07章控制系統(tǒng) 9講

1、1 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng) 機械系統(tǒng)設(shè)計機械系統(tǒng)設(shè)計 n第 1 章 緒論 n第 2 章 系統(tǒng)原理 n第 3 章 設(shè)計原理 n第 4 章 動力系統(tǒng) n第 5 章 運動系統(tǒng) n第 6 章 操縱系統(tǒng) n第 7 章 控制系統(tǒng) n第 8 章 2 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 第 7 章 控制系統(tǒng) 7.1 控制系統(tǒng)的作用、組成和分類控制系統(tǒng)的作用、組成和分類 7.2 常見的自動控制系統(tǒng)常見的自動控制系統(tǒng) 7.3 控制系統(tǒng)的特性與要求控制系統(tǒng)的特性與要求 3 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.1 7.1 控制系統(tǒng)的作

2、用、組成和分類控制系統(tǒng)的作用、組成和分類 7.1.1 7.1.1 控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的作用作用 7.1.2 7.1.2 控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的組成組成 7.1.3 7.1.3 控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的分類分類 4 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.1.1 7.1.1 控制系統(tǒng)的作用控制系統(tǒng)的作用 早期機械系統(tǒng)中，人作為控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)起決定作用。早期機械系統(tǒng)中，人作為控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)起決定作用。 自動控制系統(tǒng)中，人的作用被某些控制裝置所取代。自動控制系統(tǒng)中，人的作用被某些控制裝置所取代。 本章簡稱控制系統(tǒng)。本章簡稱控制系統(tǒng)。 使各執(zhí)行機構(gòu)按一定的順序和規(guī)律運動；使各執(zhí)行機構(gòu)按

3、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?。桓淖兏鬟\動構(gòu)件的運動方向和速度大??； 使各運動構(gòu)件間有協(xié)調(diào)的動作，完成給定的作業(yè)環(huán)節(jié)要求；使各運動構(gòu)件間有協(xié)調(diào)的動作，完成給定的作業(yè)環(huán)節(jié)要求； 對產(chǎn)品進(jìn)行檢測、分類以及防止事故，對工作中出現(xiàn)的不正對產(chǎn)品進(jìn)行檢測、分類以及防止事故，對工作中出現(xiàn)的不正 常現(xiàn)象及時報警并消除。常現(xiàn)象及時報警并消除。 5 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.1.2 控制系統(tǒng)的組成 控制系統(tǒng)的種類很多，其組成各不相同。控制系統(tǒng)的種類很多，其組成各不相同。 1. 1. 從控制系統(tǒng)的作用來看控制系統(tǒng)組成從控制系統(tǒng)的作用來看控制系統(tǒng)組成 控制部分：

4、接受指令信號和被控對象的反饋信號，控制部分：接受指令信號和被控對象的反饋信號， 并對被控部分發(fā)出控制信號。并對被控部分發(fā)出控制信號。 被控對象：接受控制信號，發(fā)出反饋信號，被控對象：接受控制信號，發(fā)出反饋信號， 并在控制信號的作用下實現(xiàn)被控運動。并在控制信號的作用下實現(xiàn)被控運動。 控制系統(tǒng)的每一個控制作用是由一定的控制環(huán)節(jié)完成?？刂葡到y(tǒng)的每一個控制作用是由一定的控制環(huán)節(jié)完成。 各控制環(huán)節(jié)由中央控制器聯(lián)系成為自動控制系統(tǒng)。中各控制環(huán)節(jié)由中央控制器聯(lián)系成為自動控制系統(tǒng)。中 央控制器，如自動車床的凸輪軸，可以通過杠桿、撥央控制器，如自動車床的凸輪軸，可以通過杠桿、撥 叉、連桿和滑塊等使各部件按預(yù)定的

5、先后順序動作，叉、連桿和滑塊等使各部件按預(yù)定的先后順序動作， 實現(xiàn)自動控制作用。實現(xiàn)自動控制作用。 6 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.1.2 7.1.2 控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成 2. 2. 從控制系統(tǒng)的原理來看控制系統(tǒng)從控制系統(tǒng)的原理來看控制系統(tǒng)由由3 3個環(huán)節(jié)個環(huán)節(jié)組成組成 發(fā)令環(huán)節(jié)：其作用是發(fā)出控制的原始指令。發(fā)令環(huán)節(jié)：其作用是發(fā)出控制的原始指令。 按指令的能量形式不同，它有機械、電氣、光電、氣動、或液壓的。按指令的能量形式不同，它有機械、電氣、光電、氣動、或液壓的。 例：例：檔塊行程開關(guān)、凸輪、靠模、自動化量儀、繼電器、磁帶等。檔塊行程開關(guān)、凸輪、靠模、自動

6、化量儀、繼電器、磁帶等。 執(zhí)行環(huán)節(jié)：它是最終完成控制作用的環(huán)節(jié)，執(zhí)行環(huán)節(jié)：它是最終完成控制作用的環(huán)節(jié)，即被控部分。即被控部分。 有機械的、電氣的、氣動或液壓的以及組合等形式。有機械的、電氣的、氣動或液壓的以及組合等形式。 例：撥叉、離合器、電磁鐵、電動機。例：撥叉、離合器、電磁鐵、電動機。 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：作用是將發(fā)令環(huán)節(jié)所發(fā)出的控制指令傳遞給執(zhí)行環(huán)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：作用是將發(fā)令環(huán)節(jié)所發(fā)出的控制指令傳遞給執(zhí)行環(huán) 節(jié)。傳遞過程可以是簡單的傳遞，也可以是在傳遞過程中改變節(jié)。傳遞過程可以是簡單的傳遞，也可以是在傳遞過程中改變 指令的量或質(zhì)。指令的量或質(zhì)。 量的轉(zhuǎn)換：將指令位移能量放大或縮小，或?qū)⒅噶顐鞯綀?zhí)行器官的

7、時間滯后于發(fā)令時間。量的轉(zhuǎn)換：將指令位移能量放大或縮小，或?qū)⒅噶顐鞯綀?zhí)行器官的時間滯后于發(fā)令時間。 質(zhì)的轉(zhuǎn)換：能量形式的轉(zhuǎn)移，如將電的原始指令轉(zhuǎn)換成液壓指令，再傳給執(zhí)行環(huán)節(jié)。質(zhì)的轉(zhuǎn)換：能量形式的轉(zhuǎn)移，如將電的原始指令轉(zhuǎn)換成液壓指令，再傳給執(zhí)行環(huán)節(jié)。 例：各種機械傳動機構(gòu)、電磁閥、電液放大器、時間繼電器。例：各種機械傳動機構(gòu)、電磁閥、電液放大器、時間繼電器。 7 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.1.2 控制系統(tǒng)的組成 . . 從控制系統(tǒng)從控制系統(tǒng)來看控制系統(tǒng)組成來看控制系統(tǒng)組成 被控對象實際運動的情況被控對象實際運動的情況 和指令要求的運動情況可能有差異，其精度和可靠性，受

