機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件(第6章)中國(guó)電力出版社王丁

1、第6章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣硬件集成電路以后，由于自身的特性的局限和運(yùn)動(dòng)的不確定性，并不能實(shí)現(xiàn)特定功能的良好的運(yùn)行。必須在功能和物理特性的約束的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 26.1 對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本設(shè)置 。將機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合則可以在重負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)微小運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械具有柔性和智能。 3閉環(huán)控制系統(tǒng)往往存在對(duì)立的關(guān)系 系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性 :提高控制系統(tǒng)的精度，可以通過加快頻率響應(yīng)，增大回路增益來實(shí)現(xiàn)。增大回路增益會(huì)引起自激振蕩 快速性和穩(wěn)定性 :減小驅(qū)動(dòng)輸出，這雖然可使發(fā)振停止 .但驅(qū)動(dòng)力不足，使系統(tǒng)不能跟蹤快速變化的目標(biāo)值，導(dǎo)致快速性及動(dòng)態(tài)精度降低。 4解決方法

2、需要在機(jī)械和電子控制系統(tǒng)之間，找到某種平衡 56.11 伺服剛度伺服剛度定義 閉環(huán)系統(tǒng)這種類似彈簧的特性稱為伺服剛度K。伺服剛度越大，外力引起的位置控制誤差越小。(施加外力時(shí)，軸會(huì)回轉(zhuǎn)一定角度，但除去外力時(shí)，軸會(huì)回到原來的位置。) 電氣部分剛度如何理解6系統(tǒng)剛度關(guān)系驅(qū)動(dòng)部分的伺服剛度系數(shù)為KS，機(jī)械部分的剛度系數(shù)為Kj,系統(tǒng)總剛度Ka為jsaKKK111機(jī)械部分剛度Kj驅(qū)動(dòng)部分剛度KS，是使系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件。 7設(shè)計(jì)要求 對(duì)于確定的機(jī)械系統(tǒng)，其剛度是一定的。一旦確定，是不容易改變的，必須在設(shè)計(jì)時(shí)就認(rèn)真考慮并作出合理選擇。而對(duì)于驅(qū)動(dòng)部分，可通過調(diào)整伺服放大器和驅(qū)動(dòng)放大器的增益，其剛度可以容易地

3、改變。兩部分合理的關(guān)系應(yīng)為機(jī)械部分的剛度大于或等于驅(qū)動(dòng)部分的剛度的三倍,剛度比（K=Kj/Ks）越大,系統(tǒng)越趨向于穩(wěn)定。6.1.2 固有振動(dòng)頻率驅(qū)動(dòng)部分和機(jī)械部分的固有頻率的相互關(guān)系是影響控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。 9以位置控制系統(tǒng)為例 10以電壓為輸入、以角位移為輸出的驅(qū)動(dòng)部分的傳遞函數(shù)G1(j) ),可近似地由下式表示2111221)(2)()(jjjKjG11與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)直接連接的機(jī)械部分的傳遞函數(shù)可以近似表示為222222)(2)()(jjjG12、 驅(qū)動(dòng)部分、機(jī)械部分的固有角頻率,K驅(qū)動(dòng)部分的固有頻率12 假設(shè)1)(jH（輸入為電壓，輸出為位移），則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 )()()(2

4、10jGjGjG13結(jié)論 要想得到高速、高精度的位置控制，需要有較大的位置控制增益。在穩(wěn)定范圍內(nèi)，希望機(jī)械部分的固有頻率要比驅(qū)動(dòng)部分的固有頻率大。對(duì)于數(shù)控機(jī)床及機(jī)器人的位置控制，機(jī)械部分的固有頻率要比驅(qū)動(dòng)部分的固有頻率大3倍以上。6.1.3 啟動(dòng)力矩應(yīng)使機(jī)械部分的啟動(dòng)力（力矩）盡量小一些，驅(qū)動(dòng)部分的輸出盡量大一些。 15具體方法 （1）可以采用減速機(jī)來使折算到驅(qū)動(dòng)軸上的負(fù)載力矩減小。 （2）要使負(fù)載保持高速度而不采用減速裝置時(shí)，可以通過增大開環(huán)增益來使低速域的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)輸出提高。將開環(huán)增益增大到原來的m倍，微小輸入電壓域的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)輸出速度就增大到原來的m倍。6.1.4 空動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)換向時(shí)，如果傳

