1、高 等 学 校 通 用 教 材机 电 控 制Mechatronic Contr ol李 运 华 等 编 著内 容 简 介机电 控 制 是 机 械 工 程 、 电 子 科 学 、 自 动 控 制 等 学 科 相 交 叉 所 形 成 的 一 门 科 学 。 主 要 研 究 机 电 控 制 系 统 中 的 特 性 分 析 、 信 息 综 合 与 控 制 器 设 计 问 题 , 内 容 包 括 放 大 元 件 、 执 行 元 件 、 检 测 与 转 换 元 件 、 导 向 与 支 承 元件 和 传 动 机 构 等 的 选 择 与 设 计 , 以 及 控 制 器 的 设 计 与 工 程 实 现 等 。
2、机 电 控 制在 机 电 一 体 化 技 术 中 占 有 非 常 重 要 的 地 位 。本书 主 要 结 合 电 气 伺 服 系 统 、 电 液 伺 服 系 统 和 机 械 传 动 与 操 纵 系 统 , 论 述 了 机 电 控 制 系 统 的结 构 组 成 与 工 作 原 理 , 主 要 元 件 的 性 能 分 析 与 选 择 方 法 , 机 电 控 制 系 统 的 分 析 与 综 合 等 。 内 容 主要 包 括 信 号 综 合 与 转 换 元 件、 转 换 与 功 率 放 大 元 件 (如 PWM 放 大 器 、 功 率 驱 动 电 路 、 伺 服 放 大 器 、 液 压 放大 器 和
3、电 液 伺 服 阀 等 ) , 执行 与 驱 动 元 件 、 动 力 传 动 与 运 动 控 制 机 构 、 控 制 器 的 工 程 实 现 方 法 、 机 电 控 制 系 统 的分 析 与 综 合 、 典 型 机 电 控 制 系 统 的 介 绍 和研 究 专 题 等 。本书 可 作 为 高 等 院 校 本 科 “机 械 制 造 与 自 动化 ”“机械 设 计 与 自 动 化 ”等 专 业 “机 电 控 制 ”课 程 的 教 材 , 也 可 供 从 事 机 电 一 体 化 和 自 动 控 制 专 业 工 作 的 工 程 技 术 人 员 学 习 参 考 。图 书 在 版 编 目 ( CIP )
4、数 据机 电 控 制 / 李 运 华 等 编 著 .北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 , 2003 .8ISBN 7 81077 307 0 . 机 . 李 . 机 电 一 体 化 控 制 系 统 高 等 学 校 教 材 . T H - 39中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 (2003) 第 026052 号机 电 控 制Mechat ronic Cont rol 李 运 华 等 编 著 责 任 编 辑 金 友 泉 责 任 校 对 戚 爽*北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 出 版 发 行北 京 市 海 淀 区 学 院 路 3 7 号 ( 10
5、0 0 83 ) 发 行 部 电 话 : 01 0 82 3 17 0 24 传 真 : 0 10 8 23 2 80 2 6 h t t p :/ / www .b ua apr es s .com .cnE -m ail : b h pr es s 2 6 3 .ne t北 京 市 松 源 印 刷 有 限 公 司 印 装 各 地 书 店 经 销*开 本 : 7 87 1 0 92 1/ 16 印 张 : 1 7 .2 5 字 数 : 4 4 2 千 字2 00 3 年 8 月 第 1 版 2 00 4 年 10 月 第 2 次 印 刷 印 数 : 4 0 0 1 7 0 0 0 册ISB
6、N 7 8 10 7 7 3 0 7 0 定 价 : 2 0 .0 0 元前 言机 械 工 程 是 技 术 科 学 领 域 比 较 古 老 的 且 具 有 生 命 力 的 学 科 之 一 。 随 着 近 代 科 学 技 术 的 发 展 , 电 子 技 术 、 计 算 机 、 自 动 控 制 、 测 试 技 术 等 学 科 与 机 械 工 程 的 紧 密 结 合 和 交 叉 渗 透 形 成 了 一 门 以 机 电 整 合 或 机 电 一 体 化 为 主 要 特 色 的 新 学 科 机 电 控 制 ( Mech atronic Cont rol ) 。 目 前 , 机 电 一 体 化 已 成 为
