徐洪福

【摘 要】從機(jī)電控制系統(tǒng)的控制過程來看，自動(dòng)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(bǔ)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(jī)電；控制系統(tǒng)；開環(huán)控制；閉環(huán)控制；復(fù)合控制

1.機(jī)電控制系統(tǒng)

機(jī)電控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是使被控對(duì)象的控制量等于目標(biāo)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(jī)電控制系統(tǒng)的控制過程如圖1。

圖1控制過程框圖

從機(jī)電控制系統(tǒng)的控制過程來看，參與控制的信號(hào)來自3條通道，即給定值、干擾量、被控量。這些信號(hào)是控制的主要依據(jù)。根據(jù)不同的信號(hào)源來分析自動(dòng)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(cè)量的是給定值，需要控制的是被控量，控制裝置與被控對(duì)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(gè)輸入量，就有一個(gè)輸出量與之相對(duì)應(yīng)，控制精度完全取決于所用的元件及校準(zhǔn)的精度。

這種開環(huán)控制方式的特點(diǎn)是控制較簡(jiǎn)單、沒有糾偏能力、控制精度難以保證、抗擾動(dòng)性較差，因?yàn)闊o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(huì)直接波及被控量，使被控量異于給定值，而系統(tǒng)無法自動(dòng)修正偏差。但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低，在精度要求不高或擾動(dòng)影響較小的情況下，這種控制方式還有一定的實(shí)用價(jià)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(shí)，常采用此類控制方式，是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上一種常見的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)。

該系統(tǒng)工作原理：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件，其實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖到角度位移的變換，它不用位置檢測(cè)元件實(shí)現(xiàn)定位，而是由驅(qū)動(dòng)裝置本身實(shí)現(xiàn)。外部給定的指令脈沖送人步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度正比于指令脈沖的個(gè)數(shù)，運(yùn)動(dòng)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(bǔ)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(cè)量的擾動(dòng)量，產(chǎn)生一種補(bǔ)償作用，以減小或抵消擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，控制的是被控量，測(cè)量的是破壞系統(tǒng)正常運(yùn)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(cè)量、計(jì)算、執(zhí)行至被控對(duì)象，信號(hào)也是單向傳遞的控制裝置與被控對(duì)象之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，是按干擾補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)原理框圖，這種控制方式因?yàn)槭菧y(cè)量干擾，所以只能對(duì)可測(cè)干擾進(jìn)行補(bǔ)償，而對(duì)于不可測(cè)干擾及系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速常隨負(fù)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(fù)載引起的電流變化測(cè)量出來，并按其大小衍生一個(gè)附加的控制作用，用以補(bǔ)償由它引起的轉(zhuǎn)速下降，就可以構(gòu)成按干擾補(bǔ)償控制的開環(huán)控制系統(tǒng)。這種按干擾補(bǔ)償控制的開環(huán)控制方式是直接從擾動(dòng)取得信息，并以此來改變被控量，其抗擾動(dòng)性好，控制精度也較高，但它只適用于擾動(dòng)可測(cè)量的場(chǎng)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(cè)量的是被控量對(duì)給定值的偏差。系統(tǒng)根據(jù)偏差進(jìn)行控制，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會(huì)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(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的，這就是反饋控制的原理?？刂蒲b置與被控對(duì)象之間的聯(lián)系。

這種控制方式的特點(diǎn)是，由于被控量要返回來與給定值進(jìn)行比較，所以控制信號(hào)必須沿前向通道和反饋通道往復(fù)循環(huán)地進(jìn)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(hào)與給定值相減，即根據(jù)偏差進(jìn)行控制，稱為負(fù)反饋，反之稱為正反饋。反饋控制就是采用負(fù)反饋并利用偏差進(jìn)行控制的過程，其特點(diǎn)是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個(gè)偏差，逐漸使被控量與期望值趨于一致。

負(fù)反饋閉合回路是按偏差調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)聯(lián)系和信號(hào)傳遞上的重要標(biāo)志。這種控制方式的控制精度較高，因?yàn)闊o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(huì)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(dòng)對(duì)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(jì)較麻煩，如果參數(shù)匹配不好，會(huì)造成被控量有較大的擺動(dòng)，系統(tǒng)甚至無法正常工作。盡管如此，閉環(huán)控制仍是機(jī)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(gè)輸入信號(hào)或擾動(dòng)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(dòng)影響出現(xiàn)之后才能進(jìn)行修正工作，在外部擾動(dòng)影響出現(xiàn)之前則不能進(jìn)行修正工作。按擾動(dòng)控制方式進(jìn)行控制在技術(shù)上較按偏差控制方式簡(jiǎn)單，但它只適用于擾動(dòng)可測(cè)量的場(chǎng)合，而且一個(gè)補(bǔ)償裝置只能補(bǔ)償一個(gè)擾動(dòng)因素，對(duì)其余擾動(dòng)均不起補(bǔ)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(dòng)控制結(jié)合起來，對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制，同時(shí)，再組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差。這種按偏差控制和按擾動(dòng)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(dòng)已被補(bǔ)償，反饋控制系統(tǒng)就比較容易設(shè)計(jì)，控制效果也會(huì)更好。復(fù)合控制中的順饋通路相當(dāng)于開環(huán)控制，因此，對(duì)補(bǔ)償裝置的參數(shù)穩(wěn)定性要求較高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王田苗等.機(jī)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.