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1先进设计系统第7章控制系统先进设计系统机械系统设计第1章绪论第2章系统原理第3章设计原理第4章动力系统第5章运动系统第6章操纵系统第7章控制系统第8章……2先进设计系统第7章控制系统第7章控制系统7.1控制系统的作用、组成和分类7.2常见的自动控制系统7.3控制系统的特性与要求★3先进设计系统第7章控制系统7.1控制系统的作用、组成和分类7.1.1控制系统的作用7.1.2控制系统的组成7.1.3控制系统的分类4先进设计系统第7章控制系统7.1.1控制系统的作用早期机械系统中，人作为控制系统的关键环节起决定作用。自动控制系统中，人的作用被某些控制装置所取代。自动控制系统：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。本章简称控制系统。控制系统的作用：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。5先进设计系统第7章控制系统7.1.2控制系统的组成控制系统的种类很多，其组成各不相同。1.从控制系统的作用来看控制系统组成⑴控制部分：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。⑵被控对象：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。控制系统的每一个控制作用是由一定的控制环节完成。各控制环节由中央控制器联系成为自动控制系统。中央控制器，如自动车床的凸轮轴，可以通过杠杆、拨叉、连杆和滑块等使各部件按预定的先后顺序动作，实现自动控制作用。6先进设计系统第7章控制系统7.1.2控制系统的组成2.从控制系统的原理来看控制系统由3个环节组成⑴发令环节：其作用是发出控制的原始指令。按指令的能量形式不同，它有机械、电气、光电、气动、或液压的。例：档块－行程开关、凸轮、靠模、自动化量仪、继电器、磁带等。⑵执行环节：它是最终完成控制作用的环节，即被控部分。有机械的、电气的、气动或液压的以及组合等形式。例：拨叉、离合器、电磁铁、电动机。⑶转换环节：作用是将发令环节所发出的控制指令传递给执行环节。传递过程可以是简单的传递，也可以是在传递过程中改变指令的量或质。量的转换：将指令位移能量放大或缩小，或将指令传到执行器官的时间滞后于发令时间。质的转换：能量形式的转移，如将电的原始指令转换成液压指令，再传给执行环节。例：各种机械传动机构、电磁阀、电－液放大器、时间继电器。7先进设计系统第7章控制系统7.1.2控制系统的组成3.从控制系统有无反馈来看控制系统组成控制系统按有无反馈分为两类：⑴开环控制系统：其指令的程序和特征是预先设计好的，不因被控对象实际执行指令的情况而改变。被控对象实际运动的情况和指令要求的运动情况可能有差异，其精度和可靠性，受各环节工作精度和干扰的影响。优点：结构比较简单；缺点：精度和可靠性较低。⑵闭环控制系统：也称自动调节系统。该系统有比较装置和测量装置。测量装置将被控对象的实际运动情况转换成与原始指令信号相同的能量形式的反馈信号，送到比较装置对两种信号进行比较，当两者不相符时就产生误差信号，驱使被控对象沿减少误差的方向运动，直到运动误差为零或极小为止。优点：精度和可靠性高；缺点：复杂，费用大。8先进设计系统第7章控制系统7.1.2控制系统的组成输入信号x(t)经控制器控制步进电机转角，再经齿轮、丝杠和螺母驱动工作台作y(t)直线运动。在这一系统中未对工作台的实际位移进行测量，更未将y(t)反馈给控制器，故这是一个开环控制系统。x(t)工作台图7-29数控线切割机的进给系统y(t)滚珠丝杠控制器齿轮图7-30开环控制系统的框图X(s)输入扰动Y(s)输出控制器控制控制对象或过程⑴开环控制系统实例图7-29，图7-30。9先进设计系统第7章控制系统7.1.2控制系统的组成⑵闭环控制系统实例图7-31。图7-32。