5、動(dòng)鏈中存在間隙，會(huì)使目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的反向滯后于指令信號(hào)。這種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在某一從正方向進(jìn)行控制和負(fù)方向進(jìn)行控制時(shí)兩停止位置的差，被稱為空動(dòng)，也稱反向間隙。 17在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取以下措施消除齒輪傳動(dòng)中的間隙。 （1）增大開環(huán)增益法 （2）局部反饋法 （3）機(jī)械結(jié)構(gòu)消除法 (4）減小傳動(dòng)鏈法62 機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制需求和控制方法對(duì)象特性、數(shù)學(xué)模型與控制方案19物理層系統(tǒng)部件存在缺陷 系統(tǒng)的各個(gè)部件運(yùn)行一般不具有同時(shí)性，各個(gè)部件有不同的動(dòng)態(tài)反應(yīng)。 尤其是驅(qū)動(dòng)部件，往往具有參數(shù)不確定性。 許多部件也具有非線性。 干擾的廣泛存在和負(fù)載的變化使運(yùn)行不穩(wěn)定。 20解決辦法(結(jié)論) 1 需要考慮到各個(gè)部件的控制

6、2 這些控制要能統(tǒng)一起來 3 因此需要進(jìn)行控制設(shè)計(jì) 4 最終形成一套控制結(jié)構(gòu)2162.1 對(duì)象特性與數(shù)學(xué)模型 常用的數(shù)學(xué)模型(Mathematical process models)有基于拉普拉斯變換的傳遞函數(shù)模型和狀態(tài)空間模型。由于系統(tǒng)復(fù)雜性的提高、控制性能的需求和作為核心控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)部件的微處理器的性能的增強(qiáng)，狀態(tài)空間模型得到了越來越廣泛的應(yīng)用。22對(duì)象特性 傳動(dòng)部件是可線性化的， 如果運(yùn)動(dòng)是單向的，則能夠線性化；對(duì)于雙向的運(yùn)動(dòng)，庫(kù)侖摩擦（Coulomb Friction）產(chǎn)生遲滯性（Hysteresis），導(dǎo)致非線性模式。然而，使用方向相關(guān)線性模型也是可能的。 電機(jī)和工作過程常具有非線性

7、 些參數(shù)，如質(zhì)量和剛度是已知的，其它的參數(shù)，如阻尼和摩擦系數(shù)，負(fù)載參數(shù)，是未知的和時(shí)變的， 模型階N在3到20之間，因此，建模和計(jì)算機(jī)代數(shù)的軟件工具應(yīng)該使用，也需要模型精減技術(shù) 23補(bǔ)充說明 其中特性最復(fù)雜的部分是交流異步電動(dòng)機(jī) 非線性、時(shí)變、高階、參數(shù)未知24622 參數(shù)和狀態(tài)估計(jì) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常使用的非線性模型是：非線性靜態(tài)多項(xiàng)式、線性動(dòng)態(tài)特性的或者是參數(shù)線性化的非線性動(dòng)態(tài)特性的滯后曲線。 測(cè)量輸入和輸出信號(hào)的因果關(guān)系（Causal relations）可用于獲得內(nèi)部過程行為的信息。即參數(shù)和狀態(tài)估計(jì)。 參數(shù)和狀態(tài)估計(jì)(Parameter and state estimation)方法是對(duì)