8、各環(huán)節(jié)工作精和指令要求的運動情況可能有差異，其精度和可靠性，受各環(huán)節(jié)工作精 度和干擾的影響。度和干擾的影響。 測量裝置將被控對象的實際運動情況轉(zhuǎn)換成與原始指令信號測量裝置將被控對象的實際運動情況轉(zhuǎn)換成與原始指令信號 相同的能量形式的反饋信號，送到比較裝置對兩種信號進(jìn)行比較，當(dāng)兩相同的能量形式的反饋信號，送到比較裝置對兩種信號進(jìn)行比較，當(dāng)兩 者不相符時就產(chǎn)生誤差信號，驅(qū)使被控對象沿減少誤差的方向運動，直者不相符時就產(chǎn)生誤差信號，驅(qū)使被控對象沿減少誤差的方向運動，直 到運動誤差為零或極小為止。到運動誤差為零或極小為止。 8 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.1.2 7.1.2

9、控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成 輸入信號輸入信號x x( (t t) )經(jīng)控制器控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)角，再經(jīng)齒輪、絲杠和螺母驅(qū)動工經(jīng)控制器控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)角，再經(jīng)齒輪、絲杠和螺母驅(qū)動工 作臺作作臺作y y( (t t) )直線運動。在這一系統(tǒng)中未對工作臺的實際位移進(jìn)行測量，直線運動。在這一系統(tǒng)中未對工作臺的實際位移進(jìn)行測量， 更未將更未將y y( (t t) )反饋給控制器，故這是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。反饋給控制器，故這是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。 x(t) 工作臺 圖7-29 數(shù)控線切割機的進(jìn)給系統(tǒng) y(t) 滾珠絲杠 控制器 齒輪 圖7-30 開環(huán)控制系統(tǒng)的框圖 X(s) 輸入 擾動 Y(s) 輸出 控制器 控

10、制 控制對 象 或過程 圖7-29，圖7-30。 9 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.1.2 控制系統(tǒng)的組成 圖圖7-317-31。圖。圖7-327-32。 微機從輸出端口將指令信號以脈沖微機從輸出端口將指令信號以脈沖 形式輸給步進(jìn)電機，通過其轉(zhuǎn)形式輸給步進(jìn)電機，通過其轉(zhuǎn) 動的角度，驅(qū)動工作臺位移，動的角度，驅(qū)動工作臺位移， 檢測元件檢測元件( (回轉(zhuǎn)編碼器回轉(zhuǎn)編碼器) )測出輸測出輸 出量出量( (電脈沖數(shù)電脈沖數(shù)) )送到比較元件送到比較元件 ( (計數(shù)器計數(shù)器) )與輸入信號進(jìn)行比較，與輸入信號進(jìn)行比較， 得出偏差信號，再用以控制輸?shù)贸銎钚盘?，再用以控制?出量。

11、出量。 圖7-31機床的工作臺位移閉環(huán)控制系統(tǒng) 接口電路 回轉(zhuǎn)編碼器 反饋 脈沖數(shù) 微 型 機 輸入端口輸出端 口 電動機 計數(shù)器 刀具 工件 清零 進(jìn)給絲杠 圖7-32 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 給定值 10 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.1.2 7.1.2 控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成 (1)(1)給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)：給出與反饋信號同樣形式和因次：給出與反饋信號同樣形式和因次 的控制信號，確定被控對象的控制信號，確定被控對象“目標(biāo)值目標(biāo)值”。 (2)(2)測量環(huán)節(jié)測量環(huán)節(jié)：用于測量被控變量，并將被控變：用于測量被控變量，并將被控變 量轉(zhuǎn)換為便于傳送的另一物理量量轉(zhuǎn)換為便于傳

12、送的另一物理量( (一般為電量一般為電量) )。 它一般是一個非電量的電測量環(huán)節(jié)。它一般是一個非電量的電測量環(huán)節(jié)。 (3)(3)比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)：將輸入信號：將輸入信號X X( (s s) )與測量環(huán)節(jié)發(fā)出與測量環(huán)節(jié)發(fā)出 的有關(guān)被控變量的有關(guān)被控變量Y Y( (s s) )的反饋量信號的反饋量信號B B( (s s) )進(jìn)行比進(jìn)行比 較。經(jīng)比較后得到一個小功率的偏差信號較。經(jīng)比較后得到一個小功率的偏差信號 E E( (s s) )X X( (s s) )B B( (s s） (4)(4)校正及放大環(huán)節(jié)校正及放大環(huán)節(jié)：將偏差信號作必要的校正，：將偏差信號作必要的校正， 然后進(jìn)行功率放大以便推動執(zhí)

13、行環(huán)節(jié)。然后進(jìn)行功率放大以便推動執(zhí)行環(huán)節(jié)。 (5)(5)執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)：接收放大環(huán)節(jié)的控制信號，驅(qū)動：接收放大環(huán)節(jié)的控制信號，驅(qū)動 被控對象按預(yù)期規(guī)律運動。被控對象按預(yù)期規(guī)律運動。 11 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.1.3 控制系統(tǒng)的分類 1. 1. 按指令發(fā)出的次序分類按指令發(fā)出的次序分類 2. 2. 按給定量分類按給定量分類 3. 3. 按系統(tǒng)的元件特性、信號作用特點分類按系統(tǒng)的元件特性、信號作用特點分類 4. 4. 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點分類按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點分類 5. 5. 按控制系統(tǒng)的功能分類按控制系統(tǒng)的功能分類 6. 6. 按自動化技術(shù)工具特點分類按自動化技術(shù)工具特

14、點分類 7. 7. 按元器件及裝置的能源分類按元器件及裝置的能源分類 12 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.1.3 控制系統(tǒng)的分類 1. 1. 按指令發(fā)出的次序分類按指令發(fā)出的次序分類 時間控制系統(tǒng)時間控制系統(tǒng)：特點是按時間次序發(fā)出原始指令，：特點是按時間次序發(fā)出原始指令， 即由中央控制器每隔一定時間發(fā)出指令來控制各工即由中央控制器每隔一定時間發(fā)出指令來控制各工 作部件的運動。這種系統(tǒng)在機械驅(qū)動方案中應(yīng)用廣作部件的運動。這種系統(tǒng)在機械驅(qū)動方案中應(yīng)用廣 泛。其優(yōu)點是發(fā)令環(huán)節(jié)集中在一起，調(diào)整方便，系泛。其優(yōu)點是發(fā)令環(huán)節(jié)集中在一起，調(diào)整方便，系 統(tǒng)也較簡單；缺點是各工作部件的運

15、動無聯(lián)系，若統(tǒng)也較簡單；缺點是各工作部件的運動無聯(lián)系，若 某一部件出現(xiàn)故障時，其它部件依然運動，會造成某一部件出現(xiàn)故障時，其它部件依然運動，會造成 碰撞或干涉等事故。碰撞或干涉等事故。 繼動控制系統(tǒng)繼動控制系統(tǒng)：特點是只有當(dāng)上一個工作部件已完：特點是只有當(dāng)上一個工作部件已完 成了預(yù)定的任務(wù)后，才能發(fā)出接通下一個工作部件成了預(yù)定的任務(wù)后，才能發(fā)出接通下一個工作部件 的指令，使各部件依次運動。這種系統(tǒng)沒有中央控的指令，使各部件依次運動。這種系統(tǒng)沒有中央控 制器。此種系統(tǒng)的優(yōu)點是具有連鎖作用，工作安全制器。此種系統(tǒng)的優(yōu)點是具有連鎖作用，工作安全 可靠；缺點是較復(fù)雜，發(fā)令環(huán)節(jié)過于分散，使調(diào)整可靠；缺點

