復(fù)雜機電控制第一章

復(fù)雜機電系統(tǒng)

的人工智能控制技術(shù)機械工程學(xué)院智能控制研究室趙升噸

教授/博導(dǎo)2014.9綜上所述，本課程設(shè)置的必要性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)傳授系統(tǒng)的自動控制知識的需要——古典、現(xiàn)代、智能(2)現(xiàn)代復(fù)雜機電系統(tǒng)及其控制技術(shù)研發(fā)(3)人工智能在機電系統(tǒng)中應(yīng)用第一章緒論現(xiàn)代機械裝備驅(qū)動與傳動的發(fā)展趨勢自動控制的基本原理自動控制理論發(fā)展的三個階段機電系統(tǒng)工程的發(fā)展方向講授內(nèi)容及教學(xué)計劃本課程預(yù)期達到的效果教學(xué)效果教材情況一、現(xiàn)代機械裝備驅(qū)動與傳動的發(fā)展趨勢材料加工的基本要素和流程

三個基本要素：材料、能量和信息

信息流程包括形狀信息和性能信息性能信息流程涉及材料的初始性能和通過各種加工過程所產(chǎn)生的材料性能的變化。

在材料加工過程中，由于把形狀變化信息加于材料，最終形狀信息就等于材料的初始形狀信息與加工所施加的形狀變化信息之和。工件最終的性能則是初始和加工過程兩方面性能變化綜合作用的結(jié)果。

形狀變化信息是由刀具和工模具（具有一定形狀信息量），和加工材料和刀具、工模具之間相對運動共同產(chǎn)生的。

也就是說形狀變化過程為借助能量流程把相應(yīng)于信息流程中的形狀變化信息施加于材料流程的過程。

一般來說，刀具或工模具所包含的形狀信息量越少，則它們與加工材料的相對運動對于材料的形狀變化所起的作用越大，反之亦然。閉式模鍛：傳遞介質(zhì)（模鍛）已包含了所要求的全部形狀信息，因而傳遞介質(zhì)與加工材料的相對運動就變得很簡單。

車削加工：車刀所包含的形狀信息量很少，為了形成所需形狀零件，甚至要求三種相對運動。一部機器的基本組成(1)原動機：提供能源的裝置。

例如：電動機，內(nèi)燃機等(2)傳動部件：是一個中間環(huán)節(jié)，它把原動機的輸出的能量和運動經(jīng)過轉(zhuǎn)換后提供給工作機構(gòu)。

例如：機械、電力、液體、氣壓等傳動方式一、現(xiàn)代機械裝備驅(qū)動與傳動的發(fā)展趨勢(3)工作機構(gòu)：執(zhí)行機器規(guī)定功能的裝置。例如：直線運動缸、擺動缸、旋轉(zhuǎn)輪、曲柄連桿滑塊機構(gòu)等。(4)控制部分：依據(jù)對工作機構(gòu)的動作要求，對傳動系統(tǒng)進行檢測、顯示、調(diào)節(jié)的裝置。例如：開關(guān)、閥門、繼電器、計算機、按鈕等元器件的邏輯組成。布魯?shù)聽柧芨咚贈_床1.精密度:A.設(shè)備動靜態(tài)精度:?平行度≤0.030mm?垂直度≤0.005mm?綜合間隙≤0.200mm?下死點動態(tài)控制精度±0.005mmB.沖壓料帶厚度:可以到≥0.015mmC.沖頭尺寸:可以小到0.100mmD.送料步距:≤0.200mmE.送料精度:±0.010mm2.高速:≥500SPM3.單臺設(shè)備產(chǎn)能概念:A.易開蓋成品,大于2400只/分鐘，基本蓋大于4000只/分鐘B.連接器,8000只/分鐘C.制冷電機鐵心,雙列模具12000套/天BrudererMachinery(Suzhou)Co.,LtdBRUDERER橫軸連桿驅(qū)動式

高速沖床的傳動系統(tǒng)

