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1、機電控制基礎(chǔ)與實踐 （定義，組成，要求） （機械、電控、編程、用途） 北京航空航天大學(xué) 機器人研究所 王田苗 丑武勝,機電控制基礎(chǔ)基本概念,機電控制系統(tǒng)的概念和發(fā)展概況 機電控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成 機電控制系統(tǒng)的基本控制方式 對機電控制系統(tǒng)的基本要求,機械與控制,19世紀末詹姆斯瓦特 離心調(diào)速器 生產(chǎn)工藝的發(fā)展對機械系統(tǒng)也提出了愈來愈高的要求，為達到工作目的，使得機械已不再是純機械結(jié)構(gòu)了，更多的是與電氣、電子裝置結(jié)合在一起，形成了機電控制系統(tǒng)。 數(shù)控機床（效率，精度，MIT） 機器人技術(shù)（核材料，空間任意點，智能，工業(yè)）,數(shù)控技術(shù)、數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控裝備 數(shù)控技術(shù)（Numerical Control
2、NC）是一種借助數(shù)字、字符或其它符號對某一工作過程（如加工、測量、裝配等）實現(xiàn)可編程自動控制技術(shù)的總稱 數(shù)控系統(tǒng)（Numerical Control System）和計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC ） 它們都是實現(xiàn)數(shù)字控制的裝置，數(shù)實現(xiàn)數(shù)字控制的載體。后者是指以計算機為核心的數(shù)控系統(tǒng)。,數(shù)字化制造裝備,基本概念,數(shù)控裝備（Numerical Control Equipment） 它是采用數(shù)字控制技術(shù)對生產(chǎn)機械和設(shè)備的工作過程進行自動控制的一類裝備。 它是以數(shù)控技術(shù)為代表的高新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，其特點是高精度、高效率、高柔性和高超的信息處理和傳輸能力。 數(shù)
3、控技術(shù)應(yīng)用最早、最成功的應(yīng)用行業(yè)是制造業(yè)，最典型的代表是數(shù)控機床，現(xiàn)在數(shù)控技術(shù)的已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各行業(yè)（如輕工、醫(yī)療、信息、國防工業(yè)等）的生產(chǎn)裝備和成套技術(shù)裝備。,數(shù)字化制造裝備,基本概念,1921，捷克劇作家卡雷爾（KAREL CAPEK）在“ROSSUMS UNIVERSAL ROBOT”劇本提出的“仆人”意想 1947年美國阿爾貢實驗室建成遙控主從式機械手 1949年美國MIT實驗室研制出數(shù)控銑床 1961年美國UNIMATION公司推出第一臺實用的工業(yè)機器人,機器人技術(shù)與機電控制系統(tǒng)有著直接聯(lián)系,機器人定義（針對制造業(yè)）,美國RIA：工業(yè)機器人是完成不同作業(yè)，根據(jù)程序化的運動，實現(xiàn)
4、材料、部件、工具移動，并可編程的多功能操作機。 日本JIRA：工業(yè)機器人是在三維空間具有類似人體上肢運動的功能和結(jié)構(gòu)，并能完成復(fù)雜空間動作的多自由度自動機械。 國際標準化組織ISO：工業(yè)機器人是具有自動控制操作功能或移動功能，并能夠通過編程進行工作的機械。 沒有準確公認的定義,機器人系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（感知、規(guī)劃、行動、交互）,基本結(jié)構(gòu)的三（四）大模塊 基于多種傳感器，感知自身狀態(tài)信息和外界環(huán)境信息 根據(jù)任務(wù)興趣，結(jié)合感知信息和自己能力，規(guī)劃完成任務(wù)（到達目標）途徑和路徑軌跡 通過或選擇一種驅(qū)動裝置，執(zhí)行規(guī)劃的任務(wù)和指令 加入人的要求和智慧，實現(xiàn)人機交互,,機器人系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),機電控制系統(tǒng)的概念
5、和發(fā)展概況,控制的基本概念 所謂控制，其定義是：“為達到某種目的，對某一對象施加所需的操作”。 含有“調(diào)節(jié)、調(diào)整”，“管理、監(jiān)督”，“運用、操作”等意思。,手動控制 自動控制 所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器）使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。,自動控制系統(tǒng) 為了實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機總體。 在自動控制系統(tǒng)中，被控對象的輸出量，即被控量是需要嚴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，也可要求按照某個給定規(guī)律運
