第四章控制工程中常用驱动控制技术
控制工程基础
控制工程基础控制工程基础控制工程是应用数理科学、工程科学和计算机科学等，对动态系统进行建模、分析、设计和实现的一门学科。
它的基础知识包括：系统理论、信号与系统、自动控制理论、数字信号处理、电子电路、计算机科学基础等，是自动化技术、机械工程、电子工程、信息工程、材料科学、冶金工程、化工工程、生物工程以及安全工程等众多工程领域的基础学科。
下面将对控制工程的基础知识进行简要介绍。
一、系统理论系统理论是控制工程的基石，它研究如何将物理、力学、电子学等各种不同类型的系统用一种公共的方式表示，以便于对系统进行分析和设计。
它包括了系统的三个基本部分：输入、输出和系统本身。
系统理论还涉及到系统的稳定性、响应特性、频率特性、自由度、模态等方面的概念和方法。
以温度调节器为例，它的输入和输出分别是设定的温度值和实际的温度值。
它所调节的系统就是温度系统，该系统可以被看作是一个变量到变量的映射函数。
系统理论的目的就是找到如何调整该映射函数的方法，从而让实际的温度值无限趋近于设定值，即实现对于温度的精确控制。
二、信号与系统信号与系统是控制工程中另一个基础概念，它是指在时间或空间上变化的各种信号，并且它们可以用某种系统进行处理。
信号可以是电压、电流、温度、光等，而系统可以是传感器、运算放大器、放大器、滤波器、元件等。
例如，温度调节器的信号就是温度值的变化，系统就是温度调节器本身。
这个系统可以通过控制电路来实现对于温度的控制。
信号与系统理论主要研究信号的特征、传输及处理系统的处理特性，以及信号和系统之间互相作用的规律等。
三、自动控制理论自动控制理论是指通过一定的算法和控制策略来实现目标的自动控制系统。
当系统出现误差时，自动控制系统会自动地对系统进行反馈调整。
该理论是实现各种控制系统的核心。
它不仅涉及到系统的稳定性分析、响应特性、控制系统的设计方法以及控制策略的选择等基本问题，还包括控制器设计、检测和分析等方面。
四、数字信号处理数字信号处理（DSP）是将模拟信号转化为数字信号，并对这些数字信号进行处理的技术。
第四章控制工程中常用驱动控制技术
（4）应具有必要的保护环节 ◆ 短路保护 ◆ 过流保护 ◆ 欠电压 ◆ 过载保护 ◆ 零电压保护
电气控制线路常用保护环节
（5）经验设计法的应用举例
◆ 工艺简介
右图为钻削加工时刀架的自
动循环示意图，具体要求为：
SQ2
SQ1
自动循环：即刀架由位置1移动
到位置2进行钻削加工后自动退
回位置1，实现自动循环。
◆ 尽量减少连接导线 ◆ 尽量减少电器元件的带电时间
减少触头数目
不合理
减少连接导线
合理
（3）防止寄生电路
控制电路在正常工作或事故情况 下，发生意外接通的电路叫寄生电 路。若控制电路中存在寄生电路， 将破坏电器和线路的工作顺序，造 成误动作：如图所示电路在正常工 作时能完成正、反向起动，停止时 信号指示，但当热继电器FR（K） 动作时，线路出现了寄生电路，图 中虚线所示，使正向接触器KM1不 能释放，起不了保护作用。
电器元件要正确连接，电器的线圈和触头连接不正确，会使 控制线路发生误动作，有时会造成严重的事故。
◆ 线圈的连接
在交流控制线路中，线圈不能串联接入两个电器线圈，如下 图。两个电器需要同时动作时，线圈应并联连接。
KM1
KA KM2
◆ 电器触头的连接
同一个电器的常开触头和常闭触头位置靠得很近，不能分别 接在电源的不同相上。如下图所示
电气控制原理图、电气设备安装图和电气设备接线图三种
CW6132型普通车床电气原理图
动作电流 范围 整定值
电气控制原理图
u 绘制电气原理图应遵循的原则 ① 所有电器元件的图形、文字符号必须采用国家规定的统一标准。 ② 电器控制线路根据电路通过的电流大小可分为主电路和控制电路。 ③ 采用电器元件展开图的画法，即同一电器元件的各部件可以不画在一
控制工程基础(总结)
输出：
xo
(t)
1 T
t
eT
,
t0
（3）一阶系统的单位速度响应
输入信号： xi (t) t
输出：
xo
(t
)
t
T
t
Te T
,
t0
系统对输入信号导数的响应等于系统对该 输入信号响应的导数。系统对输入信号积分 的响应等于系统对该输入信号响应的积分， 其积分常数由初始条件确定。
时间常数T反映了一阶惯性环节的固有特性， 其值越小，系统惯性越小，响应越快。
控制工程基础
课程总结
《控制工程基础》课程的基本内容
控制系统 工作 控制系统 的组成 原理 的分类
PID校正
控制系统的概念 分析
滞后校正
