机电控制工程
控制工程基础-机电(3)
2
控制工程基础课程结构
控制工程基础总结
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
3
第1章 绪论
惯性环节： 1
Ts 1
延迟环节： e s
13
第3章 系统的数学模型
第3章控系制统工的程数基学础模总型结
例：试求如图所示机械系统的传递函数。其中，F(t)为系统的 输入外力，y(t)为系统的输出位移，M1和M2为质量块，K1和K2 为弹簧的弹性系数，B为阻尼器的阻尼系数。（忽略质量块重力 作用）（共10分）
K G( j2)
1 4T 2
() G( j) arctanT (2) G( j2) arctan 2T
对于正弦输入r(t)=2sin2t的频率响应为：
r
(t
)c(t
)Asin1
2k
4tT
2
sin(c2(tt)
arcGtg(2jT))
Asin t
G(
j)
31
第5章 系统的频域分析
控制工程基础总结
K12
d
ds
(s
s3 2)2 (s
1)
(s
2)2
s2
2
K2 F(s)(s 1)s1 2
F (s)
(s
1 2)2
s
2 2
s
2 1
11
第3章 系统的数学模型
机电控制工程定义
机器人定义（针对制造业）
• 1967年在日本召开了第一届机器人学术会议，森政弘提出定义“机 器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、自主性、半机械 性、奴隶性等7个特征”。加藤一郎提出“机器人具有脑、手、脚等 三要素的个体；具有非接触性和接触性传感器”。 • 美国RIA：工业机器人是完成不同作业，根据程序化的运动，实现材 料、部件、工具移动，并可编程的多功能操作机。 • 日本JIRA：工业机器人是在三维空间具有类似人体上肢运动的功能 和结构，并能完成复杂空间动作的多自由度自动机械。
对准期的要求
理想情况下，当过渡过程结束后，被控量达 到的稳态值（即平衡状态）应与期望值一致。 但实际上，由于系统结构、外作用形式以及 摩擦、间隙等非线性因素的影响，被控量的稳态 值与期望值之间会有误差存在，称为稳态误差。 稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志， 在技术指标中一般都有具体要求。 起初研发灵巧手钢丝绳驱动存在很大误差
对快速的要求
为了很好完成控制任务，控制系统仅仅 满足稳定性要求是不够的，还必须对其过 渡过程的形式和快慢提出要求。 对控制系统过渡过程的时间（即快速 性）和最大振荡幅度（即超调量）一般都 有具体要求。 起初研发的四足机器人行走十分缓慢
机电控制系统的基本控制方式
• 反馈控制方式 • 开环控制方式 • 复合控制方式
反馈控制方式 反馈控制是机电控制系统最基本 的控制方式，也是应用最广泛的一种 控制系统。
在反馈控制系统中，控制装置对 被控对象施加的控制作用，是取自被 控量的反馈信息，用来不断修正被控 量的偏差，从而实现对被控对象进行 控制的任务，这就是反馈控制的原理。
机电控制工程Ⅱ
（定义，组成，要求） （机械、电控、编程、用途） 北京航空航天大学 机器人研究所
机电控制工程基础课后习题答案左健民
机电控制工程基础课后习题答案第一章：引论1.题目问题：简述机电控制工程的基本概念和发展历程。
答案机电控制工程是一个交叉学科，它涉及机械工程、电气工程和控制工程等多个学科的知识与技术。
其基本概念包括机电系统、控制系统和传感器系统。
机电系统由机械设备、电气设备和控制设备组成，用来完成特定的运动任务。
控制系统由传感器、控制器和执行器组成，用来监测和控制机电系统的运行状态。
传感器系统负责采集、测量和传输机电系统的运行数据。
机电控制工程的发展历程可以分为三个阶段。
第一个阶段是机械、电气和控制等学科独立发展的阶段，各自在不同领域取得了一定的成就。
第二个阶段是机械、电气和控制等学科开始相互交叉融合的阶段，机电系统的概念逐渐形成。
第三个阶段是机电控制工程逐渐成为一个独立学科，形成了一整套完整的理论和方法体系。
