機(jī)電控制系統(tǒng)的概念和發(fā)展概況

第1章概述1.1機(jī)電控制系統(tǒng)的概念和開(kāi)展概況控制的根本概念“控制〔control〕”這一詞，如今已相當(dāng)廣泛地應(yīng)用在各行各業(yè)，如溫度控制、微機(jī)控制、人口控制等。所謂控制，其定義是：“為到達(dá)某種目的，對(duì)某一對(duì)象施加所需的操作”。含有“調(diào)節(jié)、調(diào)整”，“管理、監(jiān)督”，“運(yùn)用、操作”等意思。在上述定義中所說(shuō)的對(duì)象，是指物體、機(jī)器、過(guò)程或經(jīng)濟(jì)、社會(huì)現(xiàn)象等一般廣泛的系統(tǒng)，叫做被控對(duì)象。對(duì)于想實(shí)現(xiàn)控制的目標(biāo)量，比方電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、儲(chǔ)水容量水位、油壓缸中活塞的位置、爐內(nèi)溫度等叫做控制量，而把所希望的轉(zhuǎn)速、水位、位置、溫度等叫做目標(biāo)值或參據(jù)量。根據(jù)產(chǎn)生控制作用的主體的不同，控制可分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。由人本身通過(guò)判斷和操作進(jìn)行的控制叫做手動(dòng)控制。例如汽車(chē)的駕駛，司機(jī)為到達(dá)目的地，需要根據(jù)路況和車(chē)況不斷地操縱方向盤(pán)；又如人的行走、抓放物品等行為也都可稱(chēng)為手動(dòng)控制。所謂自動(dòng)控制，是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置〔稱(chēng)控制裝置或控制器〕使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域中起著越來(lái)越重要的作用，例如，數(shù)控車(chē)床按照預(yù)定程序自動(dòng)地切削工件，化學(xué)反響爐的溫度或壓力自動(dòng)地維持恒定，雷達(dá)和計(jì)算機(jī)組成的導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)系統(tǒng)自動(dòng)地將導(dǎo)彈引導(dǎo)到敵方目標(biāo)，無(wú)人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航線自動(dòng)升降和飛行，人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收等，這一切都是以高水平的自動(dòng)控制技術(shù)為前提的。另一方面，為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起來(lái)，組成一個(gè)有機(jī)總體，這就是自動(dòng)控制系統(tǒng)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的輸出量，即被控量是需要嚴(yán)格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值，例如溫度、壓力、液位等，也可要求按照某個(gè)給定規(guī)律運(yùn)行，例如飛行航線、記錄曲線等；而控制裝置那么是對(duì)被控對(duì)象施加控制作用的機(jī)構(gòu)的總體，它可以采用不同的原理和方式對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它的開(kāi)展初期，是以反響理論為根底的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，并主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反響原理的軍用裝備，而進(jìn)一步促進(jìn)并完善了自動(dòng)控制理論的開(kāi)展。到戰(zhàn)后，已形成完整的自動(dòng)控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為根底的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出、線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。20世紀(jì)60年代初期，隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)新成果的推出和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，為適應(yīng)宇航技術(shù)的開(kāi)展，自動(dòng)控制理論跨入了一個(gè)新階段——現(xiàn)代控制理論。它主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的控制問(wèn)題，采用的方法是以狀態(tài)方程為根底的時(shí)域法。目前，自動(dòng)控制理論還在繼續(xù)開(kāi)展，并且已跨越學(xué)科界限，正向以控制論、信息論、仿生學(xué)為根底的智能控制理論深入。機(jī)械與控制有史以來(lái)，機(jī)械可以代替人類(lèi)從事各種有益的工作，彌補(bǔ)了人類(lèi)體力和能力的缺乏，在各個(gè)方面都給我們的生活帶來(lái)了極大的幫助。