1、机电控制基础理论及应用 王田苗 丑武胜 编著清 华 大 学 出 版 社 北 京内 容 简 介 机电一体化技术是学科交叉的产物， 并已逐渐成为一个新兴的热点研究领域， 在国防建设和国民经济 发展中起着越来越重要的作用。 本书从工程科学的角度出发， 介绍机电控制系统的分析、 综合和设计方法， 在理论和实际应用之间架起一座桥梁， 使读者对机电控制系统的基本构成、 设计与选型原则、 常用控制算 法及实现手段等有系统的、 全面的认识和了解， 并能将这些方法应用到实践中去解决实际工程问题， 为今 后设计、开发新的机电控制系统或装备奠定必要的技术基础。本 书 内 容 丰 富 、 深 浅 适 度 ， 叙 述
2、深 入 浅 出 ， 既 可 作 为 相 关 专 业 高 年 级 本 科 生 或 研 究 生 的 教 材 ， 也 可 供 从事机电一体化的工程技术人员参考。版权所有，翻印必究。 本书封面贴有清华大学出版社激光防伪标签，无标签者不得销售。图书在版编目(CIP)数据机电控制基础理论及应用/王田苗，丑武胜编著. -北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ， 2003 ISBN 7-302-06283-8.机 . 王 丑 .机 电 一 体 化 -控 制 系 统 .TH-39中国版本图书馆 CIP 数据核字(2003)第 006342 号出 版 者 ： 清 华 大 学 出 版 社 （ 北 京 清 华 大
3、学 学 研 大 厦 ， 邮 编 100084） http:/责任编辑：钟志芳印 刷 者： 印刷厂发 行 者 ： 新 华 书 店 总 店 北 京 发 行 所开 本 ： 7871092 1/16 印 张 ： 15.5 字 数 ： 352 千字 版 次 ： 2003 年 3 月 第 1 版 2003 年 3 月第 1 次印刷 书 号 ： ISBN7-302-06283-8/TH110印 数 ： 0001 4000 定 价 ： 23.00 元 前 言机电一体化已逐渐成为一个新兴的热点研究领域。机电一体化技术以机械工程学科和 电子工程学科为支撑，是交叉学科的产物，这种多学科交叉的特点也对新时期工程技术人
4、 员和工科大学的学生提出了新的要求，即要求他们不但既懂机械又懂控制，而且能将机和 电有机结合起来，从而满足社会发展对从事机电一体化工作人才的需要。本书的目的就在于从工程科学的角度出发，在理论和实际应用之间架起一座桥梁，通 过介绍机电控制系统的分析、综合和设计方法，使读者对机电一体化系统（产品）的基本 构成、分析设计与选型原则、常用控制算法及实现手段等有系统的、全面的认识和了解， 并能举一反三地将这些方法应用到实践中去解决实际工程问题，提高读者综合应用所学知 识的能力，为今后设计、开发新的机电控制系统或装备奠定必要的技术基础。本书注重系统性，书中内容涵盖了整个机电系统所涉及的各个知识点，并通过大
5、量实 例分析，使读者能对相关知识融会贯通。本书同时吸收了近年来机电控制领域的最新研究 成果，注重先进性与实用性。全书由 4 部分 10 章 构 成 。 第 1 部分为（第 1、2 章）基础知识，主要介绍机电控制的 基本概念，系统构成及机电系统的动、静态特性；第 2 部 分 （ 第 3、4 章）介绍机电控制 系统中常用的检测元件和驱动元件；第 3 部 分 （ 第 5、 6、 7、 8 章 ） 介 绍 机 电 控 制 常 用 的 控 制 算 法 及 微 机 实 现 ； 第 4 部 分 （ 第 9、 10 章 ） 通 过 两 个 典 型 机 电 系 统 的 设 计 和 实 现 例 子，帮助读者深刻理
6、解机电系统的设计过程，将理论和实践有机联系起来。本书可作为高等院校机械电子、自动化、计算机应用等有关专业高年级本科生和研究 生在教学、课题设计时的教材或参考书，也可供从事机电一体化系统（产品）开发、维护 的广大科技人员阅读。由于水平有限，疏漏或不当之处在所难免，敬请广大读者批评指正。作者2002 年 5 月读 者 意 见 反 馈 卡请您认真填写本卡并寄给我们。对于发现本书中技术问题的读者，我们另有答谢。1 您 对 本 书 的 总 体 感 觉 ：满意 一般 不满意2 您 认 为 本 书 的 层 次 结 构 ：很好 一般 不好3 您 认 为 本 书 的 语 言 文 字 水 平 ：很好 一般 不好4
7、 您 认 为 本 书 的 版 式 编 排 ：很好 一般 不好5 您 认 为 本 书 中 所 涉 及 各 项 操 作 说 明 的 准 确 性 ：准确 较准确 不准确6 您 最 需 要 哪 方 面 的 图 书 ？ 7 您 是 从 哪 里 第 一 次 听 说 这 本 书 的 ？书店 广告 从朋友、同事等处听说 其他8 您 一 年 中 购 买 计 算 机 类 图 书 的 数 量 ：25 本 6 10 本 多于 10 本9 您 使 用 的 操 作 系 统 是 ： DOS Windows OS/2 Macintosh Unix Linux 其他10 您 感 兴 趣 的 计 算 机 类 新 书 为 ：操作系