6、行，例如飛行航跡、記錄曲線等；而控制裝置則是對被控對象施加控制作用的機構(gòu)的總體，它可以采用不同的原理和方式對被控對象進行控制。,機電控制就是應(yīng)用自動控制工程學(xué)的研究結(jié)果，把機械作為控制對象，研究怎樣通過采用一定的控制方法來適應(yīng)對象特性變化從而達到期望性能指標。 還有其它控制系統(tǒng)，例如將生物、經(jīng)濟、社會作為控制對象 。,,機電控制系統(tǒng)發(fā)展階段,機電控制系統(tǒng)的發(fā)展按所用控制器件來劃分，它主要經(jīng)歷了四個階段： 最早的機電控制系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀初，它僅借助于簡單的接觸器與繼電器等控制電器，實現(xiàn)對控制對象的啟動、停車以及有級調(diào)速等控制，它的控制速度慢，控制精度差； 30年代控制系統(tǒng)從斷續(xù)控制發(fā)展到連續(xù)
7、控制，連續(xù)控制系統(tǒng)可隨時檢查控制對象的工作狀態(tài)，并根據(jù)輸出量與給定量的偏差對控制對象自動進行調(diào)整，它的快速性及控制精度都大大超過了最初的斷續(xù)控制，并簡化了控制系統(tǒng)，減少了電路中的觸點，提高了可靠性，使生產(chǎn)效率大為提高； 4050年代出現(xiàn)了磁放大器控制和大功率可控水銀整流器控制；,,機電控制系統(tǒng)發(fā)展階段,于50年代末期出現(xiàn)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、反應(yīng)快、壽命長、可靠性高、維護容易、體積小、重量輕等優(yōu)點，它的出現(xiàn)為機電自動控制系統(tǒng)開辟了新紀元。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，計算機的應(yīng)用特別是微型計算機的出現(xiàn)和應(yīng)用，又使控制系統(tǒng)發(fā)展到一個新階段采樣控制。,,機電控制
8、系統(tǒng)發(fā)展階段,70年代初，計算機數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)控機床和加工中心，這不僅加強了自動化程度，而且提高了機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)機器人的誕生，為實現(xiàn)機械加工全盤自動化創(chuàng)造了物質(zhì)基礎(chǔ)。 80年代以來，出現(xiàn)了由數(shù)控機床、工業(yè)機器人、自動搬運車等組成的統(tǒng)一由中心計算機控制的機械加工自動線柔性制造系統(tǒng)（FMS），它是實現(xiàn)自動化車間和自動化工廠的重要組成部分。 機械制造自動化高級階段是走向設(shè)計、制造一體化，即利用計算機輔助設(shè)計（CAD）與計算機輔助制造（CAM）形成產(chǎn)品設(shè)計與制造過程的完整系統(tǒng)，對產(chǎn)品構(gòu)思和設(shè)計直至裝配、試驗和質(zhì)量管理這一全過程實現(xiàn)自動化，以實現(xiàn)制
9、造過程的高效率、高柔性、高質(zhì)量，實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。,,機電控制系統(tǒng)的定義,“機電一體化”（Mechatronics）是各相關(guān)技術(shù)有機結(jié)合，包括材料、機械、電子、控制、計算機等交叉學(xué)科。 其中的“Mechatronics” 是 Mechanics（機械學(xué)）與Electronics（電子學(xué)）組合而成的日本造英語,,日經(jīng)產(chǎn)業(yè)新聞：“電子技術(shù)的電子學(xué)與機械技術(shù)的機械學(xué)相結(jié)合的技術(shù)進步的總稱。” 富士通法納克公司：“將機械學(xué)和電子學(xué)有機結(jié)合而提供的更為優(yōu)越的技術(shù)?！?日本機械振興協(xié)會經(jīng)濟研究所：“機電一體化乃是在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝
10、置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱?！?機電一體化具有“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩方面的內(nèi)容，首先是機電一體化技術(shù)，主要包括技術(shù)原理使機電一體化產(chǎn)品（或系統(tǒng)）得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)；其次是機電一體化“產(chǎn)品”，該產(chǎn)品主要是機械系統(tǒng)（或部件）與以微型計算機為代表的微電子系統(tǒng)（或部件）相互置換或有機結(jié)合而構(gòu)成的新“系統(tǒng)”，且賦予其新的功能和性能的新一代產(chǎn)品。,,機電一體化技術(shù)在機械制造業(yè)中的應(yīng)用，大致經(jīng)歷了參數(shù)數(shù)顯、數(shù)控（NC控制），計算機數(shù)控（CNC控制），柔性生產(chǎn)系統(tǒng)（FMS），計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），虛擬制造系統(tǒng)（VMS）等過程，使加工制造技術(shù)與生產(chǎn)經(jīng)營模式緊密結(jié)合，形成現(xiàn)代制
