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第六章控制原理分类与控制器比较

本章教学要点和要求：

1、掌握机电控制系统的工作原理

2、掌握机电控制系统的分类

3、掌握控制器的选择

4、了解机电控制系统的接口

第一节机电控制工程的控制原理及分类

一、机电控制系统的工作原理

机电控制系统的控制分为人工控制与自动控制。自动控制就是在没有人的直接参与下，

利用控制器（例如机械装置、电气装置或电子计算机）使生产过程或被控制对象（例如机器

或电气设备）的某一物理量（温度、压力、液面、流量、速度、位移等）准确地按预期的规

律运行。

图6-1展示出在车床上加工轴件的例子。操作工人转动带有刻度盘的手轮，丝杠带动

刀架移动以控制刀具的切槽进给。在这个大家熟知而简单的例子中，被控对象是刀架，被控

参数是切槽的进给，而控制器是刀架传动丝杠和刻度手轮。这个例子称为人工控制。

图6-1手动加工轴件

图6-2人工控制恒温箱

如果工艺人员按加工工件的要求，预先编出数控程序，把数控程序输入数控机床，于

是机床在数控程序的操纵控制下，自动地加工出复杂而精确的零件。此例的操作人员在加工

过程中，不直接参与操作，与产品之间的没有实时的联系，称为自动控制系统。

图6-3是恒温箱的自动控制系统。在这个自动控制系统中，图6-2中的温度计热电偶代

替，并增加了电气、电机及减速器等装置。

图6-3自动控制恒温箱

为了便于对一个自动控制系统进行分析以及了解其各个组成部分的作用，经常把一个

自动控制系统画成方框图的形式。

由图6-4还可以清楚地看出，系统的输入量就是给定的电压信号，系统的输出量（即

被调节量）就是被控物理量——温度。控制系统是按偏差的大小与方向来工作的，最后使偏

差减小或消除（这在以后的章节中进一步讲述），从而使输出量随输入量而变化。

一般在自动控制系统中，偏差是基于反馈建立起来的，自动控制的过程就是“测偏与

纠偏”的过程，这一原理又称为反馈控制原理。利用此原理组成的系统称为反馈控制系统。

图6-4恒温箱自动控制系统方框图

二、机电控制系统的分类

（一）按控制系统有无反馈来分

1、开环系统

控制系统的输出量不影响系统的控制作用，即系统中输出端与输入端之间无反馈通道

时称开环系统。

图6-1中普通车削加工的例子就是开环系统。系统的输入是工人转动手轮的转角；系

统的输出是刀架位移，以得到切槽进给。系统输出与输入间是没有反馈通道的。

图6-5中所示的数控机床进给系统，由于没有反馈通道，故该系统也是开环系统。系

统的输出对控制作用没有任何影响。系统的输出量受输入量的控制。而图中若四个方框的任

一个性能变化，这称为系统内部存在扰支，将影响输出量与输入量不一致，也就是说扰动将

影响输出的精度。

图6-5开环系统的数控机床

2．闭环系统

控制系统的输出与输入间存在着反馈通道，即系统的输出对控制作用有直接影响的系

统，称为闭环系统。因此，反馈系统也就是闭环控制系统。

例1：学习驾驶时的倒桩移库

例2：钞纸废水应急控制系统

图1-4就是一个闭环控制系统，其工作原理已如前所述。

图6-6是数控机床进给系统采用闭环控制系统时的方框图。系统的输出（工作台的移

动）通过检测装置（同步感应器或光栅等）把信号反馈到输入端，与输入信号一起通过控制

装置对工作台的移动进行控制。

图6-6闭环系统的数控机床

闭环系统的主要优点是由于存在有反馈，若内外有干扰而使输出的实际值偏离给定值

时，控制作用将将这一偏差，因而精度较高。缺点也正是存在有反馈，若系统中的元件有惯

性，以及与其配合不当时，将引起系统振荡，不能稳定工作。

闭环与开环系统相比较，闭环系统搞干扰能力强，对外扰动（如负载变化）和内扰动

（系统内元件性能的变动）引起被控量（输出）的偏差能够自动纠正。而开环系统则无此纠

正能力，因而一般来说，闭环较开环系统的精度为高。但是，由于开环系统没有反馈通道，

因而结构较简单，实惠容易。闭环系统在设计时要着重考虑稳定性