1、第五章 機電一體化控制系統設計技術知識點：機電一體化控制系統概述機電一體化系統數學模型機電一體化控制系統響應機電一體化系統的控制策略微機控制裝置的設計機電一體化數字控制器的設計1本章導讀 就控制理論的發展而言，大體可以分為三個發展階段，即古典控制理論階段、現代控制理論階段和智能控制理論階段。古典控制理論是以傳遞函數為基礎的一種控制理論，控制系統的分析與設計是建立在某種近似的或試探的基礎上的。現代控制理論是建立在狀態空間上的一種分析方法，它的數學模型主要是狀態方程，控制系統的分析與設計可以說是精確的。智能控制是近年來發展起來的一種控制理論，它包括最優控制、神經網絡控制、模糊控制等。25.1控制系

2、統概述5.1.1控制系統的組成及其特點系統是為了形成某種特殊功能而裝配起來的一組物理元件。我們所研究的“系統”就是有相互聯系、相互作用的若干部分構成，而且有一定的目的或一定的運動規律的一個整體。一般的機電系統是機械和電的組合系統。 35.1.2控制系統的分類一按輸入量的特征分類恒值控制系統程序控制系統隨動系統（伺服系統）二.按系統中傳遞信號的性質分類連續控制系統離散（數字）控制系統三. 按系統構成分類開環系統閉環系統半閉環系統四. 按控制元件特性分類線性控制系統非線性控制系統45.1.3控制系統的幾種實現方式（1）系統分析問題：當系統已定、輸入已知時，求出系統的輸出，并通過輸出來研究系統本身的

3、有關問題。（2）最優控制問題：當系統已定時，確定輸入，且所確定的輸入應使得輸出盡可能符合給定的最佳要求。（3）最優設計問題：當輸入已知時，確定系統，且所確定的系統應使得輸出盡可能符合給定的最佳要求。（4）濾波與預測問題：當輸出已知時，確定系統，以識別輸入或輸入中的有關信息。（5）系統識別與系統辨識問題：當輸入與輸出均已知時，求出系統的結構與參數，即建立系統的數學模型。55.1.4控制系統的設計步驟1目的分析。首先對系統的目的或任務進行定量分析，即將系統的目的、任務直接地或間接地變換成定量關系，2系統分析。（1）建立系統框圖。將系統進行分解后，考慮到各個部分之間的輸入、輸出聯系，即可利用框圖方法

4、來表達系統。（2）建立系統數學模型。3系統最佳化。4系統仿真。65.2系統數學模型控制系統的數學模型在控制系統的研究中有著相當重要的地位，要對系統進行仿真處理，首先應當知道系統的數學模型，然后才可以對系統進行模擬。數學模型是描述元素之間、子系統之間、層次之間相互作用以及系統與環境相互作用的數學表達式。它是根據系統的動態特性，即通過決定系統特征的物理學定律，如機械電氣熱力液壓氣動等方面的基本定律而寫成的。75.2.1輸入輸出模型對于輸入輸出的數學模型，常用微分方程來描述該系統在時域中的動態特性。列寫微分方程的目的在于確定系統的輸出量與給定輸入量或擾動輸入量之間的函數關系，而系統是由各種元件組成的

5、，因此列寫方程的一般步驟如下：（1）確定系統或各元件的輸入量、輸出量。（2）按照信號的傳遞順序，寫出在運動過程中的各個環節的動態微分方程。（3）消除所列各微分方程的中間變量。（4）整理所得微分方程。8例5-1如圖5-1所示為一具有質量、彈簧、阻尼器的機械位移系統。試列寫質量在外力作用下，位移的運動方程。 95.2.2狀態模型一狀態模型的基本概念。狀態狀態變量二狀態空間表達式通常受控系統的狀態空間表達式可表示為下列緊湊的形式： 10式中：線性時變系統的狀態空間表達式 線性系統狀態空間表達式的一般形式為： 1112線性定常系統的狀態空間表達式 當線性系統的參數恒定時，由式 (5-10) 則可得線性

