机电控制技术的发展历史和研究现状

机电控制技术的： 1.概念 2.发展历史 3.国内外研究 4.应用现状

什么是机电控制技术 二、机电控制技术的概念与内涵 定义 解决机电系统中控制问题的一门技术 任务 实施对机电系统的控制 核心内容 对电机的控制

机电控制技术 逻辑、过程控制技术 运动控制技术 控制网络技术 逻 逻辑控制 控制电器 辑 可编程控制器 过 计算机等 程 过程控制控制电器 控制仪表 控 可编程控制器 制 计算机等 技 术 复杂混合控制

运 速度控制 动 控 制 技 术 位置控制

控 通用通信网络 制 网 络 工业现场总线 与 通 信 技 术 工业以太网

机电控制的发展历史 第二阶段， 40-50 年代，相继出现了气动、电动单元组合仪表和巡回检测装置，以实现集中监视、集中操作和集中控制. 在生产、科研和国防等领域里，有大量的物理量需要按某种变化规律进行控制.在本世纪30 年代以前，工业生产大都处于手工操作状态，人们主要凭经验靠观察进行操作，劳动生产率很低.30 年代以后，控制技术有了很大发展，大体经历了以下四个阶段: 第一阶段， 30-40 年代，采用大尺寸的基地式仪表使压力、温度、流量等参数维持在一定范围.当时流行的经典控制理论，被用来解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题. 第二阶段， 40-50 年代，相继出现了气动、电动单元组合仪表和巡回检测装置，以实现集中监视、集中操作和集中控制.

第三阶段， 60 年代电子技术的迅速发展，出现了电动组合单元仪表E 型、E 型，适应了比较复杂的、以模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要 第三阶段， 60 年代电子技术的迅速发展，出现了电动组合单元仪表E 型、E 型，适应了比较复杂的、以模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要.计算机控制系统的出现，实现了直接数字控制(DDC) 与设定值控制(SPC) .现代控制理论开始得到应用，控制系统由单变量系统转向多变量系统. 第四阶段， 70 年代以来，微型计算机的出现使控制技术进人了智能化的新时代.这时期发展起来的机电一体.化(Mechanical and electronical integration) 技术，在世界范围内引起了强烈反响.机电一体化技术是将机械、电子、控制技术进行有机结合，实现技术装备和生产过程整体优化的高新技术.机电控制就是研究如何设计控制器并合理构成控制系统使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 控制、状态反馈控制、自造应控制、变结构控制、凡控制、模糊控制、神经网络控制等等.

机电控制国内外研究 主要研究方向 1）驱动与控制策略 从驱动与控制的基本理论出发，研究机电系统的驱动方法与控制策略，探索其在机械工程中的应用，机电系统的智能控制，智能作动器是研究的主要方向。目前从事高效电容卷取装置运动同步及张力控制的研究。 2）流体传动与控制 研究液压传动、气压传动的基本理论，面向生产实际，解决企业界在生产实际中提出的工程问题。先后为企业解决了巨型转子高精度静平衡、高扬程大流量移动式液压泵站等生产难题。目前从事数字式工程液压元件、绿色传动介质的研究开发研究。

3）微机电系统 以微机电系统为背景所进行基础研究，目前的工作集中在微加工、精密测量、微流动及电子封装技术的研究。 4）数控技术理论 以机床的驱动与控制为研究对象，研究开放式数控技术的基本理论、方法以及在机床领域的应用，目前从事雕刻机数控系统的研究。 5）现场总线技术的基础理论 以机电系统的计算机控制系统为背景，研究现场总线在工程控制领域的应用。

3．主要研究成果 （1）大型船舶螺旋桨静平衡检测 本研究所是国内率先开展大型船舶螺旋桨静平衡检测研究的院校，为镇江船舶螺旋桨厂，常州中海船舶螺旋桨有限公司、重庆衡山机械厂、镇江瓦锡兰船舶螺旋桨有限公司、江苏粤港船舶螺旋桨有限公司等开发了高精度船舶螺旋桨静平衡仪，淘汰了传统的低精度的卧式平衡方法，目前正在与相关企业、院所联合起草新一代船舶螺旋桨静平衡检测标准。下图是为某企业开发的船舶螺旋桨静平衡仪的主题部分。