8、于自適應(yīng)控制、自適應(yīng)阻尼或故障檢測(cè)模型是基礎(chǔ)。256.2.3 反饋與前饋控制 為了穩(wěn)定被控量和所要求的運(yùn)動(dòng)，主要應(yīng)采用閉環(huán)控制，也就是反饋控制。所應(yīng)用的前饋和反饋控制算法依賴于電氣的、機(jī)械的、液壓的、氣動(dòng)的和熱力的過程的個(gè)體性質(zhì)?？梢园逊答伩刂茟?yīng)用于更低或更高的水平的控制器、參考值產(chǎn)生單元和控制參數(shù)自適應(yīng)中。26具體應(yīng)用較低層反饋的目標(biāo)是提供一定的動(dòng)態(tài)特性（即增加阻尼），以補(bǔ)償象摩擦這樣的非線性，減少參數(shù)的敏感性，使系統(tǒng)穩(wěn)定。 27實(shí)例一 高頻振蕩阻尼(Damping of high-frequent oscillations)：弱阻尼振蕩出現(xiàn)在多質(zhì)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)鏈或氣動(dòng)和液壓執(zhí)行器的情況。通過對(duì)輸出

9、的濾波和使用狀態(tài)變量或比例微分反饋一般可以改善阻尼過程 28實(shí)例二 非線性靜態(tài)特性補(bǔ)償(Compensation of nonlinear static characteristics)：非線性靜態(tài)特性出現(xiàn)在機(jī)電任務(wù)的許多子系統(tǒng)中。假定非線性靜態(tài)特性為FD=f(U),則可以使用U=f-1(U)這樣的逆特性加以補(bǔ)償，這樣FD=f(U)的I/O特性就變?yōu)榻凭€性。然后就可以使用線性PID控制器進(jìn)行控制。29實(shí)例三 摩擦補(bǔ)償(Friction compensation)：對(duì)許多機(jī)械系統(tǒng)來說，全局摩擦可以近似表示為其中fFC是庫(kù)侖摩擦，fFV是依賴于運(yùn)動(dòng)干擾抵抗的也就是來自于負(fù)載變化線性粘性摩擦系數(shù)。

10、 這個(gè)高層次控制器可以用PID型的或者是內(nèi)?？刂破餍偷膮?shù)優(yōu)化控制器來實(shí)現(xiàn)，也可以用帶有或不帶狀態(tài)觀測(cè)器的狀態(tài)控制器來實(shí)現(xiàn)。)()()(tYftYsignftFFVFCF30前饋控制如果沒有有效地測(cè)量被控變量的適當(dāng)?shù)膫鞲衅鞯脑?，就要使用前饋控制?31應(yīng)用實(shí)例 可以用象靜態(tài)非線性u(píng)=f(y)或非線性散轉(zhuǎn)表u=f(y)這樣的簡(jiǎn)單比例環(huán)節(jié)或PD算法來是實(shí)現(xiàn)。 最后的情況用于內(nèi)燃機(jī)控制的場(chǎng)合，這時(shí)轉(zhuǎn)矩和放射傳感器不好使，所有情況的穩(wěn)定性問題都要避免。32順序控制 對(duì)于重復(fù)操作（機(jī)床，印刷機(jī)）、起停（發(fā)動(dòng)機(jī)）或自動(dòng)齒輪這樣的任務(wù)，可觀部分的機(jī)電一體化系統(tǒng)的自動(dòng)控制是由順序控制完成的。33滑?？刂破?非

11、線性執(zhí)行器的位置控制的一個(gè)替代方法 它由反饋線性化的正規(guī)部分和補(bǔ)償模型不定性的附加反饋組成。 包含開關(guān)函數(shù)的結(jié)果振動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)高頻抖動(dòng)信號(hào)。 34穩(wěn)定性(Stabilization) 控制 象磁支撐、磁懸浮列車或軌道車這樣的不穩(wěn)定機(jī)電一體化系統(tǒng)，可以通過適當(dāng)?shù)姆答佉?guī)律在較低的控制層進(jìn)行穩(wěn)定。 穩(wěn)定反饋通常包括微分項(xiàng)，在磁力執(zhí)行器的情況下，包括非線性補(bǔ)償項(xiàng)。35開關(guān)執(zhí)行器控制(Switching actuator control) ：PWM 線圈（solenoid）或氣膜型（pneumatic membrane-type）的低成本執(zhí)行器通常由高頻脈寬調(diào)制輸入信號(hào)控制 使得較低頻段的位置控制或液體壓