7、机 械 工 程 领 域 比 较 活 跃 的 技 术 分 支 之 一 , 并 已 成 为 提 高 机 电 装 备 技 术 性 能 、 使 用 性 能 和 市 场 竞 争 力 的 重 要 技 术 手 段 。随 着 机 电 一 体 化 技 术 在 机 械 工 程 领 域 的 推 广 、 普 及 和 发 展 , 使 得 市 场 对 机 电 兼 备 方 面 的 人 才 的 需 求 日 益 扩 大 。 为 了 培 养 具 有 机 电 整 合 和 系 统 综 合 集 成 知 识 方 面 的 人 才 , 满 足 原 流 体 传动 与 控 制 专 业 为 拓 宽 专 业 范 围 而 设 立 的 机 械 电 子
8、工 程 专 业 方 向 的 教 学 需 要 , 特 编 写 此 书 。 本书 可 作 为 从 事 该 专 业 方 向 ( 或 机 械 工 程 及 其 自 动 化 、 电 气 工 程 及 其 自 动 化 类 专 业 机 电 控 制 专 业 方 向 ) 的 应 用 领 域 人 才 以 及 高 等 院 校 本 科 生 学 习 “ 机 械 电 子 学” 的 教 材 或 参 考 书 。本 课 程 的 先 修 课 程 是 机 械 设 计 基 础 、 模 拟 电 路 与 数 字 电 路 、 微 机 原 理 、 自 动 控 制 原 理 、 流 体 力 学 与 液 压 传 动 等 。本 书 总 结 了 北 京
9、航 空 航 天 大 学 303 教 研 室 近 10 年 来 “ 机 电 控 制” “液 压 伺 服 控 制” 等 课 程 的 教 学 经 验 , 裘 丽 华 教 授 、 喻 统 武 教 授 曾 为 本 课 程 的 教 学 改 革 付 出 过 辛 勤 的 劳 动 。 书 中 内 容 一 部 分 参 考 了 国 内 外 相 关 教 材 和 著 作 , 同 时 也 收 入 了 编 著 者 及 其 所 在 单 位 的 科 研 成 果 。 全 书 由李 运 华 教 授 任 主 编 。 其 中 王 曦 撰 写 第 5 章 的 初 稿 , 高 元 楼 撰 写 了 4 .3 节 和 6 .5 节 的 初 稿
10、 , 其 余 各 章 由 主 编 撰 写 。本 书 承 北 京 航 空 航 天 大 学 于 风 仙 教 授 审 阅 并 提 出 宝 贵 意 见 , 在 此 表 示 衷 心 感 谢 。 我 国 著 名 教 育 家 和 流 体 控 制 专 家 , 西 安 交 通 大 学 原 校 长 史 维 祥 教 授 和 著 名 飞 机 操 纵 与 机电 控 制 专 家 王 占 林 教 授 在 本 书 的 编 写 和 出 版 过 程 中 对 作 者 给 以 了 关 心 和 指 导 。 作 者 对 两 位 导 师 的 培 养 和 指 导 表 示 谢 意 。限 于 编 著 者 业 务 水 平 和 掌 握 资 料 有
11、限 , 加 之 按 新 教 材 组 织 教 学 时 间 较 短 , 对 书 中 错 误 和 不 妥 之 处 , 恳 请 读 者 和 使 用 人 员 提 出 宝 贵 意 见 。 意 见 请 寄 : yh li buaa .edu .c n。李 运 华2003 年 于 北 航序 机 电 控 制 是 作 者 为 机 械 工 程 与 自 动 化 、 自 动 控 制 、 过 程 装 备 与 控 制 等 专 业 的 本 科 生 和 相 关 行 业 的 工 程 技 术 人 员 撰 写 的 一 本 教 材 或 应 用 参 考 书 。 书 中 凝 聚 了 作 者 多 年 来 从 事 机 械 电 子 工 程 方
12、面 教 学 与 科 学 研 究 的 成 果 与 经 验 。出 版 这 本 书 是 有 实 际 意 义 的 。 一 方 面 由 于 机 电 一 体 化 技 术 已 在 我 国 日 益 受 到 重 视 并 已 被 认 为 是 提 高 产 品 技 术 性 能 和 市 场 竞 争 力 的 重 要 手 段 与 措 施 ; 另 一 方 面 各 行 业 对 机 电 一 体 化 领域 的 人 才 需 求 量 愈 来 愈 大 , 然 而 反 映 机 电 控 制 的 主 要 知 识 领 域 与 实 际 应 用 情 况 的 教 材 和 技 术参 考 书 却 远 不 能 满 足 要 求 , 眼 下 很 需 要 这 样
