機(jī)電控制技術(shù)是解決機(jī)電系統(tǒng)中控制問題的一門技術(shù)，是機(jī)電系統(tǒng)工程或機(jī)電一體化技術(shù)下面的一門支撐技術(shù)，在機(jī)電一體化技術(shù)中占有非常重要的地位。
機(jī)電控制技術(shù)的具體體現(xiàn)就是機(jī)電控制系統(tǒng)，機(jī)電控制系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的極其重要的組成部分。
1．機(jī)電控制技術(shù)的基本內(nèi)容及其發(fā)展
機(jī)電控制技術(shù)的任務(wù)就是實(shí)施對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的控制。而現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)基本上都是由電動(dòng)機(jī)或電控裝置提供動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)和電控裝置是現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)的最主要的驅(qū)動(dòng)元件或裝置。除了我們最常見的電動(dòng)機(jī)之外，常用的驅(qū)動(dòng)元件或裝置還有液壓元件、氣動(dòng)元件、電磁鐵等。與電動(dòng)機(jī)相比較，對(duì)這些元件或裝置的控制要相對(duì)簡(jiǎn)單一些，對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制具有很大的靈活性，當(dāng)然控制的難易程度也有相當(dāng)大的差別。正因?yàn)槿绱�，�?duì)電機(jī)的控制是機(jī)電控制技術(shù)的核心內(nèi)容。
機(jī)電控制技術(shù)根據(jù)不同的控制對(duì)象，不同的控制手段，或者不同的控制目標(biāo)，具有不同的內(nèi)涵。從控制目標(biāo)上來(lái)分，機(jī)電控制技術(shù)可以分為邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制。
1）邏輯控制
機(jī)電控制的起源是從簡(jiǎn)單開關(guān)控制開始的，當(dāng)初是通過手動(dòng)開關(guān)直接控制電機(jī)的啟、停，這樣的控制方式稱為手動(dòng)開關(guān)控制。后來(lái)出現(xiàn)了自動(dòng)控制器件，如繼電器、接觸器等，于是就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)控制。自動(dòng)控制不僅能減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作機(jī)械的生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，而且可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制難以完成的諸如遠(yuǎn)距離集中控制等。
然而，簡(jiǎn)單開關(guān)控制不能滿足許多機(jī)電系統(tǒng)的復(fù)雜控制功能要求，往往需要把一些或許多簡(jiǎn)單開關(guān)控制電路結(jié)合起來(lái)，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制的功能要求。這種把簡(jiǎn)單開關(guān)控制電路按照一定的方式或次序組合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)某控制作用的方式稱為邏輯控制。
邏輯控制是以邏輯代數(shù)為理論基礎(chǔ)的一種控制思想，它遵循一定的規(guī)律，可 以有各種實(shí)現(xiàn)形式。按照次序?qū)崿F(xiàn)的邏輯控制稱為順序邏輯控制，在實(shí)際應(yīng)用中有兩種典型的形式，一種是以時(shí)間為控制條件的時(shí)間順序邏輯控制，另一種是以行程為控制條件的行程順序邏輯控制�？刂七^程很有條理性。
值得注意的是，由于邏輯控制可以解決人們生產(chǎn)、生活中的許多控制問題，市場(chǎng)價(jià)值巨大。世界上許多大公司投入相當(dāng)大的精力和財(cái)力，開發(fā)并推出了邏輯控制產(chǎn)品——可編程邏輯控制器(PI。c)，得到了普遍的推廣應(yīng)用。當(dāng)然今天的PLc已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制的范圍，在本書第7章中將專門對(duì)其作詳細(xì)介紹。
2）運(yùn)動(dòng)控制
電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電系統(tǒng)中的最主要的動(dòng)力源和執(zhí)行部件，對(duì)其實(shí)行開關(guān)式的控制是最基本的控制形式，也是******的控制形式。許多機(jī)電系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行速度提出控制的要求，有的系統(tǒng)需要精確控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度位置，雖然在實(shí)際應(yīng)用中更多的是直線位置控制的實(shí)例，但其一般都是從電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換而來(lái)，所以其實(shí)質(zhì)還是電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度位置控制。于是就出現(xiàn)了速度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)，它們的目的都是對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)施控制。所以，運(yùn)動(dòng)控制就是以電機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為控制對(duì)象，通過控制器和驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的速度、加速度(轉(zhuǎn)矩)、位置等運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行控制，以滿足功能和性能的要求。