機械傳動與驅(qū)動裝置主要承擔(dān)著能量傳輸與分配，運動/力的變換與控制功能，是實現(xiàn)能量傳輸和運動/力控制目標(biāo)的主要手段。是推動機電裝備向高效、節(jié)能、高可靠、高精度、高速、智能化方向發(fā)展過程中不可或缺的關(guān)鍵單元部件和系統(tǒng)。機械傳動與驅(qū)動對機械學(xué)科的影響機構(gòu)學(xué)與機械動力學(xué)機械傳動與驅(qū)動復(fù)雜機電系統(tǒng)集成科學(xué)機械的表面/界面科學(xué)高精度、數(shù)字化制造高性能潔凈成形制造機械的制造與運行參數(shù)及其精度測量機械結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的安全服役理論生機電系統(tǒng)與仿生機械高能束與特種能場制造微納機械學(xué)與微納制造機電裝備驅(qū)動與傳動是機械學(xué)科的基礎(chǔ)領(lǐng)域之一；是科學(xué)原理到工程實現(xiàn)的橋梁，也是裝備的基礎(chǔ)；直接關(guān)系到運載、機器人、機床等機電系統(tǒng)的性能、可靠性與安全性；對機械學(xué)科的發(fā)展起著支撐作用?！皺C械系統(tǒng)創(chuàng)新”的四個支撐領(lǐng)域之一對國民經(jīng)濟和社會影響深遠傳動與驅(qū)動基礎(chǔ)件已經(jīng)嚴(yán)重制約國內(nèi)大量關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展：徐工集團，400億產(chǎn)值，利潤小于2%，ARJ21,大于200架才能盈利,數(shù)控機床,汽車大量采用國外基礎(chǔ)件；航空元件可靠性，航空泵壽命，國內(nèi)最高3000小時，A380：40000小時；國內(nèi)飛行器或船舶舵機故障頻發(fā),可靠性問題亟待解決;氣動能耗，2000億度電/年，用電量占全國6%，效率只有5~20%，與空壓機和氣動元件密切相關(guān);高精度對地觀測成像、掃描顯微鏡控制SPM、天文觀測,高精度轉(zhuǎn)臺、目標(biāo)模擬器等對精密傳動與驅(qū)動提出更高要求.國外挑戰(zhàn)者號，密封件失效日本H2，舵機故障

在傳統(tǒng)機械裝備中，電機到工作部件要經(jīng)過一整套復(fù)雜的轉(zhuǎn)換機構(gòu),包括齒輪、蝸輪副、皮帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間機械傳動環(huán)節(jié)。這些機械傳動環(huán)節(jié)會帶來一系列的問題，如造成較大的轉(zhuǎn)動慣量、彈性變形、反向間隙、運動滯后、摩擦、振動、噪聲及磨損。這些問題使得機械裝備的加工精度、運行可靠性降低；增加維護、維修的時間和成本；造成機械裝備的使用效率下降，使用費用增加。

所以一直以來，對機械傳動環(huán)節(jié)的傳動性能在進行不斷的改進，并且獲得了很大的效果，但并沒有從根本上解決問題。一、現(xiàn)代機械裝備驅(qū)動與傳動的發(fā)展趨勢原動機的運動和動力特性越好，則傳動部件越簡單！現(xiàn)代機器的原動機綜合性能越來越好！傳動部件趨向于系列化與標(biāo)準(zhǔn)化！伺服直接驅(qū)動與近零傳動是發(fā)展趨勢！電磁直驅(qū)及近零傳動系統(tǒng)的內(nèi)涵、研究范圍特別是隨著電機及其驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展,人們自然想到了“直接驅(qū)動”的方式，直接驅(qū)動方式就是電機不經(jīng)過任何傳動鏈直接驅(qū)動負載。其本質(zhì)就是取消從電機到工作部件之間一切中間機械傳動環(huán)節(jié),由電機直接驅(qū)動工作部件動作,實現(xiàn)所謂“零傳動”。“直接”意味著：采用低速大轉(zhuǎn)矩電機，省去皮帶、齒輪減速箱、偶合器；采用直線電機或直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機，省去將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動所需的機械部件或直接把旋轉(zhuǎn)電機和負責(zé)耦合。采用分體式電機、中空軸電機、外轉(zhuǎn)子的電機，直線電機，電機與傳動合為一體。

它的特點是：系統(tǒng)響應(yīng)速度快、靈敏度高、隨動性好；速度和位置精度高；結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、維護簡便；轉(zhuǎn)矩（推力）——電流特性的線性度好；運動安靜、噪聲低。電—機械轉(zhuǎn)換器作為機械裝備的核心部件，是連接電氣信號與機械動作之間的橋梁，是機電裝備的動力源頭。要提高現(xiàn)代機電設(shè)備的性能指標(biāo)，很大程度上就是要提高電-機械轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動能力。