13、 一 本 书 。 本 书 以 机 电 系 统 的 信 息 综 合 与 处 理 、 控 制 器 设 计 和 机 电 动 力 机 构 作 为 主 线 来 阐 述 机 电 控 制 的 主 要 内 容 , 体 系 比 较 严 谨 , 书 中 还 对 作 为 机 电 控 制 实 现 手 段 的 计 算 机 控 制 方 面 的 内 容 给 予 了 应 有 的 重 视 , 这 对 于 丰 富 和 完 善 本 学 科 的 研究 体 系 和 促 进 机 电 一 体 化 技 术 的 发 展 很 有 意 义 。作 者 所 在 的 单 位 北 京 航 空 航 天 大 学 机 载 机 电 研 究 所 , 在 运 动 体
14、 电 子 液 压 控 制 , 特 别 是 飞 机 流 体 控 制 与 操 纵 、 机 载 机 电 系 统 综 合 管 理 、 大 型 工 程 机 械 现 场 总 线 控 制 等 方 面 做 过 许 多 很 有 意 义 的 工 作 , 经 常 有 新 的 研 究 成 果 问 世 。 本 书 也 在 一 定 程 度 上 反 映 了 作 者 及 其 所 在 单 位 的工 作 。 希 望 本 书 的 出 版 能 够 在 深 入 研 究 、 广 泛 交 流 、 大 力 推 广 和 应 用 机 电 一 体 化 技 术 、 促 进 学 科 建 设 和 发 展 等 方 面 起 到 积 极 的 作 用 , 并
15、为 培 养 面 向 21 世 纪 的 创 新 人 才 和 提 高 机 电 装 备 的 技 术 水 平 做 出 有 益 的 贡 献 。我 非 常 高 兴 向 读 者 推 荐 这 本 书 , 并 愿 该 书 作 者 在 今 后 的 教 学 、 科 研 中 ( 特 别 是 在 机 电 控 制 方 面 ) 取 得 新 的 成 绩 。北 京 航 空 航 天 大 学 自 动 化 学 院 王 占 林2003 年 6 月 于 北 京目 录第 1 章 绪 论1. 1 机 电 控 制 系 统 的 结 构 组 成 和 工 作 原 理 11 .2 机 电 控 制 系 统 的 分 类 及 其 特 点 21 .3 典 型
16、 机 电 控 制 系 统 51 .3 .1 电 气 位 置 伺 服 控 制 系 统 51 .3 .2 增 量 运 动 控 制 单 元 ( 步 进 电 机 及 其 控 制 系 统 ) 61 .3 .3 电 液 伺 服 控 制 系 统 71 .3 .4 数 控 机 床 控 制 系 统 81 .3 .5 工 业 机 器 人 控 制 系 统 91 .3 .6 汽 车 防 抱 死 制 动 ( A BS) 系 统 111 .3 .7 飞 行 器 液 压 伺 服 机 构 与 飞 行 器 姿 态 控 制 121 .4 机 电 控 制 与 机 电 一 体 化 141 .4 .1 机 电 控 制 与 机 电 一
17、体 化 的 关 系 141 .4 .2 典 型 机 电 一 体 化 产 品 151 .4 .3 机 电 一 体 化 中 的 共 性 关 键 技 术 161 .4 .4 机 电 一 体 化 发 展 趋 势 181 .5 本 课 程 的 性 质 与 主 要 任 务 19第 2 章 信 号 综 合 、 转 换 与 功 率 放 大 元 件2 .1 放 大 器 的 基 本 概 念 、 功 能 、 分 类 和 性 能 参 数 202 .1 .1 放 大 器 的 基 本 概 念 和 功 能 202 .1 .2 放 大 器 的 分 类 202 .1 .3 放 大 器 的 性 能 参 数 212 .2 信 号
18、综 合 与 转 换 元 件 212 .2 .1 运 算 放 大 器 212 .2 .2 测 量 放 大 器 222 .2 .3 信 号 的 处 理 和 放 大 232 .2 .4 控 制 信 号 电 路 282 .2 .5 调 制 与 解 调 292 .2 .6 滤 波 电 路 312 .3 电 气 功 率 放 大 器 的 特 性 分 析 与 使 用 方 法 322 .3 .1 常 用 功 率 放 大 器 件 322 .3 .2 电 压 反 馈 型 功 率 放 大 器 33机 电 控 制22 .3 .3 电 流 反 馈 型 功 率 放 大 器 342 .3 .4 开 关 式 功 率 放 大 器
19、 362 .3 .5 P WM 型 功 率 放 大 器 382 .4 液 压 放 大 器 的 特 性 分 析 与 设 计 计 算 422 .4 .1 液 压 控 制 阀 的 结 构 及 分 类 422 .4 .2 滑 阀 静 态 特 性 的 分 析 442 .4 .3 喷 嘴 挡 板 阀 的 特 性 512 .5 电 液 伺 服 阀 的 特 性 分 析 、 性 能 指 标 和 选 择 方 法 562 .5 .1 结 构 及 工 作 原 理 562 .5 .2 特 性 分 析 及 性 能 指 标 612 .5 .3 选 择 和 使 用 65第 3 章 机 电 系 统 的 执 行 与 驱 动 元
