《硅谷》杂志：机电控制系统的控制方式分析 |
| 2013-01-25 11:41 作者：韦庆梅 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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据《硅谷》杂志2012年第21期刊文称，通常，机电控制系统的控制任务主要在于使得被控制对象的控制值等于目标值，而在实际控制过程当中，这种类似于“监察”的基本任务是利用专门的机电传感装置来实现的。其中响应比较分析的任务则是通过系统的控制装置来完成的，执行阶段则有专门的执行装置予以落实。将就机电控制系统的控制方式给予深入浅出地分析与讨论。
关键词：机电设备；控制系统；控制方式；分析
1机电控制系统中的基本控制方式
1.1含义
机电控制技术是机电一体化系统或产品制造的重要基础技术。那么什么是机电一体化系统呢？“机电一体化控制”（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与Electronics组合而成的英语，是由日本《机械设计》杂志于1971年提出的。但是，对于机电一体化控制至今尚未得到公认和统一的定义。
以运动员练习高尔夫球的击打过程来类比机电设备控制系统在运行时的基本控制方式。高尔夫运动员在练习击打高尔夫球的那一刻，为了能够更为准确和有效地击中高尔夫球且控制球尽量靠近目标地点，球员总是会首先对目标地点的位置以及周边地势进行观察和判断，并把握即时风向和风速等各种干扰因素，然后最终决定挥动高尔夫球杆的力度和触球点并发动相应的挥杆动作。另外，多次练习也是一个不断总结与改进的过程，根据每次完成以上工作内容以后高尔夫球的落点来修正挥杆力度和触球点，也就是说需要完成一个再分析、再判断和再修正的循环过程，直至高尔夫球在运动员击出后准确落至目标地点，即作为一个高尔夫运动员所需完成的一个基本任务。而机电控制系统所需要完成的基本任务则是在于使得被控制对象的控制值等于目标值。在实际控制过程当中，这种类似于“监察”的基本任务是利用专门的机电传感装置来实现的。其中响应比较分析的任务则是通过系统的控制装置来完成的，执行阶段则有专门的执行装置予以落实。
1.2控制方式
1）开环式控制方式。一般地，机电控制系统的控制过程其系统参与控制的信号主要来自于三条通道，即给定值、干扰变量和受控值。这些量值信号是机电系控制系统的主要依据。而机电控制系统的开环控制方式即是指系统控制装置与受控对象之间形成一种只有顺向作用而非方向作用的紧密联系，其中通道内的信号给定值与受控值为单向传递，以这种方式组合的控制系统称为外环控制系统，其系统拥有比较突出的优势在于系统输出量不会对系统的控制作用造成负面影响。需强调一点，这种开环控制系统既可以按照定位操作方式组合，又可以按照干扰补偿控制的方式组合。
2）反馈式控制方式。反馈控制是机电控制系统最基本的一种控制方式，也是目前得到应用最为广泛的一种系统模式。通常，在反馈控制系统中的控制装置会对受控对象施加控制作用，完成这一过程的反馈信息则是来自于受控对象的受控值，然后不断地修正受控值的偏差，最终实现对受控对象的基本控制任务，这就是一个完整反馈型控制系统的工作原理。通俗地讲，人的一切行为活动都会体现这样的反馈控制原理，人自身就是一个具有高度控制能力的反馈控制系统，如人可以通过手拿到桌面上的水杯、公交车司机利用方向盘可以操纵驾驶公交车在马路上行驶等这些大家生活中不足为怪的动作都可以渗透在反馈控制这一原理之中的。人在完成这些平凡动作时也会通过事先的信息判断与信息反馈不断修正偏差信号直至偏差为零，完成动作。显然，机电控制系统的反馈控制实质上也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。
