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1、机电控制基础与实践（定义，组成，要求）（机械、电控、编程、用途）北京航空航天大学 机器人研究所王田苗 丑武胜,机电控制基础基本概念,机电控制系统的概念和发展概况机电控制系统的一般构成 机电控制系统的基本控制方式 对机电控制系统的基本要求,机械与控制,19世纪末詹姆斯瓦特 离心调速器生产工艺的发展对机械系统也提出了愈来愈高的要求，为达到工作目的，使得机械已不再是纯机械结构了，更多的是与电气、电子装置结合在一起，形成了机电控制系统。数控机床（效率，精度，MIT）机器人技术（核材料，空间任意点，智能，工业）,数控技术、数控系统和数控装备数控技术（Numerical Control NC）是一种借助数
2、字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）实现可编程自动控制技术的总称数控系统（Numerical Control System）和计算机数控系统（CNC）它们都是实现数字控制的装置，数实现数字控制的载体。后者是指以计算机为核心的数控系统。,数字化制造装备,基本概念,数控装备（Numerical Control Equipment）它是采用数字控制技术对生产机械和设备的工作过程进行自动控制的一类装备。它是以数控技术为代表的高新技术对传统制造产业和新兴产业的渗透形成的机电一体化产品，其特点是高精度、高效率、高柔性和高超的信息处理和传输能力。数控技术应用最早、最成功的应用行业是制造业
3、，最典型的代表是数控机床，现在数控技术的已广泛应用于国民经济各行业（如轻工、医疗、信息、国防工业等）的生产装备和成套技术装备。,数字化制造装备,基本概念,1921，捷克剧作家卡雷尔（KAREL CAPEK）在“ROSSUMS UNIVERSAL ROBOT”剧本提出的“仆人”意想1947年美国阿尔贡实验室建成遥控主从式机械手1949年美国MIT实验室研制出数控铣床1961年美国UNIMATION公司推出第一台实用的工业机器人,机器人技术与机电控制系统有着直接联系,机器人定义（针对制造业）,美国RIA：工业机器人是完成不同作业，根据程序化的运动，实现材料、部件、工具移动，并可编程的多功能操作机。
4、日本JIRA：工业机器人是在三维空间具有类似人体上肢运动的功能和结构，并能完成复杂空间动作的多自由度自动机械。国际标准化组织ISO：工业机器人是具有自动控制操作功能或移动功能，并能够通过编程进行工作的机械。没有准确公认的定义,机器人系统的基本结构（感知、规划、行动、交互）,基本结构的三（四）大模块基于多种传感器，感知自身状态信息和外界环境信息根据任务兴趣，结合感知信息和自己能力，规划完成任务（到达目标）途径和路径轨迹通过或选择一种驱动装置，执行规划的任务和指令加入人的要求和智慧，实现人机交互,机器人系统的基本结构,机电控制系统的概念和发展概况,控制的基本概念 所谓控制，其定义是：“为达到某种目
5、的，对某一对象施加所需的操作”。含有“调节、调整”，“管理、监督”，“运用、操作”等意思。,手动控制自动控制 所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器）使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。,自动控制系统 为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体。在自动控制系统中，被控对象的输出量，即被控量是需要严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度、压力、液位等，也可要求按照某个给定规律运行，例如飞行航迹、记录曲线等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的
6、总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制。,机电控制就是应用自动控制工程学的研究结果，把机械作为控制对象，研究怎样通过采用一定的控制方法来适应对象特性变化从而达到期望性能指标。还有其它控制系统，例如将生物、经济、社会作为控制对象。,机电控制系统发展阶段,机电控制系统的发展按所用控制器件来划分，它主要经历了四个阶段：最早的机电控制系统出现在20世纪初，它仅借助于简单的接触器与继电器等控制电器，实现对控制对象的启动、停车以及有级调速等控制，它的控制速度慢，控制精度差；30年代控制系统从断续控制发展到连续控制，连续控制系统可随时检查控制对象的工作状态，并根据输出量与给定量的偏差对控制对象自