20、件3 .1 基 本 概 念 、 功 用 、 分 类 和 性 能 参 数 683 .1 .1 执 行 元 件 的 特 点 及 类 型 683 .1 .2 机 电 控 制 系 统 对 执 行 元 件 的 要 求 683 .1 .3 性 能 参 数 693 .2 电 气 机 械 转 换 装 置 的 特 性 与 选 择 方 法 693 .2 .1 动 圈 式 电 气 机 械 转 换 器 693 .2 .2 动 铁 式 电 气 机 械 转 换 器 723 .2 .3 电 致 伸 缩 式 电 气 机 械 转 换 器 823 .2 .4 磁 致 伸 缩 式 电 气 机 械 转 换 器 833 .3 电 动
21、执 行 与 驱 动 元 件 的 特 性 与 选 择 方 法 843 .3 .1 直 流 伺 服 电 动 机 853 .3 .2 力 矩 电 动 机 903 .3 .3 交 流 电 动 机 943 .3 .4 步 进 电 动 机 1043 .4 液 压 执 行 元 件 的 特 性 与 选 择 方 法 1093 .4 .1 液 压 缸 1093 .4 .2 液 压 马 达 1103 .4 .3 液 压 执 行 元 件 的 选 择 方 法 110第 4 章 机 械 传 动 与 机 电 动 力 机 构4 .1 基 本 概 念 1114 .2 机 械 传 动 的 特 性 和 控 制 方 法 1114 .
22、3 电 气 动 力 机 构 1154 .3 .1 直 流 线 性 伺 服 放 大 型 电 气 动 力 机 构 1154 .3 .2 晶 闸 管 功 率 放 大 型 电 气 动 力 机 构 1174 .3 .3 直 流 P WM 型 电 气 动 力 机 构 118目 录 34 .3 .4 双 环 调 节 理 论 1194 .3 .5 交 流 变 频 变 压 ( V VV F ) 型 电 气 动 力 机 构 1214 .3 .6 交 流 矢 量 控 制 型 电 气 动 力 机 构 1224 .4 液 压 动 力 机 构 1224 .4 .1 四 通 阀 控 制 双 出 杆 液 压 缸 1224 .
23、4 .2 四 通 阀 控 制 液 压 马 达 1294 .4 .3 三 通 阀 控 制 单 出 杆 液 压 缸 1304 .4 .4 四 通 阀 控 制 单 出 杆 液 压 缸 1314 .4 .5 泵 控 马 达 式 动 力 机 构 1324 .5 机 电 控 制 系 统 的 机 械 装 置 设 计 1344 .5 .1 机 电 控 制 系 统 对 机 械 装 置 的 基 本 要 求 1344 .5 .2 机 械 装 置 的 组 成 1354 .5 .3 传 动 机 构 设 计 135第 5 章 机 电 系 统 的 计 算 机 控 制5. 1 计 算 机 控 制 系 统 概 论 1415 .
24、1 .1 计 算 机 控 制 系 统 的 组 成 及 其 特 点 1415 .1 .2 计 算 机 控 制 系 统 的 分 类 1425 .1 .3 计 算 机 控 制 系 统 的 几 种 实 现 方 式 1435 .1 .4 计 算 机 控 制 系 统 的 设 计 步 骤 1465 .2 计 算 机 控 制 系 统 的 硬 件 结 构 、 接 口 、 中 断 及 其 定 时 技 术 1475 .2 .1 MCS 51 单 片 机 硬 件 结 构 1475 .2 .2 MCS 51 中 断 技 术 1535 .2 .3 MCS 51 定 时 / 计 数 技 术 1585 .2 .4 MCS 5
25、1 的 A/ D、 D/ A 转 换 技 术 1645 .3 计 算 机 控 制 系 统 的 控 制 算 法 设 计 1695 .3 .1 计 算 机 控 制 系 统 的 模 拟 设 计 法 1695 .3 .2 计 算 机 控 制 系 统 的 离 散 设 计 法 1805 .4 计 算 机 控 制 系 统 设 计 实 例 1905 .4 .1 硬 件 系 统 的 设 计 1905 .4 .2 软 件 系 统 的 设 计 195第 6 章 机 电 控 制 系 统 的 分 析 、 设 计 与 应 用6. 1 机 电 控 制 系 统 的 初 步 设 计 2106 .1 .1 电 液 控 制 系 统
