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第六章控制系统设计第一节控制系统的作用、分类和组成一、控制系统作用机械系统在工作过程中，各执行机构应根据生产要求，以一定的顺序和规律运动。各执行机构运动的开始、结束及其顺序一般由控制系统保证。这里的控制系统指自动控制系统。自动控制系统是指由控制装置和被控对象所构成的，能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。机械系统控制的主要任务通常包括：1）使各执行机构按一定的顺序和规律运动；2）改变各运动构件的运动方向和速度大小；3）使各运动构件间有协调的动作，完成给定的作业环节要求；4）对产品进行检测、分类以及防止事故，对工作中出现的不正常现象及时报警并消除。二、控制系统分类1．按控制信号的变化规律分类（1）恒值控制系统其给定信号的值是恒定的，如电源自动稳压系统。（2）程序控制系统其给定信号是已知的时间函数或按预定规律变化的，如高炉程序加料系统。（3）伺服系统其给定信号是未知变化规律的任意函数，如数控机床的进给驱动系统，火炮瞄准雷达的天线控制系统。2．按控制系统中所包含的元件特性、信号作用特点分类（1）连续控制系统与断续控制系统连续控制系统中不包含断续元件，各个组成元件输出量都是输入量的连续函数。断续控制系统中包含有断续元件。断续控制系统又可分成继电控制系统和离散控制系统。其中，离散控制系统又分为脉冲控制系统（采样控制系统，包含脉冲元件）、数字控制系统（包含数字逻辑元件）。（2）线性控制系统与非线性控制系统线性控制系统中各组成元件或环节不包含非线性元件。线性系统用线性方程来描述，并符合叠加原理。非线性控制系统中包含有非线性元件或环节其输入量与输出量之间是非线性关系。非线性系统用非线性方程来描述，不符合叠加原理。（3）定常（常系数）控制系统与时变（变系数）控制系统定常控制系统内各元件及环节的参数都不随时间而变化。时变控制系统内包含有变系数环节、元件或对象，其参数随时间而变化，如化学反应器控制系统。3．按系统结构特点分类按系统结构特点分为：①单回路控制系统与多回路控制系统；②开环控制系统、闭环控制系统、复合控制系统；③单级控制系统与多级控制系统。4．按控制系统的功能分类可分为自动调节系统、最优控制系统、自学习控制系统、自适应控制系统等。5．按自动化技术工具特点分类可分为常规仪表控制系统和计算机控制系统。6．按元器件及装置的能源分类可分为机械控制系统、液压控制系统、气压控制系统、电力拖动系统与电气控制系统，以及混合控制系统。例如，可将数控机床的进给系统看做线性、定常、多环（闭环）、连续（或离散）的伺服系统。三、控制系统的组成控制系统主要由控制部分和被控对象组成。控制部分的功能是接受指令信号和被控对象的反馈信号，并对被控部分发出控制信号。被控部分则是接受控制信号，发出反馈信号，并在控制信号的作用下实现被控运动。无论多么复杂的控制系统，都由一些基本环节或元件组成，图7-1是一个典型的闭环控制系统方框图，它由以下几个环节组成。（1）给定环节给定环节是给出与反馈信号同样形式和因次的控制信号，确定被控对象“目标值”的环节。给定环节的物理特性决定了给出的信号可以是电量、非电量，也可以是数字量或模拟量。（2）测量环节测量环节用于测量被控变量，并将被控变量转换为便于传送的另一物理量（一般为电量）的环节。例如电位计可将转角转换为电压信号，测速发电机可将转速转换为电压信号，光栅测量装置可将直线位移转换为数字信号，这些都可作为控制系统的测量环节。测量环节一般是一个非电量的电测量环节。（3）比较环节比较环节是将输入信号X(s)与测量环节发出的有关被控变量Y(s)的反馈量信号B(s)进行比较的环节。经比较后得到一个小功率的偏差信号E(s)=X(s)-B(s)，如幅值偏差、相位偏差、位移偏差等。如果X(s)与B(s)都是电压信号，则比较环节就是一个电压相减环节。（4）校正及放大环节为了实现控制，要将偏差信号作必要的校正，然后进行功率放大以便推动执行环节。实现上述功能的环节即为校正及放大环节。常用的放大类型有电流放大、电气－液压放大等。