第1章 概述

1.1 运动控制系统的组成

1.1.1 运动控制和过程控制

1.过程控制

过程控制指工业生产过程的自动化。它以生产过程为研究对象，以所需的工艺参数为目标，通过一定的控制算法和操作，使被控的工艺参数达到或接近被设置的参数。过程控制中，被控变量是工艺参数，例如，流体流量、压力、物位、温度和流体组分或浓度等。控制手段是调节操纵变量，使被控变量达到或接近被设定的值。操纵变量可以是流体流量，也可以是电动机的转速等。这类控制系统通常要求被控变量保持恒定，因此，常被称为定值控制系统。

在石油化工、电力、冶金、纺织、建材、轻工、核能等工业生产过程中要求被控变量达到和保持在工艺操作所需的设定值，为此，需要检测和变送这些被控变量，并按一定的控制规律输出信号到执行器，调整操纵变量。

过程控制需要达到一定的目标。例如，在一定操作条件下（物料和能量平衡）确保安全、稳定和长期运行；经济效益最大化；环境污染最小化等。

与其他自动控制系统比较，过程控制具有下列特点：

①过程控制系统由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成。过程控制是通过各种类型的仪表完成对过程变量的检测、变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。这些仪表可以是气动仪表、电动仪表；可以是模拟仪表、计算机装置或者智能仪表；也可以是现场总线仪表或无线仪表。不管采用什么仪表或计算机装置，从过程控制的基本组成来看，过程控制系统总是包括对过程变量的检测变送、对信号的控制运算和输出到执行装置，完成所需操纵变量的改变，从而达到所需控制目标（或指标）。

②过程控制的被控过程具有非线性、时变、时滞及不确定性等特点。由于过程控制的被控过程具有非线性、时变、时滞及不确定性等特点，难以获得精确的过程数学模型，使得在其他领域（例如，航空航天）应用成功的控制策略不能移植或增加了移植的难度，因此，给控制带来困难。

③过程控制的被控过程多属于慢过程。与航天、运动过程的控制不同，过程控制所研究的被控过程通常具有一定时间常数和时滞，过程控制并不需要在极短时间完成。

④过程控制方案的多样性。由于工业生产过程的多样性，为适应被控过程特点，控制方案具有多样性。表现为：同一被控过程，因受到的扰动不同，需采用不同的控制方案，常用的控制方案有简单控制系统、串级控制系统、比值控制系统、均匀控制系统、前馈控制系统、分程控制系统、选择性控制系统以及双重控制系统等；控制方案适应性强，同一控制方案可适用于不同的生产过程控制。随着过程控制研究的深入，大量先进控制系统和控制方案得到开发和应用，例如，预测控制、解耦控制、时滞补偿控制、专家系统和模糊控制等智能控制。

⑤过程控制系统分为随动控制和定值控制，常用的过程控制系统是定值控制系统。它们都采用一些过程变量如温度、压力、流量、物位和成分等作为被控变量，过程控制的目的是保持这些过程变量能够稳定在所需的设定值，能够克服扰动和负荷变化对被控变量造成的影响。

⑥过程控制实施手段的多样性。除了过程控制方案的多样性外，实施过程控制的手段也具有多样性，尤其在开放系统互操作性和互联性等问题得到解决后，实现过程控制目标的手段更丰富。例如，用计算机控制装置实现所需控制功能；方便地更换损坏的仪表而不必考虑是否与原产品一致；方便地在控制室或现场获得仪表的信息如量程、校验日期及误差等；还可以直接进行仪表校验和调整。

2.运动控制

运动控制系统是一类电气传动控制系统，通常以运行相关的运动控制软件的控制器为核心，以电力电子功率变换模块为执行机构，控制电动机的运动状态，完成特定的运动过程，达到控制机械装置的目的。有时也用液压控制系统完成运动控制的任务。这类控制系统的被控变量是电动机的转矩（扭矩）、转速和转角，实现对被控机械的精确位置、速度、加速度、转矩和力的控制及这些被控变量的综合控制。运动控制的执行器是被称为伺服机构的电动机，包括直流和交流伺服电动机，步进电动机等。简言之，运动控制是对机械传动装置的计算机控制，即对机械运动部件的位置、速度等进行实时控制和管理，使其按预先规定的运动参数和规定的轨迹完成相应的动作。

在机床、包装、印刷、纺织、汽车制造、仓储和装配等工业中，通常采用运动控制。

运动控制具有下列特点：

①被控变量的过渡过程时间短，一般为秒及毫秒级。

②传动功率范围宽，从几毫瓦到几百兆瓦，即用小功率指令信号控制大功率负载。

③调速范围大，可达1:10000。无变速装置时，转速从几转/时到几十万转/分。

④可获得良好动态性能和较高稳速和定位精度。定位精度可达0.1mm~1μm，过渡时间小于200ms。

⑤电动机空载损耗小，效率高，短时过载能力强。

⑥可以四象限运行，制动时能量回馈电网。

⑦可控制单台电动机运转，也可多台协调运行，只需要调整控制方法。

⑧采用合理控制方案，可适用于任何传动应用场合。