一、控制系統(tǒng)的地位和要求

控制系統(tǒng)是機電一體化產(chǎn)品最重要的組成部分，相當于人的“大腦”，實現(xiàn)控制及信息處理功能?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計§4.1控制系統(tǒng)概述

對控制系統(tǒng)的基本要求：

被控制量按規(guī)定的規(guī)律變化，控制系統(tǒng)具備穩(wěn)定性、快速性、準確性

穩(wěn)定性是一個系統(tǒng)能交付使用的首要條件，包括兩方面的含義，一是絕對穩(wěn)定性，就是通常所說的系統(tǒng)穩(wěn)定；另一方面是相對穩(wěn)定性，即輸出量振蕩的強烈程度。如何判別系統(tǒng)穩(wěn)定？

快速性是要求系統(tǒng)有一定的響應速度，即要求被控制量能夠迅速地根據(jù)輸入信號所規(guī)定的形式變化。用響應時間（tr、

tp、

ts）表示

準確性是表示系統(tǒng)控制精度的一項性能指標，要求系統(tǒng)在輸入信號作用下，其響應速度經(jīng)過漸態(tài)過程后進入穩(wěn)態(tài)，此時，系統(tǒng)輸出值與期望值之間的差異，即穩(wěn)態(tài)誤差要小。穩(wěn)態(tài)誤差：二、控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成控制系統(tǒng)是由控制裝置、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象、檢測裝置所構(gòu)成的整體，其基本構(gòu)成如圖所示：

G(s)H(s)R(s)C(s)傳遞函數(shù)：控制器執(zhí)行機構(gòu)被控對象檢測裝置給定值輸出值控制裝置

被控對象可以是機電設(shè)備（如機床）、一種過程（如化工生產(chǎn)過程）等，它在控制裝置的控制下，執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動下，按預定的規(guī)律或目的運行。簡單的全自動洗衣機控制系統(tǒng)與復雜的航天飛機控制系統(tǒng)在原理上類似，但在結(jié)構(gòu)上是很不相同的。機電系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)構(gòu)成：三、控制系統(tǒng)的基本類型

根據(jù)機電一體化系統(tǒng)的多樣性及復雜性決定了控制器的多樣性，一般有以下四種類基本類型：

數(shù)字控制系統(tǒng)（NCS）將被加工零件的幾何信息和工藝信息數(shù)字化，按規(guī)定的代碼和格式編成加工程序，由計算機生成數(shù)字形式的指令，再驅(qū)動機器運動的一種控制形式，其實際上是軌跡控制的問題。數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)機床檢測裝置控制介質(zhì)

控制介質(zhì)：傳遞零件的加工信息

數(shù)控裝置：完成信息的輸入、存儲、變換、運算及各種控制功能

伺服系統(tǒng)：接收指令驅(qū)動機床執(zhí)行機構(gòu)（即電信號到機械量轉(zhuǎn)換）

檢測裝置：檢測速度和位移，并反饋信息

伺服控制系統(tǒng)（SCS）輸入為模擬或數(shù)字的電信號，輸出是機械的位移或速度的變化率，主要考慮如何穩(wěn)定的、快速的、準確實現(xiàn)指令的功能要求，即要使輸出量以一定的精度復現(xiàn)輸入量的變化，常稱為動作控制?？刂破黩?qū)動系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)檢測裝置指令信號輸出信號

順序控制系統(tǒng)該系統(tǒng)采用開關(guān)控制方式，即輸出量的開和關(guān)是一系列輸入開關(guān)條件的函數(shù)。控制器對操作過程的“邏輯狀態(tài)”進行控制，實現(xiàn)順序控制的方法有機電式繼電器、各種氣動和液動裝置、可編程控制器（PLC）等。

過程控制系統(tǒng)在冶金、化工、電力等生產(chǎn)過程中采用的工業(yè)控制系統(tǒng)，過程控制系統(tǒng)的受控變量是生產(chǎn)過程的物理量，可以是連續(xù)的、離散的。信號不是時間的連續(xù)函數(shù)，在相鄰兩個時刻間隔信號不確定信號是時間的連續(xù)函數(shù)四、控制系統(tǒng)設(shè)計的基本過程和內(nèi)容