因此，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是機(jī)電控制技術(shù)又一核心內(nèi)容。
隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電氣傳動(dòng)在啟制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面都提出了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，20世紀(jì)30年代起就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)、磁放大器控制；再進(jìn)一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來(lái)用可控整流和大功率晶體管組成的PwM控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速．使系統(tǒng)的快速性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高使直流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。然而，由于直流電機(jī)具有電刷和換向器，制造工藝復(fù)雜且成本高-維護(hù)麻煩，使用環(huán)境受到限制等缺點(diǎn)，并且很難向高轉(zhuǎn)速、高電壓、太容量發(fā)展，因而逐漸顯示出直流調(diào)速的弱點(diǎn)。
早就普遍應(yīng)用于恒速運(yùn)行場(chǎng)合的交流電機(jī)可以彌補(bǔ)直流電機(jī)的不足，加之世界范圍的能源短缺，人們又開始了新一輪的交流調(diào)速的研究。僅對(duì)占傳動(dòng)總量三分之一強(qiáng)的風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備而言，如果改恒速為調(diào)速的話，就可節(jié)電30％左右。
近三四十年來(lái)．隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，為交流調(diào)速產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)造了有利的條件，使交流調(diào)速逐漸具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和四象限運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化，從調(diào)速性能上完全可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。目前交流調(diào)速系統(tǒng)已占據(jù)主導(dǎo) 地位。
當(dāng)今社會(huì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用已相當(dāng)普及，不論是民用還是軍用。在工廠、農(nóng)村以及大多數(shù)家庭中，到處可以看到以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的各種生產(chǎn)機(jī)械或家用電器。例如，軋鋼廠的連軋機(jī)，加工車間的切削機(jī)床，造紙廠的紙機(jī)，紡織廠的紡織機(jī)，化工廠的攪拌機(jī)和離心機(jī)，貨場(chǎng)的起重機(jī)和傳送帶，礦山的卷?yè)P(yáng)機(jī)，田間的抽水泵，家庭中的冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)以及電腦等。運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展趨勢(shì)有以下三點(diǎn)：
(1)高頻化。在功率驅(qū)動(dòng)裝置中，低頻的半控器件——晶閘管在中小功率范圍將被高頻的全控器件——大功率晶體管或IGBT所代替，這樣既可以提高系統(tǒng)性能，又可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。
(2)交流化。由于交流電機(jī)本身的優(yōu)勢(shì)，交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。隨著交流調(diào)速系統(tǒng)成本的逐步降低，不僅現(xiàn)有的直流調(diào)速系統(tǒng)將被交流調(diào)速系統(tǒng)取代．而且，大量的原來(lái)恒速運(yùn)行的交流傳動(dòng)系統(tǒng)將改為交流調(diào)速系統(tǒng)，原來(lái)直流調(diào)速所不能達(dá)到的高轉(zhuǎn)速、大功率領(lǐng)域，也將采用交流調(diào)速系統(tǒng)。
(3)網(wǎng)絡(luò)化。微處理器的發(fā)展，使數(shù)字控制器簡(jiǎn)單而又靈活，同時(shí)為聯(lián)網(wǎng)提供了可能。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和系統(tǒng)復(fù)雜性的提高，單機(jī)的控制系統(tǒng)越來(lái)越少，取而代之的是大規(guī)模的多機(jī)協(xié)同工作的高度自動(dòng)化的復(fù)雜系統(tǒng)，這就需要計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的支持，傳動(dòng)設(shè)備及控制作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)連到現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)控制網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)集中的或分散的生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控。