11、造技術(shù)和系統(tǒng)。,機電控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成,,測量元件職能（傳感器） 檢測被控制的物理量，如執(zhí)行機構(gòu)的運動參數(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。如果這個物理量是非電量，一般再轉(zhuǎn)換為電量。,比較元件職能（信號處理） 把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件的輸入量進行比較，求出它們之間的偏差。常用的比較元件有差動放大器、機械差動裝置、電橋電路等。,放大元件與驅(qū)動職能 將比較元件給出的偏差信號進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。電壓偏差信號，可用電子管、晶體管、集成電路、晶閘管組成的電壓放大級和功率放大級加以放大。 驅(qū)動元件與執(zhí)行機構(gòu)相連接、給執(zhí)行機構(gòu)提供動
12、力的部件，并控制執(zhí)行機構(gòu)啟動、停止和換向。驅(qū)動元件的作用是完成能量的供給和轉(zhuǎn)換。用來作為執(zhí)行元件的有閥、電動機、液壓馬達等。,,執(zhí)行元件職能 直接推動被控對象，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)行機構(gòu)直接與被加工對象接觸。根據(jù)不同的用途，執(zhí)行機構(gòu)具有不同的工作原理、運作規(guī)律、性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)形狀，如車床、銑床、送料機械手等，結(jié)構(gòu)上千差萬別,,校正元件也叫補償元件 它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，其作用是完成加工過程的控制，協(xié)調(diào)機械系統(tǒng)各部分的運動，具有分析、運算、實時處理功能，以改善系統(tǒng)的性能。最簡單的校正元件是由電阻、電容組成的無
13、源或有源網(wǎng)絡(luò)，復(fù)雜的則用STD總線工業(yè)控制機、工業(yè)微機（PC）、單片微機等。,,控制對象（機械裝置） 控制系統(tǒng)要操縱的對象。它的輸出量即為系統(tǒng)的被調(diào)量（或被控制量），例如：機床、工作臺、設(shè)備或生產(chǎn)線等。,,機電控制系統(tǒng)各組成部分之間的連接匹配部分，稱為接口。 接口分為兩種，機械與機械之間的連接稱為機械接口。 電氣與電氣之間的連接稱為接口電路。 接口連接如果不相匹配，須某種轉(zhuǎn)換，如連接機床主軸和電機的減速箱，連接傳感器輸出信號和模數(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。,,機電控制系統(tǒng)的基本工作原理 操作人員將加工信息（如尺寸、形狀、精度等）輸入到控制計算機，計算機發(fā)出啟動命令，啟動
14、驅(qū)動元件運轉(zhuǎn)，帶動執(zhí)行機構(gòu)進行加工。測量元件實時檢測加工狀態(tài)，將信息反饋到計算機，經(jīng)計算機分析、處理后，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，實時地控制執(zhí)行機構(gòu)運動，如反往復(fù)進行，自動地將工件按輸入的加工信息完成加工。,機電控制系統(tǒng)的基本控制方式,反饋控制方式 開環(huán)控制方式 復(fù)合控制方式,反饋控制方式,反饋控制是機電控制系統(tǒng)最基本的控制方式，也是應(yīng)用最廣泛的一種控制系統(tǒng)。 在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量的偏差，從而實現(xiàn)對被控對象進行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理。,,,,我們把取出的輸出量送回到輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過
15、程，稱為反饋。 若反饋的信號是與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負反饋，反之，則稱為正反饋。 反饋控制就是采用負反饋并利用偏差進行控制的過程，而且，由于引入了被控量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱閉環(huán)控制。,,特點： 按反饋控制方式組成的反饋控制系統(tǒng)，具有抑制任何內(nèi)、外擾動對被控量產(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)計也較麻煩。,開環(huán)控制方式,開環(huán)控制方式是指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程，按這種方式組成的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。 其特點是系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生