機電一體化系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)一般設(shè)計過程如圖示：

控制子系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容有：

確定控制子系統(tǒng)的設(shè)計方案：

確定控制算法：

采用何種控制方式，開環(huán)還是閉環(huán)；考慮驅(qū)動元件的類型和執(zhí)行機構(gòu)的類型；選擇觀測點、被測量和傳感器；考慮微機在整個系統(tǒng)的作用，是設(shè)定計算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理，微機承擔那些任務，應具備哪些功能，需哪些輸入/輸出通道，配備哪些外圍設(shè)備或接口硬件等；畫出控制系統(tǒng)組成的初步框圖。

根據(jù)運動規(guī)律建立數(shù)學模型（物理系統(tǒng)動特性的數(shù)學表達式），數(shù)學模型反映了系統(tǒng)輸入、內(nèi)部狀態(tài)和輸出之間的數(shù)量和邏輯關(guān)系，為計算機進行運算處理提供依據(jù)，即由數(shù)學模型推出控制算法。應根據(jù)不同的控制對象、不同的控制指標要求選用不同的控制算法。一般的控制采用PID控制；復雜的控制系統(tǒng),采用的控制方法較多,如自適應控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制、專家系統(tǒng)智能控制等。積分比例微分被控對象r(t)+––+++u(t))c(t)e(t))PID控制器PID控制原理：P（Proportional）：控制作用的強弱及響應速度I（Integral）：消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度D（Differential）：減小超調(diào)，提高動特性及控制精度PID控制器傳遞函數(shù)：

選擇微型計算機：

控制系統(tǒng)總體設(shè)計：存儲容量、處理速度、輸入輸出通道；單片機、工控機、商用機。解決微型機、被控對象和操作者三者之間信息交換的通路和分時控制的時序安排問題，通過總體設(shè)計畫出系統(tǒng)各部分的具體構(gòu)成框圖。

硬、軟件設(shè)計：

硬件設(shè)計包括電氣裝置及元器件的選擇、接口設(shè)計、操作控制面板設(shè)計等

軟件設(shè)計包括系統(tǒng)軟件和應用軟件設(shè)計，系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、程序設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)等，通常不需用戶設(shè)計；應用軟件設(shè)計是設(shè)計者要主要考慮的問題。

控制系統(tǒng)對應用軟件的要求具有實時性、針對性、靈活性和通用性。

應用軟件的設(shè)計采用模塊化、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，按照軟件工程的方法將整個程序分成若干模塊，一個模塊完成一定的功能，并且限定采用規(guī)定的結(jié)構(gòu)類型和操作順序，便于查錯、糾錯。

整理、編寫技術(shù)文件：技術(shù)文件包括：控制系統(tǒng)原理說明及圖表；設(shè)計圖樣、電器元件明細表；系統(tǒng)操作程序及說明書等。一、機電系統(tǒng)中控制的主要任務根據(jù)系統(tǒng)的要求，控制執(zhí)行機構(gòu)完成特定的運動規(guī)律，并滿足工作要求。具體任務包括：§4.2機電系統(tǒng)機械運動規(guī)律確定

使各執(zhí)行機構(gòu)按一定的順序和規(guī)律運動

改變各運動構(gòu)件的運動方向和速度大小

使各運動構(gòu)件間有協(xié)調(diào)的動作，完成給定作業(yè)循環(huán)的要求

對工作中的不正常情況報警根據(jù)任務要求，就需：

確定執(zhí)行機構(gòu)的運動規(guī)律

設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)運動規(guī)律的控制系統(tǒng)二、運動規(guī)律的概念

運動規(guī)律是機電一體化設(shè)備執(zhí)行機構(gòu)運動特點的描述，不論運動規(guī)律如何復雜，都有共性一面，即用矢量形式

來描述。

通常用運動曲線研究運動規(guī)律位移隨時間的變化y=y(t)，用位移運動曲線表示。運動曲線的性質(zhì)：位移是時間的單值函數(shù)；位移是時間的連續(xù)函數(shù)，可以微分；在時間上具有不可逆性，過去的狀態(tài)影響未來，未來狀態(tài)對過去沒有影。運動曲線包括速度運動曲線加速度運動曲線突跳運動曲線急跳運動曲線位移運動曲線