8、统类 办公软件类 程序设计语言类图形、图像设计类 排版软件类 网络技术类多媒体制作类 其他11 您 使 用 PC 机的地方：家庭 单位 学校 其他12 您 是 否 有 CD-ROM：有 无读者姓名： 单位名称： 联系电话： 请填好本卡后寄给：清 华 大 学 校 内 金 地 公 司 (E-mail： )机电控制基础理论及应用编辑部收邮 编 ： 100084联系电话： （ 010） 62791976 传真： （0 10）62 788903 公 司 网 址 ： 如需本书可与本编辑部联系邮购，汇款请按以上地址填写，另加邮费 15%（ 挂 号 ）目 录第 1 章 概 述 .11.1 机 电 控 制 系
9、统 的 概 念 和 发 展 概 况 .11.1.1 控 制 的 基 本 概 念 11.1.2 机 械 与 控 制 21.1.3 机 电 控 制 系 统 的 发 展 概 况 21.1.4 机 电 一 体 化 系 统 （ 产 品 ） 31.2 机 电 控 制 系 统 的 一 般 构 成 .41.3 机 电 控 制 系 统 的 基 本 控 制 方 式 .51.3.1 反 馈 控 制 方 式 51.3.2 开 环 控 制 方 式 71.3.3 复 合 控 制 方 式 81.4 对 机 电 控 制 系 统 的 基 本 要 求 .8第 2 章 机 电 控 制 系 统 的 静 、 动 态 特 性 .102.
10、1 机 电 控 制 系 统 的 数 学 模 型 .102.1.1 数 学 模 型 的 概 念 102.1.2 机 电 控 制 系 统 数 学 模 型 的 种 类 112.1.3 微 分 方 程 112.1.4 传 递 函 数 122.1.5 系 统 结 构 图 142.1.6 频 率 特 性 162.1.7 状 态 变 量 与 状 态 方 程 222.2 机 电 控 制 系 统 的 动 态 性 能 和 稳 态 性 能 .252.2.1 典 型 输 入 信 号 252.2.2 动 态 性 能 与 稳 态 性 能 262.2.3 对 数 频 率 稳 定 判 据 与 稳 定 裕 量 272.3 机
11、械 特 性 312.3.1 恒 转 矩 型 机 械 特 性 322.3.2 离 心 式 通 风 机 型 机 械 特 性 322.3.3 直 线 型 机 械 特 性 332.3.4 恒 功 率 型 机 械 特 性 332.4 机 电 控 制 系 统 稳 定 运 行 的 条 件 .34第 3 章 机 电 控 制 系 统 中 的 检 测 元 件 .363.1 检 测 传 感 器 的 分 类 及 对 传 感 器 的 基 本 要 求 .363.1.1 传 感 器 的 分 类 363.1.2 对 传 感 器 的 基 本 要 求 373.2 常 用 的 位 移 测 量 传 感 器 .383.2.1 电 位
12、计 .383.2.2 电 涡 流 传 感 器 393.2.3 差 动 变 压 器 式 位 移 传 感 器 403.2.4 光 电 脉 冲 发 生 器 413.2.5 感 应 同 步 器 433.2.6 CCD 463.2.7 光 栅 式 数 字 位 移 传 感 器 493.3 常 用 的 速 度 测 量 传 感 器 .503.3.1 测 速 发 电 机 503.3.2 利 用 位 移 测 量 传 感 器 测 速 度 52第 4 章 机 电 控 制 系 统 中 的 驱 动 元 件 .544.1 驱 动 元 件 的 种 类 及 特 点 .544.1.1 机 电 控 制 系 统 对 执 行 元 件
13、的 基 本 要 求 564.1.2 常 用 的 控 制 用 电 动 机 564.2 步 进 电 动 机 的 驱 动 与 控 制 .574.2.1 步 进 电 动 机 工 作 原 理 574.2.2 步 进 电 动 机 基 本 特 性 584.2.3 步 进 电 动 机 的 驱 动 594.3 直 流 伺 服 电 动 机 与 驱 动 .614.3.1 直 流 伺 服 电 动 机 工 作 原 理 614.3.2 直 流 伺 服 电 动 机 的 驱 动 634.4 交 流 伺 服 电 动 机 及 其 驱 动 .704.4.1 交 流 伺 服 电 动 机 工 作 原 理 704.4.2 交 流 伺 服
