机电控制系统的控制方式分析

徐洪福

【摘 要】从机电控制系统的控制过程来看，自动控制可分为开环控制方式，包括给定值操纵的开环方式和按干扰补偿的开环方式，按偏差调节的闭环控制方式、开环控制与闭环控制相结合的复合控制方式。

【关键词】机电；控制系统；开环控制；闭环控制；复合控制

1.机电控制系统

机电控制系统的基本任务是使被控对象的控制量等于目标值。在控制过程中，观察的任务由系统的传感装置来完成，比较分析的任务由系统的控制部分来完成，执行则由各类执行装置来完成。机电控制系统的控制过程如图1。

图1控制过程框图

从机电控制系统的控制过程来看，参与控制的信号来自3条通道，即给定值、干扰量、被控量。这些信号是控制的主要依据。根据不同的信号源来分析自动控制可分为几种基本控制方式[1]。

2.开环控制方式

2.1按给定值操纵的开环控制

按给定值操纵的开环控制方式，测量的是给定值，需要控制的是被控量，控制装置与被控对象之间的联系。其控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入量，就有一个输出量与之相对应，控制精度完全取决于所用的元件及校准的精度。

这种开环控制方式的特点是控制较简单、没有纠偏能力、控制精度难以保证、抗扰动性较差，因为无论系统是受到外部干扰或工作过程中特性参数发生变化，都会直接波及被控量，使被控量异于给定值，而系统无法自动修正偏差。但由于其结构简单、调整方便、成本低，在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。特别是如果系统的结构参数稳定，而外部干扰较弱时，常采用此类控制方式，是经济型数控机床上一种常见的步进电动机开环伺服系统。

该系统工作原理：步进电动机作为伺服系统的驱动元件，其实质是实现数字脉冲到角度位移的变换，它不用位置检测元件实现定位，而是由驱动装置本身实现。外部给定的指令脉冲送人步进电动机，步进电动机转轴转过的角度正比于指令脉冲的个数，运动角速度由送入脉冲的频率决定。很明显，外部输入的指令脉冲即外部输入的定值，步进电动机的转动角度和速度均由此定值决定，因此它是一种按给定值操纵的开环控制系统，其控制精度不高。

2.2按干扰补偿的开环控制

按干扰控制的开环控制系统利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响，控制的是被控量，测量的是破坏系统正常运行的干扰量，这种控制方式也称顺馈控制或前馈控制，即干扰量经测量、计算、执行至被控对象，信号也是单向传递的控制装置与被控对象之间的结构联系，是按干扰补偿的系统原理框图，这种控制方式因为是测量干扰，所以只能对可测干扰进行补偿，而对于不可测干扰及系统内部参数的变化对被控量造成的影响，系统自身无法控制。因此，控制精度仍然受到原理上的限制。如在一般的直流电机转速控制系统中，转速常随负载的增加而下降，且其转速的下降与电枢电流的变化有一定的关系。如果设法将负载引起的电流变化测量出来，并按其大小衍生一个附加的控制作用，用以补偿由它引起的转速下降，就可以构成按干扰补偿控制的开环控制系统。这种按干扰补偿控制的开环控制方式是直接从扰动取得信息，并以此来改变被控量，其抗扰动性好，控制精度也较高，但它只适用于扰动可测量的场合。

3.按偏差调节的闭环控制方式

按偏差调节的闭环控制方式，是应用最为广泛的一种控制系统。在反馈控制系统中，需要控制的是被控量，而测量的是被控量对给定值的偏差。系统根据偏差进行控制，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏，不断修正被控量的偏差，故称这种控制方式为按偏差调节的闭环控制。从而实现对被控对象进行控制的，这就是反馈控制的原理。控制装置与被控对象之间的联系。

这种控制方式的特点是，由于被控量要返回来与给定值进行比较，所以控制信号必须沿前向通道和反馈通道往复循环地进行闭路传送，形成闭合回路，称之为闭环控制或反馈控制。反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，逐渐使被控量与期望值趋于一致。

负反馈闭合回路是按偏差调节的自动控制系统在结构联系和信号传递上的重要标志。这种控制方式的控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。按反馈控制方式组成的反馈控制系统，具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，具有较高的控制精度。但这种系统使用的元器件多，线路复杂，特别是系统的性能分析和设计较麻烦，如果参数匹配不好，会造成被控量有较大的摆动，系统甚至无法正常工作。尽管如此，闭环控制仍是机电控制系统中一种重要的基本控制方式，在工程中获得了广泛的应用。

4.复合控制方式

复合控制是开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式，它是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。

反馈控制在外部扰动影响出现之后才能进行修正工作，在外部扰动影响出现之前则不能进行修正工作。按扰动控制方式进行控制在技术上较按偏差控制方式简单，但它只适用于扰动可测量的场合，而且一个补偿装置只能补偿一个扰动因素，对其余扰动均不起补偿作用。因此，比较合理的一种控制方式是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。这种按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制方式。

这样，系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统就比较容易设计，控制效果也会更好。复合控制中的顺馈通路相当于开环控制，因此，对补偿装置的参数稳定性要求较高。

【参考文献】

[1]王田苗等.机电控制系统基础理论及应用[M].北京：清华大学出版社，2003，6.