因此，高性能的電-機械轉(zhuǎn)換器的研究開發(fā)一直是一個重要的研究焦點。對電-機械轉(zhuǎn)換器的要求：高頻響帶負載能力強輸出線性好耐高壓耐高溫可靠性高低速拖動能力強直接驅(qū)動技術(shù)的核心是執(zhí)行機構(gòu)——直接驅(qū)動電機。從運動方式上分為直接驅(qū)動直線電機（DDL：DirectDriveLinear）和直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機（DDR：DirectDriveRotary）兩種。直接驅(qū)動直線電機DDL主要可以分為直線直流電動機、直線感應(yīng)電動機、直線同步電動機、直線步進電動機、直線壓電電動機、直線磁阻電動機。目前生產(chǎn)和使用比較廣泛的是直線感應(yīng)電動機和直線同步電動機。直線同步電動機雖然比感應(yīng)式直線電機工藝復(fù)雜、成本較高，但是效率較高、次級不用冷卻、控制方便，更容易達到要求的性能。直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機DDR主要分為五類：直流力矩電動機、永磁同步電動機、變磁阻電動機、變頻電動機、開關(guān)磁阻電機（SMR）、橫向磁場電機（TFM）。

其中直流力矩電動機、永磁同步電動機、變磁阻電動機在原理上都與普通控制電機類似，分別對應(yīng)直流伺服電機、永磁同步電機、步進電機。

區(qū)別在于為了得到高轉(zhuǎn)矩和低轉(zhuǎn)速，通常設(shè)計為長徑比較小的圓盤狀結(jié)構(gòu)，但同時由于低轉(zhuǎn)速，會帶來轉(zhuǎn)矩波動、速度波動、發(fā)熱量大等問題。電磁直驅(qū)的內(nèi)涵、研究范圍研究范圍包括新型用于直驅(qū)電機理論、直驅(qū)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及其在線測量控制理論、電磁直驅(qū)與傳動的方式等，其目的是綜合電磁學(xué)、機械學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)以及測量控制技術(shù)，研究和揭示電磁直驅(qū)的物理學(xué)本質(zhì)，建立相應(yīng)的直驅(qū)電機設(shè)計與控制理論，

為高端機電裝備開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。伺服直驅(qū)及近“零”傳動的特點（1）定位精度高直接驅(qū)動實現(xiàn)了電機與負載間的剛性耦合，因此消除了原來中間傳動機構(gòu)產(chǎn)生的傳動誤差。例如齒輪誤差，絲杠螺母誤差等，提高了傳動精度，也從根本上消除了非線性摩擦力和彈性形變的影響，不存在爬行現(xiàn)象，提高了定位精度和可重復(fù)性能。更容易做到精確控制。伺服直驅(qū)及近“零”傳動的特點（2）高速或低速大轉(zhuǎn)矩和高加（減）速度如數(shù)控機床要求具有超高速運轉(zhuǎn)的大功率精密主軸，而且要有一個反應(yīng)速度快、高速輕便的進給驅(qū)動系統(tǒng)。因為數(shù)控機床直線進給行程較短，只有具有很高的加速度，才能瞬時達到設(shè)定的高速狀態(tài)，也必須有很高的減速度才能在高速狀態(tài)下瞬時準(zhǔn)確停止，以保證加工要求的定位精度。其他如一般沖壓設(shè)備，需要的速度不高，但是必須有很大的轉(zhuǎn)矩，這樣就需要驅(qū)動系統(tǒng)有低速大轉(zhuǎn)矩性能。電動自行車，艦船也屬于此應(yīng)用領(lǐng)域，此種驅(qū)動方式同樣需要高加（減）速度。伺服直驅(qū)及近“零”傳動的特點（3）動態(tài)響應(yīng)速度快直接驅(qū)動的響應(yīng)能力可高于機械變速驅(qū)動100倍以上，因為一般系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠小于機械時間常數(shù)。這意味著直接驅(qū)動可具有更大的加（減）速度和更短的定位時間，以及更高的控制精度。