第二章：电气与电子技术基础2.题目问题：简述直流电路的基本特点和常用电路元件。
答案直流电路是指电流方向恒定的电路。
其基本特点包括以下几个方面：•电流方向不变。
在直流电路中，电荷只能沿着一个方向移动，电流的方向不会发生改变。
•电压稳定。
直流电源提供的电压一般是恒定的，不会发生明显的波动。
•电阻内部不产生能量损耗。
电阻元件在直流电路中，不会消耗电能，只会产生热能。
常用的直流电路元件包括电容器、电感器和电压源。
电容器用来存储电荷，具有储能效果。
电感器则用来存储磁能，具有阻尼和滤波效果。
电压源是直流电路中常用的电源元件，用来提供稳定的电压。
第三章：电路理论与分析3.题目问题：简述电路的戴维南定理和诺顿定理。
答案戴维南定理和诺顿定理是电路分析中常用的方法，用于简化电路的计算和分析。
•戴维南定理：戴维南定理又称为戴维南-诺顿定理，它指出：任意一个由电压源、电流源和电路元件组成的线性电路，可以用一个等效的电流源和等效的内阻表示。
通过计算戴维南等效电流源和内阻，可以将复杂的电路简化为一个更容易分析的等效电路。
•诺顿定理：诺顿定理是戴维南定理的一种特例，它用电压源和等效的电阻来表示电路。
机电控制工程基础综合练习概念题
《机电控制工程基础》综合练习概念题解析一、填空1. 自动控制就是 人直接参与的情况下， 使生产过程的输出量按照给定的规律 。
(没有，运行或变化)2．系统的稳定性取决于 。
（系统闭环极点的分布）3. 所谓反馈控制系统就是的系统的输出 地返回到输入端。
（全部或部分）4. 给定量的变化规律是事先不能确定的，而输出量能够准确、迅速的复现给定量，这样的系统称之为 。
（随动系统）5. 在 下，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比称为线性系统（或元件）的 。
（零初始条件，传递函数）6. 单位积分环节的传递函数为 。
（1/s ）7．一阶系统11+Ts ，则其时间常数为 。
（T ） 8．系统传递函数为W(s)，输入为单位阶跃函数时，输出拉氏变换Y (s)为 。
（s s W )(）9．单位负反馈系统开环传函为)1(9)(+=s s s G ，系统的阻尼比ξ= 、无阻尼自振荡角频率ωn 为 ，调节时间ts （5％）为 秒。
（0.167,3,6）10．反馈信号(或称反馈)：从系统(或元件)输出端取出信号，经过变换后加到系统(或元件)输入端，这就是反馈信号。
当它与输入信号符号相同，即反馈结果有利于加强输入信号的作用时叫 。
反之，符号相反抵消输入信号作用时叫 。
（正反馈, 负反馈）11．Ⅰ型系统 地跟踪单位斜坡输入信号。
（无静差）12. 某环节的传递函数为2s ，则它的幅频特性的数学表达式是 ，相频特性的数学表达式是 。
(2ω,90o)13.单位反馈系统的开环传递函数为)3)(2()(*++=s s s K s G ，根轨迹的分支数为 。
(3) 14. 负反馈结构的系统，其前向通道上的传递函数为G(s)，反馈通道的传递函数为H(s)，则该系统的开环传递函数为 ，闭环传递函数为 。
(G(s)H(s)，)()(1)(s H s G s G +)15. 函数f(t)=2t 的拉氏变换为 。
(22s )16．单位负反馈结构的系统，其开环传递函数为)2(+s s K 则该系统为 型系统，根轨迹分支数为 。
基础知识_机电控制工程PPT演示课件
2019年4月20日星期六
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传递函数转换为状态方程
1 0 0 0 0 1 A 0 0 0 an an 1 an 2 C 1 0 0 , D 0 0 1 0 2 ,B 1 n 1 a1 n
机电控制工程
2019年4月20日星期六
1
教师资料
– – – – 姓名：张嵘 办公地点：五金库2006 联系方法：71335 E-mail：rongzh@
2019年4月20日星期六
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2019年4月20日星期六
3
课程内容