（5）执行环节执行环节是接收放大环节的控制信号，驱动被控对象按照预期规律运动的环节。执行环节一般是能将外部能量传送给被控对象的有源功率放大装置，工作中要进行能量转换，如把电能通过电机转换成机械能，驱动被控对象作机械运动。给定环节、测量环节、比较环节、校正放大环节和执行环节一起，组成了控制系统的控制部分，实现对被控对象的控制。第二节控制原理经典控制理论与现代控制理论经典控制理论是基于传递函数对系统的数学描述（输入输出描述），以根轨迹法和频率法为研究方法，目的在于研究系统的稳定性以及在给定输入和给定指标情况下的系统综合。现代控制理论是针对多变量系统、非线性系统、时变系统、大系统以及智能控制系统，基于状态空间分析法对系统的状态进行分析和综合，能方便地利用数字计算机进行运算和求解。包括：系统辨识、最优控制、最优估计（最佳滤波）。第三节控制电机和位置检测装置一、控制电机控制电机主要有三种：步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机。（一）步进电动机步进电动机的运动是用电脉冲信号进行控制的。靠一种叫做环形分配器的电子开关器件，通过功率放大后，使步进电动机激磁绕组按规定顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间按一定规律排列，轮流接通直流电源后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式转动。用步进电动机组成的系统具有结构简单、运行可靠等优点。步进电动机制造容易控制原理简单，不需要反馈元件就可进行位置控制，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累，因此，用它组成的数字开环控制系统简单、易调。现在，一般数控机床上已不使用，功能简单的经济型数控机床及一般开环控制的机械上仍有使用。1．步进电动机的分类（1）反应式步进电动机又称磁阻式步进电动机。（2）永磁式步进电动机（3）混合式（永磁感应子式）步进电动机2．步进电动机的特性曲线及主要技术参数特性曲线和技术参数是选择步进电动机的主要依据。步进电动机有两条重要的特性曲线，如图7-1所示。一条是反映起动频率与负载转矩关系的起动矩频特性；另一条是反映连续运行频率与转矩关系的工作矩频特性曲线。由于步进电动机的驱动频率代表了步进电动机的速度，因此，特性曲线实际是速度与转矩的关系曲线。（二）直流伺服电动机1．直流伺服电动机的分类直流伺服电动机主要有以下几种：（1）小惯量直流电动机由于最大限度地减少了电动机的电枢转动惯量，因此这类电机能获得很好的快速性。在早期的数控机床上应用这类电动机较多，至今仍有使用。（2）永磁直流伺服电动机也叫直流力矩电动机或叫大惯量宽调速直流伺服电动机。其定子采用永磁材料制成。（3）无刷直流伺服电动机又叫无整流子电动机。它没有换向器，由同步电动机和逆变器组成，而逆变器则是由装在转子上的转子位置传感器控制。因此它实质上是交流调速电动机的一种。由于无刷直流伺服电动机的性能达到直流伺服电动机的水平，又取消了换向器及电刷部件，使电动机寿命提高了一个数量级，因此无刷伺服电动机正逐步取代有刷直流电动机。通常所说的直流伺服电动机，一般是指永磁直流伺服电动机。2．直流伺服电动机的特性曲线及主要技术参数直流伺服电动机的“伺服”特性，主要表现在：1）调速范围宽。2）特性呈线性。3）快速反应。3．直流伺服电动机的调速及驱动系统他励直流电动机调速方法有两种：1）改变电枢外加电压；2）改变气隙磁通量。直流伺服电动机的驱动系统，已经成为一个独立、完整的模块，称为速度控制单元。现在直流速度控制单元较多地采用晶闸管（即可控硅SCR，SiliconControledRectifier）调速系统和晶体管脉宽调制（PWM,PulseWidthModulation）调速系统。直流速度控制单元接收转速指令信号（多为电压值），改变为相应的电枢电压，即可达到永磁直流伺服电动机速度调节的目的。（三）交流伺服电动机由于直流电动机具有优良的调速性能，因此长期以来，在要求调速性能较高的场合，直流电动机调速系统一直占据主导地位。