6、定常系統的狀態空間表達式為： A 稱為系統的狀態矩陣； B 稱為控制矩陣 ( 或輸入矩陣 ) ； C 稱為輸出矩陣； D 稱為前饋矩陣。 13由以上分析可知，狀態空間表達式具有以下特點： (1) 狀態空間表達式是一種對系統的完全描述，其核心是狀態方程。 (2) 系統的狀態空間表達式不是惟一的 (3) 不同形式狀態空間表達式可相互轉化145.2.3傳遞函數建立系統數學模型的目的是為了對系統的性能進行分析。在給定外作用及初始條件下，求解微分方程就可以得到系統的輸出響應。這種方法比較直觀，特別是借助于電子計算機可以迅速而準確地求得結果。15一傳遞函數的定義和性質設線性定常系統由下述階線性常微分方程描

7、述：由定義得系統傳遞函數為 162性質 傳遞函數具有以下性質：傳遞函數是復變量的有理真分式函數，具有復變函數的所有性質。傳遞函數是系統或元件數學模型的另一種形式，是一種用系統參數表示輸出量與輸入量之間關系的表達式。傳遞函數與微分方程有相通性。傳遞函數的拉氏反變換是脈沖響應。 17例5-3 如圖5-3所示網絡的微分方程為 18二典型環節的傳遞函數一個物理系統是有許多元件組合而成的。雖然各種元件的具體結構和作用原理是多種多樣的，但若拋開其具體結構和物理特點，研究其運動規律和數學模型的共性，就可以劃分成為數不多的幾種典型環節。這些典型環節是：比例環節、微分環節、積分環節、比例微分環節、一階慣性環節、

8、二階振蕩環節和延遲環節。191 比例環節比例環節又稱放大環節，其輸出量與輸入量之間的關系為一種固定的比例關系。這就是說，它的輸出量能夠無失真、無滯后地按一定的比例復現輸入量。比例環節的表達式為比例環節的傳遞函數為20微分環節微分環節是自動控制系統中經常應用的環節。微分環節的特點是在暫態過程中，輸出量為輸入量的微分，即其傳遞函數為 21積分環節積分環節的動態方程為對應的傳遞函數為 22一階慣性環節自動控制系統中經常包含有這種環節，這種環節具有一個儲能元件。一階慣性環節的微分方程為 其傳遞函數 23二階振蕩環節二階振蕩環節的微分方程為其傳遞函數為24延遲環節延遲環節的特點是，其輸出信號比輸入信號遲

9、后一定的時間。其數學表達式為延遲環節的傳遞函數為 255.2.4傳遞函數與狀態方程的轉換一由狀態空間模型轉換為傳遞函數(陣) 由狀態空間表達式惟一地導出系統的傳遞函數(陣)。最小多項式 (s) 的根與特征多項式 det(sI-A) 的根相同，差別的只是根的重數不同而已。由同一系統的不同狀態空間表達式可以導出相同的傳遞函數(陣)26二傳遞函數轉換為狀態空間模型 由傳遞函數( 陣 )轉換為狀態空間表達式的實質，就是要尋找一個在外部特性上等價的狀態空間表達式(A，B，C，D) ，使其滿足： 并稱狀態空間表達式 (A，B，C，D) 為該傳遞函數( 陣 )G(s)的一個實現。線性定常系統傳遞函數的一般表

10、達式為： 275.2.5方框圖一方框圖單元任何系統都可以由信號線、函數方框、信號引出點及求和點組成的方框圖來表示如圖5-5所示。28二方框圖的聯結系統中各環節的方框圖之間的聯結可歸納為以下幾種：(1) 串聯幾個環節串聯，總的傳遞函數等于每個環節的傳遞函數的乘積。 29(2) 并聯同向環節并聯的傳遞函數等于所有并聯的環節傳遞函數之和 30（3）反饋聯結反饋量與輸入量相減稱為負反饋；反饋量與輸入量相加稱為正反饋 31三方框圖簡化325.3系統響應5.3.1時間響應時域分析法是一種直接分析法，具有直觀和準確的優點，尤其適用于一、二階系統性能的分析和計算。對二階以上的高階系統則須采用頻率分析法和根軌跡