從機(jī)械的開(kāi)展史可看到，機(jī)械的開(kāi)展和進(jìn)步與控制是密不可分的。一方面，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)本身，廣義地講也可稱(chēng)為控制，只有配備一定的控制裝置才可以到達(dá)某種較復(fù)雜的工作目的〔盡管這種控制裝置最初是通過(guò)純機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的〕。另一方面，機(jī)械的廣泛深入的應(yīng)用，也促進(jìn)了控制科學(xué)的產(chǎn)生和開(kāi)展。例如，作為工業(yè)革命象征的蒸汽機(jī)當(dāng)時(shí)主要用于各種機(jī)械驅(qū)動(dòng)，為了消除蒸汽機(jī)因負(fù)荷變化而對(duì)轉(zhuǎn)速造成的影響，19世紀(jì)末詹姆斯·瓦特創(chuàng)造了離心調(diào)速器。但離心調(diào)速器在某種使用條件下，蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速和調(diào)速器套筒的位置依然會(huì)周期性地發(fā)生很大變化，形成異常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。蒸汽機(jī)和調(diào)速器能單獨(dú)地各自穩(wěn)定地工作，為什么在組合的情況下就出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)呢？這一問(wèn)題促使人們展開(kāi)了相關(guān)研究和探索。直到19世紀(jì)后半葉麥克斯韋提出了系統(tǒng)特性以及勞斯·胡爾維茲發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)定工作的條件〔穩(wěn)定性判據(jù)〕后上述問(wèn)題才得以解決，這也可以說(shuō)是控制理論的開(kāi)始。生產(chǎn)工藝的開(kāi)展對(duì)機(jī)械系統(tǒng)也提出了愈來(lái)愈高的要求，為到達(dá)工作目的，使得機(jī)械已不再是純機(jī)械結(jié)構(gòu)了，更多的是與電氣、電子裝置結(jié)合在一起，形成了機(jī)電控制系統(tǒng)。例如，一些精密機(jī)床要求加工精度達(dá)百分之幾毫米，甚至幾微米，重型鏜床為保證加工精度和光潔度，要求在極慢的穩(wěn)速下進(jìn)給，即要求在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速；為了提高效率，由數(shù)臺(tái)或數(shù)十臺(tái)設(shè)備組成的生產(chǎn)自動(dòng)線，要求統(tǒng)一控制和管理等。這些要求都是靠驅(qū)動(dòng)裝置及其控制系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)裝置的有機(jī)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由此也可得出機(jī)電控制和自動(dòng)控制的關(guān)系：自動(dòng)控制是以一般系統(tǒng)為對(duì)象，廣泛地使用控制方法進(jìn)行控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)；而機(jī)電控制就是應(yīng)用自動(dòng)控制工程學(xué)的研究結(jié)果，把機(jī)械作為控制對(duì)象，研究怎樣通過(guò)采用一定的控制方法來(lái)適應(yīng)對(duì)象特性變化從而到達(dá)期望的性能指標(biāo)。機(jī)電控制系統(tǒng)的開(kāi)展概況機(jī)電控制系統(tǒng)的開(kāi)展按所用控制器件來(lái)劃分，它主要經(jīng)歷了四個(gè)階段：最早的機(jī)電控制系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀(jì)初，它僅借助于簡(jiǎn)單的接觸器與繼電器等控制電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的啟、停以及有級(jí)調(diào)速等控制，它的控制速度慢，控制精度也較差；20世紀(jì)30年代控制系統(tǒng)從斷續(xù)控制開(kāi)展到連續(xù)控制，連續(xù)控制系統(tǒng)可隨時(shí)檢查控制對(duì)象的工作狀態(tài)，并根據(jù)輸出量與給定量的偏差對(duì)被控對(duì)象自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，它的快速性及控制精度都大大超過(guò)了最初的斷續(xù)控制，并簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)，減少了電路中的觸點(diǎn)，提高了可靠性，使生產(chǎn)效率大為提高；20世紀(jì)40~50年代出現(xiàn)了大功率可控水銀整流器控制；時(shí)隔不久，50年代末期出現(xiàn)了大功率固體可控整流元件—晶閘管，很快晶閘管控制就取代了水銀整流器控制，后又出現(xiàn)了功率晶體管控制，由于晶體管、晶閘管具有效率高、控制特性好、反響快、壽命長(zhǎng)、可靠性高、維護(hù)容易、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，它的出現(xiàn)為機(jī)電自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)辟了新紀(jì)元。