控制系统
校正
常用校 正方式
设计
对控制系统的基本要求
超前校正
滞后—— 超前校正
稳定性 准确性 快速性
时域分析法 频域分析法
一、控制系统的概念
1. 工作原理：
首先检测输出量的实际值，将突际值与给定值（输入 量）进行比较得出偏差值,再用偏差值产生控制调节信号 去消除偏差。
试判断系统的稳定性。
2．已知开环传递函数，求系统稳定时的某参数的取值。
设某闭环控制系统如图4所示，试确定k为何值时，该系统稳定？
Xi(s)
1
_ s 1
k s(s 4)
X0(s)
3．根据Nyquist图、Bode图直接判断。
五．方框图简化
基于方框图简化法则，试求取图所示方框图对应的传递函数。
Xi(s)
校正的实质就是改变系统零、极点数目和位置。
（二）常用校正方式 1.串联校正 2. 并联校正 3. 复合校正
控制工程中的模型预测控制技术及应用
控制工程中的模型预测控制技术及应用控制工程是一个重要的领域，它涉及到我们日常生活中的许多产品、设备和系统。
在控制工程中，模型预测控制技术是一种非常重要的工具，它可以用来预测系统的未来行为，并根据预测结果来控制系统的行为，以达到我们想要的目标。
一、什么是模型预测控制技术模型预测控制技术是一种基于数学模型的控制方法，它将系统建模为一个数学模型，并根据模型预测未来的系统行为。
根据预测结果，该技术可以生成一组控制器输出，以实现所需的控制目标。
这种技术广泛应用于各种类型的系统，例如化工过程、电力系统、交通工具和机器人等。
模型预测控制技术有许多不同的实现方式，例如广义预测控制、序列预测控制和约束优化预测控制等。
这些实现方式都基于不同的数学模型和控制算法，但它们都具有相同的核心思想：根据模型预测未来的系统行为，并根据预测结果来决定控制器的输出。
二、模型预测控制技术的应用模型预测控制技术在很多领域都得到了广泛的应用，以下是其中几个应用案例：1. 化工过程控制模型预测控制技术在化工过程中得到了广泛应用。
它可以用来控制反应器中的化学反应，并确保反应物以正确的比例混合。
这种技术还可以用于控制传送带上的材料，以确保材料以正确的速度和比例传送。
2. 电力系统控制模型预测控制技术在电力系统中也得到了广泛应用。
它可以用来调节发电机的输出，以确保电网的稳定运行。
这种技术还可以用于控制供电网络中的电流和电压，以确保电力系统的正常运行。
3. 交通工具控制模型预测控制技术在交通工具中也得到了广泛应用。
例如，可以将该技术用于汽车的自动驾驶系统中，以实现更加精确的路线跟踪和避免与其他车辆的碰撞。
4. 机器人控制模型预测控制技术还可以用于机器人的控制。
例如，可以将该技术用于机器人的运动控制中，以确保机器人沿着正确的路径移动，并避免与其他对象的碰撞。
三、模型预测控制技术的优缺点虽然模型预测控制技术有很多优点，但它也存在一些缺点。
以下是其中的一些：优点：1. 预测未来行为：模型预测控制技术可以预测系统未来的行为，从而能够做出更好的控制决策。
plc课程设计任务书
plc课程设计任务书一、课程目标知识目标：1. 让学生理解PLC（可编程逻辑控制器）的基本原理，掌握其工作流程和编程方法。
2. 使学生掌握PLC的常用指令，并能运用这些指令完成简单的控制程序编写。
3. 帮助学生了解PLC在工业自动化中的应用，提高对实际工程问题的解决能力。
技能目标：1. 培养学生运用PLC软件进行程序设计和调试的能力。
2. 培养学生通过团队协作，分析问题、解决问题的能力。
3. 提高学生动手实践能力，学会使用PLC控制硬件设备。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对PLC技术的兴趣，激发学习热情，树立正确的学习态度。
2. 培养学生具备创新意识和实践精神，敢于面对挑战，勇于克服困难。
3. 通过课程学习，使学生认识到PLC技术在工业发展中的重要性，增强国家使命感和社会责任感。
课程性质：本课程为实践性较强的学科，注重理论联系实际，强调学生的动手能力和创新能力。
学生特点：学生具备一定的电子基础和编程能力，对新鲜事物充满好奇，但可能缺乏实践经验。
教学要求：结合学生特点，以实际应用为导向，注重启发式教学，鼓励学生参与实践，培养其独立思考和解决问题的能力。
将课程目标分解为具体的学习成果，以便在教学过程中进行有效评估。
二、教学内容1. PLC基本原理及结构：包括PLC的定义、发展历程、主要组成部分及其功能。
教材章节：第一章 可编程逻辑控制器概述2. PLC工作原理及编程方法：讲解PLC的工作流程、编程语言和编程规则。