因為采用傳統(tǒng)驅(qū)動方式，由于受制造精度的限制，中間傳動環(huán)節(jié)不可避免地會存在間隙死區(qū)，非線性摩擦力等，特別是細長的滾珠絲杠會產(chǎn)生彈性形變，這些都使系統(tǒng)的階次變高，增加了非線性因素，限制了系統(tǒng)的帶寬，會降了系統(tǒng)的動態(tài)性能，嚴(yán)重時可能產(chǎn)生機械諧振。伺服直驅(qū)及近“零”傳動的特點（4）機械剛度和可靠性高取消了中間傳動環(huán)節(jié)，不存在滯后問題，傳動剛度可大大提高，保證了系統(tǒng)的傳動精度和定位精度；減小了機械磨損，提高了系統(tǒng)可靠性。（5）噪聲低、保養(yǎng)費用低運動部件減少，降低了噪聲；磨損部件只剩下旋轉(zhuǎn)或直線軸承，保養(yǎng)費用大大降低，如果考慮到電氣部分增加保養(yǎng)的費用，也低于原來傳動系統(tǒng)。電磁直驅(qū)及傳動系統(tǒng)在國民經(jīng)濟、

社會發(fā)展和學(xué)科發(fā)展中的重要意義我國是制造大國，但遠不是強國。因此我國將《高檔數(shù)控機床及基礎(chǔ)制造裝備》做為“十六”個重大專項之一投巨資予以發(fā)展。而《高檔數(shù)控機床及基礎(chǔ)制造裝備》2009年度第一批課題申報指南中啟動的十三個中就專門安排了“項目九電機及驅(qū)動裝置：的三個課題。課題19全數(shù)字驅(qū)動裝置及交流伺服電機、主軸電機，課題20大扭矩力矩電機及驅(qū)動裝置，課題21大推力直線電機及驅(qū)動裝置”同時啟動的項目一～七的專用設(shè)備幾乎均與電磁直驅(qū)及傳動密切相關(guān)。高效高可靠功率傳遞與驅(qū)動方面為了簡化傳遞過程，降低能耗，進而向“零傳動”目標(biāo)努力，為此國內(nèi)外開展了大量的研究工作，最主要的就是直接驅(qū)動理論與技術(shù)，主要有（直驅(qū)、集成）電機傳動與直接驅(qū)動，電機調(diào)速/力矩，電主軸，精密直線/旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動；電液直接驅(qū)動，泵控作動器，電靜液作動器，二次調(diào)節(jié)控制，能量回收系統(tǒng)；發(fā)動機集成液壓泵，發(fā)動機活塞直接控制泵活塞；電機集成液壓泵，集成結(jié)構(gòu)，油冷卻。電機/泵一體化發(fā)動機直驅(qū)泵技術(shù)板料沖壓超柔性加工各種工藝滑塊速度曲線交流伺服壓力機典型特點交流伺服壓力機典型特點1990年位于德國的ParkerHannifin公司申請了采用伺服電機驅(qū)動定量液壓泵控制對稱缸的專利，用于飛機操控系統(tǒng)，原理如左圖所示。泵控缸技術(shù)研究pApB

日本網(wǎng)野公司液壓式伺服壓力機不使用油泵和溢流閥，用伺服電機驅(qū)動油缸電力消耗少（1/3）、發(fā)熱少、噪聲震動少到（75dB(A)）、工作油少（1/10）快速伺服液壓機的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二、自動控制的基本原理1.自動控制的內(nèi)涵所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使在一定的外界條件（輸入與干擾）作用下機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。

即自動控制是研究系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系?？刂迫兀嚎貙ο蟆⒖刂颇繕?biāo)、控制裝置機械工程控制論的研究任務(wù)

從系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的關(guān)系出發(fā)，根據(jù)已知條件與求解問題的不同，機械工程控制論的任務(wù)主要有以下三種：

已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的輸出，即系統(tǒng)分析問題；已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，設(shè)計輸入，即最優(yōu)控制問題；已知系統(tǒng)的輸入和輸出，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即系統(tǒng)辨識問題。當(dāng)輸入已知時，確定系統(tǒng)，且所確定的系統(tǒng)應(yīng)使得輸出盡可能符合給定的最佳要求，即最優(yōu)設(shè)計問題；當(dāng)輸出已知時，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸入中的有關(guān)信息，即濾波和預(yù)測問題。自動控制和人工控制的基本原理是相同的,它們都是建立在“測量偏差,修正偏差”的基礎(chǔ)上,并且為了測量偏差,必須把系統(tǒng)的實際輸出反饋到輸入端。自動控制和人工控制的區(qū)別在于自動控制用控制器代替人完成控制。總之,所謂自動控制就是在沒有人直接參與的情況下,利用控制裝置使被控對象中某一物理量或數(shù)個物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)定的要求規(guī)律變化。恒溫系統(tǒng)實現(xiàn)恒溫控制有兩種方法-人工控制和自動控制（1）.人工控制通過改變調(diào)壓器的電壓來達到控制溫度的目的。箱內(nèi)溫度是由溫度計測量的。圖人工控制的恒溫箱（1）.人工控制a.觀測由測量元件（溫度計）測出的恒溫箱（被控制元件）的溫度；----測量