隨著數(shù)控技術(shù)的開(kāi)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用特別是微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，又使控制系統(tǒng)開(kāi)展到一個(gè)新階段——計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，它也是一種斷續(xù)控制，但是和最初的斷續(xù)控制不同，它的控制間隔〔采樣周期〕比控制對(duì)象的變化周期短得多，因此在客觀上完全等效于連續(xù)控制，它把晶閘管技術(shù)與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密地結(jié)合在一起，使晶體管與晶閘管控制具有強(qiáng)大的生命力。20世紀(jì)70年代初，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和加工中心，這不僅加強(qiáng)了自動(dòng)化程度，而且提高了機(jī)床的通用性和加工效率，在生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人的誕生，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工全面自動(dòng)化創(chuàng)造了物質(zhì)根底。20世紀(jì)80年代以來(lái)，出現(xiàn)了由數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)搬運(yùn)車(chē)等組成的統(tǒng)一由中心計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械加工自動(dòng)線——柔性制造系統(tǒng)〔FMS〕，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化車(chē)間和自動(dòng)化工廠的重要組成局部。機(jī)械制造自動(dòng)化的高級(jí)階段是走向設(shè)計(jì)和制造一體化，即利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)〔CAD〕與計(jì)算機(jī)輔助制造〔CAM〕形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過(guò)程的完整系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品構(gòu)思和設(shè)計(jì)直至裝配、試驗(yàn)和質(zhì)量管理這一全過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，以實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的高效率、高柔性、高質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)〔CIMS〕。機(jī)電一體化系統(tǒng)〔產(chǎn)品〕機(jī)電控制技術(shù)是機(jī)電一體化系統(tǒng)〔產(chǎn)品〕的重要支撐技術(shù)，那么，什么是機(jī)電一體化系統(tǒng)〔產(chǎn)品〕呢？“機(jī)電一體化”〔Mechatronics〕是各相關(guān)技術(shù)有機(jī)結(jié)合所形成的一個(gè)新概念，其中的“Mechatronics”是Mechanics〔機(jī)械學(xué)〕與Electronics〔電子學(xué)〕組合而成的英語(yǔ)，是由日本《機(jī)械設(shè)計(jì)》雜志于1971年提出的。對(duì)于機(jī)電一體化，目前尚無(wú)公認(rèn)的、統(tǒng)一的定義。幾個(gè)較能反映機(jī)電一體化性質(zhì)的定義如下：日經(jīng)產(chǎn)業(yè)新聞：“電子技術(shù)的電子學(xué)與機(jī)械技術(shù)的機(jī)械學(xué)相結(jié)合的技術(shù)進(jìn)步的總稱(chēng)?！备皇客ǚ{克公司：“將機(jī)械學(xué)和電子學(xué)有機(jī)結(jié)合而提供的更為優(yōu)越的技術(shù)?！比毡緳C(jī)械振興協(xié)會(huì)經(jīng)濟(jì)研究所：“機(jī)電一體化乃是在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱(chēng)。”機(jī)電一體化具有“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩方面的內(nèi)容。