11、法。一典型輸入信號自動控制系統常用的典型輸入信號有下面幾種形式：1.階躍函數 定義為332.斜坡函數 定義為3.拋物線函數 定義為344.單位脈沖函數(t) 定義為35二一階系統的時間分析凡是可用一階微分方程描述的系統稱一階系統。一階系統的傳遞函數為：(1) 單位階躍響應當輸入信號u(t)=1(t)時，U(s)=1/s，系統輸出量的拉氏變換為36圖5-18 一階系統的階躍響應曲線37三二階系統的時間響應凡是可用二階微分方程描寫的系統稱為二階系統。在工程實踐中，二階系統不乏其例，具有較大的實際意義 385.3.2頻率響應一頻率響應和頻率特性頻率響應線形定常系統對諧波輸入的穩態響應稱為頻率響應。頻

12、率特性在正弦信號作用下，系統輸入量的頻率由0變化到 時，穩態輸出量與輸入量的振幅和相位差的變化規律。39二頻率特性的幾何圖像圖解法可方便、迅速地獲得問題的近似解。每一種圖解法都是基于某一形式的坐標圖表示法。圖5-21 頻率特性G(j)的圖示法（a）G(j)的極坐標圖示法；（b）G(j)的直角坐標圖示法40圖5-22 對數頻率特性圖(伯德圖)（a）對數幅頻特性；（b）對數相頻特性415.3.3性能指標一時域性能指標時域中評價系統的暫態性能，通常以系統對單位階躍輸入信號的暫態響應為依據，規定如下指標：（1）延遲時間td（2）上升時間tr（3）峰值時間tp（4）調節時間ts（5）最大超調量（6）穩態

13、誤差425.4系統的控制策略5.4.1傳統控制策略傳統的控制策略主要有：PID控制、Smith控制和解耦控制三種。一PID（比例積分微分）控制為了改進反饋控制系統的性能，人們經常選擇各種各樣的校正裝置，其中最簡單最通用的是比例積分微分校正裝置，簡稱為PID校正裝置或PID控制器。這里P代表比例，I代表積分，D代表微分。 43二Smith控制圖5-23 Smith預估控制系統等效圖 44三解耦控制工業應用中的許多系統都是多變量系統，其中個變量間存在耦合關聯作用。在復雜的生產設備中，往往需要設置若干個控制回路來穩定各個被控制變量。在許多情況下，這幾個控制回路間存在著相互關聯，相互耦合，形成力量多輸

14、入、多輸出的相關控制系統。455.4.2現代控制策略在60年代末以前，主要采用PID控制策略，盡管其算法簡單，魯棒性能較好，但它具有時變、大時滯、非線形等特性的過程時，就顯得力不從心。基于狀態空間模型的現代控制理論盡管發展很快，在空間技術和軍事工程上獲得了成功的應用，但面對如此復雜并難于建模的工業過程，依然存在著很大的局限性。46一自適應控制(1) 模型參考自適應控制系統模型參考自適應控制系統框圖如圖所示。 圖5-24 模型參考自適應控制系統的結構圖47(2) 系統辨識與最優控制結合的自適應系統這類自適應控制系統的框圖如圖所示。它一般由系統辨識、被控對象、最優計算和調節器幾部分組成。圖5-25

15、 具有在線辨識的自適應控制系統48二預測控制預測控制，也成為基于模型的控制，最典型的算法為DMC、MAC、GPC等。預測控制的三個基本特征是預測模型、滾動優化、反饋校正。三魯棒控制控制系統的魯棒性研究是現代控制理論研究中一個非常活躍的領域,魯棒控制問題最早出現在上個世紀人們對于微分方程的研究中。 495.4.3智能控制策略智能控制是自動控制發展的高級階段，是人工智能、控制論、系統論和信息論等多種學科的高度綜合與集成，是一門新的交叉前沿學科。從廣義上講，智能控制是研究對復雜的不確定性被控對象（過程）采用人工智能的方法有效地克服系統的不確定性，使系統從無序到期望的有序狀態轉移的方法及其規律。 50