7、动进行调整，它的快速性及控制精度都大大超过了最初的断续控制，并简化了控制系统，减少了电路中的触点，提高了可靠性，使生产效率大为提高；4050年代出现了磁放大器控制和大功率可控水银整流器控制；,机电控制系统发展阶段,于50年代末期出现又出现了功率晶体管控制，由于晶体管、晶闸管具有效率高、控制特性好、反应快、寿命长、可靠性高、维护容易、体积小、重量轻等优点，它的出现为机电自动控制系统开辟了新纪元。随着数控技术的发展，计算机的应用特别是微型计算机的出现和应用，又使控制系统发展到一个新阶段采样控制。,机电控制系统发展阶段,70年代初，计算机数字控制（CNC）系统应用于数控机床和加工中心，这不仅加强了自
8、动化程度，而且提高了机床的通用性和加工效率，在生产上得到了广泛应用。工业机器人的诞生，为实现机械加工全盘自动化创造了物质基础。80年代以来，出现了由数控机床、工业机器人、自动搬运车等组成的统一由中心计算机控制的机械加工自动线柔性制造系统（FMS），它是实现自动化车间和自动化工厂的重要组成部分。机械制造自动化高级阶段是走向设计、制造一体化，即利用计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）形成产品设计与制造过程的完整系统，对产品构思和设计直至装配、试验和质量管理这一全过程实现自动化，以实现制造过程的高效率、高柔性、高质量，实现计算机集成制造系统（CIMS）。,机电控制系统的定义,“机电一体
9、化”（Mechatronics）是各相关技术有机结合，包括材料、机械、电子、控制、计算机等交叉学科。其中的“Mechatronics”是 Mechanics（机械学）与Electronics（电子学）组合而成的日本造英语,日经产业新闻：“电子技术的电子学与机械技术的机械学相结合的技术进步的总称。”富士通法纳克公司：“将机械学和电子学有机结合而提供的更为优越的技术。”日本机械振兴协会经济研究所：“机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。”机电一体化具有“技术”和“产品”两方面的内容，首先是机电一体化技术
10、，主要包括技术原理使机电一体化产品（或系统）得以实现、使用和发展的技术；其次是机电一体化“产品”，该产品主要是机械系统（或部件）与以微型计算机为代表的微电子系统（或部件）相互置换或有机结合而构成的新“系统”，且赋予其新的功能和性能的新一代产品。,机电一体化技术在机械制造业中的应用，大致经历了参数数显、数控（NC控制），计算机数控（CNC控制），柔性生产系统（FMS），计算机集成制造系统（CIMS），虚拟制造系统（VMS）等过程，使加工制造技术与生产经营模式紧密结合，形成现代制造技术和系统。,机电控制系统的一般构成,测量元件职能（传感器）检测被控制的物理量，如执行机构的运动参数、加工状况等。这些
11、参数通常有位移、速度、加速度、转角、压力、流量、温度等。如果这个物理量是非电量，一般再转换为电量。,比较元件职能（信号处理）把测量元件检测的被控量实际值与给定元件的输入量进行比较，求出它们之间的偏差。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置、电桥电路等。,放大元件与驱动职能将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管组成的电压放大级和功率放大级加以放大。驱动元件与执行机构相连接、给执行机构提供动力的部件，并控制执行机构启动、停止和换向。驱动元件的作用是完成能量的供给和转换。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。,执行
12、元件职能直接推动被控对象，使其被控量发生变化，完成特定的加工任务，如零件的加工或物料的输送。执行机构直接与被加工对象接触。根据不同的用途，执行机构具有不同的工作原理、运作规律、性能参数和结构形状，如车床、铣床、送料机械手等，结构上千差万别,校正元件也叫补偿元件它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，其作用是完成加工过程的控制，协调机械系统各部分的运动，具有分析、运算、实时处理功能，以改善系统的性能。最简单的校正元件是由电阻、电容组成的无源或有源网络，复杂的则用STD总线工业控制机、工业微机（PC）、单片微机等。,控制对象（机械装置）控制系统要操纵的对象。它的输出量即为系统
13、的被调量（或被控制量），例如：机床、工作台、设备或生产线等。,机电控制系统各组成部分之间的连接匹配部分，称为接口。接口分为两种，机械与机械之间的连接称为机械接口。电气与电气之间的连接称为接口电路。接口连接如果不相匹配，须某种转换，如连接机床主轴和电机的减速箱，连接传感器输出信号和模数转换器的放大电路，这些接口既起连接又起匹配的作用。,机电控制系统的基本工作原理操作人员将加工信息（如尺寸、形状、精度等）输入到控制计算机，计算机发出启动命令，启动驱动元件运转，带动执行机构进行加工。测量元件实时检测加工状态，将信息反馈到计算机，经计算机分析、处理后，发出相应的控制指令，实时地控制执行机构运动，如反往
