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第六章控制原理分类与控制器比较本章教学要点和要求：1、掌握机电控制系统的工作原理2、掌握机电控制系统的分类3、掌握控制器的选择4、了解机电控制系统的接口第一节机电控制工程的控制原理及分类一、机电控制系统的工作原理机电控制系统的控制分为人工控制与自动控制。自动控制就是在没有人的直接参与下，利用控制器（例如机械装置、电气装置或电子计算机）使生产过程或被控制对象（例如机器或电气设备）的某一物理量（温度、压力、液面、流量、速度、位移等）准确地按预期的规律运行。图6-1展示出在车床上加工轴件的例子。操作工人转动带有刻度盘的手轮，丝杠带动刀架移动以控制刀具的切槽进给。在这个大家熟知而简单的例子中，被控对象是刀架，被控参数是切槽的进给，而控制器是刀架传动丝杠和刻度手轮。这个例子称为人工控制。图6-1手动加工轴件图6-2人工控制恒温箱如果工艺人员按加工工件的要求，预先编出数控程序，把数控程序输入数控机床，于是机床在数控程序的操纵控制下，自动地加工出复杂而精确的零件。此例的操作人员在加工过程中，不直接参与操作，与产品之间的没有实时的联系，称为自动控制系统。图6-3是恒温箱的自动控制系统。在这个自动控制系统中，图6-2中的温度计热电偶代替，并增加了电气、电机及减速器等装置。图6-3自动控制恒温箱为了便于对一个自动控制系统进行分析以及了解其各个组成部分的作用，经常把一个自动控制系统画成方框图的形式。由图6-4还可以清楚地看出，系统的输入量就是给定的电压信号，系统的输出量（即被调节量）就是被控物理量——温度。控制系统是按偏差的大小与方向来工作的，最后使偏差减小或消除（这在以后的章节中进一步讲述），从而使输出量随输入量而变化。一般在自动控制系统中，偏差是基于反馈建立起来的，自动控制的过程就是“测偏与纠偏”的过程，这一原理又称为反馈控制原理。利用此原理组成的系统称为反馈控制系统。图6-4恒温箱自动控制系统方框图二、机电控制系统的分类（一）按控制系统有无反馈来分1、开环系统控制系统的输出量不影响系统的控制作用，即系统中输出端与输入端之间无反馈通道时称开环系统。图6-1中普通车削加工的例子就是开环系统。系统的输入是工人转动手轮的转角；系统的输出是刀架位移，以得到切槽进给。系统输出与输入间是没有反馈通道的。图6-5中所示的数控机床进给系统，由于没有反馈通道，故该系统也是开环系统。系统的输出对控制作用没有任何影响。系统的输出量受输入量的控制。而图中若四个方框的任一个性能变化，这称为系统内部存在扰支，将影响输出量与输入量不一致，也就是说扰动将影响输出的精度。图6-5开环系统的数控机床2．闭环系统控制系统的输出与输入间存在着反馈通道，即系统的输出对控制作用有直接影响的系统，称为闭环系统。因此，反馈系统也就是闭环控制系统。例1：学习驾驶时的倒桩移库例2：钞纸废水应急控制系统图1-4就是一个闭环控制系统，其工作原理已如前所述。图6-6是数控机床进给系统采用闭环控制系统时的方框图。系统的输出（工作台的移动）通过检测装置（同步感应器或光栅等）把信号反馈到输入端，与输入信号一起通过控制装置对工作台的移动进行控制。图6-6闭环系统的数控机床闭环系统的主要优点是由于存在有反馈，若内外有干扰而使输出的实际值偏离给定值时，控制作用将将这一偏差，因而精度较高。缺点也正是存在有反馈，若系统中的元件有惯性，以及与其配合不当时，将引起系统振荡，不能稳定工作。闭环与开环系统相比较，闭环系统搞干扰能力强，对外扰动（如负载变化）和内扰动（系统内元件性能的变动）引起被控量（输出）的偏差能够自动纠正。而开环系统则无此纠正能力，因而一般来说，闭环较开环系统的精度为高。但是，由于开环系统没有反馈通道，因而结构较简单，实惠容易。闭环系统在设计时要着重考虑稳定性问题，这给设计与制造系统带来许多困难。闭环系统主要用于要求高而复杂的系统中。（二）按控制作用的特点来分，即按照给定量的特点来分。1、恒值控制系统前面介绍的恒温箱控制系统，它的特点是箱内的温度要求保持在某一给定值，这就是恒值控制系统。即当给定量是一个恒值时，称为恒值控制系统。