b.與要求的溫度值（給定值）進行比較，得出偏差的大小和方向；----比較c.根據(jù)偏差大小和方向再進行控制：當(dāng)溫度高于所要求的給定溫度值時，就調(diào)節(jié)調(diào)壓器動觸頭使電壓減小，溫度降低；若溫度低于給定的值，則調(diào)節(jié)調(diào)壓器動觸頭，使電壓增加，溫度升高；----調(diào)節(jié)d.如溫度還達不到要求時，要反復(fù)進行上面的步驟操作。----循環(huán)

因此，人工控制的過程就是測量、求偏差、再控制以糾正偏差的過程。也就是“檢測偏差用以糾正偏差”的過程。（2）.自動控制

對于這樣簡單的控制形式，如果能找到一個控制器來代替人的職能，這樣人工控制系統(tǒng)就變成自動控制系統(tǒng)了。圖恒溫箱的自動控制系統(tǒng)-發(fā)動機的瓦特式速度調(diào)節(jié)器

根據(jù)希望的發(fā)動機速度與實際的發(fā)動機速度之差對進入到發(fā)動機內(nèi)的燃料數(shù)量進行調(diào)整。當(dāng)發(fā)動機工作于期望的轉(zhuǎn)速時，高壓油將不進入動力油缸的任何一側(cè)，進入發(fā)動機的燃料流量和發(fā)動機轉(zhuǎn)速均保持穩(wěn)定。如果由于擾動，使得實際速度下降到低于希望值，則速度調(diào)節(jié)器的離心力下降，導(dǎo)致控制閥向下移動，從而對發(fā)動機的燃料供應(yīng)增多，發(fā)動機的速度增大，直到達到希望的速度時為止。,圖瓦特速度控制系統(tǒng)2.系統(tǒng)及控制系統(tǒng)系統(tǒng)

能完成一定任務(wù)的一些部件的組合。機械系統(tǒng)

以實現(xiàn)一定的機械運動、輸出一定的機械能，以及承受一定的機械載荷為目的的系統(tǒng)，稱為機械系統(tǒng)。對于機械系統(tǒng)，其輸入和輸出分別稱為“激勵”和“響應(yīng)”。

控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的可變輸出，如果能按照要求由參考輸入或控制輸入進行調(diào)節(jié)的，即稱作控制系統(tǒng)。被控對象：在控制理論和控制技術(shù)中，運動規(guī)律或狀態(tài)需要控制的裝置或元件稱為被控對象（控制對象）?？刂破鳎涸诳刂葡到y(tǒng)中，除被控對象以外的所有裝置，統(tǒng)稱為控制器。給定元件：控制系統(tǒng)中主要用于產(chǎn)生給定信號（指令信號）的元件。反饋元件（測量元件）：控制系統(tǒng)中用于測量被控量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號的元件。反饋信號與輸出量之間往往存在確定的函數(shù)關(guān)系。被控量：表征被控對象運動規(guī)律或狀態(tài)的物理量。實質(zhì)上是系統(tǒng)的輸出（輸出量）。指令值：希望的被控對象運動規(guī)律或狀態(tài)的物理量（或稱參考輸入）。偏差：系統(tǒng)的輸入量與反饋量之差或之和（即比較環(huán)節(jié)的輸出值）?？刂屏浚罕豢貙ο蟮妮斎肓俊Ｓ捎谕瞧畹哪撤N函數(shù)，因此，也可將偏差看成為控制量。控制器被控對象指令傳感器輸出量/被控量控制量希望值/指令值控制系統(tǒng)基本概念對控制系統(tǒng)的基本要求

(穩(wěn)、快、準(zhǔn))