位置矢量

速度矢量

加速度矢量

運動突跳（jerk）

運動急跳(quirk)三、運動曲線的無因次表示和特性值1、無因次表示為研究方便，引入無因次時間和無因次位移（或速度等），其定義如下：T=t/thY=y/h運動曲線可分為三種類型：雙停留曲線：“停、升、停、回”如凸輪曲線，或“停、升、?！比玳g歇傳動單停留曲線：“停、升、回”如滑塊運動無停留曲線：“升、回”如四連桿和曲柄滑塊運動

主要研究運動曲線中隨時間變化的升、回段，只在動力學分析時，才考慮停留段。（t=th時，位移為h）無因次曲線表達式可以寫成以下形式：無因次運動量與實際的有因次運動量的關(guān)系，由前面的公式導出：四、判別執(zhí)行機構(gòu)速度類型的準則

無因次運動量實際上是運動量瞬時真值與平均值之比，故有時把其稱為位移系數(shù)、速度系數(shù)、加速度系數(shù)等。2、運動曲線的特性值運動曲線的v、a、j等的最大值在運動學與動力學分析中，有各自重要的含義：

最大速度vm,由于m與v之積是動量，從安全角度考慮，特別是重載或大質(zhì)量系統(tǒng)，應當采用vm較小的運動曲線。

最大加速度am,由于m與a之積是慣性力，也稱之為動載荷，動載荷大使機構(gòu)受力增大，振動增加，影響機構(gòu)運動精度。

最大突跳Jm,表示了加速度曲線a(T)的斜率，與從動件的振動關(guān)系很大，在高速機構(gòu)中，防止產(chǎn)生過大振動，應當采用Jm較小的運動曲線。

這些運動曲線的特性值要按照執(zhí)行機構(gòu)在低速、中速、高速不同運動規(guī)律情況下合理選擇。

最簡單的工程判別準則是：按運動規(guī)律在第幾階位移導數(shù)出現(xiàn)間斷或跳躍運動曲線在Y(p)上出現(xiàn)不連續(xù)，通過p值判定機構(gòu)速度類型：

較合理的判別準則是既考慮機構(gòu)的設(shè)計速度ωd，又考慮機構(gòu)的固有頻率ωn

即滿足ωd/ωn=10-d

判定準則是：d的大小表明了機構(gòu)運動速度偏離機構(gòu)固有頻率的程度，偏離共振峰值越遠，動力扭曲變形越小，因此該判定準則反映了動力學響應的實際情況。P=2—

低速機構(gòu)P=3：—

中速機構(gòu)P=4：—

高速機構(gòu)d=3—

低速機構(gòu)d=2：—

中速機構(gòu)d=1：—

高速機構(gòu)這一準則只考慮了運動學因素，未考慮機構(gòu)質(zhì)量、剛度等動力學因素作用。五、選擇機械程序控制的基本形式和原則

分配凸輪軸方式分配軸上有多個凸輪，每個凸輪就是一個執(zhí)行構(gòu)件的驅(qū)動構(gòu)件

曲柄軸方式利用曲柄的錯位使各執(zhí)行機構(gòu)按一定順序動作為了使機電設(shè)備的整個工作循環(huán)中各個工序按一定順序進行，需配備專門的程序控制系統(tǒng)，通常有兩種類型：一是機械控制方式，二是電子控制方式，常用的有以下幾種形式：1、機械程序控制的基本形式

機電結(jié)合的程序控制方式利用行程開關(guān)的接通與關(guān)閉，以及電磁繼電器（或電磁鐵等）通停電時間的長短，以此來控制各執(zhí)行機構(gòu)按一定順序動作