这个恒值的给定量，也就是恒定值的输入信号，随着工作的要求，是可以调整变化的，但作调整后，又是一个新的恒值给定量，并且得到一个新的，与之对应的恒值输出量。对恒值控制系统，要注意干扰对被控对象的影响，研究怎样将实际的输出量保持在希望的给定值上。2、程序控制系统输入量按预定程序变化的系统，叫程序控制系统。例如，数控机床工作台移动系统就是程序控制系统。程序控制系统可以是开环的，也可以是闭环的。3、随动系统输出量能够迅速而准确地跟随变化着的输入量的系统，称为随动系统。具有机械量输出的随动系统，又可称为伺服系统。随动系统的应用很广。例如，液压仿形刀架，输入是工件的靠模形状，输出是刀具的仿形运动。又如，各种电信号笔式记录仪，输入是事先未知的电信号，输出是记录笔的位移。还有雷达自动跟踪系统及火炮自动瞄准系统都是随动系统。以上这些随动系统，由于输出均是机械量，故也都是伺服系统。机电控制工程中主要是研究闭环控制系统，也就是研究反馈控制理论与方法。但是，对于机械系统的动特性，除自激振荡外，大多为开环系统，因此开环系统的研究也是很重要的。三、控制系统的基本组成由于反馈控制系统是完整而典型的自动控制系统，继上面介绍的基本概念之后，这里再将其基本组成及有关名词术语叙述如下，以便加深及全面理解自动控制系统。图6-7示出了典型反馈控制系统的组成图。一个系统主反馈回路（或通道）只有一个。而局部反馈可能有几个，图中画出一个。各种功能不同的元件，从整体上构成一个系统来完成一定的任务。控制元件用于产生输入信号（或称控制信号）。如图6-3中的指令电位器就是控制元件。移动电位器滑臂的力即控制作用。反馈元件主要指置于主反馈通道中的元件。反馈元件一般用检测元件。若在主反馈通道中不设反馈元件，即输出为主反馈信号时（图6-3就是这样），称为单位反馈。比较元件用来比较输入及反馈信号，并得出二者差值的偏差信号。放大元件把弱的信号放大以推动执行元件动作。放大元件有电气的、机械的、液压的及气动的。执行元件根据输入信号的要求直接对控制对象进行操作。例如用液压缸、液压马达及电机等。图6-7典型反馈控制系统的组成控制对象就是控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的被控制量，例如，数控机床的工作台等。从动力学的角度来理解，也可认为控制对象是负载，或是工作台上的负载。校正元件它不是反馈控制系统所必须具有的。它的作用是改善系统的控制性能。第二节控制器（计算机）的比较一、控制器的比较在通常的控制系统中，控制器有单板机、单片机、工控机、PLC等控制器，其各控制器的比较如表6-1。表6-1各种计算机的比较第三节机电控制系统的接口简介一、接口的概念机电控制工程的对象是由许多要素或子系统（模块）构成，各要素或子系统之间必须要能够顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换。因此各要素或子系统之间必须具备一定的联系条件，这些联系条件叫做接口。二、接口的分类接口的分类可根据其参数变换和调整功能进行分类，也可以根据其输入／输出功能进行分类，还可已根据接口对象两边所连接的对象的不同而进行分类。按连接对象分为机电接口、机械接口和人机接口三大类。三、接口的设计和选择1、机电接口：通常由接口电路和与之相配套的驱动程序组成。能够使被传输的数据实现在电气规范上、时间上相互匹配的电路称为接口电路，它是接口的骨架；能够完成这种功能的程序叫接口程序，它是完成接口预定任务的中枢神经，主要完成接口数据的输入／输出、传送以及可编程接口器件的方式设定，中断方式设定等初始化工作；二者融为一体构成了机电接口。可具体分为：（1）信息采集接口（传感器接口）：变送器、I／O卡等（2）控制量输出接口（驱动接口）：驱动器、接触器、继电器等2、机械接口联轴器变速器丝杆螺母3、人机接口输入：控制开关、键盘、二进制码盘、输出接口：从计算机输出的数据，要通过输出口传输给输出设备，但在输出口与实际输出设备之间需要进行信号电平的转换，并要对输出设备的传输时序进行控制。输出接口是操作者对控制系统进行检测的窗口，通过输出接口系统向操作者显示自身运行的状态、关键参数及运行结果，并进行故障报警。常用的输出接口有：状态指示灯扬声器LED（发光二极管）CRT（阴极射线管）显示器LCD（液晶显示器）微型打印机