微机从输出端口将指令信号以脉冲形式输给步进电机，通过其转动的角度，驱动工作台位移，检测元件(回转编码器)测出输出量(电脉冲数)送到比较元件(计数器)与输入信号进行比较，得出偏差信号，再用以控制输出量。图7-31机床的工作台位移闭环控制系统接口电路回转编码器反馈脉冲数微型机输入端口输出端口电动机计数器刀具工件清零进给丝杠图7-32闭环控制系统方框图给定值10先进设计系统第7章控制系统7.1.2控制系统的组成★闭环控制系统的组成：控制系统的控制部分(1)给定环节：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”。(2)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)。它一般是一个非电量的电测量环节。(3)比较环节：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。经比较后得到一个小功率的偏差信号E(s)＝X(s)－B(s）(4)校正及放大环节：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。(5)执行环节：接收放大环节的控制信号，驱动被控对象按预期规律运动。11先进设计系统第7章控制系统7.1.3控制系统的分类1.按指令发出的次序分类2.按给定量分类3.按系统的元件特性、信号作用特点分类4.按系统结构特点分类5.按控制系统的功能分类6.按自动化技术工具特点分类7.按元器件及装置的能源分类12先进设计系统第7章控制系统7.1.3控制系统的分类1.按指令发出的次序分类⑴时间控制系统：特点是按时间次序发出原始指令，即由中央控制器每隔一定时间发出指令来控制各工作部件的运动。这种系统在机械驱动方案中应用广泛。其优点是发令环节集中在一起，调整方便，系统也较简单；缺点是各工作部件的运动无联系，若某一部件出现故障时，其它部件依然运动，会造成碰撞或干涉等事故。⑵继动控制系统：特点是只有当上一个工作部件已完成了预定的任务后，才能发出接通下一个工作部件的指令，使各部件依次运动。这种系统没有中央控制器。此种系统的优点是具有连锁作用，工作安全可靠；缺点是较复杂，发令环节过于分散，使调整不便。常用于控制较简单的工作循环。13先进设计系统第7章控制系统7.1.3控制系统的分类2.按给定量分类⑴恒值控制系统：被控量保持恒定或基本恒定。被控量：电网电压、频率等电量和原动机的转速等。例：电阻炉温控制系统。电源自动稳压系统。(2)程序控制系统：被控量按预先确定的规律变化。被控量：温度、压力、流量、液位、粘度等过程控制量。例：金属冶炼炉温控制系统。高炉程序加料系统。(3)伺服控制系统：给定量是未知变化规律的任意函数。又称随动控制系统，自动跟踪系统。被控量：力、力矩、位移、转角、速度、加速度等力学量。例：数控机床的进给驱动系统。炮瞄雷达天线控制系统。14先进设计系统第7章控制系统7.1.3控制系统的分类3.按系统的元件特性、信号作用特点分类(1)连续控制系统与断续控制系统①连续控制系统：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。②断续控制系统：包含有断续元件。断续控制系统又分为：继电控制系统和离散控制系统。离散控制系统又分为：脉冲控制系统和数字控制系统（采样控制系统，包含脉冲元件）（包含数字逻辑元件）(2)线性控制系统与非线性控制系统①线性控制系统：不包含非线性元件。用线性方程来描述，并符合叠加原理。②非线性控制系统：包含有非线性元件，其输入量与输出量之间是非线性关系。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①定常控制系统：各元件的参数都不随时间而变化。②时变控制系统：包含有变系数元件，其参数随时间而变化。例：化学反应器控制系统。15先进设计系统第7章控制系统7.1.3控制系统的分类4.按系统结构特点分类⑴按回路的个数①单回路控制系统；②多回路控制系统⑵按有无主反馈回路①开环控制系统：系统内不存在主反馈回路。