14、 电 动 机 驱 动 与 控 制 724.5 SMA 作 为 驱 动 器 的 研 究 75第 5 章 机 电 伺 服 系 统 的 常 规 设 计 方 法 .795.1 随 动 系 统 的 典 型 结 构 及 稳 定 特 性 .795.2 随 动 系 统 频 率 法 设 计 805.2.1 串 联 校 正 805.2.2 反 馈 校 正 （ 并 联 校 正 ） 865.3 复 合 控 制 法 设 计 .905.3.1 复 合 控 制 的 概 念 及 不 变 性 原 理 905.3.2 复 合 控 制 设 计 法 915.4 PID 数字控制器的设计 945.4.1 PID 控制算法 .945.4
15、.2 数字 PID 控制算法的改进 975.4.3 数字 PID 控制器的参数整定 .100第 6 章 微 机 控 制 系 统 .1056.1 微 型 计 算 机 的 组 成 .1056.1.1 计 算 机 的 基 本 结 构 1056.1.2 微 型 计 算 机 软 件 1076.2 机 电 控 制 系 统 中 常 用 微 处 理 器 简 介 .1106.2.1 MCS 系列单片机简介 .1106.2.2 MCS-51 单片机 1116.2.3 MCS-96 系 列 单 片 机 简 介 1136.2.4 DSP 简介 1156.2.5 面 向 电 动 机 数 字 控 制 的 DSP 芯 片
16、TMS320F240 简 介 .1196.2.6 PLC 简介 128第 7 章 汇 编 语 言 程 序 设 计 知 识 1327.1 编 程 的 步 骤 、 方 法 和 技 巧 .1327.1.1 编 程 的 步 骤 1327.1.2 编 程 的 方 法 和 技 巧 1347.2 汇 编 语 言 程 序 的 基 本 结 构 .1357.3 汇 编 语 言 源 程 序 的 编 辑 和 汇 编 .1377.3.1 源 程 序 的 编 辑 1377.3.2 源 程 序 的 汇 编 1387.3.3 伪 指 令 .1387.4 Franklin C51 和 A51 函数的相互调用 .1417.4.1
17、 C 语 言 与 汇 编 语 言 .1417.4.2 Franklin C51 和 A51 接口所涉及的几个主要问题 .1417.4.3 应 用 举 例 .144第 8 章 机 电 控 制 系 统 中 的 通 信 技 术 .1578.1 串 行 通 信 基 本 知 识 .1578.1.1 数 据 通 信 .1578.1.2 串 行 通 信 的 传 输 方 式 1578.1.3 异 步 通 信 和 同 步 通 信 1588.2 串 行 通 信 标 准 接 口 总 线 .1598.2.1 RS-232C .1598.2.2 信 号 电 气 特 性 与 电 平 转 换 1618.2.3 RS-232
18、C 的应用 .1628.2.4 RS-422A 标准总线 .1648.3 单 片 机 与 PC 机通信的接口电路 .1658.3.1 采用 1488 和 1489 电平转换芯片实现 8031 与 PC 机通信 .1658.3.2 采用 MAX232 芯 片 实 现 MCS-51 单片机与 PC 机的 RS-232C 标 准 接 口 通 信 电 路 .1668.4 基 于 PComm Pro 的串口通信编程 1688.5 PC 机 与 多 个 单 片 机 间 的 通 信 1728.5.1 采用 MAX232 芯 片 的 RS-232C 接口的通信电路 1738.5.2 多 个 单 片 机 与 P
19、C 机通信协议的约定 1738.5.3 PC 机 的 通 信 软 件 .1738.5.4 单 片 机 的 通 信 软 件 1758.6 USB 总 线 和 IEEE1394 总线简介 .1758.6.1 USB 总线简介 1768.6.2 IEEE1394 总线简介 .1768.7 现 场 总 线 1768.7.1 现 场 总 线 产 生 背 景 1768.7.2 现 场 总 线 的 要 求 及 特 点 1778.7.3CAN 总线 .1788.7.4LonWorks 控 制 网 络 183第 9 章 机 电 控 制 系 统 设 计 实 例 之 一 .1879.1 技 术 要 求 1879.2
20、 方 案 设 计 1879.2.1 有 关 尺 寸 计 算 1889.2.2 机 械 本 体 的 设 计 1899.2.3 电 气 系 统 设 计 1919.3 系 统 控 制 结 构 介 绍 .1959.4 负 载 情 况 分 析 及 系 统 的 整 体 建 模 .1979.5 控 制 算 法 1999.5.1 对 前 馈 环 节 的 分 析 .1999.5.2 库 仑 摩 擦 问 题 2009.5.3 积 分 饱 和 问 题 2049.6 控 制 系 统 软 件 设 计 .2059.6.1 软 件 设 计 思 想 2059.6.2 上 位 软 件 结 构 及 程 序 流 程 .2069.6
