机电控制系统概念和发展概况.docVIP

第1章 概 述 1.1 机电控制系统的概念和发展概况 1.1.1 控制的基本概念 “控制（control）”这一词，如今已相当广泛地应用在各行各业，如温度控制、微机控制、人口控制等。所谓控制，其定义是：“为达到某种目的，对某一对象施加所需的操作”。含有“调节、调整”，“管理、监督”，“运用、操作”等意思。 在上述定义中所说的对象，是指物体、机器、过程或经济、社会现象等一般广泛的系统，叫做被控对象。对于想实现控制的目标量，比如电动机的转速、储水容量水位、油压缸中活塞的位置、炉内温度等叫做控制量，而把所希望的转速、水位、位置、温度等叫做目标值或参据量。 根据产生控制作用的主体的不同，控制可分为手动控制和自动控制。由人本身通过判断和操作进行的控制叫做手动控制。例如汽车的驾驶，司机为到达目的地，需要根据路况和车况不断地操纵方向盘；又如人的行走、抓放物品等行为也都可称为手动控制。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器）使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。 自动控制技术在现代科学技术的许多领域中起着越来越重要的作用，例如，数控车床按照预定程序自动地切削工件，化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定，雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统自动地将导弹引导到敌方目标，无人驾驶飞机按照预定航线自动升降和飞行，人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等，这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。 另一方面，为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量，即被控量是需要严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度、压力、液位等，也可要求按照某个给定规律运行，例如飞行航线、记录曲线等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制。 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用装备，而进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析和设计问题。 20世纪60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段——现代控制理论。它主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的控制问题，采用的方法是以状态方程为基础的时域法。目前，自动控制理论还在继续发展，并且已跨越学科界限，正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。 1.1.2 机械与控制 有史以来，机械可以代替人类从事各种有益的工作，弥补了人类体力和能力的不足，在各个方面都给我们的生活带来了极大的帮助。从机械的发展史可看到，机械的发展和进步与控制是密不可分的。一方面，机械运转本身，广义地讲也可称为控制，只有配备一定的控制装置才可以达到某种较复杂的工作目的（尽管这种控制装置最初是通过纯机构来实现的）。另一方面，机械的广泛深入的应用，也促进了控制科学的产生和发展。例如，作为工业革命象征的蒸汽机当时主要用于各种机械驱动，为了消除蒸汽机因负荷变化而对转速造成的影响，19世纪末詹姆斯·瓦特发明了离心调速器。但离心调速器在某种使用条件下，蒸汽机的转速和调速器套筒的位置依然会周期性地发生很大变化，形成异常运转状态。蒸汽机和调速器能单独地各自稳定地工作，为什么在组合的情况下就出现不稳定状态呢？这一问题促使人们展开了相关研究和探索。直到19世纪后半叶麦克斯韦提出了系统特性以及劳斯·胡尔维兹发现了系统稳定工作的条件（稳定性判据）后上述问题才得以解决，这也可以说是控制理论的开始。 生产工艺的发展对机械系统也提出了愈来愈高的要求，为达到工作目的，使得机械已不再是纯机械结构了，更多的是与电气、电子装置结合在一起，形成了机电控制系统。例如，一些精密机床要求加工精度达百分之几毫米，甚至几微米，重型镗床为保证加工精度和光洁度，要求在极慢的稳速下进给，即要求在很宽的范围内调速；为了提高效率，由数台或数十台设备组成的生产自动线，要求统一控制和管理等。这些要求都是靠驱动装置及其控制系统和机械传动装置的有机结合来实现的。 由此也可得出机电控制和自动控制的关系：自动控制是以一般系统为对象，广泛地使用控制方法进行控制系统的理论设计；而机电控制就是应用自动控制工程学的研究结果，把机械作为控制对象，研究怎样通过采用一定的控制方法来适应对象特性变化从而达