26、 的 初 步 设 计 2116 .1 .2 电 动 机 控 制 系 统 的 初 步 设 计 2166 .2 机 电 控 制 系 统 动 态 设 计 的 基 本 方 法 2186 .3 机 液 伺 服 系 统 的 动 态 设 计 2186 .4 电 液 控 制 系 统 的 动 态 设 计 220机 电 控 制46 .4 .1 以 惯 性 负 载 为 主 的 电 液 位 置 控 制 系 统 2206 .4 .2 弹 性 负 载 系 统 2226 .4 .3 速 度 控 制 系 统 2256 .4 .4 控 制 系 统 的 精 度 2266 .4 .5 控 制 系 统 的 校 正 2276 .5 电
27、 气 控 制 系 统 的 动 态 设 计 2286 .5 .1 静 态 误 差 2296 .5 .2 瞬 态 响 应 品 质 指 标 2296 .5 .3 刚 度 特 性 2306 .5 .4 性 能 改 进 设 计 233第 7 章 机 电 控 制 系 统 的 专 题 研 究7 .1 机 电 控 制 系 统 发 展 中 的 问 题 2427 .1 .1 液 压 控 制 系 统 发 展 中 的 问 题 2427 .1 .2 电 气 控 制 系 统 发 展 中 的 问 题 2437 .1 .3 机 电 控 制 系 统 非 线 性 动 力 学 2437 .2 研 究 专 题 2467 .2 .1
28、近 代 控 制 理 论 在 机 电 控 制 系 统 上 的 应 用 2467 .2 .2 机 电 控 制 系 统 对 负 载 与 干 扰 变 化 的 补 偿 2497 .2 .3 机 电 控 制 系 统 的 余 度 问 题 2507 .2 .4 机 器 人 控 制 系 统 2517 .2 .5 微 机 电 控 制 系 统 2547 .2 .6 基 于 现 场 总 线 和 网 络 通 信 的 多 机 电 控 制 系 统 257习 题参 考 文 献第 1 章 绪 论机 械 工 程 是 技 术 科 学 领 域 比 较 古 老 的 且 具 有 生 命 力 的 学 科 之 一 。 机 器 及 其 制 造
29、 与 使 用 机 器 的 所 有 自 然 活 动 是 机 械 工 程 研 究 的 主 要 范 畴 。对 于 一 般 的 机 器 , 马 克 思 在 资 本 论 中 曾 下 过 一 个 定 义 “: 一 切 已 经 发 展 的 机 器 , 都 是 由 其本 质 上 不 同 的 部 分 发 动 机 、 传 动 机 构 和 工 作 机 所 构 成” 。 在 这 一 时 期 , 发 动 机 ( 能 源 ) 主 要 是 蒸 汽 机 、 水 轮 机 和 风 力 机 组 等 ; 机 器 从 某 种 程 度 来 看 主 要 是 人 的 体 力 和 臂 力 的 延 伸 , 主 要 任务 是 实 现 原 动 机
30、与 工 作 机 之 间 运 动 和 力 的 变 换 与 协 调 , 还 谈 不 上 具 有 自 动 控 制 、 信 息 处 理 、 状 态 监 测 与 诊 断 、 智 能 与 柔 性 等 功 能 。 从 现 代 科 学 技 术 的 发 展 水 平 和 对 机 器 所 赋 予 的 要 求 来 看 ,这 个 定 义 只 适 用 于 经 典 ( 早 期 ) 的 机 器 。进 入 20 世 纪 70 年 代 以 来 , 以 大 规 模 集 成 电 路 和 微 型 计 算 机 为 代 表 的 微 电 子 技 术 , 以 信 息 转 换 与 系 统 综 合 为 代 表 的 自 动 控 制 理 论 , 迅
31、速 应 用 到 机 械 工 程 中 , 出 现 了 种 类 繁 多 的 计 算 机 控 制 的 机 械 、 仪 器 和 军 械 装 备 , 以 及 具 有 柔 性 和 集 管 理 、 监 督 和 控 制 一 体 化 的 生 产 线 、 车 间 、 工 厂 等 。 具 备 这 些 特 征 的 机 器 称 为 现 代 机 器 。 和 经 典 机 器 不 同 , 现 代 机 器 由 原 动 机 、 控 制 与 调 节 机 构 、 传 动 机 构 、 工 作 机 构 与 机 械 本 体 、 检 测 与 转 换 装 置 等 5 部 分 组 成 。 现 代 机 器 已 在 机 械 制 造 、 冶 金 、