16、是較復(fù)雜，發(fā)令環(huán)節(jié)過于分散，使調(diào)整 不便。常用于控制較簡單的工作循環(huán)。不便。常用于控制較簡單的工作循環(huán)。 13 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.1.3 控制系統(tǒng)的分類 被控量：電網(wǎng)電壓、頻率等電量和原動機的轉(zhuǎn)速等被控量：電網(wǎng)電壓、頻率等電量和原動機的轉(zhuǎn)速等 。 電阻爐溫控制系統(tǒng)。電源自動穩(wěn)壓系統(tǒng)。電阻爐溫控制系統(tǒng)。電源自動穩(wěn)壓系統(tǒng)。 被控量：溫度、壓力、流量、液位、粘度等過程控制量。被控量：溫度、壓力、流量、液位、粘度等過程控制量。 金屬冶煉爐溫控制系統(tǒng)。高爐程序加料系統(tǒng)。金屬冶煉爐溫控制系統(tǒng)。高爐程序加料系統(tǒng)。 給定量是未知變化規(guī)律的任意函數(shù)。給定量是未知變化規(guī)律的任意

17、函數(shù)。 又稱隨動控制系統(tǒng)，自動跟蹤系統(tǒng)。又稱隨動控制系統(tǒng)，自動跟蹤系統(tǒng)。 被控量：力、力矩、位移、轉(zhuǎn)角、速度、加速度等力學(xué)量。被控量：力、力矩、位移、轉(zhuǎn)角、速度、加速度等力學(xué)量。 數(shù)控機床的進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)。炮瞄雷達(dá)天線控制系統(tǒng)。數(shù)控機床的進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)。炮瞄雷達(dá)天線控制系統(tǒng)。 14 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.1.3 控制系統(tǒng)的分類 與與 不包含斷續(xù)元件不包含斷續(xù)元件，各個組成元件輸出量都是輸入量的連續(xù)函數(shù)。各個組成元件輸出量都是輸入量的連續(xù)函數(shù)。 包含有斷續(xù)元件。包含有斷續(xù)元件。 又分為：又分為：繼電繼電控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 和和 離散離散控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。 又分為：又分

18、為：和和 （采樣控制系統(tǒng)，包含脈沖元件）（采樣控制系統(tǒng)，包含脈沖元件） （包含數(shù)字邏輯元件）（包含數(shù)字邏輯元件） 與與 不包含非線性元件。不包含非線性元件。用線性方程來描述，并符合疊加原理。用線性方程來描述，并符合疊加原理。 包含有非線性元件，包含有非線性元件，其輸入量與輸出量之間是非線性關(guān)其輸入量與輸出量之間是非線性關(guān) 系。用非線性方程來描述，不符合疊加原理。系。用非線性方程來描述，不符合疊加原理。 ( (常系數(shù)常系數(shù)) )與與( (變系數(shù)變系數(shù)) ) 各元件的參數(shù)都不隨時間而變化各元件的參數(shù)都不隨時間而變化 包含有變系數(shù)元件，其參數(shù)隨時間而變化。包含有變系數(shù)元件，其參數(shù)隨時間而變化。 例：

19、化學(xué)反應(yīng)器控制系統(tǒng)。例：化學(xué)反應(yīng)器控制系統(tǒng)。 15 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.1.3 控制系統(tǒng)的分類 系統(tǒng)內(nèi)不存在主反饋回路。系統(tǒng)內(nèi)不存在主反饋回路。 具有主反饋回路。具有主反饋回路。 既有主反饋又有前饋的開環(huán)、閉環(huán)結(jié)合的系統(tǒng)。既有主反饋又有前饋的開環(huán)、閉環(huán)結(jié)合的系統(tǒng)。 16 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.1.3 控制系統(tǒng)的分類 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)拖動系統(tǒng)拖動系統(tǒng) 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)。 數(shù)控機床的進(jìn)給系統(tǒng)是數(shù)控

20、機床的進(jìn)給系統(tǒng)是 線性、定常、多環(huán)線性、定常、多環(huán)( (閉環(huán)閉環(huán)) )、連續(xù)、連續(xù)( (或離散或離散) )的伺服系統(tǒng)。的伺服系統(tǒng)。 17 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2 常見的自動控制系統(tǒng) 7.2.1 7.2.1 過程過程控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 1. 1. 機械凸輪控制系統(tǒng)機械凸輪控制系統(tǒng) 2. 2. 行程控制系統(tǒng)行程控制系統(tǒng) 3. 3. 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 7.2.2 7.2.2 數(shù)字程序數(shù)字程序控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2.3 7.2.3 伺服伺服控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 1. 1. 液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng) 2. 2. 電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng) 18 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系

21、統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2.1 7.2.1 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1. 1. 機械凸輪控制系統(tǒng)機械凸輪控制系統(tǒng) 其指令的記錄、訊號的發(fā)送均利用機械零件其指令的記錄、訊號的發(fā)送均利用機械零件( (如凸輪、檔塊、連如凸輪、檔塊、連 桿、杠桿等，其中主要是凸輪桿、杠桿等，其中主要是凸輪) )來實現(xiàn)。來實現(xiàn)。 其控制元件同時又是傳動元件，一般是開環(huán)的時間控制系統(tǒng)。其控制元件同時又是傳動元件，一般是開環(huán)的時間控制系統(tǒng)。 優(yōu)點：剛性強，工作可靠，使用壽命長，易于發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整后優(yōu)點：剛性強，工作可靠，使用壽命長，易于發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整后 即能正常工作；即能正常工作； 缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，凸輪制造工作

22、量較大，設(shè)計不良或制造誤差缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，凸輪制造工作量較大，設(shè)計不良或制造誤差 較大時會產(chǎn)生沖擊和噪音，靈敏度及效率較低。較大時會產(chǎn)生沖擊和噪音，靈敏度及效率較低。 適用：大批量生產(chǎn)中的自動機床上，特別是行程短，動作復(fù)雜，適用：大批量生產(chǎn)中的自動機床上，特別是行程短，動作復(fù)雜， 凸輪軸轉(zhuǎn)速在凸輪軸轉(zhuǎn)速在500 r/min500 r/min以下的控制系統(tǒng)。以下的控制系統(tǒng)。 19 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2.1 過程控制系統(tǒng) 1. 1. 機械凸輪控制系統(tǒng)機械凸輪控制系統(tǒng) 圖圖7-337-33為一種凸輪控制系統(tǒng)的示意圖。為一種凸輪控制系統(tǒng)的示意圖。 是由一根凸輪軸上

23、的各個凸輪分是由一根凸輪軸上的各個凸輪分 別控制機床別控制機床( (如如CG1107CG1107型縱切自動型縱切自動 車床車床) )上所有的表面成形運動和輔上所有的表面成形運動和輔 助運動。凸輪軸的轉(zhuǎn)速預(yù)先調(diào)整助運動。凸輪軸的轉(zhuǎn)速預(yù)先調(diào)整 好，在整個加工循環(huán)中保持不變。好，在整個加工循環(huán)中保持不變。 在這種控制系統(tǒng)中由于凸輪軸轉(zhuǎn)速不變，在這種控制系統(tǒng)中由于凸輪軸轉(zhuǎn)速不變， 當(dāng)循環(huán)周期增加時，空行程時間當(dāng)循環(huán)周期增加時，空行程時間 也隨之增加，生產(chǎn)率受到影響，也隨之增加，生產(chǎn)率受到影響， 經(jīng)濟性較差，僅用于循環(huán)周期短經(jīng)濟性較差，僅用于循環(huán)周期短 或?qū)ιa(chǎn)率要求不高的機床上?；?qū)ιa(chǎn)率要求不高的機