1.系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在受到外界擾動作用時，系統(tǒng)地輸出將偏離平衡位置，當(dāng)這個擾動作用去除后，系統(tǒng)恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)或者區(qū)域一個新的平衡狀態(tài)的能力。由于系統(tǒng)存在著慣性，當(dāng)系統(tǒng)的各個參數(shù)分配不恰當(dāng)時，將會引起系統(tǒng)的震蕩而失去工作能力。

穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)正常工作的首要條件。對控制系統(tǒng)的基本要求(穩(wěn)、快、準(zhǔn))

2.響應(yīng)的快速性是指當(dāng)系統(tǒng)實際輸出量與期望的輸出量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差的快速性。

這是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的。對控制系統(tǒng)的基本要求

(穩(wěn)、快、準(zhǔn))

3.響應(yīng)的準(zhǔn)確性是指在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量與期望的輸出量之間的偏差，或稱為靜態(tài)精度。

這是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。對控制系統(tǒng)的基本要求

(穩(wěn)、快、準(zhǔn))不同的被控對象，對穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要且各有側(cè)重。

例如：隨動系統(tǒng)：快速性；調(diào)速系統(tǒng)：穩(wěn)定性。同一系統(tǒng)穩(wěn)、快、準(zhǔn)三方面的要求有時相互制約的。提高了系統(tǒng)的快速性，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，可能會有強烈振蕩；改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可能使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度降低，控制過程可能又過于遲緩工作在不同場合下的自動控制系統(tǒng)，對它有不同的性能要求。圖示為在階躍輸入信號下，幾種系統(tǒng)的被控量的變化過程。圖中x(t)表示輸入，y(t)表示輸出。圖

控制系統(tǒng)的階躍輸入輸出

機電系統(tǒng)在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。

因此，機電系統(tǒng)不僅是人的肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸。

具有“智能化”的特征是機電系統(tǒng)與機械電氣化在功能上的本質(zhì)差別。機電系統(tǒng)工程知識的內(nèi)容1).系統(tǒng)理論和系統(tǒng)思想貫穿始終，因此系統(tǒng)科學(xué)是機電系統(tǒng)工程的思維基礎(chǔ)。2).人們在設(shè)計、規(guī)劃、控制和運籌機電系統(tǒng)是，總是追求總體最優(yōu)，因而必然要涉及大量的運籌學(xué)、控制論和信息論的技術(shù)和方法，這些構(gòu)成了機電系統(tǒng)工程的技術(shù)基礎(chǔ)。3).機電系統(tǒng)所設(shè)計的工藝、方法、技術(shù)、設(shè)備等市機電系統(tǒng)工程賴以生存的基石，它們構(gòu)成了整個機電系統(tǒng)工程的專業(yè)基礎(chǔ)。三、自動控制理論發(fā)展的三個階段歐洲往往以理論研究為主導(dǎo)美國將技術(shù)研究作為熱點日本著重從事應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)工作，也就是將技術(shù)變?yōu)榭少嶅X的產(chǎn)品而智能控制更實用！研究及應(yīng)用領(lǐng)域亟待開發(fā)！美國著名的控制論創(chuàng)始人維納（N.Wiener，1894-1964年）系統(tǒng)地總結(jié)了前人的研究成果，1948年發(fā)表了《控制論——或關(guān)于在動物和機器中控制和通訊的科學(xué)》著作。書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念（目的性行為可以用反饋來代替，從而突破了生命體和非生命體（機器）的界限），為控制論這門學(xué)科的產(chǎn)生及應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。F.H.George在《控制論基礎(chǔ)》中明確指出，控制論的焦點就是模擬和綜合人類的智能問題。3、自動控制理論發(fā)展的三個階段1）.古典控制理論階段（20世紀(jì)20-50年代）

依據(jù)被控對象的數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)），解決在頻率域上線性、定常、單輸入、單輸出系統(tǒng)的反饋控制問題2）.現(xiàn)代控制理論階段（20世紀(jì)60-70年代）

依靠被控對象的數(shù)學(xué)模型（狀態(tài)方程），解決在時間域上對非線性、時變系統(tǒng)的多輸入多輸出系統(tǒng)的有效控制問題。3）.大系統(tǒng)智能控制階段（20世紀(jì)80年代至今）