3）复合式控制方式。机电控制系统还有一种控制方式是复合控制方式。反馈控制装置在收到外部因素干扰之后才能够进行相应地修正工作，而在外部干扰未出现影响之前则不能够进行相应地修正工作。基于扰动因素的控制方式相较于以偏差分析的控制方式要简便许多。但是，复合控制方式仅仅适用于干扰因素在可测量的环境中，且拥有一个补偿装置的控制系统也只能补偿单个干扰因素，除此以外的干扰都不能起到具有成效的补偿作用。如此考虑看来，相对更为合理的控制方式则是将偏差控制与扰动控制两方面综合考虑，对于一些主要的干扰因素给予配置适当的补偿装置来实现扰动控制，然后再组建反馈控制系统对其他扰动所产生的偏差进行控制。这样一来，机电控制系统主要受到的干扰均已被补偿，更为便利的是反馈控制系统的组建于设计相对简单。
机电控制系统根据其受控主体的不同又可以分为手动控制与自动控制两种。手动控制是通过人自身的判断和操作实现控制过程。所谓的自动控制，则是指在无人在岗或没有直接参与的情况下，通过利用外置设备或装置（如计算机）使得下属机械或设备在生产过程中处于以设定参数自动且有规律的运行状态。机电控制系统实现自动化生产是当下我国现代科学技术不断拓展与创新所必须完成的目标和任务，如数控车床切削机械工件的生产加工过程，既需要求生产工件质量达标，又必须在生产数量上满足于供应要求，这一切要求都需以高水平的自动化系统控制技术作为前提和保障。如此看来，机电控制系统实现自动化生产可谓适逢机遇！为了能够在机电行业中实现更为复杂的控制任务，组建控制系统的首要工作是将受控对象与系统的控制装置以一定的连接方式予以组合，形成一种有机的联合体，即控制系统。在自动化机电控制系统中，受控对象的物理输出量就是受控值严加控制的物理量，它既可以保持以一种恒定值出现（如液位、压力值等），也可以实现一种具有明显规律性的运行状态（如记录曲线等）。控制系统的控制装置是作为一个对被控制对象施加以控制作用的机构总体，可以以不同的工作原理与方式对被控制对象进行相应地控制行为。
时至今日，伴随着数控技术与计算机技术的广泛应用，尤其是微型计算机的研新与应用，使得机电控制系统的发展重新发展到了一个新的阶段，即计算机数字控制。计算机数字控制是一种新型的断续控制，与最初应用的断续控制不同的是，计算机数字控制实际的控制采样周期往往要比受控对象的变化周期要短了许多。因此可以这么讲，计算机数字控制技术在客观方面可等同于连续控制。究其原因就在于此项技术是将晶闸管技术与计算机、微电子技术有机撮合，从而使得晶体管和晶闸管控制更具可操作的活力。
机电行业自动化控制系统逐步走向更高级阶段是有目标性的。前瞻未来技术发展趋势，这个高级阶段应该是实现设计与加工制造一体化流程，即通过采用计算机辅助设计（如AutoCAD软件）与计算机辅助制造（如CAM软件）共同协作形成的产品设计与制造一体化的系统。从对产品设计构思阶段到完成设计和制造全过程、全方位自动化控制来提高效率好保证质量。
1.3基本要求
不论是自动化控制还是传统的手动控制，在已知机电控制系统的组织结构和设定参数后，我们往往感兴趣的是在系统被输入某一种典型信号之后其受控值变化的整个过程。但是这个受控值变化的过程不论是何种系统组成都需遵循的基本要求是相同的，笔者归纳其基本要求主要是稳、准、狠，即稳定性、高速性和精确性。系统的稳定性是保证机电控制系统正常工作运行的基础条件。稳定性有保障的控制系统会实现受控值偏离期望值的初始偏差随运行时间的增长逐步趋于零值。具体来讲，一个稳定的机电恒值控制系统，受控值后在系统受到干扰后大幅偏离期望值后经过一定过渡时间便会快速回复到原来的期望值状态。相对而言，不稳定的控制系统则在发生相同问题后受控值的变化只会随着运行时间的增长而不断发散。因此可以说，不具备绝对稳定性的机电控制系统是无法实现最基本的预定控制任务的。
2结束语
综上所述，本文阐述机电控制系统的含义和基本要求，并着重就机电控制系统的控制方式加以分析与归纳，其核心旨在于加深对一般机电控制系统设计过程、设计要求以及设计原因的认识和掌握。同时，鉴于当今社会生产技术水平的不断提高，笔者通过撰写本论文还是希望同行朋友们共同交流借鉴，掌握更为新型、更为先进的生产技术，以图进一步促进和提高行业发展水平。 |
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