（2）大型移动式液压抽水泵站 本研究所是最早将大型移动式液压抽水泵站从理论构想变为工业产品的国内研究院所，与江苏亚太泵业合作，在国内率先推出移动式液压抽水泵站，为解决我国部分地区的抗旱排涝和工程抢险提供了机动灵活的大型抽水装备，为企业年新增产值1000多万。下图是所开发的大型移动式液压抽水泵站的外形图。

（3）特种液压元件计算机检测系统 本研究所发挥自身技术综合优势，先后为镇江、无锡等地区的液压元件生产厂商提供技术咨询和检测试验装置的设计、成套等业务，为企业开发新产品提供了有效的技术保障，促进了企业的技术进步，在江苏省流体传动与控制技术领域具有良好的声誉。下图是为某企业开发的高温液压马达试验台和特种阀计算机检测试验台。

机电控制的应用现状 1 PID 控制 PID 控制方法是经典控制理论的代表，这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。 　　 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为 　　u(t)=kp(e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是0和t 　　因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s) 　　其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数

机电一体化产品(系统) 美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952) 数控车床

机电一体化产品(系统) 美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家机器人公司，Unimation。

日本安川公司娱乐机械狗(2001) 日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X(2002)

苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N. A 苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N. A. Armstrong送上月球。

第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996) 旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索。

中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986)。

日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976)

模拟PID调节器 PID控制器是一种线性调节器，其框图如图所示： PID控制器把给定值W与实际输出值Y相减，得到控制偏差e，偏差e经比例、积分、微分运算后，通过线性组合构成控制量u，然后用u对对象进行控制

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，反馈回控制器输入端，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.采用自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自组织的能力，因此有时自适应控制也被称作"仿生控制当前应用最成熟的主要有二种:一是自校正控制(srC) ，二是模型参考自适应控制(MRAC) ，图1 为它们的原理示意图.STC 一般适用于慢时变的对象调节，而具有参数突变和突加外负载干扰的场合则大多采用MRAC 或其变型.

自校正控制示意图 模型参考自适应控制示意图

自适应控制极大地改善了系统的性能，但是它比常规反馈控制系统复杂、昂贵，在使用中也有一些问题，如src 由于要进行大量的辨识计算，对于响应很快的系统进行实时控制很难;而MRAC 的主要困难有如何选择一合适参考模型以及要按李亚普诺夫稳定理论或波波夫超稳定理论来设计自适应律.虽然如此，自适应控制在理论发展和实践应用上，都取得了巨大的发展与成功，而且随着其进一步向智能化方向发展，其应用领域会越来越宽.吸收其它控制方法的优点，研究算法简便、鲁棒性强的自适应律是近年来发展的方向，如自适应前馈控制(adaptive feedback control) 、鲁棒自适应控制(robust adaptive conrol) 、非线性自适应控制(non一linear adaptive ∞ntrol)等等.

4 变结构控制(VSC) 变结构控制(Variable structure ∞ntrol ，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(sliding Mode)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.

6 模糊控制(FLC) 在工程实际中，需要控制的系统常常存在着不确定性、高度非线性、时变、时滞和分布式等特性，因此要建立精确的数学模型很困难，有时甚至不可能，因此传统的基于精确数学模型的控制方法无能为力.自从美国控制论学者扎德(L. A. Zadeh) 于1965 年提出模糊集合论以来，其理论和方法日臻完善.由于它在处理难以精确化的大系统、复杂系统中显得简洁而有力，被广泛应用于自然科学和社会科学各个领域.模糊控制是建立在模糊逻辑基础之上的，其将基于专家知识的控制策略转换为自动控制策略，可不需要建立数学模型而依靠模糊推理或其它先验知识来调定控制器.模糊控制适用于被控参量元精确的表示方法和被控对象各种参数之间元精确的相互关系的情况，它所依据的原理是模糊隐含概念和复合推理规则.经验证明在一些复杂系统，特别是存在定性的不精确和不确定信息的情况下，模糊控制的效果常优于常规精确控制.随着计算机的计算速度不断提高、储存与逻辑判断等功能不断发展，模糊控制从日常生活设施至工业等各个领域的应用不断拓宽，是一种很有前途的控制.