14、复进行，自动地将工件按输入的加工信息完成加工。,机电控制系统的基本控制方式,反馈控制方式开环控制方式复合控制方式,反馈控制方式,反馈控制是机电控制系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的一种控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。,我们把取出的输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈，反之，则称为正反馈。反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由于引入了被控量的反馈
15、信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称闭环控制。,特点：按反馈控制方式组成的反馈控制系统，具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度。但这种系统使用的元件多，线路复杂，特别是系统的性能分析和设计也较麻烦。,开环控制方式,开环控制方式是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，按这种方式组成的系统称为开环控制系统。其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。,按给定量控制的开环控制系统，其控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入量。就有一个输出量与之相对应，控制精度完全取决于所用的元件及校准的精度。,按给定量控制的开环控制方式没有自动修正
16、偏差的能力，抗扰动性较差。但由于其结构简单、调整方便、成本低，在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。目前，用于国民经济各部门的一些自动化装置，如自动售货机、自动洗衣机、产品生产自动线、以及指挥交通的红绿灯的转换等，般都是开环控制系统。,按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响，这种控制方式也称顺馈控制或前馈控制。,例如，在一般的直流速度控制系统中，转速常常随负载的增加而下降，且其转速的下降是由于电枢回路的电压降引起的。如果我们设法将负载引起的电流变化测量出来，并按其大小产生一个附加的控制作用，用以补偿由它引
17、起的转速下降，这样就可以构成按扰动控制的开环控制系统。,按扰动控制的开环控制方式是直接从扰动取得信息，并以此来改变被控量，其抗扰动性好，控制精度也较高，但它只适用于扰动是可测量的场合。,复合控制方式,比较合理的一种控制方式是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统就比较容易设计，控制效果也会更好。这种按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制方式。,对机电控制系统的基本要求,对每一类系统被控量变化全过程提出的共同基本要求都是一样的，且可以归结为稳
18、定性、快速性和准确性，即稳、准、快的要求。,稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。具体来说，对于稳定的恒值控制系统，被控量因扰动而偏离期望值后，经过一个过渡过程时间，被控量应恢复到原来的期望值状态：对于稳定的随动系统，被控量应能始终跟踪参据量的变化。反之，不稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差将随时间的增长而发散，因此，不稳定的控制系统无法实现预定的控制任务。起初研究开发的机器鱼不稳定,为了很好完成控制任务，控制系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求。对控制系统过渡过程的时
19、间（即快速性）和最大振荡幅度（即超调量）一般都有具体要求。起初研发的四足机器人行走十分缓慢,理想情况下，当过渡过程结束后，被控量达到的稳态值（即平衡状态）应与期望值一致。但实际上，由于系统结构、外作用形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响，被控量的稳态值与期望值之间会有误差存在，称为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志，在技术指标中一般都有具体要求。起初研发灵巧手钢丝绳驱动存在很大误差,数字化制造装备概念结构,数字化制造装备,高精高速控制技术,多轴联动数控技术,伺服控制技术,智能化网络化技术,装备设计制造技术,关键技术,主要产品,数控机床,检测技术,机器人,医疗机械,印刷机械,纺织机械,包装机械,电子制造装备,数控编程技术,图像识别技术,谢 谢 各 位,控制技术的分支,经典控制 现代控制 最优控制 自适应控制 随机控制 智能控制,机电控制系统的一般构成,
