第1章 机电控制系统的基本概念

1.1 自动控制系统

1.1.1 控制的基本概念

控制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转向盘；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。

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。

1.1.2 机械与控制

机械可以代替人类从事各种有益的工作，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，一些精密机床要求加工精度达百分之几毫米，甚至几微米，重型镗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 工业生产过程自动化

工业生产过程自动化的框图见图1.1，其内容概括起来大致有以下几个方面。

1.自动检测系统

在工业生产过程中，人们首先想要知道生产过程的状况如何，想要知道反映生产过程状况的某些物理量的大小。通常把这些物理量称为过程变量。工业生产中常常通过温度、压力、流量、液位、物料的成分等过程变量的大小来反映生产过程状况的好坏。自动测量系统就是对各种过程变量自动地进行检测，并且把检测的结果随时指示或记录下来的自动化系统。例如，贮水罐水位自动控制系统中，液位变送器代替玻璃液位计和人的眼睛，测量贮水罐水位的高度，并把水位高度值变换成对应的测量信号送给控制器，即把水位高度告诉给控制器。

2.自动信号联锁、保护系统

在工业生产过程中常常会遇到这样的情况，当某个过程变量的数值超过或低于一定的限制时，就会影响生产的正常进行，甚至会造成种种事故。例如，用乙炔鼓风机输送乙炔气时，如果鼓风机的入口压力低于某个量值时，入口管道内就有可能被抽成负压，漏进空气而引起爆炸。这就要设置一个压力报警及自动保护系统，对鼓风机的入口压力进行测量。当入口压力低于下限值时，自动发出警报或自动采取切断电源、使鼓风机停止运转等保护性措施操作，避免事故发生。这种当某个过程变量的数值接近危险值时，自动发出警报或自动采取保护措施，以防止事故发生的自动化系统叫自动报警及保护系统。

3.自动操作系统

在工业生产过程中，往往会有一些周期循环重复的操作。这种操作单调乏味容易使人疲劳。例如，用机械手搬运工件过程中，下降、抓取、上升、右移、下降、放松、上升、左移、复位这9个步骤组成一组单调的、周期重复的操作。为了摆脱这种单调的重复操作，人们设置了由自动机（顺序控制器）和执行器去自动地完成这组操作。这就是能够按照人们事先规定好的操作顺序，自动地进行单调的、周期性重复的自动操作系统，也称为顺序控制系统。

4.自动控制系统

工业生产过程是连续的生产过程，各种过程变量都是连续变化的模拟量。在工业生产中，常常要求通过操作使得某些表征工业生产过程状况的、重要的过程变量，相对地稳定在生产工艺要求的数值上。例如：住宅水池的水位状态，当水位低于某值时水泵开动抽水，当水位高达到某一值时，水泵停机，通常设置一个自动控制系统对水池水位进行自动控制操作。这种操纵某种物料量或能量的大小，使得某个过程变量保持在生产工艺要求的设定值上的自动化系统，叫自动控制系统。

1.1.4 自动控制系统术语

在讨论和研究自动控制系统中的问题时会经常遇到一些专用的名词术语，这些常用的名词和术语介绍如下。

1.对象 将被操纵的机器设备作为受控对象，简称对象。设备由一些器件组合而成，其作用是完成一个特定的动作。

2.被控变量 工艺要求自动控制系统通过自动操作控制，使之满足生产过程要求的某个过程变量。如在贮水罐水位控制系统中的贮水罐水位即是被控变量。

3.设定值 生产过程中生产工艺要求被控变量达到的指标值称为设定值。

4.测量值 测量元件、变送器实际测得的被控变量的数值称为测量值。

5.偏差 上述的测量值与设定值之间的差值称为偏差。它有大小、方向和变化速率3个基本要素。

6.系统 是一些部件的组合，它可以完成一定的任务。

7.扰动作用 在生产过程中，破坏生产过程平衡状态，引起被控变量偏离设定值的各种作用，都叫扰动作用。如果扰动来自系统内部，则称为内扰动；如果来自系统外部，称为外扰动。

8.反馈控制 在有扰动的情况下，反馈控制有减小系统输出量与给定量之间偏差的作用。控制作用正是根据偏差而实现的。反馈控制仅仅是针对无法预料的扰动而设计的，可以预料的或者是已知的扰动，可以用校正的方法解决。

9.随动系统 它是一种反馈系统。在这个系统中，输出量就是机械位移、速度或者加速度，因此，随动系统与位置（或速度、加速度）控制系统是同义语。现代工业广泛地采用随动系统。例如，采用程序指令的机床自动化操作等。

10.自动调整系统 它是一种反馈控制系统。在这种系统中，给定输入量保持常量或者随时间缓慢变化。这种系统的基本任务，是在有扰动的情况下，使实际的输出量保持希望的数值。

11.控制作用 被控对象受到扰动作用以后，被控变量偏离设定值，自动控制系统就对被控对象施加影响，使被控变量回到设定值上来。自动控制系统使被控变量回到设定值而对被控对象施加的影响作用叫控制作用。被自动控制系统用来施加控制作用的变量叫操纵变量。被自动控制系统用来施加控制作用的介质称为控制介质。