電子控制方式利用可編程控制器（PLC），通過編制接點梯形圖（類似繼電器邏輯電路圖）在可編程存儲器內(nèi)部存儲用戶設(shè)定的指令，通過數(shù)字或模擬輸入、輸出來控制各種類型的機械過程。究竟選擇何種控制型式，要綜合考慮，通常的原則如下：對所選的執(zhí)行機構(gòu)作運動學分析，注意其動作型式（直線、旋轉(zhuǎn)；連續(xù)、間歇、步進等）及運動規(guī)律的特點，還要進行動力學分析，考慮運轉(zhuǎn)過程速度、加速度變化的要求、剛度的大小、質(zhì)量或轉(zhuǎn)動慣量、阻尼等因素。2、選擇控制形式的基本原則

控制對象僅作簡單的單一運動時，宜采用機械控制系統(tǒng)，主要是凸輪或四桿機構(gòu)；

當控制對象實現(xiàn)不同的工況（工進）要求，采用液壓或氣壓控制系統(tǒng)。

當控制對象有多個自由度，需要較高自動化程度時，宜采用微機伺服控制系統(tǒng)。

滿足特殊要求及自動化程度增加要求時，采用組合機構(gòu)系統(tǒng)（如組合機床）

完成同樣的運動要求，應采用構(gòu)件數(shù)目和運動副數(shù)目較少的機構(gòu)。一、運動循環(huán)圖的作用

機電一體化設(shè)備的執(zhí)行機構(gòu)運動具有一定的規(guī)律性，且運動參數(shù)位移、速度周期性重復，構(gòu)成一個個運動循環(huán)，運動循環(huán)用循環(huán)圖表示，其作用在于：§4.3執(zhí)行機構(gòu)運動循環(huán)圖設(shè)計

反映執(zhí)行機構(gòu)在完成總功能中的作用和次序

表明各機構(gòu)間的配合協(xié)調(diào)關(guān)系

確保執(zhí)行機構(gòu)具有較高的動作效率，較低的能耗二、運動循環(huán)圖的表示11、單個執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖

直線式運動循環(huán)圖單個執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖是系統(tǒng)運動循環(huán)圖的基礎(chǔ)，根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的功能要求表示，表示的方式有三種：反映運動循環(huán)的各運動區(qū)段時間及順序，按時間及順序?qū)⑦\動循環(huán)各

圓形運動循環(huán)圖

直角坐標循環(huán)圖區(qū)段繪制于直線坐標上，如圖atk(前進或上升），td(后退或下降），to(起始停留），tp(全過程）將運動循環(huán)的區(qū)段按時間及順序成比例地繪制于極坐標上，該方式特別適合于具有多個回轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行機構(gòu)，如圖b2、系統(tǒng)的運動循環(huán)圖用橫坐標表示各區(qū)段的時間（或分配軸轉(zhuǎn)角），縱坐標表示執(zhí)行機構(gòu)的運動特征（如位移、角度等），此種方式表示出各執(zhí)行機構(gòu)更多的運動信息，除時間、次序外，還有運動狀態(tài)等，最常用。由個各執(zhí)行機構(gòu)的循環(huán)圖組成系統(tǒng)的運動循環(huán)圖，遵循原則：同一時間或轉(zhuǎn)角；以某個主執(zhí)行機構(gòu)的運動特點為基準；各執(zhí)行機構(gòu)相對于主執(zhí)行機構(gòu)循環(huán)的先后次序。例1：自動切書機的運動循環(huán)圖3例2：單軸自動車床的運動循環(huán)圖（教材p40）三、執(zhí)行機構(gòu)運動循環(huán)圖的設(shè)計計算1、運動循環(huán)圖的設(shè)計步驟2、設(shè)計計算例1：打印機構(gòu)的運動循環(huán)圖設(shè)計計算知：生產(chǎn)率Q=4500件/班（1）確定打印頭的運動循環(huán)時間理論生產(chǎn)率為則每件的時間為6s,即(件/min）tp=6s（2）確定循環(huán)組成區(qū)段

確定執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)

確定運動循環(huán)的組成區(qū)段

確定運動循環(huán)內(nèi)各區(qū)段的時間（或分配軸轉(zhuǎn)角）

繪制執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖根據(jù)工藝要求，打印頭循環(huán)區(qū)段由4段組成：

tk

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