另外，借助于數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能控制已經(jīng)深入到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)方面，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、解耦控制等，各種觀測(cè)器和辨識(shí)技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，大大地改善了控制系統(tǒng)的性能，為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)走向復(fù)雜的多層網(wǎng)絡(luò)控制提供了可能。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)正在由簡(jiǎn)單的單機(jī)控制系統(tǒng)走向多機(jī)多種控制過程協(xié)調(diào)的系統(tǒng)集成階段。
隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電控制技術(shù)將向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化方向發(fā)展。典型的系統(tǒng)如數(shù)控加工中心、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、物料自動(dòng)傳輸與識(shí)別系統(tǒng)等，以及以這些系統(tǒng)為基礎(chǔ)而組成的更大更復(fù)雜的系統(tǒng)如柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等現(xiàn)代制造系統(tǒng)。
2. 機(jī)電控制系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)與工作原理
機(jī)電控制系統(tǒng)是機(jī)電控制技術(shù)的具體表現(xiàn)形式，通過控制器并合理選擇或設(shè)計(jì)放大元件、執(zhí)行元件、檢測(cè)元件與轉(zhuǎn)換元件、導(dǎo)向與支承元件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等．使機(jī)電裝備達(dá)到所要求的性能和功能。機(jī)電控制系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品及系統(tǒng)中承擔(dān)著控制對(duì)象輸出，并按照指令規(guī)定的規(guī)律變化的功能單元，是機(jī)電一體化產(chǎn) 品及系統(tǒng)的重要組成部分。機(jī)電控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。
機(jī)電控制系統(tǒng)一般由指令元件，比較、綜合與放大元件，轉(zhuǎn)換與功率放大元件，執(zhí)行元件，工作機(jī)構(gòu)，檢測(cè)與轉(zhuǎn)換元件等6部分組成，如圖1．4所示。為了研究問題方便，通常又把指令元件和比較、綜合與放大元件合稱為控制器(控制元件)；將轉(zhuǎn)換與功率放大元件和執(zhí)行元件合稱為機(jī)電動(dòng)力機(jī)構(gòu)；機(jī)電動(dòng)力機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)合稱為被控對(duì)象。對(duì)于控制精度要求不高且執(zhí)行元件的輸出能夠按其給定規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以采用開環(huán)控制。此時(shí)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換元件也可以沒有；但為了顯示與檢測(cè)，系統(tǒng)中仍應(yīng)裝有檢測(cè)與轉(zhuǎn)換元件。
機(jī)電控制系統(tǒng)的工作原理是：由指令元件發(fā)出指令，通過比較、綜合與放大元件將此信號(hào)與輸出反饋信號(hào)比較，再將差值進(jìn)行處理和放大、控制及轉(zhuǎn)換，將此處理后的信號(hào)加到功率放大元件并作為執(zhí)行元件的輸入信號(hào)，使得執(zhí)行元件按指令的要求運(yùn)動(dòng)；而執(zhí)行元件往往和機(jī)電裝備的工作機(jī)構(gòu)連接，從而使機(jī)電裝備的被控量(如位移、速度、力／轉(zhuǎn)矩等)符合要求的規(guī)律。
機(jī)電伺服控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸出為機(jī)械量，且輸出跟隨指令運(yùn)動(dòng)的機(jī)電控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)(特別是微處理器)的普及和性能價(jià)格比的提高，機(jī)電控制系統(tǒng)的指令產(chǎn)生、信號(hào)比較與綜合等功能可以交由計(jì)算機(jī)完成。采用計(jì)算機(jī)控制的機(jī)電系統(tǒng)，由于計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能、良好的重復(fù)性、方便的編程和人機(jī)接口，因此可以使機(jī)電系統(tǒng)的靈活性和自動(dòng)化程度大大提高。
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