[工学]机电系统设计第七章.ppt

第七章 控制系统设计 主要内容 §7-1 控制系统的作用、分类和组成 §7-2 控制原理 §7-3 控制电机和位置检测装置 §7-4 伺服系统设计 §7-1 控制系统的作用、分类和组成 一﹑控制系统的作用 二、控制系统的分类 三、控制系统的组成 一﹑控制系统的作用 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，而各执行机构的开始、结束及其顺序一般由控制系统保证。在早期的机械系统中，控制的关键是人。随着科学技术的发展，控制系统自动化程度的提高，人的作用开始被某些控制装置所取代，从而形成自动控制系统。 机械控制系统的主要任务有： 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、控制系统的分类 自动控制系统的种类很多，按不同角度有各种不同的分类方法。 1、按控制信号的变化规律分类 1）恒值控制系统：它的特点是给定信号的值是恒定的或随时间变化很慢的系统。这类系统的主要任务是在受到干扰时保持输出量为希望值，被控量常为电压、电流、转速、力矩等物理量，如电源自动稳压系统。 2）程序控制系统：它的特点是给定的信号是已知的时间函数或按预定规律变化的。这类系统常用于冶金、化工等行业中，如高炉程序加料系统。 3）伺服系统（也称随动系统）：伺服系统的特点是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，炮瞄雷达天线控制系统。 2、按包含的元件特性、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，各个组成部分的输出量都是输入量的连续函数。 断续控制系统中包含断续元件，而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，可用线性方程来描述，并符合叠加原理。 非线性控制系统中包含非线性元件或环节，其输入量与输出量之间是非线性关系，用非线性方程描述，并且不符合叠加原理。 3）定常（定系数）控制系统与时变控制系统（变系数） 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。 3、按系统结构特点分类 1）单回路控制系统与多回路控制系统； 2）开环控制系统（系统内不存在主反馈回路）、闭环控制系统（有主反馈回路）及复合控制系统； 3）单级控制系统与多级控制系统； 4）固定结构控制系统及变结构控制系统。 4、按控制系统的功能分类 分为自动调节系统、最优控制系统、自学习控制系统及自适应控制系统。 5、按自动化技术工具特点分类 分为常规仪表控制系统和计算机控制系统。 6、按元件及装置的能源分类 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、电气控制系统以及混合控制系统。 三、控制系统的组成 无论多么复杂的控制系统，都是由一些基本环节或元件组成的。如图为一典型的闭环控制系统方框，它由以下几个环节组成，如图7－1所示。 4）校正及放大环节：通常偏差信号很小，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，常用的放大类型有电流放大，电气—液压放大等。 5）执行环节：执行环节用来接收放大信号的控制信号，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递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。 以上五个环节一起，组成了控制系统的控制部分，实现了对被控对象的控制。 §7-2 控制原理 一﹑经典控制理论与现代控制理论 二、控制原理概述 一、经典控制理论与现代控制理论 早在一千多年前，我国就先后发明了铜壶滴漏计时器、自动定向指南车以及各种天文仪器等自动装置，对当时的社会经济发展起了促进作用。从18世纪欧洲产业革命开始，蒸气机飞球调速器、液面控制装置以及温度控制装置等自动化技术在工业生产中得到了广泛应用。而在工业实践的基础上对这些控制技术进行科学分析，是在蒸气机工业数十年后开始的。 在这个系统中，将被控量与目标值比较，然后进行操作，使被控量接近目标值，组成了具有信息反馈回路的闭环控制系统。这样组成的闭环系统控制精度较高，但在实际工作中发现，这种反馈控制有时会发生振荡，不能正常工作，这就促使人们对其进行深入的研究。 随着自动控制技术在各领域的广泛应用，许多机械控制、通信技术工作者以及数学家对自动控制系统的数学描述、稳定性、过渡过程、稳