24、床上。 圖7-33 不變速的單一 凸輪軸控制系統(tǒng) 1主軸；2傳動軸；3變速 機構(gòu)；4連續(xù)旋轉(zhuǎn)的分配軸； 5控制工作行程的凸輪機構(gòu)； 6控制空行程的凸輪機構(gòu) 2 1 20 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2.1 過程控制系統(tǒng) 2. 2. 行程控制系統(tǒng)行程控制系統(tǒng) 這種系統(tǒng)是這種系統(tǒng)是繼動繼動控制系統(tǒng)中最常用的一種。控制系統(tǒng)中最常用的一種。 特征：當(dāng)工作部件移動到規(guī)定位置時，借助固定其上的行程特征：當(dāng)工作部件移動到規(guī)定位置時，借助固定其上的行程 擋塊壓動相應(yīng)的行程開關(guān)、液壓或氣壓閥等，以發(fā)出指令，擋塊壓動相應(yīng)的行程開關(guān)、液壓或氣壓閥等，以發(fā)出指令， 開始下一個動作。其精度取決

25、于工作部件行程的最終位置開始下一個動作。其精度取決于工作部件行程的最終位置 的精度，故要求能在精確位置上發(fā)出控制指令。的精度，故要求能在精確位置上發(fā)出控制指令。 優(yōu)點：具有連鎖作用，工作安全可靠，故應(yīng)用較廣；優(yōu)點：具有連鎖作用，工作安全可靠，故應(yīng)用較廣； 缺點：行程擋塊較分散，調(diào)整不便。缺點：行程擋塊較分散，調(diào)整不便。 上述兩種控制系統(tǒng)由于凸輪制造費事，調(diào)整麻煩，故適用于上述兩種控制系統(tǒng)由于凸輪制造費事，調(diào)整麻煩，故適用于 大批量生產(chǎn)中所用的自動機或自動線。大批量生產(chǎn)中所用的自動機或自動線。 21 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2.1 過程控制系統(tǒng) 3. 3. 程序控制

26、系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) n它由邏輯環(huán)節(jié)它由邏輯環(huán)節(jié)( (或指令或指令) )組成的控制系統(tǒng)。組成的控制系統(tǒng)。 n它指揮機械系統(tǒng)按規(guī)定的程序進(jìn)行動作，完成整個工作它指揮機械系統(tǒng)按規(guī)定的程序進(jìn)行動作，完成整個工作 過程的循環(huán)。可滿足中小批量生產(chǎn)的自動化要求，獲得過程的循環(huán)?？蓾M足中小批量生產(chǎn)的自動化要求，獲得 良好的技術(shù)經(jīng)濟效果。良好的技術(shù)經(jīng)濟效果。 n廣義來說，凡是指揮機械設(shè)備廣義來說，凡是指揮機械設(shè)備( (例如機床例如機床) )按預(yù)定工作程按預(yù)定工作程 序自動工作的控制系統(tǒng)都可認(rèn)為是程序控制系統(tǒng)。序自動工作的控制系統(tǒng)都可認(rèn)為是程序控制系統(tǒng)。 n但隨著程序預(yù)選裝置的應(yīng)用日益廣泛，通常所說的程序但隨著程序

27、預(yù)選裝置的應(yīng)用日益廣泛，通常所說的程序 控制系統(tǒng)已不是指固定程序的控制系統(tǒng)，而是指用程序控制系統(tǒng)已不是指固定程序的控制系統(tǒng)，而是指用程序 預(yù)選裝置控制的、工作程序可變的控制系統(tǒng)。預(yù)選裝置控制的、工作程序可變的控制系統(tǒng)。 22 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2.1 過程控制系統(tǒng) n圖圖7-347-34，其工作過程是：開始工作的操作指令使程序步進(jìn)器步進(jìn)至第，其工作過程是：開始工作的操作指令使程序步進(jìn)器步進(jìn)至第 一步，程序預(yù)選裝置發(fā)出預(yù)先選定的第一程序的控制指令，經(jīng)控制線一步，程序預(yù)選裝置發(fā)出預(yù)先選定的第一程序的控制指令，經(jīng)控制線 路判別認(rèn)可后，由執(zhí)行元件操縱工作部件運動。檢

28、測工作部件運動位路判別認(rèn)可后，由執(zhí)行元件操縱工作部件運動。檢測工作部件運動位 置的信號元件將信號或者送到程序預(yù)選裝置以控制同一程序的其它運置的信號元件將信號或者送到程序預(yù)選裝置以控制同一程序的其它運 動，或者送到程序步進(jìn)器使之步進(jìn)，使整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)入下一程序。動，或者送到程序步進(jìn)器使之步進(jìn)，使整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)入下一程序。 顯顯 示示 操作指令操作指令 圖圖7-34 程序控制機床工作程序控制機床工作的的框圖框圖 報報 警警 執(zhí)行元執(zhí)行元 件件 程序步進(jìn)器程序步進(jìn)器 程序預(yù)程序預(yù) 選裝置選裝置 控制線路控制線路 訊號元件訊號元件 工作機構(gòu)工作機構(gòu) 3. 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 23 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系

29、統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2.2 7.2.2 數(shù)字程序控制系統(tǒng)數(shù)字程序控制系統(tǒng) n數(shù)字程序控制系統(tǒng)的工作原理：數(shù)字程序控制系統(tǒng)的工作原理： ( (以機床為例以機床為例) ) 首先根據(jù)被加工零件的圖紙，將工件的形狀、尺寸、首先根據(jù)被加工零件的圖紙，將工件的形狀、尺寸、 加工順序、切削用量和工作部件移動距離等編制出加工順序、切削用量和工作部件移動距離等編制出 程序單。程序單。 將程序以一定的數(shù)碼形式記錄在指令帶將程序以一定的數(shù)碼形式記錄在指令帶( (穿孔帶、穿穿孔帶、穿 孔卡或磁帶孔卡或磁帶) )上。上。 將指令帶放入數(shù)控裝置對數(shù)碼進(jìn)行運算。將指令帶放入數(shù)控裝置對數(shù)碼進(jìn)行運算。 將運算結(jié)果輸

30、入驅(qū)動裝置，帶動機械傳動機構(gòu)，操將運算結(jié)果輸入驅(qū)動裝置，帶動機械傳動機構(gòu)，操 縱工作部件依次按需要的程序自動地工作，縱工作部件依次按需要的程序自動地工作， 從而加工出圖紙所要求的零件形狀和精確的尺寸。從而加工出圖紙所要求的零件形狀和精確的尺寸。 n這種系統(tǒng)多用于在生產(chǎn)中占比重很大的單件小批量這種系統(tǒng)多用于在生產(chǎn)中占比重很大的單件小批量 生產(chǎn)，特別是宇航、船艦、武器等軍工部門中形狀生產(chǎn)，特別是宇航、船艦、武器等軍工部門中形狀 復(fù)雜、精度高、批量小的零件的加工。復(fù)雜、精度高、批量小的零件的加工。 24 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2.2 7.2.2 數(shù)字程序控制系統(tǒng)數(shù)字程