12、力控制顯現(xiàn)線性特性。36進(jìn)一步控制討論 較低層控制的控制方案可以通過針對(duì)負(fù)載或與機(jī)械任務(wù)耦合的工作任務(wù)附加反饋控制器進(jìn)行擴(kuò)展，導(dǎo)致多重串級(jí)控制系統(tǒng)。 先進(jìn)控制算法應(yīng)用的先決條件（prerequisite）是使用良好適應(yīng)的任務(wù)模型。這導(dǎo)出自校正或自適應(yīng)控制系統(tǒng)。 37624 參數(shù)自適應(yīng)控制 在常規(guī)控制中，大多數(shù)的過程以確定的方式改變參數(shù)。在整個(gè)工作范圍內(nèi)和整個(gè)使用期內(nèi)可以通過自適應(yīng)控制來獲得改進(jìn)的性能。 參數(shù)估計(jì)已經(jīng)被證明是機(jī)械過程的自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。這個(gè)機(jī)械過程包括：非線性，庫(kù)侖摩擦，象質(zhì)量、剛度和阻尼這樣的未知參數(shù)。38參數(shù)調(diào)度(parameter scheduling)： 基于變化運(yùn)行條件

13、測(cè)量的參數(shù)調(diào)度是處理已知和近似時(shí)不變過程非線性的有效方法。 設(shè)有與過程變化相關(guān)的可測(cè)輔助變量V，控制器參數(shù)的適應(yīng)性作為V的函數(shù)（參數(shù)調(diào)度）實(shí)現(xiàn)。39參數(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)(Parameter-adaptive control systems)： 參數(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)以使用參數(shù)過程模型用的參數(shù)辨識(shí)為特征。 如果能夠滿足設(shè)計(jì)和收斂性的假定，數(shù)字自適應(yīng)控制可以很好工作。 這包括過程動(dòng)態(tài)性能的的適當(dāng)?shù)募?lì)，也包括適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。 對(duì)于違反假定的情況，可以采取適當(dāng)行動(dòng)的監(jiān)控層是必要的。406.2.5 智能控制 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的控制可以在簡(jiǎn)單的控制功能到智能控制（intelligent control）之間。智能

14、控制包括模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等。41模糊邏輯控制(Fuzzy control) 模糊邏輯提供了處理不明確的變量和知識(shí)的系統(tǒng)框架 42應(yīng)用場(chǎng)合 傳感器產(chǎn)生了不準(zhǔn)確的輸出 過程行為只是定性的掌握 自動(dòng)功能不能用方程或布爾代數(shù)來表示 43為專家系統(tǒng) 包括以下內(nèi)容：多層控制功能（執(zhí)行功能），知識(shí)庫(kù)，推理機(jī)制（inference mechanisms）,通信接口。 4462.6 監(jiān)控和故障診斷 智能系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是部件的自動(dòng)監(jiān)控和故障診斷。 45應(yīng)用場(chǎng)合 外部故障通常是由電源、污染和碰撞引起 內(nèi)部故障通常是由磨損、缺少潤(rùn)滑或執(zhí)行器、傳感器故障引起。 46輸出變量可測(cè)情況 如果故