– 机电系统建模 – 电机的原理与控制 – 伺服系统分析 – 实验
x Ax Bu y Cx Du
2019年4月20日星期六 20
状态方程转换为传递函数
Y ( s) 1 G( s) C ( sI A) B D U ( s)
2019年4月20日星期六
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方块图
y (t ) Ku (t )
t
Y ( s ) KU ( s )
教学计划
– – – – 第1~8周 讲课 第9~14周 实验 第15周 课程设计讨论 第16周 考试
4
2019年4月20日星期六
考核要求
项目 比例
15％ 30％ 15％ 40％
备注
布置后两周内交齐， 过时无效 实验完成后两周内交 齐，过时无效 第16周交齐 开卷
作业 实验 大作业 考试
2019年4月20日星期六
输出
前馈控制器引入输入信号的导数分量， 加快系统对输入信号的响应速度
机电控制工程基础课件：机电控制系统应用举例
机电控制系统应用举例
图 9－7 水位自动控制的自动调节过程
机电控制系统应用举例
9. 3 发动机离心调速系统
9. 3. 1 液压阀控液压缸和液压阻尼器 1. 液压阀控液压缸 液压阀控油缸(又称液压伺服阀)是液压伺服系统中常用
的一种执行元件。其结构原理图如图 9－8 所示。它实际上 是一个控制滑阀和一个动力液压缸的组合。
机电控制系统应用举例
1. 系统组成 1 )交流伺服电机 图中的被控对象是交流伺服电动机 SM , A 为励磁绕组, 为使励磁电流与控制电流互差 90° 电角,励磁回路中串接了 电容 C1 ,它通过变压器 T 1 产生的交流电源供电。 B 为控制 绕组,它通过变压器 T 2 经交流调压电路接于同一交流电源。 供电的电源为 115V 、 400Hz交流电源。系统的被控量为角 位移 θ 0 。
机电控制系统应用举例 2. 系统方块图 综上所述,可得如图 9－2 所示的位置随动系统的方框图。
图 9－2 位置随动系统方框图
机电控制系统应用举例
3. 工作原理 在稳态时, θo = θ i , Δ U =0 , U k 1 = U k 2 =0 , VT 正 与 VT 反 均关断, U s =0 ,电机停转。当位置给定信号 θi 改变,设 θ i 增大,则 U θ i = kθ i ,偏差电压 Δ U ( = U θ i - Ufθ) >0 ,此信号电 压经 PID 调节器 A 1 和放大器 A 2 后产生的 U k 1 >0 ,使正组 触发电路发出触发脉冲,双向晶闸管 VT 正 导通,使电动机正 转, θ o 增大。这个调节过程一直继续到 θ o = θi ,到达新的稳 态,此时 Ufθ= U θ i , Δ U =0 , U k 1 =0 , VT 正 关断,电机停转。 如图 9－3 ( a )所示。
四川大学制造科学与工程学院本科课程《机电控制工程》教学
（1）能够将数学、自然科学、 运行等过程中的复杂工程问题所需的工程 机械工程基础知识和专业知识用于 基础知识和专业知识；
学习目标 1
解决机械工程领域设计、制造、运
1.3 能够运用数学、自然科学、工程基
行等方面的复杂工程问题。
础和专业知识解决机械工程领域的复杂工 学习目标 2
程问题。
3.2 具备与机械设计制造及其自动化领
7
（3）能够设计满足特定需求的 机械产品功能原理方案、零部件及 机械系统，或针对机械工程领域设 计、制造、运行等方面的复杂工程 问题，拟定相应的设计、制造、运 行方案，并能够综合考虑社会、健 康、安全、法律、文化以及环境因 素，体现创新意识。
域相关的社会、健康、安全、法律、文化 以及文化等方面的基础知识，针对机械工 程领域设计、制造、运行中的复杂工程问 题所提出的解决方案中，能够考虑上述因 素；
机电控制工程
机电控制工程机电控制工程是将机械学、电子学和自动控制理论相结合，应用于机械系统的自动控制领域。
这个领域涵盖了机械、电子、计算机、控制等多个学科的知识，旨在设计和实现能够对机械系统进行控制和监测的自动化系统。