21、.3 控 制 卡 下 位 软 件 209第 10 章 机 电 控 制 系 统 设 计 实 例 之 二 .21210.1 多 指 灵 巧 手 21210.2 控 制 系 统 要 求 21410.3 控 制 系 统 构 成 21510.4 基 于 DSP 的伺服运动控制器硬件设计 .21510.4.1 DSP 核心系统设计 21610.4.2 DSP 接口电路设计 21910.4.3 电 动 机 光 电 码 盘 四 倍 频 及 可 逆 计 数 器 设 计 .22310.5 控 制 系 统 软 件 构 成 .22710.5.1 上 层 软 件 结 构 22810.5.2 伺 服 控 制 器 软 件
22、设 计 .23110.6 灵 巧 手 控 制 实 验 及 实 验 结 果 .233参考文献 235第 1 章 概 述1.1 机 电 控 制 系 统 的 概 念 和 发 展 概 况1.1.1 控制的基本概念“控 制 （ control)”这一 词 ， 如 今 已 相 当 广 泛 地 应 用 在 各 行 各 业 ， 如 温 度 控 制 、 微 机 控制、人口控制等。所谓控制，其定义是：“为达到某种目的，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。在上述定义中所说的对象，是指物体、机器、过程或经济、社会现象等一般广泛的系 统，叫做被控对象。对于想实现控制的
23、目标量，比如电动机的转速、储水容量水位、油压 缸中活塞的位置、炉内温度等叫做控制量，而把所希望的转速、水位、位置、温度等叫做 目标值或参据量。根据产生控制作用的主体的不同，控制可分为手动控制和自动控制。由人本身通过判 断和操作进行的控制叫做手动控制。例如汽车的驾驶，司机为到达目的地，需要根据路况 和车况不断地操纵方向盘；又如人的行走、抓放物品等行为也都可称为手动控制。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
24、。自动控制技术在现代科学技术的许多领域中起着越来越重要的作用，例如，数控车床 按照预定程序自动地切削工件，化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定，雷达和计算机 组成的导弹发射和制导系统自动地将导弹引导到敌方目标，无人驾驶飞机按照预定航线自 动升降和飞行，人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等，这一切都是以高水平的自动 控制技术为前提的。另一方面，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，这就是自动控制系统。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
25、按照某个给定规律运行，例如飞行航线、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总体，它可以采用不同的原理和方式对被 控对象进行控制。自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为 基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机 及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用装备，而 进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，已形成完整的自动控制理论体系，这机电控制基础理论及应用2就 是 以 传 递 函 数 为 基 础 的 经 典 控 制 理 论 ， 它 主 要 研 究 单 输 入 一 单 输
26、 出 、 线 性 定 常 系 统 的 分 析和设计问题。20 世纪 60 年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的应用，为 适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段一一现代控制理论。它主要研究具 有高性能、高精度的多变量变参数系统的控制问题，采用的方法是以状态方程为基础的时 域 法 。 目 前 ， 自 动 控 制 理 论 还 在 继 续 发 展 ， 并 且 已 跨 越 学 科 界 限 ， 正 向 以 控 制 论 、 信 息 论、仿生学为基础的智能控制理论深入。1.1.2 机械与控制有 史 以 来 ， 机 械 可 以 代 替 人 类 从 事 各 种 有 益 的 工 作 ，
