機電控制系統(tǒng)的控制方式分析

徐洪福

【摘 要】從機電控制系統(tǒng)的控制過程來看，自動控制可分為開環(huán)控制方式，包括給定值操縱的開環(huán)方式和按干擾補償?shù)拈_環(huán)方式，按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制方式、開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)合的復(fù)合控制方式。

【關(guān)鍵詞】機電；控制系統(tǒng)；開環(huán)控制；閉環(huán)控制；復(fù)合控制

1.機電控制系統(tǒng)

機電控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是使被控對象的控制量等于目標值。在控制過程中，觀察的任務(wù)由系統(tǒng)的傳感裝置來完成，比較分析的任務(wù)由系統(tǒng)的控制部分來完成，執(zhí)行則由各類執(zhí)行裝置來完成。機電控制系統(tǒng)的控制過程如圖1。

圖1控制過程框圖

從機電控制系統(tǒng)的控制過程來看，參與控制的信號來自3條通道，即給定值、干擾量、被控量。這些信號是控制的主要依據(jù)。根據(jù)不同的信號源來分析自動控制可分為幾種基本控制方式[1]。

2.開環(huán)控制方式

2.1按給定值操縱的開環(huán)控制

按給定值操縱的開環(huán)控制方式，測量的是給定值，需要控制的是被控量，控制裝置與被控對象之間的聯(lián)系。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。

這種開環(huán)控制方式的特點是控制較簡單、沒有糾偏能力、控制精度難以保證、抗擾動性較差，因為無論系統(tǒng)是受到外部干擾或工作過程中特性參數(shù)發(fā)生變化，都會直接波及被控量，使被控量異于給定值，而系統(tǒng)無法自動修正偏差。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。特別是如果系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定，而外部干擾較弱時，常采用此類控制方式，是經(jīng)濟型數(shù)控機床上一種常見的步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)。

該系統(tǒng)工作原理：步進電動機作為伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件，其實質(zhì)是實現(xiàn)數(shù)字脈沖到角度位移的變換，它不用位置檢測元件實現(xiàn)定位，而是由驅(qū)動裝置本身實現(xiàn)。外部給定的指令脈沖送人步進電動機，步進電動機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度正比于指令脈沖的個數(shù)，運動角速度由送入脈沖的頻率決定。很明顯，外部輸入的指令脈沖即外部輸入的定值，步進電動機的轉(zhuǎn)動角度和速度均由此定值決定，因此它是一種按給定值操縱的開環(huán)控制系統(tǒng)，其控制精度不高。

2.2按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制

按干擾控制的開環(huán)控制系統(tǒng)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，控制的是被控量，測量的是破壞系統(tǒng)正常運行的干擾量，這種控制方式也稱順饋控制或前饋控制，即干擾量經(jīng)測量、計算、執(zhí)行至被控對象，信號也是單向傳遞的控制裝置與被控對象之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，是按干擾補償?shù)南到y(tǒng)原理框圖，這種控制方式因為是測量干擾，所以只能對可測干擾進行補償，而對于不可測干擾及系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化對被控量造成的影響，系統(tǒng)自身無法控制。因此，控制精度仍然受到原理上的限制。如在一般的直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速常隨負載的增加而下降，且其轉(zhuǎn)速的下降與電樞電流的變化有一定的關(guān)系。如果設(shè)法將負載引起的電流變化測量出來，并按其大小衍生一個附加的控制作用，用以補償由它引起的轉(zhuǎn)速下降，就可以構(gòu)成按干擾補償控制的開環(huán)控制系統(tǒng)。這種按干擾補償控制的開環(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，但它只適用于擾動可測量的場合。

3.按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制方式

按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制方式，是應(yīng)用最為廣泛的一種控制系統(tǒng)。在反饋控制系統(tǒng)中，需要控制的是被控量，而測量的是被控量對給定值的偏差。系統(tǒng)根據(jù)偏差進行控制，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會自行糾偏，不斷修正被控量的偏差，故稱這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制。從而實現(xiàn)對被控對象進行控制的，這就是反饋控制的原理。控制裝置與被控對象之間的聯(lián)系。

這種控制方式的特點是，由于被控量要返回來與給定值進行比較，所以控制信號必須沿前向通道和反饋通道往復(fù)循環(huán)地進行閉路傳送，形成閉合回路，稱之為閉環(huán)控制或反饋控制。反饋回來的信號與給定值相減，即根據(jù)偏差進行控制，稱為負反饋，反之稱為正反饋。反饋控制就是采用負反饋并利用偏差進行控制的過程，其特點是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時，必定會產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個偏差，逐漸使被控量與期望值趨于一致。

負反饋閉合回路是按偏差調(diào)節(jié)的自動控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)聯(lián)系和信號傳遞上的重要標志。這種控制方式的控制精度較高，因為無論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會自行糾偏。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，具有較高的控制精度。但這種系統(tǒng)使用的元器件多，線路復(fù)雜，特別是系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計較麻煩，如果參數(shù)匹配不好，會造成被控量有較大的擺動，系統(tǒng)甚至無法正常工作。盡管如此，閉環(huán)控制仍是機電控制系統(tǒng)中一種重要的基本控制方式，在工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。

4.復(fù)合控制方式

復(fù)合控制是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式，它是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加一個輸入信號或擾動作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。

反饋控制在外部擾動影響出現(xiàn)之后才能進行修正工作，在外部擾動影響出現(xiàn)之前則不能進行修正工作。按擾動控制方式進行控制在技術(shù)上較按偏差控制方式簡單，但它只適用于擾動可測量的場合，而且一個補償裝置只能補償一個擾動因素，對其余擾動均不起補償作用。因此，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。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。

這樣，系統(tǒng)的主要擾動已被補償，反饋控制系統(tǒng)就比較容易設(shè)計，控制效果也會更好。復(fù)合控制中的順饋通路相當于開環(huán)控制，因此，對補償裝置的參數(shù)穩(wěn)定性要求較高。

【參考文獻】

[1]王田苗等.機電控制系統(tǒng)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003，6.