機(jī)電一體化技術(shù)主要包括機(jī)電控制技術(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)等技術(shù)、原理，使機(jī)電一體化產(chǎn)品〔或系統(tǒng)〕得以實(shí)現(xiàn)、使用和開(kāi)展；機(jī)電一體化“產(chǎn)品”主要是指機(jī)械系統(tǒng)〔或部件〕與以微型計(jì)算機(jī)為代表的微電子系統(tǒng)〔或部件〕相互置換或有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的新“系統(tǒng)”，且被賦予了新的功能和性能。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)與控制技術(shù)和信息技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，不僅促使生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式的開(kāi)展和變革，而且促進(jìn)開(kāi)發(fā)性能優(yōu)越的、機(jī)電相結(jié)合的機(jī)械產(chǎn)品，創(chuàng)造新的制造工藝和加工手段，使系統(tǒng)〔產(chǎn)品〕高附加值化，即多功能、高效率化、高可靠性、節(jié)省能源，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用，大致經(jīng)歷了參數(shù)數(shù)顯、硬件數(shù)控〔NC控制〕、計(jì)算機(jī)數(shù)控〔CNC控制〕、柔性生產(chǎn)系統(tǒng)〔FMS〕、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)〔CIMS〕、虛擬制造系統(tǒng)〔VMS〕等過(guò)程，使加工制造技術(shù)與生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式緊密結(jié)合，形成現(xiàn)代制造技術(shù)和系統(tǒng)。1.2機(jī)電控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成機(jī)電控制系統(tǒng)一般由8個(gè)局部組成，如圖1-1所示。圖中，“”代表比擬元件，它將測(cè)量元件檢測(cè)到的被控量與輸入量進(jìn)行比擬；“-”號(hào)表示兩者符號(hào)相反，即負(fù)反響；“+”號(hào)表示兩者符號(hào)相同，即正反響。信號(hào)從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的傳輸通路稱(chēng)前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反響到輸入端的傳輸通路稱(chēng)主反響通路。前向通路與主反響通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反響通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。只包含一個(gè)主反響通路的系統(tǒng)稱(chēng)單回路系統(tǒng)；有兩個(gè)或兩個(gè)以上反響通路的系統(tǒng)稱(chēng)多回路系統(tǒng)。各個(gè)局部的功能和作用如下。圖1-1機(jī)電控制系統(tǒng)的組成框圖測(cè)量元件職能是檢測(cè)被控制的物理量，如執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、加工狀況等。這些參數(shù)通常有位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)角、壓力、流量、溫度等。如果這個(gè)物理量是非電量，一般再轉(zhuǎn)換為電量。比擬元件職能是把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給定元件的輸入量進(jìn)行比擬，求出它們之間的偏差。常用的比擬元件有差動(dòng)放大器、機(jī)械差動(dòng)裝置、電橋電路等。放大元件職能是將比擬元件給出的偏差信號(hào)進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象。電壓偏差信號(hào)可用電子管、晶體管、集成電路、晶閘管組成的電壓放大級(jí)和功率放大級(jí)加以放大。執(zhí)行元件職能是直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化，完成特定的加工任務(wù)，如零件的加工或物料的輸送。執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接與被加工對(duì)象接觸。根據(jù)不同的用途，執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有不同的工作原理、運(yùn)作規(guī)律、性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)形狀，如車(chē)床、銑床、送料機(jī)械手等，結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別。驅(qū)動(dòng)元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接，給執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)、停止和換向。