16、一智能控制系統具有以下特點：(1) 同時具有以知識表示的非數學廣義模型和以數學模型表示的混合制過程，(2) 智能控制的核心在高層控制，即組織級；(3) 智能控制器具有非線性特性；(4) 智能控制具有變結構特點；(5) 智能控制器具有總體自尋優特性； (6) 智能控制系統應能滿足多樣性目標的高性能要求；(7) 智能控制是一門邊緣交叉學科；(8) 智能控制是一個新興的研究領域。51二智能控制的結構理論：智能控制的理論結構明顯地具有多學科交叉的特點，許多研究人員試圖建立起智能控制這一新學科，他們提出了一些有關智能控制系統結構的思想。 圖5-26 魯綁控制三元結構52三智能控制系統的分類：智能控制實際

17、只是研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規律，研制具有仿人智能的工程控制與信息處理系統的一個新興分支學科。智能控制系統一般包括：專家控制系統 、神經控制系統、模糊控制系統 、學習控制系統 。535.4.4控制策略的相互滲透和結合從上述各種控制策略的分析可以看出，每種控制策略都有其特長，但都在某方面有某些問題。因此，一種必然的發展趨勢是各種控制策略相互滲透，取長補短，互濟優勢結合成符合的控制策略。545.5微機控制裝置的設計5.5.1控制裝置及微機的選擇微型計算機控制系統設計原則：可靠性高、操作性好、實施性強、通用性好、經濟效益高。硬件軟件功能分配與協調。大量使用硬件會增加成本，影響系

18、統可靠性；增加軟件，系統速度相應降低 。所以，微機控制應用系統應是一個工業測、控系統，一個模擬數字系統，一個物理結構靈活的系統。 55一微處理機在控制系統中的作用是：（1）接受上位機的指令；（2）采集傳感器的反饋信號；（3）運算控制規律；（4）生成并輸出控制信號。所選計算機應滿足以下要求：（1）完善的中斷系統（2）足夠的存儲容量（3）完備的I/O通道和實時時鐘。56二接口以及信息輸入/輸出設備設計。微機控制系統中的計算機與外設（如傳感器、執行器、動力源、機械本體、與人的信息交換設備等）之間的連接和信息交換是通過接口來實現的。在此將計算機與外設連接的接口稱作輸入/輸出（I/O）接口。 57三傳輸

19、總線與標準接口。輸入和輸出通路的主要功能是實現模擬量與數字量之間的信號變換。控制裝置的通道包括：系統I/O通道、 數字量I/O通道、開關量I/O通道、模擬量I/O通道、脈沖量I/O通道。在總體設計中，應確定本系統應設置什么樣的通道、每個通道由幾部分組成，各部分選用什么器件等58四操作員控制臺設計。對于控制臺的設計，應保證作者觀察顯示器和操作控制器方便舒適，為操作者長時間操作提供舒適穩定的坐姿。人在控制臺前常用的作業姿勢有三種：坐姿、坐/立姿和立姿。從減輕人的疲勞角度看，坐姿比坐姿/立姿的好，坐/立姿比立姿好。顯示器和控制器按人體尺度來放置。 595.5.2提高系統控制裝置的可靠性可靠性是產品在

20、規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力。這里的“產品”是作為單獨研究和分別試驗對象的任何元件、設備或系統，可以是零件、部件，也可以是由它們裝配而成的機器，或由許多機器組成的機組和成套設備，甚至還把人的作用也包括在內。規定的時間是是可靠性區別于產品其他質量屬性的重要特征，一般也可認為可靠性是產品功能在時間上的穩定程度。 605.6數字控制器的設計5.6.1PID數字控制器PID控制在經典控制理論中技術成熟，自20世紀30年代末出現的模擬式PID調節器，至今仍在廣泛地應用著。今天，隨著計算機技術的迅速發展，用技術算法代替模擬式PID調節器，實現數字PID控制，使其控制作用更靈活、更易于改進和完善。61PID程序的實現 1操作特征的設置：每個回路手動/自動特征位；每個執行機構設置正向/反向特征位 2執行機構極限保護。在編寫控制執行機構運動的程序時應計算Pn(n)-U(n)，檢查輸出余量，這樣做主要是為了防止執行機構過開或過關。 3防止極限環。可一采用對計算機輸出規定一個不靈敏區，如果|Pn(n)|則計算機不輸出來解決此問題。 625.6.2史密斯數字控制器史密斯數字控制器