②闭环控制系统：具有主反馈回路。③复合控制系统：既有主反馈又有前馈的开环、闭环结合的系统。⑶按控制的层次①单级控制系统；②多级控制系统⑷按结构是否变化①固定结构控制系统；②变结构控制系统。16先进设计系统第7章控制系统7.1.3控制系统的分类5.按控制系统的功能分类⑴自动调节系统；⑵最优控制系统；⑶自学习控制系统；⑷自适应控制系统6.按自动化技术工具特点分类⑴常规仪表控制系统；⑵计算机控制系统。7.按元器件及装置的能源分类⑴机械控制系统；⑵液压控制系统；⑶气压控制系统；⑷电力拖动系统；⑸电气控制系统；⑹混合控制系统。例：数控机床的进给系统是线性、定常、多环(闭环)、连续(或离散)的伺服系统。17先进设计系统第7章控制系统7.2常见的自动控制系统7.2.1过程控制系统1.机械凸轮控制系统2.行程控制系统3.程序控制系统7.2.2数字程序控制系统7.2.3伺服控制系统1.液压伺服系统2.电气伺服系统18先进设计系统第7章控制系统7.2.1过程控制系统1.机械凸轮控制系统其指令的记录、讯号的发送均利用机械零件(如凸轮、档块、连杆、杠杆等，其中主要是凸轮)来实现。其控制元件同时又是传动元件，一般是开环的时间控制系统。优点：刚性强，工作可靠，使用寿命长，易于发现问题，调整后即能正常工作；缺点：结构较复杂，凸轮制造工作量较大，设计不良或制造误差较大时会产生冲击和噪音，灵敏度及效率较低。适用：大批量生产中的自动机床上，特别是行程短，动作复杂，凸轮轴转速在500r/min以下的控制系统。19先进设计系统第7章控制系统7.2.1过程控制系统1.机械凸轮控制系统图7-33为一种凸轮控制系统的示意图。是由一根凸轮轴上的各个凸轮分别控制机床(如CG1107型纵切自动车床)上所有的表面成形运动和辅助运动。凸轮轴的转速预先调整好，在整个加工循环中保持不变。在这种控制系统中由于凸轮轴转速不变，当循环周期增加时，空行程时间也随之增加，生产率受到影响，经济性较差，仅用于循环周期短或对生产率要求不高的机床上。图7-33不变速的单一凸轮轴控制系统1－主轴；2－传动轴；3－变速机构；4－连续旋转的分配轴；5－控制工作行程的凸轮机构；6－控制空行程的凸轮机构2120先进设计系统第7章控制系统7.2.1过程控制系统2.行程控制系统这种系统是继动控制系统中最常用的一种。特征：当工作部件移动到规定位置时，借助固定其上的行程挡块压动相应的行程开关、液压或气压阀等，以发出指令，开始下一个动作。其精度取决于工作部件行程的最终位置的精度，故要求能在精确位置上发出控制指令。优点：具有连锁作用，工作安全可靠，故应用较广；缺点：行程挡块较分散，调整不便。上述两种控制系统由于凸轮制造费事，调整麻烦，故适用于大批量生产中所用的自动机或自动线。21先进设计系统第7章控制系统7.2.1过程控制系统3.程序控制系统它由逻辑环节(或指令)组成的控制系统。它指挥机械系统按规定的程序进行动作，完成整个工作过程的循环。可满足中小批量生产的自动化要求，获得良好的技术经济效果。广义来说，凡是指挥机械设备(例如机床)按预定工作程序自动工作的控制系统都可认为是程序控制系统。但随着程序预选装置的应用日益广泛，通常所说的程序控制系统已不是指固定程序的控制系统，而是指用程序预选装置控制的、工作程序可变的控制系统。22先进设计系统第7章控制系统7.2.1过程控制系统图7-34，其工作过程是：开始工作的操作指令使程序步进器步进至第一步，程序预选装置发出预先选定的第一程序的控制指令，经控制线路判别认可后，由执行元件操纵工作部件运动。检测工作部件运动位置的信号元件将信号或者送到程序预选装置以控制同一程序的其它运动，或者送到程序步进器使之步进，使整个系统转入下一程序。显示操作指令图7-34程序控制机床工作的框图报警执行元件程序步进器程序预选装置控制线路讯号元件工作机构3.程序控制系统23先进设计系统第7章控制系统7.2.2数字程序控制系统数字程序控制系统的工作原理：(以机床为例)①首先根据被加工零件的图纸，将工件的形状、尺寸、加工顺序、切削用量和工作部件移动距离等编制