驅(qū)動(dòng)元件的作用是完成能量的供應(yīng)和轉(zhuǎn)換。用來(lái)作為執(zhí)行元件的有閥、電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等。補(bǔ)償元件也叫校正元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反響的方式連接在系統(tǒng)中，其作用是完成加工過(guò)程的控制，協(xié)調(diào)機(jī)械系統(tǒng)各局部的運(yùn)動(dòng)，具有分析、運(yùn)算、實(shí)時(shí)處理功能，以改善系統(tǒng)的性能。最簡(jiǎn)單的校正元件是由電阻、電容組成的無(wú)源或有源網(wǎng)絡(luò)，復(fù)雜的那么用STD總線工業(yè)控制機(jī)、工業(yè)微機(jī)〔PC〕、單片微機(jī)等組成?？刂茖?duì)象是控制系統(tǒng)要操縱的對(duì)象。它的輸出量即為系統(tǒng)的被調(diào)量〔或被控量〕，例如機(jī)床、工作臺(tái)、設(shè)備或生產(chǎn)線等。機(jī)電控制系統(tǒng)各組成局部之間的連接匹配局部稱(chēng)為接口。接口分為兩種，機(jī)械與機(jī)械之間的連接稱(chēng)為機(jī)械接口，電氣與電氣之間的連接稱(chēng)為接口電路。如果兩個(gè)組成局部之間相匹配，那么接口只起連接作用。如果不相匹配，那么接口除起連接作用外，還需起某種轉(zhuǎn)換作用，如連接機(jī)床主軸和電機(jī)的減速箱，連接傳感器輸出信號(hào)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的放大電路，這些接口既起連接又起匹配的作用。機(jī)電控制系統(tǒng)的根本工作原理是，操作人員將加工信息〔如尺寸、形狀、精度等〕輸入到控制計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)發(fā)出啟動(dòng)命令，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行加工。測(cè)量元件實(shí)時(shí)檢測(cè)加工狀態(tài)，將信息反響到計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)分析、處理后，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，實(shí)時(shí)地控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)進(jìn)行，自動(dòng)地將工件按輸入的加工信息完成加工。1.3機(jī)電控制系統(tǒng)的根本控制方式反響控制方式反響控制是機(jī)電控制系統(tǒng)最根本的控制方式，也是應(yīng)用最廣泛的一種控制系統(tǒng)。在反響控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控對(duì)象施加的控制作用，是取自被控量的反響信息，用來(lái)不斷修正被控量的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)，這就是反響控制的原理。其實(shí)，人的一切活動(dòng)都表達(dá)出反響控制的原理，人本身就是一個(gè)具有高度復(fù)雜控制能力的反響控制系統(tǒng)。例如，人用手拿取桌上的書(shū)，汽車(chē)司機(jī)操縱方向盤(pán)駕駛汽車(chē)沿公路平穩(wěn)行駛等，這些日常生活中習(xí)以為常的平凡動(dòng)作都滲透著反響控制的深?yuàn)W原理。下面，通過(guò)解剖手從桌上取書(shū)的動(dòng)作過(guò)程，透視一下它所包含的反響控制機(jī)理。如圖1-2所示，書(shū)的位置是手運(yùn)動(dòng)的指令信息，一般稱(chēng)為輸入信號(hào)〔或參據(jù)量〕。取書(shū)時(shí)，首先人要用眼睛連續(xù)目測(cè)手相對(duì)于書(shū)的位置，并將這個(gè)信息送入大腦〔稱(chēng)為位置反響信息〕，然后由大腦判斷手與書(shū)之間的距離，產(chǎn)生偏差信號(hào)，并根據(jù)其大小發(fā)出控制手臂移動(dòng)的命令〔稱(chēng)控制作用或操縱量〕，逐漸使手與書(shū)之間的距離〔即偏差〕減小。只要這個(gè)偏差存在，上述過(guò)程就要反復(fù)進(jìn)行，直到偏差減小為零，手便取到了書(shū)?？梢钥闯?，大腦控制手取書(shū)的過(guò)程，是一個(gè)利用偏差〔手與書(shū)之間距離〕產(chǎn)生控制作用，并不斷使偏差減小直至消除的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。顯然，反響控制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)按偏差進(jìn)行控制的過(guò)程，因此，它也稱(chēng)為按偏差的控制，反響控制原理就是按偏差控制的原理。圖1-2人取書(shū)的反響控制系統(tǒng)方塊圖通常，我們把取出的輸出量送回到輸入端，并與輸入信號(hào)相比擬產(chǎn)生偏差信號(hào)的過(guò)程，稱(chēng)為反響。