27、 弥 补 了 人 类 体 力 和 能 力 的 不 足 ， 在各个方面都给我们的生活带来了极大的帮助。从机械的发展史可看到，机械的发展和进 步与控制是密不可分的。一方面，机械运转本身，广义地讲也可称为控制，只有配备一定 的控制装置才可以达到某种较复杂的工作目的（尽管这种控制装置最初是通过纯机构来实 现的)。另一方面，机械的广泛深入的应用，也促进了控制科学的产生和发展。例如，作 为工业革命象征的蒸汽机当时主要用于各种机械驱动，为了消除蒸汽机因负荷变化而对转 速 造 成 的 影 响 ， 19 世 纪 末 詹 姆 斯 瓦 特 发 明 了 离 心 调 速 器 。 但 离 心 调 速 器 在 某 种 使
28、用 条 件下，蒸汽机的转速和调速器套筒的位置依然会周期性地发生很大变化，形成异常运转状 态。蒸汽机和调速器能单独地各自稳定地工作，为什么在组合的情况下就出现不稳定状态 呢 ？ 这 一 问 题 促 使 人 们 展 开 了 相 关 研 究 和 探 索 。 直 到 19 世 纪 后 半 叶 麦 克 斯 韦 提 出 了 系 统 特性以及劳斯胡尔维兹发现了系统稳定工作的条件（稳定性判据)后上述问题才得以解 决，这也可以说是控制理论的开始。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。例 如，一些精密
29、机床要求加工精度达百分之几毫米，甚至几微米，重型佳床为保证加工精度 和光洁度，要求在极慢的稳速下进给，即要求在很宽的范围内调速；为了提高效率，由数 台或数十台设备组成的生产自动线，要求统一控制和管理等。这些要求都是靠驱动装置及 其控制系统和机械传动装置的有机结合来实现的。由此也可得出机电控制和自动控制的关系：自动控制是以一般系统为对象，广泛地使 用控制方法进行控制系统的理论设计；而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 望的性能指标。1.1.3 机电控制系统的发展概况机电控制系统的发展按所用控制器件来划分，它主
30、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 被 控 对 象的启、停以及有级调速等控制，它的控制速度慢，控制精度也较差；20 世纪 30 年代控第 1 章 概 述 3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被控对象自动进行调整，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 ； 20 世纪 4050 年代出现了大功率可控水银
31、整流器控制；时隔不久，50 年代末 期 出 现 了 大 功 率 固 体 可 控 整 流 元 件 一 一 晶 闸 管 ， 很 快 晶 闸 管 控 制 就 取 代 了 水 银 整 流 器 控 制 ， 后 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 发展到一个新阶段一一计算机数字控制，它也是一种断续控制，但是和最初的断续控制不 同，它的
32、控制间隔（采样周期)比控制对象的变化周期短得多，因此在客观上完全等效于 连续控制，它把晶闸管技术与微电子技术、计算机技术紧密地结合在一起，使晶体管与晶 闸管控制具有强大的生命力。20 世 纪 70 年 代 初 ， 计 算 机 数 字 控 制 系 统 应 用 于 数 控 机 床 和 加工中心，这不仅加强了自动化程度，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 面 自 动 化 创 造 了 物 质 基 础 。 20 世 纪 80 年 代 以 来 ， 出 现 了 由 数 控 机 床 、 工 业 机 器 人
33、 、 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一一柔性制造系统（FMS)，它是实现自动化车间和自动化工厂 的重要组成部分。机械制造自动化的高级阶段是走向设计和制造一体化，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)。1.1.4 机电一体化系统（产品）机电控制技
34、术是机电一体化系统（产品)的重要支撑技术，那么，什么是机电一体化 系统（产品 )呢？“机 电 一 体 化 ”（ Mechatronics)是 各 相 关 技 术 有 机 结 合 所 形 成 的 一 个 新 概 念 ， 其 中 的 “Mechatronics”是 Mechanics（ 机 械 学 )与 Electronics（ 电 子 学 )组 合 而 成 的 英 语 ， 是 由 日 本 机 械 设 计 杂 志 于 1971 年 提 出 的 。 对 于 机 电 一 体 化 ， 目 前 尚 无 公 认 的 、 统 一 的 定义。几个较能反映机电一体化性质的定义如下：日 经 产 业 新 闻 ： “