教材章节：第二章 PLC工作原理与编程基础3. PLC常用指令及其应用：介绍PLC的常用指令，如逻辑运算、定时器、计数器等，并结合实例进行分析。
教材章节：第三章 PLC指令系统及编程实例4. PLC控制系统设计：讲解PLC控制系统的设计步骤、硬件选型和软件编程。
教材章节：第四章 PLC控制系统设计5. PLC在工业自动化中的应用：介绍PLC在各个领域的应用案例，分析其优缺点。
教材章节：第五章 PLC在工业自动化中的应用6. PLC实践操作：组织学生进行PLC编程软件的使用、程序设计、调试及硬件控制等实践活动。
3.8、机电控制_驱动技术
液压式执行元件 在同样输出功率下，液压驱动装置具有重量 轻、惯量小、快速性好等优点。 它适用于驱动中大规模的机器，如负载力在 20千克力~30千克力以上的机器中。 液压系统主要由高压油泵、伺服阀、液压马 达和其他辅助元件组成。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
气压式执行元件 驱动功率在液压和电动之间。具有代表 性的气压执行元件有气缸、气压马达等。 具有结构简单、可靠性高、价格便宜等优点。 一般只用在做点到点的简单固定动作，不能 在定位精度较高的场合使用。
M kM I
U E RI k e RI
di U E Ri La dt M k M i d M M c J dt
直流伺服电机的调速方法
直流伺服电机的调速方法主要有三种：
一种是电枢控制调速．也叫恒转矩调速； 第二种是磁场控制调违，也叫弱磁控制调速， 或称为恒功率调速； 第三种是这两种方法的组合，即混合调速。
电机功率估算
交流伺服电动机及其驱动
交流电动机工作原理
同步交流电机工作原理
60 f (1 s ) n (1 s ) n0 (r/min) p
f——交流电源频率；
p——磁极对数； n0——电机空载转速； s——转差率，s=(n0-n)/n0。
交流伺服电动机控制
改变加在电机上的电源频率； 改变转差率s，即改变加在电机上的电 源电压； 改变电机的磁极对数。
(5) 从另一方面来看，交流伺服电机由于其结构 简单，不需另配直流电源的极大优点。
(6) 相对步进电机驱动来说，直流伺服 和交流伺服驱动的功率大，输出力矩大， 速度快(转速高)．控制精度高，价格也 高。
第四章 数据采集和控制
第四章数据采集和控制4.1概述在控制系统中，现场的原始数据,如温度、压力、设备状态等，是系统的基础和关键，无法获取这些数据，所有针对它们进行的计算和操作就都是错误的，离开了这些数据系统就象人没有了视觉和触觉一样，自动化就是一句空话。
同样地，建立在控制系统基础之上的监控系统，及时准确地采集和控制数据也是组态软件的基础。
不过作为更高层次的系统，监控系统在实时性等方面比控制系统的要求要低。
例如，控制系统是通过电缆连接现场的每个信号/数据的，数据的采集，运算处理和控制动作很快，而监控系统一般通过通信线路从控制系统中取得现场数据，实时性就低很多，运算处理一般都是和监控相关的，并不参与过程控制，即使数据连接通信断开了，对过程控制也没有大的影响。
4.2 控制网络数据传输介绍要想了解组态软件的数据采集和控制的方式，就要了解控制系统的网络构成，对于大多数控制系统来说，一般的网络构成主要有三部分：现场层，控制层，监控层。
图4.1 控制系统和监控系统的数据采集和控制现场层：这一层包括现场的各种设备，是控制系统的被控对象，在数据传输方面主要提供数据的传输接口，这些接口包括串口，以太网等控制层：这一层包括各种对现场层设备的控制元件，是控制系统的执行机构，在数据传输方面主要是把现场来的各类电信号转换为数据信号。
监控层：这一层包括各类监控设备和数据处理设备，是控制系统的控制中心，在数据传输方面主要是对控制层来的各种数据进行处理。
上面说了数据传输的三层网络，那么数据是怎么在这三层之间传输呢？这就需要了解数据传输的介质，这些介质就包括传输的硬件和传输的协议。
4.2.1 设备硬件1、RS-232 接口在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。
RS-232接口是目前最常用的一种串行通讯接口。
在RS-232 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。
即：逻辑"1"为-3 到-15V；逻辑"0"为+3 到+15V 。
《驱动控制》课件