32、化 工 、 武 器 装 备 、 航 空 航 天 、 海 洋 等 领 域 获 得 了 广 泛 的 应 用 。随 着 近 代 科 学 技 术 的 发 展 , 电 子 工 程 、 计 算 机 、 自 动 控 制 、 测 试 技 术 、 光 电 技 术 等 领 域 的 科 学 技 术 与 机 械 工 程 的 紧 密 结 合 和 交 叉 渗 透 形 成 了 一 门 以 机 电 整 合 或 机 电 一 体 化 为 主 要 特 色 的 新 兴 边 缘 学 科 机 械 电 子 学 ( m ech at ronics ) 。 它 正 处 于 发 展 阶 段 , 代 表 着 机 械 工 业 技 术 革 命 的 前
33、 沿 方 向 。机 电 控 制 ( mech atronic con t rol ) 是 指 采 用 自 动 控 制 理 论 和 电 子 技 术 解 决 机 电 系 统 控 制 问题 的 一 门 科 学 , 是 机 械 电 子 学 的 一 个 分 支 , 在 机 电 一 体 化 中 占 有 重 要 的 地 位 。 机 电 一 体 化 已 成 为 机 械 工 程 领 域 最 活 跃 的 技 术 分 支 之 一 , 并 已 成 为 提 高 机 电 装 备 技 术 性 能 、 使 用 性 能 和 市 场 竞 争 力 的 重 要 技 术 手 段 。1. 1 机 电 控 制 系 统 的 结 构 组 成
34、和 工 作 原 理机 电 控 制 是 研 究 如 何 设 计 控 制 器 并 合 理 选 择 或 设 计 放 大 元 件 、 执 行 元 件 、 检 测 与 转 换 元 件 、 导 向 与 支 承 元 件 和 传 动 机 构 等 , 并 由 此 组 成 机 电 控 制 系 统 使 机 电 装 备 达 到 所 要 求 的 性 能 的 一 门 科 学 , 在 机 电 一 体 化 技 术 中 占 有 非 常 重 要 的 地 位 。 机 电 控 制 系 统 是 机 电 一 体 化 产 品 及 系统 中 承 担 着 控 制 对 象 输 出 , 并 按 照 指 令 规 定 的 规 律 变 化 的 功 能
35、单 元 , 是 机 电 一 体 化 产 品 及 系 统 的 重 要 组 成 部 分 。 机 电 控 制 系 统 是 一 种 自 动 控 制 系 统 。机 电 控 制 系 统 一 般 由 指 令 元 件 , 比 较 、 综 合 与 放 大 元 件 , 转 换 与 功 率 放 大 元 件 , 执 行 元 件 , 工 作 机 构 , 检 测 与 转 换 元 件 等 6 部 分 组 成 。 为 研 究 问 题 方 便 , 通 常 又 把 指 令 元 件 和 比 较 、 综 合 与 放 大 元 件 合 称 为 控 制 器 ( 控 制 元 件 ) ; 将 转 换 与 功 率 放 大 元 件 和 执 行 元
36、 件 合 称 为 机 电 动 力 机构 ; 机 电 动 力 机 构 和 工 作 机 构 合 称 为 被 控 对 象 。 对 于 控 制 精 度 要 求 不 高 且 执 行 元 件 的 输 出 能机 电 控 制2够 按 其 给 定 规 律 运 动 时 , 可 以 采 用 开 环 控 制 。 此 时 检 测 与 转 换 元 件 也 可 以 没 有 ; 但 为 了 显 示 与 监 测 , 系 统 中 仍 应 装 有 检 测 与 转 换 元 件 。 图 1 1 是 机 电 控 制 系 统 最 基 本 的 方 块 图 。图 1 1 机 电 控 制 系 统 方 块 图机 电 控 制 系 统 的 工 作 原
37、 理 是 : 由 指 令 元 件 发 出 指 令 , 通 过 比 较 、 综 合 与 放 大 元 件 将 此 信 号 与 输 出 反 馈 信 号 比 较 , 然 后 将 差 值 进 行 处 理 、 放 大 及 转 换 后 加 到 功 率 放 大 元 件 以 调 节 施 加 到 执 行 元 件 的 输 入 信 号 , 使 得 执 行 元 件 按 指 令 的 要 求 运 动 ; 而 执 行 元 件 往 往 和 机 电 装 备 的 工 作 机 构 相 连 接 , 从 而 使 机 电 装 备 的 被 控 量 ( 如 位 移 、 速 度 、 力 / 转 矩 等 ) 符 合 所 要 求 的 规 律 。机