35、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。机电一体化技术主要包括机电控 制技术和机械设计等技术、原理，使机电一体化产品（或系统)得以实现、使用和发展；机电控制基础理论及应用4放 大 元 件 执 行 元 件串 联 补 偿 元 件并 联 补 偿 元
36、 件部 反 馈机 电 一 体 化 “产 品 ”主 要 是 指 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”，且被赋予了新的功能和性能。 由此可见，传统的机械制造技术与控制技术和信息技术的有机结合，不仅促使生产经营模式的发展和变革，而且促进开发性能优越的、机电相结合的机械产品，创造新的制造 工艺和加工手段，使系统（产品)高附加值化，即多功能、高效率化、高可靠性、节省能 源，提高产品的质量和性能，增强企业的市场竞争力。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 、
37、硬 件 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。1.2 机 电 控 制 系 统 的 一 般 构 成机电控制系统一般由 8 个部分组成，如图 1-1 所示。图中，“。”代表比较元件，它 将 测 量 元 件 检 测 到 的 被 控 量 与 输 入 量 进 行 比 较 ； “一 ”号 表 示 两 者 符 号 相 反 ， 即 负 反 馈 ； “+”号 表 示 两 者
38、 符 号 相 同 ， 即 正 反 馈 。 信 号 从 输 入 端 沿 箭 头 方 向 到 达 输 出 端 的 传 输 通 路 称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与 主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。只包含一 个主反馈通路的系统称单回路系统；有两个或两个以上反馈通路的系统称多回路系统。各 个部分的功能和作用如下。比 较 元 件 比 较 元 件输 入 量 一 一 输 出 量局主 反 馈测 量 元 件图 1-1 机电控制系统的组成框图测 量 元 件 职 能 是 检 测 被 控 制 的 物 理 量 ， 如 执 行 机 构 的
39、 运 动 参 数 、 加 工 状 况 等 。 这 些 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。比较元件职能是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。放大元件职能是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。执行元件职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化，完成特定的加工任务，如第 1 章 概 述 5零件的加工或物料的输送。执行机构
40、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、快床、送料机械手等， 结构上千差万别。驱动元件与执行机构相连接，给执行机构提供动力，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。补 偿 元 件 也 叫 校 正 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
41、、 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 组 成 。控制对象是控制系统要操纵的对象。它的输出量即为系统的被调量（或被控量)，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。如果两个组成部分之间 相匹配，则接口只起连接作用。如果不相匹配，则接口除起连接作用外，还需起某种转换 作用，如连接机床主轴和电机的减速箱，连接传感器