驱动控制的历史与发展
01 历史回顾
从早期的蒸汽机、电动机到现代的伺服系统、步 进电机等，驱动控制技术在不断发展。
02 发展趋势
随着科技的不断进步，驱动控制技术正朝着数字 化、智能化、网络化等方向发展。
03 技术前沿
如无刷直流电机、永磁同步电机等新型驱动装置 和控制算法的应用，为驱动控制技术的发展带来 了新的机遇和挑战。
03
驱动控制原理
驱动控制的基本原理
驱动控制的基本概念
驱动控制是利用驱动装置对被控对象进行控制的过程，目的是使 被控对象的输出达到预期的目标。
驱动控制的组成
驱动控制主要由驱动装置、被控对象、传感器和控制单元等组成 。
驱动控制的分类
根据不同的分类标准，驱动控制可以分为不同的类型，如按照控 制方式可分为开环控制和闭环控制。
未来发展方向
智能化和自动化
随着人工智能和物联网技术的发展， 驱动系统将向智能化和自动化方向发 展，实现更加高效、精准的控制和管
理。
定制化和个性化
未来驱动系统将更加注重定制化和个 性化，满足不同用户和场景的需求，
提高系统的适用性和用户体验。
绿色环保
随着环保意识的提高，未来驱动系统 将更加注重绿色环保，减少能源消耗 和排放，实现可持续发展。
参数优化
对控制系统的参数进行优化，以获得更好的控制效 果。
抗干扰优化
采取有效的抗干扰措施，减小外部干扰对控 制系统的影响。
04
驱动控制的应用
工业自动化领域
总结词
广泛应用，提高生产效率
详细描述
驱动控制在工业自动化领域中发挥着重要作用，主要用于控制各种自动化设备和系统，实现高效、精准的生产， 提高工业生产的效率和品质。
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ABC
Q
FU
FR
SB1 SB2
KM
FR M 3~
KM KM
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13
若将控制电路中的自锁 触点KM除去，就可以实 现对电动机的点动控制。 按下起动按钮电动机就转 动，一松手就停止。点动 控制在生产中也是常见的。
此时，无自锁。
ABC
Q
FU
FR
SB1 SB2
钮、行程开关、保护元件等器件组成的控制线路，通称为电气控制 线路，即继电接触式控制系统。 2、电气控制线路的表示方法
电气控制原理图、电气设备安装图和电气设备接线图三种
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4
CW6132型普通车床电气原理图
动作电流 范围
整定值
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2
4.1.1 电气控制线路的图形、文字符号
1、图形符号及文字符号(1990年1月1日开始执行的) 由国家标准局颁布的GB/T4728.1~5-2005及其GB/T4728.6~13-
2008 《电气图用符号》及GB/T6988-2008《电气制图》和GB/T71591987《电气技术中的文字符号制订通则》。
CW6132型车床电气互连图
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10
4.1.3 笼型电动机（三相笼型异步电动机）的起动控制线路
三相笼型异步电动机的控制线路大都由继电器、接触器和按钮等有 触点的电器组成。
其基本的控制线路有：直接起动控制线路、正反转控制线路、减压 起动控制线路、点动与连续运动的控制线路、多地点控制线路、顺序控 制线路和自动循环控制线路。
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11
1、直接起动控制线路
Q
主 FU1
FU2
电2
路
1
KM
FR
M 3~
FR
控制电路
SB1
SB2
KM
KM
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控制电路具有的功能
1、短路保护FU 2、过载保护FR 3、失压、欠压保护KM 4、自锁KM
5、SB2起动按钮 6、SB1停车按钮
第四章控制工程中常 用驱动控制技术
4.1 继电接触式控制系统
在以电动机为动力的生产机械中，要根据生产过程的要求对 电动机进行起动、停止、正转或反转、调速及制动等方面的控制。
对电动机的控制常要用到开关、继电器及接触器等控制电器组 成的控制电路——这种控制电路称为继电接触式控制系统。