38、电 伺 服 控 制 系 统 是 指 系 统 的 输 出 为 机 械 量 , 且 输 出 跟 随 指 令 运 动 的 机 电 控 制 系 统 。 随 着 计 算 机 ( 特 别 是 微 处 理 机 ) 的 普 及 和 性 能 价 格 比 的 提 高 , 机 电 控 制 系 统 的 指 令 产 生 、 信号 比 较 与 综 合 等 功 能 可 以 交 由 计 算 机 完 成 。 采 用 计 算 机 控 制 的 机 电 系 统 , 由 于 计 算 机 的 强 大数 据 处 理 功 能 、 良 好 的 重 复 性 、 方 便 的 软 件 编 程 和 入 机 接 口 , 因 此 可 以 使 机 电 系
39、统 的 灵 活 性 和自 动 化 程 度 大 大 提 高 。1 .2 机 电 控 制 系 统 的 分 类 及 其 特 点可 以 根 据 不 同 的 分 类 原 则 对 机 电 控 制 系 统 进 行 分 类 。按 照 有 无 输 出 量 的 反 馈 , 可 以 将 机 电 控 制 系 统 分 为 开 环 式 机 电 控 制 系 统 和 闭 环 式 机 电 控制 系 统 。 前 者 组 成 简 单 , 但 精 度 低 。 典 型 代 表 是 以 步 进 电 机 作 为 执 行 元 件 的 增 量 控 制 系 统 , 它 是 通 过 电 机 的 转 角 与 脉 冲 链 同 步 来 保 证 精 度
40、的 。 后 者 精 度 高 , 但 构 成 比 较 复 杂 , 是 机 电 控 制 系 统 的 主 要 形 式 。按 照 系 统 中 控 制 器 的 工 程 实 现 方 式 不 同 , 可 以 将 机 电 控 制 系 统 分 为 模 拟 式 机 电 控 制 系 统和 数 字 式 机 电 控 制 系 统 ( 或 基 于 计 算 机 控 制 的 机 电 控 制 系 统 ) 。 模 拟 式 机 电 控 制 系 统 中 的 控 制 器 一 般 是 以 运 算 放 大 器 和 分 立 元 件 为 基 本 单 元 所 构 成 的 模 拟 电 路 。 其 优 点 是 实 时 性 好 、 构 成 简 单 、
41、成 本 低 、 开 发 难 度 小 ; 但 灵 活 性 差 、 温 漂 大 、 不 易 实 现 复 杂 控 制 律 , 不 易 监 督 系 统 异 常 状 态 等 。 数 字 式 机 电 控 制 系 统 中 的 控 制 器 一 般 采 用 微 处 理 机 ( 可 以 是 可 编 程 控 制 器 P LC、 单 片 机 或 工 控 机 等 ) , 并 通 过 软 件 算 法 和 接 口 电 路 实 现 。 其 优 点 是 精 度 高 ( 通 过 增 加 分 辨 率 和 字 长 ) , 灵 活 性 强 , 数 据 处 理 功 能 强 , 易 于 实 现 复 杂 控 制 算 法 和 能 够 监 督
42、系 统 异 常 状 态 并 及 时 处 理 等 ; 其 缺 点 是 实 现 高 精 度 和 高 响 应 时 成 本 高 , 设 计 和 开 发 一 般 需 要 专 门 的 开 发 工 具 和 环 境 , 重 现 连 续 信 号 过 程 有 信 息 丢 失 , 采 样 保 持 器 会 产 生 滞 后 问 题 和 设 计 方 法 复 杂 等 。按 照 系 统 中 机 电 动 力 机 构 的 不 同 分 为 机 械 式 、 电 气 式 、 流 体 式 ( 包 括 液 压 式 和 气 压 式 )3 大类 机 电 控 制 系 统 。第 1 章 绪 论 3三 种 机 电 动 力 机 构 的 性 能 可 根
43、 据 其 构 造 从 能 量 转 换 元 件 、 功 率 转 换 及 放 大 元 件 的 角 度 进 行 对 比 , 如 表 1 1 所 列 。表 1 1 各 种 机 电 动 力 机 构 的 比 较转 换 与 功 率 放 大 元 件机 电 动 力 机 构 类 型功 率 源 能 量 转 换 元 件阀 式 控 制 容 积 ( 排 量 ) 控 制机 械 式 电 机 、 内 燃 机 等 无 离 合 器 、 变 传 动 比 传 动 无流 体 式液 压 泵 、 蓄 能 器 、空 气 压 缩 机 等 液 压 ( 气 压 ) 马 达 ( 缸 ) 伺 服 阀 、 比 例 阀 等 变 量 泵 、 变 量 马 达电
44、 气 式 动 力 电 源 、 电 池 电 动 机 、 电 磁 铁线 性 功 率 放 大 器 和 开关 功 率 放 大 器 等可 调 压 发 电 机 或 电 池 ,变 频 驱 动 器 等纯 机 械 式 的 动 力 机 构 从 结 构 组 成 角 度 看 不 需 要 能 量 转 换 元 件 , 而 控 制 和 调 节 原 理 主 要 基于 以 下 两 种 方 式 之 一 :(1 ) 基 于 摩 擦 传 动 的 调 节 离 合 器 的 接 合 程 度 或 调 节 传 动 比 , 控 制 元 件 只 能 用 离 合 器 和 可变 传 动 比 V 型 带 传 动 装 置 实 现 ;(2 ) 基 于 多