不依靠被控對象的數(shù)學(xué)模型，解決復(fù)雜不確定的大系統(tǒng)的人工智能控制問題。1）.古典控制理論階段

從系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的關(guān)系出發(fā)，根據(jù)已知條件與求解問題的不同，古典控制論的任務(wù)主要有以下三種：

a.已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的輸出，即系統(tǒng)分析問題；b.已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，設(shè)計輸入，即最優(yōu)控制問題；c.已知系統(tǒng)的輸入和輸出，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即系統(tǒng)辨識問題。被控對象：在控制理論和控制技術(shù)中，運動規(guī)律或狀態(tài)需要控制的裝置或元件稱為被控對象（控制對象）?？刂破鳎涸诳刂葡到y(tǒng)中，除被控對象以外的所有裝置，統(tǒng)稱為控制器。給定元件：控制系統(tǒng)中主要用于產(chǎn)生給定信號（指令信號）的元件。反饋元件（測量元件）：控制系統(tǒng)中用于測量被控量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號的元件。反饋信號與輸出量之間往往存在確定的函數(shù)關(guān)系。被控量：表征被控對象運動規(guī)律或狀態(tài)的物理量。實質(zhì)上是系統(tǒng)的輸出（輸出量）。指令值：希望的被控對象運動規(guī)律或狀態(tài)的物理量（或稱參考輸入）。偏差：系統(tǒng)的輸入量與反饋量之差或之和（即比較環(huán)節(jié)的輸出值）。控制量：被控對象的輸入量。由于往往是偏差的某種函數(shù)，因此，也可將偏差看成為控制量?？刂破鞅豢貙ο笾噶顐鞲衅鬏敵隽?被控量控制量希望值/指令值控制系統(tǒng)基本概念古典控制理論（自動調(diào)節(jié)原理）的發(fā)展歷程18世紀(jì)，詹姆斯·瓦特（James,Watt）1765年發(fā)明了蒸汽機，1868年發(fā)表了調(diào)節(jié)器一文，文中指出控制品質(zhì)可用微分方程來描述，而穩(wěn)定性可用特征方程根的位置來分析，進一步為控制蒸汽機速度而設(shè)計了離心調(diào)節(jié)器。從而標(biāo)志著自動控制理論的誕生。1922年，邁納斯基研制出船舶操縱自動控制器，并且證明了如何從描述系統(tǒng)的微分方程中確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1932年，奈奎斯特（H.Nyquist）提出了一種相當(dāng)簡便的方法，根據(jù)對穩(wěn)態(tài)正弦輸入的開環(huán)響應(yīng)，確定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1934年，黑曾提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機構(gòu)的概念，討論了精確跟蹤變化的輸入信號的繼電式伺服機構(gòu)。1945年，伯德（H.W.Bode）提出了簡便而實用的頻率域中的伯德圖法，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性及用來設(shè)計和改進新系統(tǒng)。1948年，伊凡思（W.R.Evans）提出了直觀而形象的判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的根軌跡法。20世紀(jì)40-50年代初，勞斯(E.J.Routh)和赫爾維茨（Hurwitz）提出了系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)?，F(xiàn)代控制理論階段（20世紀(jì)60-70年代）

伴隨著多輸入多輸出的現(xiàn)代設(shè)備變得愈來愈復(fù)雜，需要大量方程來描述現(xiàn)代控制系統(tǒng)，因為數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的時域分析提供了可能性。系統(tǒng)辨識：依據(jù)對象的輸入輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識模型參數(shù)。自適應(yīng)控制：控制系統(tǒng)能修正自身的特性，以適應(yīng)對象和擾動的動態(tài)特性。自適應(yīng)控制的對象結(jié)構(gòu)已知，僅僅是參數(shù)未知，仍基于數(shù)學(xué)模型。自適應(yīng)控制與常規(guī)反饋控制及最優(yōu)控制的區(qū)別只是自適應(yīng)控制所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動的先驗知識比較少。需要在系統(tǒng)的運行過程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐漸完善。

