国防《机电一体化技术》教学资料包 教学课件 第六章.ppt

第6章 自动控制技术 自动控制理论及技术是机电一体化技术中的重要技术之一，在机电一体化产品中起着非常重要的作用。早期人们将经典控制理论应用于模拟器件组成的控制器中，实现了良好的控制，但是对复杂系统的控制效果并不明显。随着计算机的出现和发展，很多控制算法和策略能够在控制器中实现，使控制技术应用更为广泛。 研究控制系统的主要任务就是要掌握、了解系统内部或运行过程中的规律，也就是说研究其内部信息传递、变换规律以及受到外加作用时的反应，进而研究控制它的手段和策略，使之达到预计的最佳状态或最理想的状态。 自动控制系统要求被控对象的位置、方位、状态等输出量能够跟随输入值的变化而稳定、快速和准确地变化。本章主要介绍经典控制理论、计算机控制技术和PID控制算法等内容。 6.1.1 机电一体化控制分类 闭环系统中存在反馈回路，它将输出量与输入量相比较，根据两者的误差来控制对象。闭环系统的方框图如图6-2所示。数控机床、VCD播放机等都使用闭环控制系统。 6.1.1 机电一体化控制分类 为了提高控制精度，可采用半闭环控制系统，如图6-3(b)所示。将检测装置安装在伺服电动机轴上，这样就可以根据电动机前端的误差来实现控制，由于不计算机械传动链的误差，该类系统的精度和机械传动链的精度有很大关系，在机械传动精度较高的前提下，半闭环系统具有很高的精度，并且对控制系统的要求较低。 为了获得更高的控制精度，可采用全闭环控制系统，如图6-3（c）所示。检测装置直接安装在工作台上，可以随时测定工作台的实际位置（即其输出信息），然后反馈送回输入端，与控制指令比较，再根据工作台实际位置与目的位置之间的误差决定控制动作，达到消除误差的目的。全闭环系统具有高精度的特点，但是对控制系统具有很高要求，特别是当机械系统精度较差时，系统容易出现振荡现象，不能稳定地工作。 6.1.1 机电一体化控制分类 6.1.1 机电一体化控制分类 2.模拟控制和数字控制 如图6-4所示为一典型的闭环控制系统框图，对于模拟控制系统来说，控制器、比较器等均是由模拟器件构成，如相减比较器通常由模拟比较器组成，控制器通常由运算放大器组成，由此构成一个闭环控制系统，根据误差来实现控制。 数字控制系统用计算机作为控制器，输入信号与反馈信号的比较和运算等均由计算机完成，数字控制器可以完成多输入多输出的现代控制系统要求，并且可以实现复杂的算法，其性能远比模拟控制器要好。目前所用到的机电一体化系统都是由数字控制器实现的，而模拟控制器仅用在一些简单控制的场合。 6.1.2 机电一体化控制系统的基本要求 评价一个控制系统好坏的指标是多种多样的，但对控制系统的基本要求（即控制系统所需的基本性能）一般可归纳为稳定性、快速性和准确性3方面。 （1）系统的稳定性。 稳定性就是指系统在受到扰动或者输入突变等情况下保持平衡状态的能力。稳定性是系统工作的首要条件。由于系统中存在着惯性元件（如电感、电容和弹簧等储能元件），当系统的各个参数选择不当时，将会引起系统的振荡而失去工作稳定性。 （2）响应的快速性。 快速性是指在系统稳定的前提下，当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的速度。 （3）响应的准确性。 准确性是指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差。它是衡量系统工作性能的重要指标。 这3个基本性能要求之间存在矛盾和制约，如一个系统的响应速度越快，则稳定性越差；而准确性越好，稳定性和快速性越差。因此，为了实现系统的良好控制，需要协调这三者之间的关系。 为了从理论上了解系统的基本性能，需要用控制理论来描述和解释系统。 6. 2 经典控制理论和技术 经典控制理论的研究对象为单输入—单输出的线性系统。在分析过程中，首先，需要建立系统的数学模型；然后，针对数学模型分析系统的稳定性、动态特性和稳态特性等；最后，针对控制系统的不足对系统进行补偿和校正。 数学模型来源于物理模型，将系统中的各个环节转换为物理模型，然后根据各种定律（如动力学、热力学和电路定律等）将系统的物理模型转换成为数学模型，用数学公式进行描述。 机电一体化控制系统的性能包括稳态性能和动态性能。稳态性能通常指系统对于输入信号的还原和控制能力，如系统在输入不变时的误差、最大跟踪速度等；而动态性能则是指当输入出现扰动和突变时系统的瞬态性能，如超调量、过渡时间等。由于被控对象的具体情况不同，各种系统对稳、快、准的要求各有侧重。通常来说，调节系统对稳定性的要求较高，而伺服系统对响应快速性要求较高。 在控制理论中，动态性能和稳态性能通常用时域性能和频域性能指标来表征。 补偿和校正是针对系统的不足来进行的，通过并联或者串联校正环节，实现增益或者相位的校正，使系统达到性能要求。 6.2.1 机电一体化系统的数学模型 1.