机电一体化系统中的控制系统占据着相当重要的地位。自动控制技术是按照给定的目标，依靠调节能量的输入，改变机电一体化系统的行为或性能的方法和技术。自动控制系统是机电一体化的重要组成部分，自动控制的任务实际上就是克服扰动量的影响，使系统按照给定量所设定的规律运行。
一、控制系统的组成
控制是指为达到预先给定的目的，作用于系统有目的的动作。控制系统的基本组成框图如图5-1所示。
图5-1 控制系统基本组成框图
1.控制装置
在机电一体化系统中，控制装置一般采用工业控制计算机，包括单片机、可编程控制器（PLC）、总线工业控制计算机。控制装置的作用是对机电一体化系统的控制信息和来自传感器的反馈信息进行处理，并向执行装置发出动作指令。
2.执行装置
执行装置的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。
3.被控对象
被控对象是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。
4.检测装置
检测装置的作用是检测被控量（输出量），实现反馈控制，一般包括传感器和转换电路。
在实际的控制系统中，上述的每个环节在硬件特征上并不独立，可能几个环节在一个硬件中，如测速直流电动机既是执行元件又是检测元件。
从方框图可以看出，一般加到控制系统的外作用有两种类型：输入信号和扰动信号。输入信号决定输出信号的变换规律，控制系统的任务就是使被控量等于给定量；而扰动信号是系统不希望有的外作用，它是引起被控量发生不期望变化的各种内部或外部因素。在实际应用中，扰动总是不可避免的，如电源电压的波动、飞行中气流的冲击等。
二、控制系统的分类
按系统给定的输入信号的特点，可将控制系统分为三类。
1.恒值控制系统
恒值控制系统的给定量是一个常值。由于扰动的影响，被控量会偏离给定量而出现偏差，控制系统根据偏差产生控制作用，以克服扰动的影响，使被控量恢复到给定的常值。
在工业控制中，如果被控量是温度、流量、压力、液位等生产参数，则这种控制系统称为过程控制系统，它们大多数属于恒值控制系统。
2.程序控制系统
程序控制系统的给定量是变化的，但它是一个已知的时间函数，或按预定的规律变化，比如金属热处理的温度控制装置、数控机床的数控程序加工，都属于这类系统。恒值控制系统可以看作是程序控制系统的特例。
3.随动控制系统(www.xing528.com)
随动控制系统的给定量是变化的，而且这种变化是预先未知的，也就是说给定量是按未知规律变化的任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动、连续、精确地复现给定信号的变化规律。
在随动系统中，若被控量是机械参数，如位移、速度、力矩等，则这类系统称为伺服系统。伺服系统是机电一体化的基本控制系统，也是机电一体化设备的核心，其性能对机电一体化系统的动态性能、控制功能具有决定性的作用。
三、伺服控制系统
伺服控制系统是一种以机械参数，如位移、速度、力矩等为控制对象，在控制指令的作用下，使被控对象能够自动、连续、精确地复现输入信号的自动控制系统。如防空雷达控制就是一个典型的伺服控制过程，它是以空中的目标为输入信号，雷达天线要一直跟踪目标，为地面炮台提供目标方位；加工中心的机械制造过程也是伺服控制过程，位移传感器不断地将刀具进给的位移传送给计算机，通过与加工位置目标进行比较，计算机输出继续加工或停止加工的控制信号。绝大部分机电一体化系统都具有伺服功能，机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。
伺服控制系统的结构、类型繁多，分类方法很多，常见的分类方法如下：
1.按执行元件的类型分类
按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统、电液伺服控制系统。电气伺服系统根据电动机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进电动机控制伺服系统。目前，电气伺服系统占据的比例较大。
2.按控制原理分类
按自动控制原理，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。
开环控制伺服系统没有检测环节，其结构简单、成本低廉、易于维护，但系统精度低、抗干扰能力差，一般应用于对精度要求不是很高的场合，如线切割机、办公自动化设备。
闭环控制伺服系统能及时对输出进行检测，并根据输出与输入的偏差，实时调整执行过程，因此系统精度高，但成本也大幅提高。
半闭环控制伺服系统的检测反馈环节位于执行机构的中间输出上，因此在一定程度上提高了系统的性能。如位移控制伺服系统中，为了提高系统的动态性能，增设的电动机速度检测和控制就属于半闭环控制环节。
伺服控制系统要求满足精度高、响应速度快、稳定性好、负载能力强和工作频率范围大等基本要求，同时还要求体积小、质量轻、可靠性高和成本低等。具体技术要求如下：
1.系统精度
伺服系统精度是指输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式表现，即动态误差、稳态误差和静态误差。稳定的伺服系统对输入变化是以一种振荡衰减的形式反映出来的，振荡的幅度和过程产生了系统的动态误差；当系统振荡衰减到一定程度以后，我们称其为稳态，此时的系统误差就是稳态误差；由设备自身零件精度和装配精度所决定的误差通常指静态误差。
2.稳定性
伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。如果系统能够进入稳定状态，且过程时间短，则系统稳定性好；否则，若系统振荡越来越强烈，或系统进入等幅振荡状态，则属于不稳定系统。机电一体化伺服系统通常要求较高的稳定性。
3.响应特性
响应特性是指输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼、质量等。
4.工作频率
工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而在其他频率信号输入时，系统不能正常工作。在机电一体化系统中，工作频率一般是指执行机构的运行速度。
上述的四项特性是相互关联的，是系统动态特性的表现特征。系统设计时，在满足系统工作要求（包括工作频率）的前提下，首先要保证系统的稳定性和精度，并尽量提高系统的响应速度。
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