42、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是，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，如此反复进行，自动地将工件按输入的加工信息完成 加工。1.3 机 电 控 制 系 统 的 基 本 控 制 方 式1.3.1 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
43、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。其实，人的一切活动都体现出反馈控制的原理，人本身就是一个具有高度复杂控制能 力的反馈控制系统。例如，人用手拿取桌上的书，汽车司机操纵方向盘驾驶汽车沿公路平 稳行驶等，这些日常生活中习以为常的平凡动作都渗透着反馈控制的深奥原理。下面，通 过解剖手从桌上取书的动作过程，透视一下它所包含的反馈控制机理。如图 1-2 所示，书 的位置是手运动的指令信息，一般称为输入信号（或参据量)。取书时，首先人要用眼睛 连续目测手相对于书的位置，并将这个信息送入大脑（称为位置反馈信息)，然后由大脑机电控制基础理论及
44、应用6眼 睛 大 脑 手 臂 、 手判断手与书之间的距离，产生偏差信号，并根据其大小发出控制手臂移动的命令（称控制 作用或操纵量)，逐渐使手与书之间的距离（即偏差)减小。只要这个偏差存在，上述过 程 就 要 反 复 进 行 ， 直 到 偏 差 减 小 为 零 ， 手 便 取 到 了 书 。 可 以 看 出 ， 大 脑 控 制 手 取 书 的 过 程，是一个利用偏差（手与书之间距离)产生控制作用，并不断使偏差减小直至消除的运 动过程。显然，反馈控制实质上是一个按偏差进行控制的过程，因此，它也称为按偏差的 控制，反馈控制原理就是按偏差控制的原理。输 入 信 号（ 书 位 置 )输 出 量（ 手 位
45、 置 )眼 睛图 1-2 人取书的反馈控制系统方块图通 常 ， 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。 其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作 用去减小或消
46、除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。可以说，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 。 尽 管 如 此，它仍是一种重要的并被广泛应用的控制方式，自动控制理论主要的研究对象就是用这 种控制方式组成的系统。采用反馈控制方式的一个例子是函数记录仪。函数记录仪是一种通用的自动记录仪， 它可以在直角坐标上自动描绘两个电量的函数关系。同时，记录仪还带有走纸机构，用以 描绘一个电量对时间的函数关系。函 数 记
47、录 仪 通 常 由 变 换 器 、 测 量 元 件 、 放 大 元 件 、 伺 服 电 动 机 -测 速 机 组 、 齿 轮 系 及 绳 轮 等 组 成 ， 采 用 负 反 馈 控 制 原 理 工 作 ， 其 原 理 如 图 1-3 所 示 。 系 统 的 输 入 是 待 记 录 电 压，被控对象是记录笔，其位移即为被控量。系统的任务是控制记录笔的位移，在记录纸 上描绘出待记录的电压曲线。在图 1-3 中，测量元件是由电位器 RQ 和 RM 组成的桥式测量电路，记录笔就固定在电位器 RM 的滑臂上，因此，测量电路的输出电压 u p 与记录笔位移成正比。当有变化的输入 电 压 ur 时 ， 在
48、放 大 元 件 输 入 口 得 到 偏 差 电 压 u ur u p ， 经 放 大 后 驱 动 伺 服 电 动 机 ， 并通过齿轮系及绳轮带动记录笔移动，同时使偏差电压减小。当偏差电压 u 0 时 ， 电 动 机 停 止 转 动 ， 记 录 笔 也 静 止 不 动 。 此 时 u p ur ， 表 明 记 录 笔 位 移 与 输 入 电 压 相 对 应 。 如 果输入电压随时间连续变化，记录笔便描绘出随时间连续变化的曲线。函数记录仪结构图见 图 1-4， 图 中 测 速 发 电 机 反 馈 的 信 号 是 与 电 动 机 速 度 成 正 比 的 电 压 ， 用 以 增 加 阻 尼 ， 改 善 系统性能。第 1 章 概 述 7放大器 变换器伺服 电动机测速 发电机图 1-3 函数记录仪原理示意图ur u 齿轮系 绳轮位移记录笔u p测 量电 路图 1-4 函数记录仪结构图1.3.2 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。开环控制系统可以按给定量控制方式组成，也可以按扰动控制方式组成。 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