31、序控制系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)的分類：數(shù)控系統(tǒng)的分類： 按工具相對于工件移動的軌跡分類按工具相對于工件移動的軌跡分類 點位點位控制系統(tǒng)：特點是只要求獲得準(zhǔn)確的坐標(biāo)位置，控制系統(tǒng)：特點是只要求獲得準(zhǔn)確的坐標(biāo)位置， 至于從一點移動到另一點所經(jīng)過的軌跡則不加控制。至于從一點移動到另一點所經(jīng)過的軌跡則不加控制。 如鉆床、坐標(biāo)鏜床、沖床等用的是這類系統(tǒng)。如鉆床、坐標(biāo)鏜床、沖床等用的是這類系統(tǒng)。 直線直線控制系統(tǒng)：特點是除了要控制位移的終點位置外，控制系統(tǒng)：特點是除了要控制位移的終點位置外， 還要求被控制的兩個坐標(biāo)點之間位移軌跡是直線。還要求被控制的兩個坐標(biāo)點之間位移軌跡是直線。 采采 用這類系統(tǒng)的有車床、銑床、磨

32、床等。用這類系統(tǒng)的有車床、銑床、磨床等。 連續(xù)連續(xù)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)( (輪廓輪廓控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)) )：特點是對移動的每一：特點是對移動的每一 個位置和路線的坐標(biāo)值都要進(jìn)行連續(xù)控制。如坐標(biāo)銑個位置和路線的坐標(biāo)值都要進(jìn)行連續(xù)控制。如坐標(biāo)銑 床等各種成形表面加工機床皆是采用這類系統(tǒng)。床等各種成形表面加工機床皆是采用這類系統(tǒng)。 按被控量有無檢測和反饋分類按被控量有無檢測和反饋分類 開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)。 25 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2.3 伺服控制系統(tǒng) 液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng) 液壓伺服可將很小的機械或電信號轉(zhuǎn)換成較大的液壓功率，液

33、壓伺服可將很小的機械或電信號轉(zhuǎn)換成較大的液壓功率， 因此可驅(qū)動各種大小不同的負(fù)載，在機械工業(yè)中得到廣泛應(yīng)因此可驅(qū)動各種大小不同的負(fù)載，在機械工業(yè)中得到廣泛應(yīng) 用。用。 圖7-35 簡單的液壓舉重裝置圖 液壓缸 液壓 裝置 例例1 1 圖圖7-357-35。當(dāng)將節(jié)流閥打開時，液體便由液壓裝置流入液壓。當(dāng)將節(jié)流閥打開時，液體便由液壓裝置流入液壓 缸的下腔，產(chǎn)生一使活塞向上運動的力缸的下腔，產(chǎn)生一使活塞向上運動的力F FApAp，其中，其中A A為活塞面為活塞面 積，積，p p為液體力。當(dāng)為液體力。當(dāng)F F大于物料重力大于物料重力WW時，物料便被舉起。時，物料便被舉起。 這是一種力的放大器，可以舉起

34、人力無法舉起的重物，但其舉這是一種力的放大器，可以舉起人力無法舉起的重物，但其舉 物高度很難控制，物料下降要靠物體的重力把液體壓回到液壓物高度很難控制，物料下降要靠物體的重力把液體壓回到液壓 裝置中才能實現(xiàn)。裝置中才能實現(xiàn)。 p 26 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2.3 伺服控制系統(tǒng) 1. 1. 液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng) 例例2 2 用四通閥代替節(jié)流閥，用四通閥代替節(jié)流閥， 用杠桿操縱四通閥的移動，用杠桿操縱四通閥的移動， 則物料上升的速度可由四通閥的窗口大小來控制。則物料上升的速度可由四通閥的窗口大小來控制。 而物料下降又可通過四通閥窗口使油直接回到而物料下降又可通

35、過四通閥窗口使油直接回到 液壓裝置中的油箱，因此，可以控制自如、上液壓裝置中的油箱，因此，可以控制自如、上 下方便。但由于漏油，很難使物料持久保持在下方便。但由于漏油，很難使物料持久保持在 某一高度。某一高度。 圖7-36 四通閥控制的液壓舉重裝置 液壓 裝置 ps p0 27 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2.3 7.2.3 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) 液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng) 例例3 3 圖圖7-377-37是機液位置伺服系統(tǒng)。克服了上述缺點。當(dāng)將杠桿到是機液位置伺服系統(tǒng)?？朔松鲜鋈秉c。當(dāng)將杠桿到 某個位置時，四通閥的進(jìn)油窗口被打開，物料開始上升，同某個位置時，四通

36、閥的進(jìn)油窗口被打開，物料開始上升，同 時帶動杠桿的另一端上升，使四通閥漸漸關(guān)小進(jìn)油窗口。一時帶動杠桿的另一端上升，使四通閥漸漸關(guān)小進(jìn)油窗口。一 旦進(jìn)油窗口完全關(guān)閉，物料就停在相應(yīng)的位置上旦進(jìn)油窗口完全關(guān)閉，物料就停在相應(yīng)的位置上( (此時進(jìn)、此時進(jìn)、 回油窗口完全被堵死回油窗口完全被堵死) )。如果由于漏油等原因使物料有些下。如果由于漏油等原因使物料有些下 降，則杠桿又將進(jìn)油窗口打開，使物料又開始上升，直到恢降，則杠桿又將進(jìn)油窗口打開，使物料又開始上升，直到恢 復(fù)原位。可見這種裝置能夠自動完成舉升物料工作。復(fù)原位?？梢娺@種裝置能夠自動完成舉升物料工作。 圖7-37 自動控制的液壓舉重裝置 液壓

37、 裝置 ps p0 28 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2.3 7.2.3 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) 液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng) 3 3例例 圖圖7-35 簡單的液壓舉重裝置圖簡單的液壓舉重裝置圖 液壓液壓 缸缸 液壓液壓 裝置裝置 圖7-36 四通閥控制的液壓舉重裝置 液壓 裝置 ps p0 圖圖7-37 自動控制的液壓舉重裝置自動控制的液壓舉重裝置 液壓液壓 裝置裝置 ps p0 29 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2.3 7.2.3 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) 精密儀器、電子控制機械等工業(yè)部門。精密儀器、電子控制機械等工業(yè)部門。 隨著電子技術(shù)、

38、控制電機和電氣傳動技術(shù)的迅速發(fā)展，隨著電子技術(shù)、控制電機和電氣傳動技術(shù)的迅速發(fā)展， 電氣伺服系統(tǒng)已逐步取代液壓系統(tǒng)，電氣伺服系統(tǒng)已逐步取代液壓系統(tǒng)， 成為成為 可分為開環(huán)和閉環(huán)控制兩類，可分為開環(huán)和閉環(huán)控制兩類， 后者還可細(xì)分為全閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。后者還可細(xì)分為全閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。 30 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.2.3 7.2.3 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) 全閉環(huán)控制系統(tǒng)：圖全閉環(huán)控制系統(tǒng)：圖7-387-38。 安裝在工作臺上的位置檢測器可將直線位移量轉(zhuǎn)換成反饋信號，安裝在工作臺上的位置檢測器可將直線位移量轉(zhuǎn)換成反饋信號， 并與位置控制器中的參考值相比較，所得偏差