控制电器可分为两大类：手动电器，如按钮、组合开关及闸 刀开关等；自动电器，如继电器、接触器及行程开关等。
◆ 图面区域的划分 按被控对象和控制功能的不同进行划分。
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6
电气设备安装图
各种电气设备在机械设备和电气控制柜中的实际安装位置
安装 图
机械设备 的结构
机械设备 的工作要
求
电动机与被拖动的机械部件 传感器与被检测信号的来源点 电气元件的操作、检修等需求 信号传输的需求，电缆的分布等等
KM
FR M 3~
KM KM
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2、 笼型电动机正反转的控制线路
AB C S FU
KMF
FR V
UM W 3~
要使电动机给够实现反转，只要把接到电源的任意两根 联线对调一头即可。为此用两个接触器来实现这一要求。
设 KMF 为实现电机正转的接触器， KMR 为实现电机 反转的接触器。
KMR
合上 S 接通电源
让 KMF 线圈通电 其主触点闭合
三相电源 ABC 分别通入电机三相绕组 UVW ， 电动机正转。
KMF 线圈断电，主触点打开，电机停。
让 KMR 线圈通电
其主触点闭合
三相电源 ABC 通入电机三相绕组变 为 A — U 未变，但 B — W ，C — V。
电动机将反转
常用电气图形符号和文字符号如P99的表4-1和表4-2，表4-3所列。 2、接线端子标记
符合国家标准GB4026-1983《电器接线端子的识别和用字母数字 符号标记接线端子的通则》。
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3
4.1.2 电气原理图画法
1、电气控制线路的定义 以各类电机或其他执行电器为被控对象，以继电器、接触器、按
⑤ 电器元件布置不宜过密，应留有一 定间距。如用走线槽，应加大各排电器间 距，以利布线和维修。
CW6132型车床控制盘电器布置图
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8
CW6132型车床电气设备安装布置图
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电气设备接线图
各种电气设备之间的实际接线情况
5
电气控制原理图
u 绘制电气原理图应遵循的原则 ① 所有电器元件的图形、文字符号必须采用国家规定的统一标准。 ② 电器控制线路根据电路通过的电流大小可分为主电路和控制电路。 ③ 采用电器元件展开图的画法，即同一电器元件的各部件可以不画在一
起，但需用同一文字符号标出。 ④ 所有按钮、触头均按没有外力作用和没有通电时的原始状态画出。 ⑤ 控制电路的分支线路，原则上按照动作先后顺序排列。
பைடு நூலகம்
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电器元件的布置应注意以下几方面： ① 体积大和较重的电器元件应安装在
电器安装板的下方，而发热元件应安装在 电器安装板的上面。
② 强电、弱电应分开，弱电应屏蔽， 防止外界干扰
③ 需要经常维护、检修、调整的电器 元件安装位置不宜过高或过低。
④ 电器元件的布置应考虑整齐、美观、 对称。外形尺寸与结构类似的电器安装在 一起，以利安装和配线。
动合触点闭合 动断触点打开 电机停转
→ 电机反正转并自锁 →实实现现互互锁锁功功能能
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3、笼型异步电动机的减压启动控制线路
较大容量的笼型异步电动机（大于10kw）直接启动时，电流为其 额定电流的4—8倍，过大的启动电流会对电网产生巨大的冲击，所以 一般采用减压方式来启动，即起动时降低电动机定子绕组的电压，起 动后恢复，降低电压可以减小起动电流，不产生大的电压降，减小对 线路电压的影响。
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S
FU
主 电 路
KMF
FR
M 3~
笼型电动机正反转的控制线路
FR
SB1
SBF
控制电路
KMR KMF
缺点：要想改 变电机转向， 必须先按停止 按钮。
KMR
KMF SBR
KMF KMR
动作次序
合上 S
接通电源
KMR
按按SSBBFR → KMRF通通电电 按SB1 → KMF断电→