16、影響。,,按給定量控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，其控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，給定一個輸入量。就有一個輸出量與之相對應(yīng)，控制精度完全取決于所用的元件及校準的精度。,按給定量控制的開環(huán)控制方式?jīng)]有自動修正偏差的能力，抗擾動性較差。 但由于其結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低，在精度要求不高或擾動影響較小的情況下，這種控制方式還有一定的實用價值。 目前，用于國民經(jīng)濟各部門的一些自動化裝置，如自動售貨機、自動洗衣機、產(chǎn)品生產(chǎn)自動線、以及指揮交通的紅綠燈的轉(zhuǎn)換等，般都是開環(huán)控制系統(tǒng)。,按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，是利用可測量的擾動量，產(chǎn)生一種補償作用，以減小或抵消擾動對輸出量的影響，這種控制方式也稱順饋控制或前饋控制
17、。,,例如，在一般的直流速度控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速常常隨負載的增加而下降，且其轉(zhuǎn)速的下降是由于電樞回路的電壓降引起的。如果我們設(shè)法將負載引起的電流變化測量出來，并按其大小產(chǎn)生一個附加的控制作用，用以補償由它引起的轉(zhuǎn)速下降，這樣就可以構(gòu)成按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)。,,按擾動控制的開環(huán)控制方式是直接從擾動取得信息，并以此來改變被控量，其抗擾動性好，控制精度也較高，但它只適用于擾動是可測量的場合。,復(fù)合控制方式,比較合理的一種控制方式是把按偏差控制與按擾動控制結(jié)合起來，對于主要擾動采用適當?shù)难a償裝置實現(xiàn)按擾動控制，同時，再組成反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動產(chǎn)生的偏差。 系統(tǒng)的主要擾動已被
18、補償，反饋控制系統(tǒng)就比較容易設(shè)計，控制效果也會更好。這種按偏差控制和按擾動控制相結(jié)合的控制方式稱為復(fù)合控制方式。,對機電控制系統(tǒng)的基本要求,對每一類系統(tǒng)被控量變化全過程提出的共同基本要求都是一樣的，且可以歸結(jié)為穩(wěn)定性、快速性和準確性，即穩(wěn)、準、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)隨時間的增長逐漸減小或趨于零。 具體來說，對于穩(wěn)定的恒值控制系統(tǒng)，被控量因擾動而偏離期望值后，經(jīng)過一個過渡過程時間，被控量應(yīng)恢復(fù)到原來的期望值狀態(tài)：對于穩(wěn)定的隨動系統(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
19、將隨時間的增長而發(fā)散，因此，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)預(yù)定的控制任務(wù)。 起初研究開發(fā)的機器魚不穩(wěn)定,,為了很好完成控制任務(wù)，控制系統(tǒng)僅僅滿足穩(wěn)定性要求是不夠的，還必須對其過渡過程的形式和快慢提出要求。 對控制系統(tǒng)過渡過程的時間（即快速性）和最大振蕩幅度（即超調(diào)量）一般都有具體要求。 起初研發(fā)的四足機器人行走十分緩慢,,理想情況下，當過渡過程結(jié)束后，被控量達到的穩(wěn)態(tài)值（即平衡狀態(tài)）應(yīng)與期望值一致。 但實際上，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外作用形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響，被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會有誤差存在，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)控制精度的重要標志，在技術(shù)指標中一般都有具體要求。 起初研發(fā)靈巧手鋼絲繩驅(qū)動存在很大誤差,數(shù)字化制造裝備概念結(jié)構(gòu),,,數(shù)字化制造裝備,高精高速控制技術(shù),多軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù),伺服控制技術(shù),智能化網(wǎng)絡(luò)化技術(shù),裝備設(shè)計制造技術(shù),關(guān)鍵技術(shù),,主要產(chǎn)品,數(shù)控機床,檢測 技術(shù),機器人,醫(yī)療機械,印刷機械,紡織機械,包裝機械,,電子制造裝備,數(shù)控編程技術(shù),圖像識別技術(shù),,謝 謝 各 位,控制技術(shù)的分支,經(jīng)典控制 現(xiàn)代控制 最優(yōu)控制 自適應(yīng)控制 隨機控制 智能控制,,機電控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成,
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