模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)(ModelRefernceAdaptiveSystem,簡稱MRAS）.由參考模型，被控對象，反饋控制器和調(diào)整控制其參數(shù)自適應(yīng)機構(gòu)組成。自校正調(diào)節(jié)器（Self-tuningRegulator,簡稱STR）。具有一個被控對象數(shù)學(xué)模型的在線辨識環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代控制理論階段（20世紀(jì)60-70年代）最優(yōu)控制：根據(jù)已建立的被控對象的數(shù)學(xué)模型，選擇一個容許的控制律，使得被控對象按預(yù)定要求運行，并使給定的某一性能指標(biāo)達到極小值（或極大值）。往往表現(xiàn)為系統(tǒng)性能指標(biāo)的泛函最小的“系統(tǒng)最佳控制”。是求解一類帶有約束條件的泛函極值問題。卡爾曼濾波：是利用系統(tǒng)在時間上的轉(zhuǎn)移關(guān)系所獲得的一套適合于計算機運算的遞推公式，屬于時域法。。不同于早期的頻域法中的維納-霍夫（Wiener-Hoff）濾波理論?！冬F(xiàn)代控制工程》，緒方勝彥，盧伯英譯，科學(xué)出版社，1976年大系統(tǒng)智能控制階段（20世紀(jì)80年代至今）1985年8月，IEEE在美國紐約召開了第一屆智能控制學(xué)術(shù)討論會，隨后成立了IEEE智能控制專業(yè)委員會，1987年1月在美國舉行了第一次國際智能控制大會，標(biāo)志著智能控制領(lǐng)域的形成。1994年6月在美國奧蘭多召開了IEEE全球性的職能大會，將模糊化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進化行為三方面內(nèi)容和在一起召開，引起了國際各界的廣泛關(guān)注。大系統(tǒng)智能控制階段（20世紀(jì)80年代至今）大系統(tǒng)理論使用控制和信息的觀點，研究各種大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、總體設(shè)計中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。智能控制是研究模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律。研制具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)。智能控制源于被控對象的三高三性：高度的復(fù)雜性高度的不確定性越來越高的控制性能智能信息、智能反饋和智能決策是智能控制論的三要素大系統(tǒng)智能控制階段（20世紀(jì)80年代至今）1.不確定性：物理量：

復(fù)雜性、非線性、時變性、不完全性、不確定性大系統(tǒng)智能控制階段（20世紀(jì)80年代至今）2.復(fù)雜性：無法獲取數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)和環(huán)節(jié)種類繁多，層次各異系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有高維性，時變性，突變性和隨機性系統(tǒng)干擾具有多樣性，時變性，隨機性和高強度傳感器和執(zhí)行器數(shù)目大且分散決策機構(gòu)具有分級分布特征信息結(jié)構(gòu)復(fù)雜處理數(shù)據(jù)龐大，算法復(fù)雜有些系統(tǒng)具有人機交互功能3.高性能要求（1）穩(wěn)定性：系統(tǒng)狀態(tài)、輸入輸出和參數(shù)等變量在干擾的影響下總是有界的。（2）收斂性：在給以的初如條件下，算法能漸進地達到其預(yù)期目標(biāo)，并在收斂過程中所有變量有界。（3）魯棒性：在存在干擾和未建模動態(tài)特性的條件下，系統(tǒng)能保持其穩(wěn)定性和一定動態(tài)特性的能力。四機電系統(tǒng)工程的發(fā)展方向1)．智能化

對機電系統(tǒng)的高性能要求，特別是適應(yīng)性要求，使得一些新的機電系統(tǒng)被采用。典型的智能機電系統(tǒng)有機器人、智能型數(shù)控設(shè)備、智能儀器儀表等。這些新型的機電系統(tǒng)有一個共同的特點，那就是它們具有一定的人工智能，能夠根據(jù)環(huán)境條件的變化進行分析、推理，并作出合適的響應(yīng)。智能機器人能通過自身的視覺、聽覺或觸覺來感知周圍環(huán)境的狀態(tài)及其變化，并對此作出相應(yīng)的反應(yīng)。智能儀器儀表能夠根據(jù)不同的狀態(tài)或時段進行不同的計算、復(fù)雜計算、實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸、語音提示和圖像顯示等。四機電系統(tǒng)工程的發(fā)展方向2).集成性集成性就是機電系統(tǒng)工程強調(diào)綜合運用機電系統(tǒng)所涉及的多學(xué)科知識，來研究和處理機電系統(tǒng)的設(shè)計、制造、管理、運行、更新、發(fā)展等重大問題。而這種集成性變得越來越廣泛，許多新的機電系統(tǒng)就其每一部分來說，不是什么新的東西，但把各部分有機地集成在一起，就成了具有新穎特色的整體，形成了一種新型的機電系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)（FMS)，就其各部分來說，包括控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、物料流系統(tǒng)、計算機數(shù)控（CNC）機床、加廠中心等。

就這些單元孤立地來看均是已有的理論和技術(shù)，但有