1.工程概述机电控制工程的目标是通过引入先进的控制技术，使机械系统能够满足特定的性能要求和操作条件。
这些系统可以是各种类型的机械设备，如机床、机器人、自动化生产线等。
机电控制工程主要涉及以下几个方面：•机械设计：设计机械系统的机构、传动和执行器等部件，使其具有良好的运动性能和可靠性。
•电子设计：设计机械系统的电气控制部分，包括传感器、执行器、电路和电源等，以实现对机械系统的控制和监测。
•自动控制：设计和实现控制算法，根据输入信号和系统反馈信息，控制机械系统的运动和行为。
2.机电控制系统的组成机电控制系统由以下几个基本组成部分组成：1.传感器：传感器用于感知机械系统的状态和环境条件，比如测量位置、速度、力等参数。
传感器将这些信息转化为电信号，供控制系统使用。
2.执行器：执行器是机械系统中实际完成工作的部件，比如电机、液压马达等。
执行器接收控制系统的指令，将电信号转换为机械运动或力输出。
3.控制器：控制器是机电控制系统中的核心部件，负责接收传感器反馈信息，根据预定的控制算法计算输出信号，并将其发送给执行器。
常见的控制器包括微处理器、PLC等。
4.电源：为了保证机电控制系统的正常运行，需要稳定的电源供应。
电源提供所需的电能，并确保系统各部件的电压和电流符合要求。
5.通信接口：机电控制系统通常需要与其他设备或系统进行通信，以实现数据共享和远程控制。
通信接口可以通过串口、以太网等方式实现。
3.机电控制工程的应用机电控制工程广泛应用于许多领域，如制造业、机械加工、交通运输、航空航天等。
下面列举几个常见的应用领域：1.自动化生产线：机电控制工程可以用于设计和实施自动化生产线，从而提高生产效率和产品质量。
自动化生产线可以实现自动化装配、包装和检测等任务。
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步进电机基础
电机旋转一周需要多少个脉冲？ 360/5.625×64=64×64=4096
步进电机基础
➢实验中用到的步进电机：四相
a. 四相四拍
a.四相四拍 b.四相双四拍 c.四相八拍
b. 四相双四拍
c.四相八拍
A->B->C->D AB->BC->CD->DA A-> AB-> B->BC->C-> CD-> D-> DA
控制拍子顺序倒置即让电机反转！
步进电机控制
➢环形分配器的实现
采用软件方式： 四相八拍环形分配器数值表如下，在单片机程序中延时 一段时间后按顺序轮转输出以下值以使其正转或反转。
序号 A
B
C
D
方向
引脚 PB1： A相
1
1
0
0
0 反转
PB3： B相
2
1
1
0
0
PB2： C相
3
0
1
0
0
PB4： D相
4
0
1
1
四相八拍环形分配器程序
if(step_choice == EIGHTBEATS) //四相八拍 { if(dir_flag == FORWARD) //正转 { if(step == 0) A(); else if(step == 1) AB(); else if(step == 2) B(); else if(step == 3) BC(); else if(step == 4) C(); else if(step == 5) CD(); else if(step == 6) D(); else if(step == 7) DA(); } else if(dir_flag == BACKWARD) //反转 {…} step++; if(step == 8) step = 0; }
➢ 基本运算
• 相数：
m
• 状态系数： K(单三拍、双三拍时，K=1；单双六拍时，K=2)
• 电脉冲频率：f (Hz)
• 转子齿数： Z
齿距 = 360
步距角
Z齿距 = 拍数
=
360 拍数
Z
360 Kmz
转速n
f
60
360 KmZ
f
60 =
60 f
360
360 KmZ
• 增大转子齿数Z、定子相数m或者运行拍数K，可以减小步距角，提高 控制精度。
机电控制工程
1 步进电机基础 2 步进电机控制
步进电机基础
➢ 步进电机
• 将电脉冲信号变换成相应的角位移或者直线位移的机电执行元件。
