机电控制技术的发展历史与研究现状

机电控制技术的发展历史与研究现状08机械设计张畅陈卓昊赵忠伟机电控制技术概念•机电控制技术是机械、电子等专业知识有机结合的综合应用技术，它主要涉及精密机械、计算机、自动控制、伺服驱动、流体转动、检测传感、信息处理、网络传输等领域。掌握机电控制技术是机械自动化专业主要培养目标之一。机电一体化技术发展历程及其趋势•80年代，信息技术崭露头角。微处理机的性能提高，为更高级的机电一体化产品所采用，典型的机电一体化产品如数控机床、工业机器人和汽车的电子控制系统等。微机作为关键技术引入了飞行器系统后，使机械-电子系统在高度控制、排气控制、振动控制和保险气袋等方面获得广泛应用。从系统科学的观点来看，机电一体化产品又可称之为机电一体化系统，它是集机械元件和电子元件于一体的复合系统。典型的机电一体化产品•机电一体化产品分系统(整机)和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD／CAM系统等。典型的机电一体化元、部件有：电力电子器件及装置、可编程序控制器、模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。这些典型的机电一体化产品的技术现状、发展趋势、市场前景分析从略。我国发展“机电一体化”面临的形式和任务•1.我国用微电子技术改造传统工业的工作量大而广，有难度•2.我国用机电一体化技术加速产品更新换代，提高市场占有率的呼声高，有压力。•3.我国用机电一体化产品取代技术含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、扰民产品的责任重，有意义。我国“机电一体化”工作的任务•我国在机电一体化方面的任务可以概括为两句话：一句话是广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业；另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品，促进机电产品的更新换代。总的目的是促进机电一体产业的形成、为我国产业结构和产品结构调整作贡献。我国发展“机电一体化”的对策•1.加强统筹安排，协调发展计划•2.强化行业管理，发挥“协会”作用•3.优化发展环境、增大支持力度•4.突出发展重点，兼顾“两个层次电动机技术发展及现状•电机是利用电磁感应原理工作的机械。随着生产的发展而发展的，反过来，电机的发展又促进了社会生产力的不断提高。从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机，一个多世纪以来，虽然电机的基本结构变化不大，但是电机的类型增加了许多，在运行性能，经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电机的理论基础上又发展出许多种类的控制电机，控制电机具有高可靠性﹑好精确度﹑快速响应的特点，已成为电机学科的一个独立分支。•经历了100多年的技术发展，电动机自身的理论基本成熟。随着电工技术的发展，对电能的转换、控制以及高效使用的要求越来越高。电磁材料的性能不断提高，电工电子技术的广泛应用，为电动机的发展注入了新的活力。未来电动机将会沿着单位功率体积更小、机电能量转换效率更高、控制更灵活的方向继续发展。一批巨无霸电机、一批光怪陆奇电机将同时展现在世人眼前。三相异步电动机基本工作原理•三相对称绕组中通人三相对称电流产生圆形旋转磁场。•转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流；•转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转距，驱使电动机转子转动。机电控制技术发展应用•机电控制就是研究如何设计控制器并合理构成控制系统是机电一体化产品或系统达到所需性能要求的一门科学，是控制技术、机械技术相结合的产物。目前出现的机电控制技术有：PID技术控制、状态反馈控制、自适应控制、变结构控制等等。PID技术控制•PID控制方法是经典控制理论的代表，它基于系统误差的现实因素（P）、过去因素（I）和未来因素(D)进行线性组合来确定控制量，结构简单易于实现．但传统的PID控制器采用线性组合方法，难于协调快速性和稳态特性之间的矛盾，在具有参数变化和外干扰的情况下其鲁棒性也不够好．近来传统的PID控制器吸收了智能控制的基本思想并利用计算机的优势，形成了模糊PID、白适应PID、非线性PID等变种PID控制器，这些PID控制器的效果较为满意状态反馈控制•为了全面改善系统的动态性能，可以将系统的全部状态变量，反馈回控制器输人端，这就构成了“全状态反馈”，简称状态反馈．通过状态反馈可大大提高系统的阻尼，从而显著地改善了系统的响应．状态反馈增益主要利用改变反馈阵F，以达到改变特征根(极点)的办法来确定，即所谓极点配置．这是因为闭环时域特性同极点位置息息相关，通过极点配置能满足时域要求，而且系统稳定性和参数敏感性可迅速通过根轨迹法进行估计。自适应控制•自适应控制主要针对那些非线性和具有不确定性因素的系统的控制问题．采用白适应策略所构成的控制系统在运行期间，能自身在线积累与实行有效控制所有有关的信息，以调整系统结构的有关参数和控制作用，使系统的性能达到最优或次最优．任何一个实际系统都具有一定程度的不确定性，它们来自系统内部或外部．面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何综合出适当的控制作用使系统达到最优或接近最优的指标，就是自适应控制所要研究解决的问题．这可以看作一种自学习或白组织的能力，因此有时白适应控制也被称作“仿生控制”。变结构控制•变结构控制(Variablestructurecontrol，简称VSC)是50年代在原苏联出现并发展起来的经过多年的研究与实践，VSC已建立了一套理论，并在电动机的驱动、车辆控制、飞行器、工业过程控制以及机器人控制等领域得到应用。变结构控制是一种根据系统状态偏离滑模的程度来变更控制器的结构(控制律或控制器参数)，从而使系统按照滑模规定的规律运行的一种控制方法。与传统的控制系统相比，其控制规律简单，可以协调动态和稳态性能间的矛盾，特别是其滑动模态(slidingMode)对系统参数变化和外部干扰具有完全不变性。其主要缺点是由于频繁切换而存在较严重的抖动现象，另外，它也不宜应用于采样周期较长的控制系统。谢谢观赏