假設(shè)反響的信號(hào)是與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來(lái)越小，那么稱(chēng)為負(fù)反響，反之，那么稱(chēng)為正反響。反響控制就是采用負(fù)反響并利用偏差進(jìn)行控制的過(guò)程，而且，由于引入了被控量的反響信息，整個(gè)控制過(guò)程成為閉合的，因此反響控制也稱(chēng)閉環(huán)控制。其特點(diǎn)是不管什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于一致?？梢哉f(shuō)，按反響控制方式組成的反響控制系統(tǒng)，具有抑制任何內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控量產(chǎn)生影響的能力，有較高的控制精度。但這種系統(tǒng)使用的元件多，線路復(fù)雜，特別是系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)也較麻煩。盡管如此，它仍是一種重要的并被廣泛應(yīng)用的控制方式，自動(dòng)控制理論主要的研究對(duì)象就是用這種控制方式組成的系統(tǒng)。采用反響控制方式的一個(gè)例子是函數(shù)記錄儀。函數(shù)記錄儀是一種通用的自動(dòng)記錄儀，它可以在直角坐標(biāo)上自動(dòng)描繪兩個(gè)電量的函數(shù)關(guān)系。同時(shí)，記錄儀還帶有走紙機(jī)構(gòu)，用以描繪一個(gè)電量對(duì)時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。函數(shù)記錄儀通常由變換器、測(cè)量元件、放大元件、伺服電動(dòng)機(jī)-測(cè)速機(jī)組、齒輪系及繩輪等組成，采用負(fù)反響控制原理工作，其原理如圖1-3所示。系統(tǒng)的輸入是待記錄電壓，被控對(duì)象是記錄筆，其位移即為被控量。系統(tǒng)的任務(wù)是控制記錄筆的位移，在記錄紙上描繪出待記錄的電壓曲線。在圖1-3中，測(cè)量元件是由電位器組成的橋式測(cè)量電路，記錄筆就固定在電位器的滑臂上，因此，測(cè)量電路的輸出電壓與記錄筆位移成正比。當(dāng)有變化的輸入電壓時(shí)，在放大元件輸入口得到偏差電壓，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，并通過(guò)齒輪系及繩輪帶動(dòng)記錄筆移動(dòng)，同時(shí)使偏差電壓減小。當(dāng)偏差電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄筆也靜止不動(dòng)。此時(shí)，說(shuō)明記錄筆位移與輸入電壓相對(duì)應(yīng)。如果輸入電壓隨時(shí)間連續(xù)變化，記錄筆便描繪出隨時(shí)間連續(xù)變化的曲線。函數(shù)記錄儀結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1-4，圖中測(cè)速發(fā)電機(jī)反響的信號(hào)是與電動(dòng)機(jī)速度成正比的電壓，用以增加阻尼，改善系統(tǒng)性能。圖1-3函數(shù)記錄儀原理示意圖圖1-4函數(shù)記錄儀結(jié)構(gòu)圖開(kāi)環(huán)控制方式開(kāi)環(huán)控制方式是指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程，按這種方式組成的系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)可以按給定量控制方式組成，也可以按擾動(dòng)控制方式組成。按給定量控制的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，其控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，給定一個(gè)輸入量，就有一個(gè)輸出量與之相對(duì)應(yīng)，控制精度完全取決于所用的元件及校準(zhǔn)的精度。因此，這種開(kāi)環(huán)控制方式?jīng)]有自動(dòng)修正偏差的能力，抗擾動(dòng)性較差，但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、本錢(qián)低，在精度要求不高或擾動(dòng)影響較小的情況下，這種控制方式還有一定的實(shí)用價(jià)值。目前，用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)的一些自動(dòng)化裝置，如自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)、產(chǎn)品生產(chǎn)自動(dòng)線、數(shù)控車(chē)床以及指揮交通的紅綠燈的轉(zhuǎn)換等，—般都是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。按擾動(dòng)控制的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是利用可測(cè)量的擾動(dòng)量，產(chǎn)生一種補(bǔ)償作用，以減小或抵消擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，這種控制方式也稱(chēng)順饋控制或前饋控制。