图2 是一个模糊控制系统的示意图. 这种控制系统的输入和输出都是精确值，而控制算法是模糊算法，因此该系统包含两种量的转换 图2 是一个模糊控制系统的示意图.这种控制系统的输入和输出都是精确值，而控制算法是模糊算法，因此该系统包含两种量的转换.模糊控制不必知道被控系统的数学模型，算法简单，抗干扰能力强，对系统无慢时变条件的要求，便于实时控制，但亦有不足之处，如不能实现最优控制，系统参数或外负载变化过大时要修正控制规则及控制精度不是很高等缺点.目前其发展趋势是与其他控制方式结合使用，综合各自优点，弥补其缺点.模糊控制可与最优控制、PID 控制及模型参考自适应控制相结合应用，效果良好.

2 机床电气控制系统的发展概况 1) 继电器-接触器控制系统 能对控制对象实现起动,制动,有级调速控制; 2　机床电气控制系统的发展概况 1) 继电器-接触器控制系统 能对控制对象实现起动,制动,有级调速控制; 结构简单,动作可靠;控制速度慢,控制精度差. 2) 连续控制方式和自动控制系统 20世纪30年代的电机放大机控制,40-50年代的磁放大器控制和水银整流器控制,1958年以后的晶闸管-直流电动机无级调速系统,80年代以来的新型电力电子元件-交流电动机无级调速系统; 控制简单,可靠性高,连续控制,拖动性能好.

机床电气控制系统的发展概况 3) 可编程序控制器(PLC) 是继电器常规控制技术与微机技术的结合,是一台按开关量输入的工业控制专用计算机; 具有逻辑运算功能,定时/计数功能,数字运算功能,通信功能. 4) 计算机数字控制系统 1952年美国出现第一台数控铣床,1958年出现加工中心,20世纪70年代CNC应用于数控机床和加工中心,80年代出现了柔性制造系统(FNS); 提高了生产机械的通用性和效率,实现机械加工全盘自动化.

单片机原理及应用 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

单片机的应用 　　目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 　　单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

7 神经网络控制(NNC) 基于人工神经元网络的智能控制系统近年来得到较大发展，并且越来越多地应用于控制领域的各个方面.从过程控制、机器人控制、生产制造、模式识别直到决策支持都有许多应用神经网络控制的成功例子，效果相当好.神经网络控制是模拟人的感官和脑细胞的工作原理而工作的，有一定的联想、推理、自组织等功能，系统中的硬件是模拟神经细胞的网络，软件则是模仿神经细胞的工作方式，即每个神经元接受信号按"乘权值后相加输出信号按"阔值"大小确定，而"权值"和"阔值"的确定则要经过训练，通过已知的输入输出关系和合适的算法便输出的实际值与要求的值间的偏差尽量小.训练可分为监督与元监督两类.监督训练与无监督训练同人们学习过程类似，可以分别类似为有指导学习与无指导学习.前者要有外界导师去评价纠正，后者没有导师，有自组织能力，能主动地调整自身的行为.因为神经网络在理论上可以趋近任何非线性映射，神经网络在解决非线性控制方面很有希望.复杂系统的建模很困难，用神经网络对其建模是很有前途的.

专家控制(EC) 专家控制(Expert Control)是将专家系统技术引人自动控制.人工智能系统中发展起来的专家系统是一种基于知识的、智能的计算机程序系统.专家系统有两个要素:知识库和推理机制.专家系统将专门领域中的问题求解思路、经验、方式组织成一个实际运行的形式系统，表现出一种拟人的智能性，它与传统的自动控制理论和方法的结合，便形成了专家系统控制的基本思想.一种典型的专家控制系统的组织结构如图机电控制系统都会碰到不确定性问题，因此同其他控制方法一样，专家控制亦有一个鲁棒性问题.影响专家控制系统的鲁棒性至少有两个方面的原因，一是加至输出反馈信号上的干扰(扰动) ，二是系统的时滞特性.

结论 从以上论述看出，随着机电一体化的形成，所采用的控制技术已经向数字化、智能化方向发展.机械技术同电子技术、控制技术、信息技术的结合日益紧密，从而使机电产品或系统的性能有了质的飞跃，进入了智能化的新时代.机电产业是国民经济的第一支柱产业，为提高机电产品的竞争力，机电专业技术人员不能默守原来的专业分工，必须成为掌握机电液气等专业的多学科的复合型人才.