但直流电动机却存在着固有的缺点，使人们一直在寻找用交流电动机调速来代替直流电动机调速方案。新型大功率电力电子器件、新型变频技术的发展，以及现代控制理论、微机的数字控制技术等在实际应用中取得的重要进展，使得交流伺服驱动逐渐代替直流伺服驱动。1．交流伺服电动机的分类交流伺服电动机在结构和原理上通常采用笼型感应电动机和永磁式同步电动机两种形式。2．交流伺服电动机的特性曲线和主要技术参数交流伺服电动机的性能也用特性曲线和技术参数数据来表示。最主要的特性曲线是转矩－转速曲线。3．交流伺服电动机的调速及驱动交流电机广泛采用变频调速。变频调速的主要环节是能为交流电动机提供变频电源的变频器。变频器可分为交－直－交变频器和交－交变频器两大类。交－直－交变频器是先将电网的三相交流电源输入到整流器，由整流器整流后变为直流电，直流电经滤波电路后，进入逆变器，由逆变器将直流电变为电压和频率可变的三相交流电。交－交变频器不经过中间环节，直接将一种频率的三相交流电变换为另一种频率的三相交流电。交－直－交变频器是目前用得最多的变频器。二、位置检测装置位置检测装置（或称检测元器件）是伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制（或半闭环控制）。闭环伺服系统的运动精度主要取决于检测系统的精度。位移检测系统能够测量出的最小位移量称为分辨率。分辨率不仅取决于检测装置本身，也取决于测量线路。数控机床通常选择的测量系统分辨率要比加工精度高一个数量级。在伺服系统中除位置检测外，还有速度检测，其目的是精确地控制转速。转速检测装置常用测速发电机或回转式脉冲编码器。1．旋转变压器是一种交流型转角检测装置，结构上与交流感应两相异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种。2．感应同步器感应同步器是一种电磁感应式的高精度位移检测装置，实质上，它是多极旋转变压器的展开形式。感应同步器分旋转式和直线式两种，前者用于角度测量，后者用于长度测量，两者工作原理相同。3．光电脉冲编码器是一种增量型旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲。广泛用于位置检测，也可用作速度检测。4．光电式绝对值编码器是一种直接编码和直接测量的检测装置。它能指示绝对位置，没有累积误差，电源切断后，位置信息不丢失。5．光栅光栅是高精度位置检测装置，它可将机械位移或模拟量转换为数字脉冲。由于激光技术的发展，光栅制作精度得到很大提高。6．磁尺（磁栅）磁尺由磁性标尺、磁头和检测电路组成。磁尺采用拾磁原理工作。根据检测电路是幅值检测或相位检测，在磁头的激磁绕组通入相应的激磁电流，由磁头的拾磁绕组拾取信号，从而对位移进行检测。第四节伺服系统设计一、伺服系统举例伺服系统又称随动系统或自动跟踪系统，是一种对机械运动参量如位移、速度、加速度或力的自动控制系统，在各种机械的自动控制中用得很普遍。1．液压举重装置图7-23所示为一液压举重装置。相当于对力的放大，可以举起人力无法举起的重物，但其举物高度很难控制，物料下降要靠物体的重力把液体压回到液压装置中才能实现。如果改成如图7－24所示的装置，即用四通阀代替节流阀，用杠杆操纵四通阀的移动，则重物上升的速度可由四通阀的窗口大小来控制。而物料下降又可通过四通阀窗口使油直接回到液压装置中的油箱，因此，可以控制自如、上下方便。由于漏油等原因，很难使重物持久保持在某一高度。如果采用图7－25所示的液压装置可克服上述缺点。当将杠杆压到某个位置时，四通阀的进油窗口被打开，重物开始上升，同时带动杠杆的另一端上升，使四通阀渐渐关小进油窗口。一旦进油窗口完全关闭，重物就停在相应的位置上（此时进、回油窗口完全被堵死）。如果由于漏油等原因使重物有些下降，则杠杆又将进油窗口打开，使物料又开始上升，直到恢复原位。可见这种装置能够自动地完成举升重物的工作，因此称为自动控制的液压举重装置。这是一种机液位置伺服系统。2．电液位置伺服系统图7-26所示是一个简单的电液位置伺服系统。其给定环节与反馈环节都是电位计，它们组成桥式电路，将给定信号Ui与反馈信号U之差△U