例如，在一般的直流速度控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速常常隨負(fù)載的增加而下降，且其轉(zhuǎn)速的下降與電樞電流的變化有一定的關(guān)系。如果我們?cè)O(shè)法將負(fù)載引起的電流變化測(cè)量出來(lái)，并按其大小產(chǎn)生一個(gè)附加的控制作用，用以補(bǔ)償由它引起的轉(zhuǎn)速下降，就可以構(gòu)成按擾動(dòng)控制的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。這種按擾動(dòng)控制的開(kāi)環(huán)控制方式是直接從擾動(dòng)取得信息，并以此來(lái)改變被控量，其抗擾動(dòng)性好，控制精度也較高，但它只適用于擾動(dòng)是可測(cè)量的場(chǎng)合。復(fù)合控制方式反響控制在外擾影響出現(xiàn)之后才能進(jìn)行修正工作，在外擾影響出現(xiàn)之前那么不能進(jìn)行修正工作。按擾動(dòng)控制方式在技術(shù)上較按偏差控制方式簡(jiǎn)單，但它只適用于擾動(dòng)是可測(cè)量的場(chǎng)合，而且一個(gè)補(bǔ)償裝置只能補(bǔ)償一個(gè)擾動(dòng)因素，對(duì)其余擾動(dòng)均不起補(bǔ)償作用。因此，比擬合理的一種控制方式是把按偏差控制與按擾動(dòng)控制結(jié)合起來(lái)，對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制，同時(shí)，再組成反響控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差。這樣，系統(tǒng)的主要擾動(dòng)已被補(bǔ)償，反響控制系統(tǒng)就比擬容易設(shè)計(jì)，控制效果也會(huì)更好。這種按偏差控制和按擾動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式稱(chēng)為復(fù)合控制方式。1.4對(duì)機(jī)電控制系統(tǒng)的根本要求盡管機(jī)電控制系統(tǒng)有不同的類(lèi)型，而且每個(gè)系統(tǒng)也都有不同的特殊要求，但對(duì)于各類(lèi)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí)，我們感興趣的都是系統(tǒng)在某種典型輸入信號(hào)下，其被控量變化的全過(guò)程。例如，對(duì)恒值控制系統(tǒng)是研究擾動(dòng)作用引起被控量變化的全過(guò)程；對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)是研究被控量如何克服擾動(dòng)影響并跟隨參據(jù)量的變化過(guò)程。但對(duì)每一類(lèi)系統(tǒng)中被控量變化全過(guò)程提出的根本要求都是一樣的，且可以歸結(jié)為穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，即穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小或趨于零。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于穩(wěn)定的恒值控制系統(tǒng)，被控量因擾動(dòng)而偏離期望值后，經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間，被控量應(yīng)恢復(fù)到原來(lái)的期望值狀態(tài)：對(duì)于穩(wěn)定的隨動(dòng)系統(tǒng)，被控量應(yīng)能始終跟蹤參據(jù)量的變化。反之，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差將隨時(shí)間的增長(zhǎng)而發(fā)散，因此，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制任務(wù)。線性自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定，與外界因素?zé)o關(guān)。這是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)中一般含有儲(chǔ)能元件或慣性元件，如繞組的電感、電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電爐熱容量、物體質(zhì)量等，儲(chǔ)能元件的能量不可能突變，因此，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)或有輸入量時(shí)，控制過(guò)程不會(huì)立即發(fā)生，而是有一定的延緩，這就使得被控量恢復(fù)期望值或跟蹤參據(jù)量有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，稱(chēng)為過(guò)渡過(guò)程。例如，在反響控制系統(tǒng)中，由于被控對(duì)象的慣性，會(huì)使控制動(dòng)作不能及時(shí)糾正被控量的偏差，控制裝置的慣性那么會(huì)使偏差信號(hào)不能及時(shí)轉(zhuǎn)化為控制動(dòng)作