39、經(jīng)過放大，由伺并與位置控制器中的參考值相比較，所得偏差經(jīng)過放大，由伺 服電機驅(qū)動工作臺沿減小誤差的方向移動，直到偏差值等于零服電機驅(qū)動工作臺沿減小誤差的方向移動，直到偏差值等于零 為止。為止。 圖圖7-42 直流電動機驅(qū)動的全閉環(huán)系統(tǒng)直流電動機驅(qū)動的全閉環(huán)系統(tǒng) 控制裝置控制裝置 檢測器檢測器 nm=3000r/min 直流直流 電動機電動機 伺服回路伺服回路 1 2 工作臺工作臺 脈沖脈沖 位置位置 控制器控制器 圖圖7-38 7-38 全閉環(huán)控制系統(tǒng)全閉環(huán)控制系統(tǒng) 1DC伺服電機；伺服電機；2速度檢測器速度檢測器 速度速度 控制器控制器 31 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)

40、 7.2.3 7.2.3 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) 半閉環(huán)控制系統(tǒng)：半閉環(huán)控制系統(tǒng)： 圖圖7-397-39。半閉環(huán)系統(tǒng)是從傳動鏈中間部位取出反饋訊號。半閉環(huán)系統(tǒng)是從傳動鏈中間部位取出反饋訊號( (角位移角位移) )。只能補償。只能補償 回路內(nèi)部傳動鏈的誤差，故其定位精度較全閉環(huán)系統(tǒng)要差。但因測量角回路內(nèi)部傳動鏈的誤差，故其定位精度較全閉環(huán)系統(tǒng)要差。但因測量角 位移比測量線位移位移比測量線位移容易容易，并可在傳動鏈的任何轉(zhuǎn)動部位進(jìn)行測量和反饋，并可在傳動鏈的任何轉(zhuǎn)動部位進(jìn)行測量和反饋， 可使結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整、維護(hù)較方便，故應(yīng)用亦廣。可使結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整、維護(hù)較方便，故應(yīng)用亦廣。 圖圖7-41 直流電

41、動機驅(qū)動的半閉環(huán)系統(tǒng)直流電動機驅(qū)動的半閉環(huán)系統(tǒng) 測速發(fā)電機測速發(fā)電機 檢測器檢測器 nm=3000r/min i=10 v=610-2m/s 直流直流 電動機電動機 控制裝置控制裝置 伺服回路伺服回路 1 2 3 工作臺工作臺 脈沖脈沖 位置位置 控制器控制器 圖圖7-39 7-39 半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng) 1DC伺服電機；伺服電機；2速度檢測器；速度檢測器；3脈沖編碼器脈沖編碼器 速度速度 控制器控制器 32 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 常用的閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)常用的閉環(huán)位置伺服系統(tǒng) 由自整角機或旋轉(zhuǎn)變壓器組成角差檢測裝置，來由自整角機或旋轉(zhuǎn)變壓器組成角差檢測裝置，

42、來 檢測指令軸和執(zhí)行軸的轉(zhuǎn)角，利用兩軸的轉(zhuǎn)角差進(jìn)行控制。該系統(tǒng)用檢測指令軸和執(zhí)行軸的轉(zhuǎn)角，利用兩軸的轉(zhuǎn)角差進(jìn)行控制。該系統(tǒng)用 于兩個旋轉(zhuǎn)軸的隨動。于兩個旋轉(zhuǎn)軸的隨動。 特點是將指令軸和執(zhí)行軸的轉(zhuǎn)角特點是將指令軸和執(zhí)行軸的轉(zhuǎn)角( (若系直線運動，若系直線運動， 則為位移量則為位移量) )分別轉(zhuǎn)換成相同頻率的方波電壓的相位移，利用其間的相分別轉(zhuǎn)換成相同頻率的方波電壓的相位移，利用其間的相 位差進(jìn)行跟蹤控制，其優(yōu)點是系統(tǒng)的精度和分辨率高。位差進(jìn)行跟蹤控制，其優(yōu)點是系統(tǒng)的精度和分辨率高。 又稱采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)工作時又稱采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)工作時 將位置指令轉(zhuǎn)換成計算機所能接受的數(shù)字指令

43、將位置指令轉(zhuǎn)換成計算機所能接受的數(shù)字指令( (利用模數(shù)變換和數(shù)利用模數(shù)變換和數(shù) 模變換裝置模變換裝置) )作為系統(tǒng)的輸入指令，輸入計算機，轉(zhuǎn)角輸出信號可用光作為系統(tǒng)的輸入指令，輸入計算機，轉(zhuǎn)角輸出信號可用光 轉(zhuǎn)編碼直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息的計算機反饋輸入。計算機完成這兩種信轉(zhuǎn)編碼直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息的計算機反饋輸入。計算機完成這兩種信 息的比較，以控制執(zhí)行機構(gòu)。這種系統(tǒng)精度雖高，但由于采樣頻率較息的比較，以控制執(zhí)行機構(gòu)。這種系統(tǒng)精度雖高，但由于采樣頻率較 低，故其動態(tài)響應(yīng)的快速性，有時不及模擬控制系統(tǒng)。低，故其動態(tài)響應(yīng)的快速性，有時不及模擬控制系統(tǒng)。 33 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制

44、系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)舉例：計算機控制示教式機械手系統(tǒng) 示教式機械手示教再現(xiàn)式機械手。示教式機械手示教再現(xiàn)式機械手。 該機械手通過教一遍動作后，就會重復(fù)所教的動作，該機械手通過教一遍動作后，就會重復(fù)所教的動作， 如同一臺錄音機，示教過程錄音，再現(xiàn)過程播放。如同一臺錄音機，示教過程錄音，再現(xiàn)過程播放。 國外稱為示教式工業(yè)機器人國外稱為示教式工業(yè)機器人(Play back industria1 Robot)(Play back industria1 Robot)。 示教再現(xiàn)式機械手的控制環(huán)節(jié)是計算機，使手具備記憶功能示教再現(xiàn)式機械手的控制環(huán)節(jié)是計算機，使手具備記憶功能 示教式機械手系統(tǒng)示教式機械手系統(tǒng)組成

45、：組成： 計算機：系統(tǒng)中具有記憶、比較和控制三方面的功能。計算機：系統(tǒng)中具有記憶、比較和控制三方面的功能。 閥控油缸：是系統(tǒng)的執(zhí)行部件。閥控油缸：是系統(tǒng)的執(zhí)行部件。 液壓動力源液壓動力源 計算機外圍設(shè)備：計算機外圍設(shè)備： 34 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)舉例：計算機控制示教式機械手系統(tǒng) 圖圖7-347-34。計算機外圍。計算機外圍 設(shè)備：設(shè)備： 保持器：將離散保持器：將離散 的數(shù)字信號變?yōu)榈臄?shù)字信號變?yōu)?連續(xù)的模擬信號，連續(xù)的模擬信號， 使之與連續(xù)元件使之與連續(xù)元件 電液伺服閥相連電液伺服閥相連 接。接。 軸角編碼器：將軸角編碼器：將 機械手輸出的連機械手輸出的