15、障直接影響可測(cè)輸出變量，它可以通過適當(dāng)?shù)男盘?hào)評(píng)估檢測(cè)出來。 如果測(cè)量的量相對(duì)于正常值的容差進(jìn)行檢測(cè)，超過容差就觸發(fā)報(bào)警，相應(yīng)的功能叫做監(jiān)測(cè)（monitoring） 在超過限定值顯示危險(xiǎn)狀態(tài)的情況下，適當(dāng)?shù)牟僮骶妥詣?dòng)地運(yùn)行。這叫做自動(dòng)保護(hù)（automatic protection）。47全局監(jiān)測(cè) 幾個(gè)重要的測(cè)量變量的限定值檢測(cè)的經(jīng)典方法適用的于全局監(jiān)測(cè)。然而，進(jìn)行中的部件錯(cuò)誤只能在相當(dāng)晚的狀態(tài)下檢測(cè)出來，可用信息不容許進(jìn)行故障診斷。 使用過程模型可以進(jìn)行與正規(guī)的測(cè)量變量相關(guān)的早期的故障檢測(cè)。象狀態(tài)變量和參數(shù)這類不可測(cè)量可以被估計(jì)。 如果同樣的模型可以既用于（適應(yīng)的）控制器設(shè)計(jì)，又用于故障檢測(cè)，那

16、就有更好的結(jié)果。如果故障檢測(cè)基于參數(shù)估計(jì)或等價(jià)方程，更傾向于使用連續(xù)時(shí)間模型。對(duì)于狀態(tài)估計(jì)的故障檢測(cè)，還是使用等價(jià)方程離散時(shí)間模型。 627 一般控制結(jié)構(gòu)對(duì)象的一般性和控制方法的通用性形成了相對(duì)穩(wěn)定的控制結(jié)構(gòu)。通常的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以多層方式構(gòu)成，如圖6-2所示。 495063 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 就可以針對(duì)控制要素進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。最后，應(yīng)進(jìn)行必要的仿真研究和論證。51631 控制要素控制要素 數(shù)學(xué)模型的確定 (包括參數(shù)辨識(shí))(物理層) 控制算法的選擇(前述) ,控制算法的應(yīng)用組合方式(環(huán)路) 控制結(jié)構(gòu)52632 控制系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)方法 針對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所涉及的控制要素，可以采用第四章的概念設(shè)計(jì)方法進(jìn)行

17、控制設(shè)計(jì)，既進(jìn)行概念方案的形態(tài)分析和概念方案的選擇。 53633 控制系統(tǒng)的仿真研究54應(yīng)用實(shí)例 進(jìn)行一個(gè)可聯(lián)網(wǎng)的單回路調(diào)節(jié)器55功能結(jié)構(gòu)電能電能/熱/聲A/DD/A輸入控制輸出控制Profibus-DPProfibus-DP接口微處理器電源56硬件設(shè)計(jì):總體布局57硬件設(shè)計(jì):方案產(chǎn)生 電源:三端穩(wěn)壓器/開關(guān)電源 微處理器:51兼容/DSP/ARM 總線接口: 人機(jī)界面58硬件設(shè)計(jì):方案確定59控制設(shè)計(jì):方案產(chǎn)生 對(duì)象:大慣性/帶未建模/ 算法:PID/PID串模糊/PID并模糊/TD模糊 環(huán)路:單環(huán)/雙環(huán)/其它60控制設(shè)計(jì):方案確定 大慣性+非線性+未建模 TD模糊 雙環(huán)結(jié)構(gòu)616.4 控制

18、結(jié)構(gòu)與硬件結(jié)構(gòu) 控制結(jié)構(gòu)通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),涉及控制器、連接和給定要求。 上面介紹都是單元集成式的。還有其它形式 上位-下位結(jié)構(gòu)：算法、界面在上位，執(zhí)行和輸出在下位，有線通訊連接 分布式結(jié)構(gòu)DCS 現(xiàn)場(chǎng)總線式結(jié)構(gòu)FCS62 網(wǎng)絡(luò)式控制結(jié)構(gòu)：互聯(lián)網(wǎng)或以太網(wǎng) 無線式控制結(jié)構(gòu)：ZIGBEE、WI-FI、藍(lán)牙、射頻63MECHATRONIC TOOLS FOR THE MODELING ANDDESIGN OF SERVO MOTOR ACTUATED BELTDRIVEN MOTION SYSTEMS64656667MODELING AND ANALYSIS Frequency Response Analysis68697071727374The brushed DC motor75767778798081828384The belt drive85868788899091929394959697REAL TIME CONTROL They were then implemented using a member of the C2000 familyformally de