• 步进电机的位移量与输入脉冲严格成比例，不会引起误差积累。 • 转速取决于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲信号数，转向
取决于绕组通电顺序。
➢ 应用
• 优点：简化系统，工作可靠，不需要位移传感器就可以达到较精确的 定位，获得较高的控制精度。
1 步进电机基础 2 步进电机控制
步进电机控制
➢ 采用AVR单片机作为主控单元，L298作为驱动芯片。
控制框图如下：
AVR
环形分配器
L298
转过的角度： 脉冲个数
转速：
频率
转向：
绕组通电顺序
步进电机
步进电机驱动电路
引脚PB1、PB3、PB2、PB4分别控制步进电机的A、B、C、D四相。
开始
步进电机速度控制
➢ 速度控制
实际上就是控制系统发出脉冲的频率。系统可以用两种方法确定 脉冲的频率： ❖ 软件延时：通过调用延时子程序的方法实现的，它占用CPU
• 双相轮流（三相双三拍）
AB—BC—CA—AB
• 单双相轮流（三相单双六拍） A—AB—B—BC—C—CA—A
• 单相轮流方式下，每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡 位置附近产生振荡，运行稳定性较差。另外，在切换时一相绕组断电而另一 相控制绕组开始通电，容易造成失步。
步进电机基础
➢ 基本概念
• 步距 输入一个电脉冲时，转子转过的角度。
• 齿距 各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。
• “单” 每次切换前后只有一相绕组通电。
• “双” 每次切换前后有两相绕组通电。
• “拍” 从一种通电状态换到另一种通电状态叫做一“拍”。
➢ 举例说明（三相步进电机）
• 单相轮流（三相单三拍 ） A—B—C—A
• 缺点：功率小，输出力矩小。
步进电机基础
1. SB接通，SA、SC、SD 断开，磁极B和转子0、 3对齐，其他产生错齿；
2. SC接通，SB、SA、SD 断开，磁极C和转子1、 4对齐，其他产生错齿。
3. 依次类推，A、B、C、 D四相轮流供电，转子 就会沿着A、B、C、D 转动。
步进电机基础
0
5
0
0
1
0
6
0
0
1
1 正转
7
1
0
0
1
脉冲的产生
➢ 定义8个宏
#define A() #define B() #define C() #define D()
(PORTB = 0B00000010) (PORTB = 0B00001000) (PORTB = 0B00000100) (PORTB = 0B00010000)
#define AB() (PORTB = 0B00001010) #define BC() (PORTB = 0B00001100) #define CD() (PORTB = 0B00010100) #define DA() (PORTB = 0B00010010)
引脚 PB1： A相 PB3： B相 PB2： C相 PB4： D相
四相八拍环形分配器程序
if(step == 0) A(); else if(step == 1) AB(); else if(step == 2) B(); else if(step == 3) BC(); else if(step == 4) C(); else if(step == 5) CD(); else if(step == 6) D(); else if(step == 7) DA(); step++; if(step == 8) step = 0;
初始化IO 初始化定时器
初始化AD 开中断 采集AD 显示AD
计算定时器初值
步进电机流程图
外部中断0 改变方向为正
外部中断1 改变方向为反
定时中断
重载定时 寄存器
输出时间 序列
步数+1
设定步数到 N Y 停止
计数器
根据控制算法产生时序脉冲
1、四相四拍： A->B->C->D->A 2、四相双四拍：AB->BC->CD->DA->AB 3、四相八拍： A-> AB-> B->BC-> C-> CD-> D-> DA->A