46、連 續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)換續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)換 成離散數(shù)字信號，成離散數(shù)字信號， 使之與計算機相使之與計算機相 連接。連接。 圖圖7-34 示教再現(xiàn)式機械手伸縮控制系統(tǒng)原理圖示教再現(xiàn)式機械手伸縮控制系統(tǒng)原理圖 手臀手臀 爪爪 齒輪減速器齒輪減速器 軸角編碼器軸角編碼器 示教示教 再現(xiàn)再現(xiàn) 伺服閥伺服閥 執(zhí)行液壓缸執(zhí)行液壓缸 液壓動力源液壓動力源 伺服放大器伺服放大器 示教操作器示教操作器 保持器保持器 現(xiàn)現(xiàn)教教 控制控制 器器 比較器比較器 現(xiàn)現(xiàn) 教教 計算機計算機 磁磁 心心 35 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)舉例伺服系統(tǒng)舉例 該機械手的工作原理：該機械手的工作原理： 示教過

47、程：系統(tǒng)中的開關(guān)示教過程：系統(tǒng)中的開關(guān)A A閉合，系統(tǒng)呈開環(huán)狀態(tài)。此時人操閉合，系統(tǒng)呈開環(huán)狀態(tài)。此時人操 作示教操作器，將信號送到伺服放大器，伺服放大器給電作示教操作器，將信號送到伺服放大器，伺服放大器給電 液壓伺服閥一個電信號，伺服閥輸出壓力油推動液壓缸動液壓伺服閥一個電信號，伺服閥輸出壓力油推動液壓缸動 作，當(dāng)信號消失時，液壓缸就停止運動。為了防止電液伺作，當(dāng)信號消失時，液壓缸就停止運動。為了防止電液伺 服閥的零飄引起機械手位置的飄移，在機械手停留時，應(yīng)服閥的零飄引起機械手位置的飄移，在機械手停留時，應(yīng) 使系統(tǒng)處于閉環(huán)狀態(tài)，即將開關(guān)使系統(tǒng)處于閉環(huán)狀態(tài)，即將開關(guān)B B閉合。操作示教操作器可閉

48、合。操作示教操作器可 以使機械手停留在任意位置上，對于需要再現(xiàn)的工作位置，以使機械手停留在任意位置上，對于需要再現(xiàn)的工作位置， 通過與機械手輸出手臂相連的軸角編碼器，把機械手位置通過與機械手輸出手臂相連的軸角編碼器，把機械手位置 的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送入計算機中儲存起來。因此，的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送入計算機中儲存起來。因此， 機械手的位置與計算機中的數(shù)字一一對應(yīng)。機械手的位置與計算機中的數(shù)字一一對應(yīng)。 36 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)舉例伺服系統(tǒng)舉例 再現(xiàn)過程：將開關(guān)再現(xiàn)過程：將開關(guān)B B閉合，系統(tǒng)呈閉環(huán)狀態(tài)，此時操作示閉合，系統(tǒng)呈閉環(huán)狀態(tài)，此時操作示 教操

49、作器的執(zhí)行按鈕，則計算機依次從存儲器中取出原教操作器的執(zhí)行按鈕，則計算機依次從存儲器中取出原 先存入的位置信號。每取出一個位置信號均與機械手當(dāng)先存入的位置信號。每取出一個位置信號均與機械手當(dāng) 前位置比較，若存在誤差，則該誤差就控制機械手運動前位置比較，若存在誤差，則該誤差就控制機械手運動 去消除誤差，直到誤差消除為止。當(dāng)誤差為零時，機械去消除誤差，直到誤差消除為止。當(dāng)誤差為零時，機械 手就復(fù)現(xiàn)了原來存入的位置。根據(jù)需要，可以規(guī)定機械手就復(fù)現(xiàn)了原來存入的位置。根據(jù)需要，可以規(guī)定機械 手在某點停留的時間，而后就復(fù)現(xiàn)下面一個位置。手在某點停留的時間，而后就復(fù)現(xiàn)下面一個位置。 上述工作原理也可用于機械

50、手的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和升降系統(tǒng)的控上述工作原理也可用于機械手的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和升降系統(tǒng)的控 制。制。 37 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.3 7.3 控制系統(tǒng)的特性與要求控制系統(tǒng)的特性與要求 7.3.1 7.3.1 控制系統(tǒng)的特性控制系統(tǒng)的特性 系統(tǒng)的固有特性系統(tǒng)的固有特性 系統(tǒng)的響應(yīng)特性系統(tǒng)的響應(yīng)特性 3. 3. 系統(tǒng)特性的描述方法系統(tǒng)特性的描述方法 7.3.2 7.3.2 控制系統(tǒng)的要求控制系統(tǒng)的要求 1. 1. 穩(wěn)定性要求穩(wěn)定性要求 2. 2. 響應(yīng)特性要求響應(yīng)特性要求 7.3.3 7.3.3 控制理論簡述控制理論簡述 1. 1. 經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控

51、制理論 2. 2. 現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容 7.3.4 7.3.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟 38 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.3.1 控制系統(tǒng)的特性 控制系統(tǒng)的特性可以分為兩類控制系統(tǒng)的特性可以分為兩類: : 系統(tǒng)的固有特性系統(tǒng)的固有特性 是系統(tǒng)本身所具有的特性。是系統(tǒng)本身所具有的特性。 僅與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與輸入信號無關(guān)的特性。僅與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與輸入信號無關(guān)的特性。 它包含三個特性：它包含三個特性：穩(wěn)定性；穩(wěn)定性；可控性；可控性；可觀性。可觀性。 在經(jīng)典控制理論中只討論穩(wěn)定性，在經(jīng)典控制理論中只討論穩(wěn)定性， 后兩個特性在現(xiàn)代控

52、制理論中去研究；后兩個特性在現(xiàn)代控制理論中去研究； 系統(tǒng)的響應(yīng)特性系統(tǒng)的響應(yīng)特性 是系統(tǒng)對各種輸入信號加以響應(yīng)后表現(xiàn)出來的特性。它不是系統(tǒng)對各種輸入信號加以響應(yīng)后表現(xiàn)出來的特性。它不 僅與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與其輸入信號形式有關(guān)。僅與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與其輸入信號形式有關(guān)。 它分為兩個特性：它分為兩個特性：動態(tài)特性；動態(tài)特性；穩(wěn)態(tài)特性。穩(wěn)態(tài)特性。 39 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.3.1 7.3.1 控制系統(tǒng)的特性控制系統(tǒng)的特性 在經(jīng)典控制理論中，系統(tǒng)特性就是指系統(tǒng)的在經(jīng)典控制理論中，系統(tǒng)特性就是指系統(tǒng)的 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 動態(tài)特性動態(tài)特性 穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性 顯然，這三個特性之