45、级 齿 轮 传 动 , 通 过 改 变 和 组 合 啮 合 副 实 现 传 动 比 的 有 级 调 节 。 机 械 动 力 机 构 由 于 控 制 调 节 困 难 , 目 前 除 在 汽 车 上 用 做 无 级 变 速 器 和 机 床 上 用 做 定 比 传动 装 置 外 , 其 他 场 合 已 很 少 使 用 。流 体 式 机 电 动 力 机 构 和 电 气 式 机 电 动 力 机 构 又 可 以 分 为 阀 控 式 控 制 和 排 量 式 控 制 两 大 类 。阀 控 式 机 电 动 力 机 构 的 控 制 与 调 节 原 理 是 , 以 阀 的 形 式 来 控 制 驱 动 执 行 元 件
46、 的 功 率 , 如 用 电 液 比 例 阀 或 伺 服 阀 控 制 阀 的 开 口 来 控 制 进 入 液 压 缸 或 液 压 马 达 的 流 量 , 还 可 用 晶 体 管 ( 或 其 他 功 率 放 大 元 件 ) 控 制 加 在 电 机 电 枢 绕 组 上 的 电 压 或 动 力 马 达 线 圈 上 的 电 压 等 。 阀 控 式 调 节的 优 点 是 结 构 简 单 , 操 纵 功 率 小 , 响 应 快 ; 但 系 统 效 率 低 , 能 耗 大 。 阀 控 式 机 电 动 力 机 构 一 般 适 用 于 拖 动 功 率 较 小 的 机 电 系 统 , 但 基 于 脉 宽 调 制
47、原 理 的 阀 控 式 调 节 不 受 此 限 制 。排 量 ( 容 积 ) 式 机 电 动 力 机 构 的 控 制 与 调 节 原 理 是 以 变 容 量 的 方 式 来 控 制 执 行 元 件 的 力( 力 矩 ) 和 速 度 ( 角 速 度 ) 。 它 主 要 有 两 种 实 现 方 式 : 改 变 驱 动 端 容 量 和 改 变 执 行 端 容 量 。 前 者如 电 液 伺 服 变 量 泵 型 容 积 式 电 液 动 力 机 构 , 它 通 过 改 变 泵 的 输 出 流 量 控 制 输 入 变 量 马 达 的 流量 ( 注 意 这 里 没 有 节 流 损 失 ) 。 后 者 如 基
48、于 恒 压 网 络 和 变 量 马 达 组 成 转 速 量 两 次 调 节 型 容 积 式 动 力 机 构 , 它 通 过 调 节 变 量 马 达 的 排 量 来 控 制 马 达 的 转 速 和 输 出 转 矩 。 这 种 动 力 机 构 的 特 点是 拖 动 功 率 大 , 损 失 小 ; 但 组 成 复 杂 , 响 应 速 度 比 较 慢 。 它 一 般 适 用 于 动 态 要 求 不 高 的 大 功 率机 电 系 统 。 实 际 实 现 时 , 这 种 机 构 往 往 还 需 要 一 套 阀 控 式 位 置 系 统 来 控 制 容 量 调 节 机 构 。关 于 液 压 式 动 力 机 构
49、 与 电 气 式 动 力 机 构 的 比 较 , 从 目 前 的 技 术 水 平 来 看 , 主 要 结 论 如 下 所 述 。(1 ) 电 气 式 动 力 机 构 主 要 优 点 是 :5 固 定 场 合 使 用 容 易 获 取 动 力 , 电 能 转 换 为 机 械 能 容 易 ;5 远 距 离 输 送 容 易 ;5 控 制 和 调 节 比 较 容 易 ;5 无 污 染 ;机 电 控 制45 可 以 获 得 较 好 的 低 速 性 和 较 大 的 调 速 范 围 。 主 要 缺 点 是 :5 相 比 液 压 式 动 力 机 构 , 功 率 质 量 比 低 , 目 前 一 般 为 液 压 式 动 力 机 构 的 十 分 之 一 ;5 在 运 动 式 机 械 上 使 用 一 般 需 要 发 电 装 置 ;5 实 现 大 行 程 的 直 线 及 往 复 运 动 比 较 困 难 。(2 ) 液 压 式 动 力 机 构 主 要 优 点 是 :5 功 率 质 量 比 ( 功 率 密 度 ) 大 、 快 速 性 好 ;5 调 速 范 围 大 , 低 速 性 好 ;5 易 于 实 现 直 线 运 动 和 往 复 摆 ;5 在 中 等 距 离 范 围 内 输 送 能 量 方 便 ;5 输
