(gè)系統(tǒng)主反饋回路（或通道）只有一個(gè)。而局部反饋可能有幾個(gè)，圖中畫出一個(gè)。各種功能不同的元件，從整體上構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)來完成一定的任務(wù)?？刂圃?用于產(chǎn)生輸入信號(hào)（或稱控制信號(hào)）。如圖6-3中的指令電位器就是控制元件。移動(dòng)電位器滑臂的力即控制

9、作用。反饋元件 主要指置于主反饋通道中的元件。反饋元件一般用檢測元件。若在主反饋通道中不設(shè)反饋元件，即輸出為主反饋信號(hào)時(shí)（圖6-3就是這樣），稱為單位反饋。比較元件 用來比較輸入及反饋信號(hào)，并得出二者差值的偏差信號(hào)。放大元件 把弱的信號(hào)放大以推動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作。放大元件有電氣的、機(jī)械的、液壓的及氣動(dòng)的。執(zhí)行元件 根據(jù)輸入信號(hào)的要求直接對控制對象進(jìn)行操作。例如用液壓缸、液壓馬達(dá)及電機(jī)等。圖6-7 典型反饋控制系統(tǒng)的組成控制對象 就是控制系統(tǒng)所要操縱的對象，它的輸出量即為系統(tǒng)的被控制量，例如，數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)等。從動(dòng)力學(xué)的角度來理解，也可認(rèn)為控制對象是負(fù)載，或是工作臺(tái)上的負(fù)載。校正元件 它不是反饋控

10、制系統(tǒng)所必須具有的。它的作用是改善系統(tǒng)的控制性能。 第二節(jié) 控制器（計(jì)算機(jī)）的比較一、控制器的比較 在通常的控制系統(tǒng)中，控制器有單板機(jī)、單片機(jī)、工控機(jī)、PLC等控制器，其各控制器的比較如表6-1。 表6-1 各種計(jì)算機(jī)的比較 第三節(jié) 機(jī)電控制系統(tǒng)的接口簡介一、 接口的概念機(jī)電控制工程的對象是由許多要素或子系統(tǒng)（模塊）構(gòu)成，各要素或子系統(tǒng)之間必須要能夠順利地進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換。因此各要素或子系統(tǒng)之間必須具備一定的聯(lián)系條件，這些聯(lián)系條件叫做接口。二、接口的分類接口的分類可根據(jù)其參數(shù)變換和調(diào)整功能進(jìn)行分類，也可以根據(jù)其輸入輸出功能進(jìn)行分類，還可已根據(jù)接口對象兩邊所連接的對象的不同而進(jìn)行

11、分類。按連接對象分為機(jī)電接口、機(jī)械接口和人機(jī)接口三大類。三 、接口的設(shè)計(jì)和選擇1、 機(jī)電接口：通常由接口電路和與之相配套的驅(qū)動(dòng)程序組成。能夠使被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)在電氣規(guī)范上、時(shí)間上相互匹配的電路稱為接口電路，它是接口的骨架；能夠完成這種功能的程序叫接口程序，它是完成接口預(yù)定任務(wù)的中樞神經(jīng)，主要完成接口數(shù)據(jù)的輸入輸出、傳送以及可編程接口器件的方式設(shè)定，中斷方式設(shè)定等初始化工作；二者融為一體構(gòu)成了機(jī)電接口?？删唧w分為：（1）信息采集接口（傳感器接口）：變送器、IO卡等（2）控制量輸出接口（驅(qū)動(dòng)接口）：驅(qū)動(dòng)器、接觸器、繼電器等2、 機(jī)械接口聯(lián)軸器變速器絲桿螺母3、 人機(jī)接口輸入：控制開關(guān)、鍵盤、二進(jìn)制碼盤、輸出接口：從計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)