53、中，穩(wěn)定性是最根本的特性，只有在得顯然，這三個特性之中，穩(wěn)定性是最根本的特性，只有在得 知系統(tǒng)是穩(wěn)定的以后，才有必要分析系統(tǒng)的動、靜特性。知系統(tǒng)是穩(wěn)定的以后，才有必要分析系統(tǒng)的動、靜特性。 任何一個實際穩(wěn)定的控制系統(tǒng)對輸入信號的時間響應(yīng)，都是由任何一個實際穩(wěn)定的控制系統(tǒng)對輸入信號的時間響應(yīng)，都是由 瞬態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程瞬態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程兩個階段兩個階段組成。組成。 瞬態(tài)過程：系統(tǒng)從剛加入信號開始，瞬態(tài)過程：系統(tǒng)從剛加入信號開始， 到系統(tǒng)輸出量達(dá)到穩(wěn)態(tài)值前的過渡過程。到系統(tǒng)輸出量達(dá)到穩(wěn)態(tài)值前的過渡過程。 穩(wěn)態(tài)過程：穩(wěn)態(tài)過程：t t的響應(yīng)過程，即過渡過程結(jié)束。的響應(yīng)過程，即過渡過程結(jié)束。 穩(wěn)態(tài)精度：

54、最終顯示系統(tǒng)輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的程度。穩(wěn)態(tài)精度：最終顯示系統(tǒng)輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的程度。 衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的指標(biāo)是穩(wěn)態(tài)誤差。衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的指標(biāo)是穩(wěn)態(tài)誤差。 40 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.3.1 7.3.1 控制系統(tǒng)的特性控制系統(tǒng)的特性 j=d/dt s=d/dt S=j 圖7-41 系統(tǒng)特性三種描述法間的轉(zhuǎn)換 微分方程 傳遞函數(shù) 頻率特性 41 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.3.2 控制系統(tǒng)的要求 系統(tǒng)正常工作的首要條件是：系統(tǒng)正常工作的首要條件是： 在任何足夠小的初始偏差作用在任何足夠小的初始偏差作用 下，系統(tǒng)響應(yīng)過程隨著時間的推移下，系統(tǒng)

55、響應(yīng)過程隨著時間的推移 逐漸衰減而趨于逐漸衰減而趨于0 0。 在初始條件影響下，系統(tǒng)的在初始條件影響下，系統(tǒng)的 響應(yīng)過程隨時間推移而發(fā)散，輸入響應(yīng)過程隨時間推移而發(fā)散，輸入 無法控制輸出。無法控制輸出。 圖圖7-42a7-42a為不穩(wěn)定系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，呈為不穩(wěn)定系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，呈 發(fā)散或振蕩狀態(tài)；發(fā)散或振蕩狀態(tài)； 圖圖b b為穩(wěn)定系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，呈衰減為穩(wěn)定系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，呈衰減 的收斂狀態(tài)。的收斂狀態(tài)。 y(t) 1 O y() 發(fā)散 振蕩 t (a) 不穩(wěn)定系統(tǒng)的響應(yīng)曲線 y(t) 1 O t (b) 穩(wěn)定系統(tǒng)的響應(yīng)曲線 圖7-42 系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線 42 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7

56、章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.3.2 7.3.2 控制系統(tǒng)的要求控制系統(tǒng)的要求 系統(tǒng)的性能：系統(tǒng)的性能：用以具體地描述系統(tǒng)的特性。用以具體地描述系統(tǒng)的特性。 常用的物理量：常用的物理量： 用單位階躍響應(yīng)曲線的用單位階躍響應(yīng)曲線的和和來表征。來表征。 ：用單位階躍響應(yīng)曲線上的一些時間特征值來表征。用單位階躍響應(yīng)曲線上的一些時間特征值來表征。 穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)性能：穩(wěn)態(tài)性能： 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能用穩(wěn)態(tài)誤差度量。閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能用穩(wěn)態(tài)誤差度量。 還要求：還要求： 結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、體積小、重量輕、投資少等。結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、體積小、重量輕、投資少等。 43 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控

57、制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.3.2 7.3.2 控制系統(tǒng)的要求控制系統(tǒng)的要求 過阻尼過阻尼：圖：圖7-437-43a a 在機器人控制系統(tǒng)中，一般不允許在機器人控制系統(tǒng)中，一般不允許 超調(diào)。假如機器人末端執(zhí)行器的超調(diào)。假如機器人末端執(zhí)行器的 運動目標(biāo)是某個物體的表面，系運動目標(biāo)是某個物體的表面，系 統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)，則機器人末端執(zhí)行統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)，則機器人末端執(zhí)行 器將會運動到物體內(nèi)部而造成破器將會運動到物體內(nèi)部而造成破 壞。因此，在機器人控制系統(tǒng)中，壞。因此，在機器人控制系統(tǒng)中， 應(yīng)該選擇過阻尼，理想情況下取應(yīng)該選擇過阻尼，理想情況下取 1( 1(臨界阻尼臨界阻尼) )。 t (a)過阻尼 (阻尼特性強) y

58、(t) 1 O y() y(t) 圖7-43 系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線 44 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.3.2 7.3.2 控制系統(tǒng)的要求控制系統(tǒng)的要求 阻尼特性：阻尼特性： 欠阻尼欠阻尼（0 0 1 1）圖）圖7-437-43b b 欠阻尼狀態(tài)時的阻尼特性可用超調(diào)量欠阻尼狀態(tài)時的阻尼特性可用超調(diào)量 p p衡量衡量 ： 圖7-43 系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線 t (b)欠阻尼 (阻尼特性弱) y(t) y() ymax y(t) 1 O O 45 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.3.2 7.3.2 控制系統(tǒng)的要求控制系統(tǒng)的要求 圖7-44 欠阻尼系統(tǒng)

59、單位階躍響應(yīng)曲線 y(t) 1 O tr tp ts t 46 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.3.2 7.3.2 控制系統(tǒng)的要求控制系統(tǒng)的要求 穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)性能：穩(wěn)態(tài)性能： 閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能用穩(wěn)態(tài)誤差閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能用穩(wěn)態(tài)誤差e es s度量，度量， tytytee r tt s limlim y()系統(tǒng)的實際輸出。系統(tǒng)的實際輸出。 yr()參考輸入所整定的期望值。參考輸入所整定的期望值。 es包含任何擾動所引起的誤差。包含任何擾動所引起的誤差。 穩(wěn)態(tài)精度：最終顯示系統(tǒng)輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的程度。穩(wěn)態(tài)精度：最終顯示系統(tǒng)輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的程度。 在典型輸入

60、信號作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，是穩(wěn)態(tài)精度的基本要求。在典型輸入信號作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，是穩(wěn)態(tài)精度的基本要求。 47 先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)7章章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 7.3.3 7.3.3 控制理論簡述控制理論簡述 1. 1. 基本的控制理論基本的控制理論 早期發(fā)現(xiàn)：早期發(fā)現(xiàn)：在系統(tǒng)中加入信息反饋回路，將被控量與目標(biāo)量比較，然后進(jìn)在系統(tǒng)中加入信息反饋回路，將被控量與目標(biāo)量比較，然后進(jìn) 行操作，使被控量接近目標(biāo)值，這樣組成的閉環(huán)系統(tǒng)控制精度會更高。行操作，使被控量接近目標(biāo)值，這樣組成的閉環(huán)系統(tǒng)控制精度會更高。 但這種反饋控制有時會發(fā)生振蕩，不能正常工作。但這種反饋控制有時會發(fā)生振蕩，不能正常工作。