機(jī)電一體化技術(shù)(五)

1、袁中凡 主 編李彬彬 陳 爽 副主編冼 進(jìn) 審郵箱：china_機(jī)電一體化技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù) 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束第五章第五章 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)知識(shí)點(diǎn)：知識(shí)點(diǎn)：機(jī)電一體化控制系統(tǒng)概述機(jī)電一體化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型機(jī)電一體化控制系統(tǒng)響應(yīng)機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制策略微機(jī)控制裝置的設(shè)計(jì)機(jī)電一體化數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束本章導(dǎo)讀本章導(dǎo)讀 就控制理論的發(fā)展而言，大體可以分為三個(gè)發(fā)展階段，即古典控制理論階段、現(xiàn)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

2、函數(shù)為基礎(chǔ)的一種控制理論，控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)是建立在某種近似的或試探的基礎(chǔ)上的。現(xiàn)代控制理論是建立在狀態(tài)空間上的一種分析方法，它的數(shù)學(xué)模型主要是狀態(tài)方程，控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)可以說(shuō)是精確的。智能控制是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種控制理論，它包括最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.1控制系統(tǒng)概述控制系統(tǒng)概述5.1.1控制系統(tǒng)的組成及其特點(diǎn)控制系統(tǒng)的組成及其特點(diǎn)系統(tǒng)是為了形成某種特殊功能而裝配起來(lái)的一組物理元件。我們所研究的“系統(tǒng)”就是有相互聯(lián)系、相互作用的若干部分構(gòu)成，而且有一定的目的或一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一個(gè)整體。一般的機(jī)電系

3、統(tǒng)是機(jī)械和電的組合系統(tǒng)。 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.1.2控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類一按輸入量的特征分類一按輸入量的特征分類恒值控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）二二.按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類連續(xù)控制系統(tǒng)離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)三三. 按系統(tǒng)構(gòu)成分類按系統(tǒng)構(gòu)成分類開(kāi)環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng)四四. 按控制元件特性分類按控制元件特性分類線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.1.3控制系統(tǒng)的幾種實(shí)現(xiàn)方式控制系統(tǒng)的幾種實(shí)現(xiàn)方式（1）系統(tǒng)分析問(wèn)題：當(dāng)系統(tǒng)已

4、定、輸入已知時(shí)，求出系統(tǒng)的輸出，并通過(guò)輸出來(lái)研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問(wèn)題。（2）最優(yōu)控制問(wèn)題：當(dāng)系統(tǒng)已定時(shí)，確定輸入，且所確定的輸入應(yīng)使得輸出盡可能符合給定的最佳要求。（3）最優(yōu)設(shè)計(jì)問(wèn)題：當(dāng)輸入已知時(shí)，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。（4）濾波與預(yù)測(cè)問(wèn)題：當(dāng)輸出已知時(shí)，確定系統(tǒng)，以識(shí)別輸入或輸入中的有關(guān)信息。（5）系統(tǒng)識(shí)別與系統(tǒng)辨識(shí)問(wèn)題：當(dāng)輸入與輸出均已知時(shí)，求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.1.4控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟1目的分析。首先對(duì)系統(tǒng)的目的或任務(wù)進(jìn)行定量分析，即將

5、系統(tǒng)的目的、任務(wù)直接地或間接地變換成定量關(guān)系，2系統(tǒng)分析。（1）建立系統(tǒng)框圖。將系統(tǒng)進(jìn)行分解后，考慮到各個(gè)部分之間的輸入、輸出聯(lián)系，即可利用框圖方法來(lái)表達(dá)系統(tǒng)。（2）建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。3系統(tǒng)最佳化。4系統(tǒng)仿真。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.2系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在控制系統(tǒng)的研究中有著相當(dāng)重要的地位，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真處理，首先應(yīng)當(dāng)知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后才可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬。數(shù)學(xué)模型是描述元素之間、子系統(tǒng)之間、層次之間相互作用以及系統(tǒng)與環(huán)境相互作用的數(shù)學(xué)表達(dá)式。它是根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，即通過(guò)決定系統(tǒng)特征的物理學(xué)定律，如機(jī)械電氣

6、熱力液壓氣動(dòng)等方面的基本定律而寫(xiě)成的。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.2.1輸入輸入輸出模型輸出模型對(duì)于輸入輸出的數(shù)學(xué)模型，常用微分方程來(lái)描述該系統(tǒng)在時(shí)域中的動(dòng)態(tài)特性。列寫(xiě)微分方程的目的在于確定系統(tǒng)的輸出量與給定輸入量或擾動(dòng)輸入量之間的函數(shù)關(guān)系，而系統(tǒng)是由各種元件組成的，因此列寫(xiě)方程的一般步驟如下：（1）確定系統(tǒng)或各元件的輸入量、輸出量。（2）按照信號(hào)的傳遞順序，寫(xiě)出在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)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。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束例例5-1如

7、如圖5-1所示為一具有質(zhì)量、彈簧、阻尼器的機(jī)械位移系統(tǒng)。試列寫(xiě)質(zhì)量在外力作用下，位移的運(yùn)動(dòng)方程。 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.2.2狀態(tài)模型狀態(tài)模型一狀態(tài)模型的基本概念。一狀態(tài)模型的基本概念。狀態(tài)狀態(tài)變量二狀態(tài)空間表達(dá)式二狀態(tài)空間表達(dá)式通常受控系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式可表示為下列緊湊的形式： 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束式中：線性時(shí)變系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式 線性系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式的一般形式為： 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束2022-5-102022-5-10開(kāi)

8、始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式 當(dāng)線性系統(tǒng)的參數(shù)恒定時(shí)，由式 (5-10) 則可得線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式為： A 稱為系統(tǒng)的狀態(tài)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。 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束由以上分析可知，狀態(tài)空間表達(dá)式具有以下特點(diǎn)： (1) 狀態(tài)空間表達(dá)式是一種對(duì)系統(tǒng)的完全描述，其核心是狀態(tài)方程。 (2) 系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式不是惟一的 (3) 不同形式狀態(tài)空間表達(dá)式可相互轉(zhuǎn)化2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5

9、.2.3傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的目的是為了對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)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(tǒng)的輸出響應(yīng)。這種方法比較直觀，特別是借助于電子計(jì)算機(jī)可以迅速而準(zhǔn)確地求得結(jié)果。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束一傳遞函數(shù)的定義和性質(zhì)一傳遞函數(shù)的定義和性質(zhì)設(shè)線性定常系統(tǒng)由下述階線性常微分方程描述：)()()()()()()()(1111011110tubtudtdbtudtdbtudtdbtyatydtdatydtdatydtdammmmmmnnnnnnnnnnmmmmasasasabsbsbsbSUsYsG11101110)(

10、)()(由定義得系統(tǒng)傳遞函數(shù)為 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束2性質(zhì) 傳遞函數(shù)具有以下性質(zhì)：傳遞函數(shù)是復(fù)變量的有理真分式函數(shù)，具有復(fù)變函數(shù)的所有性質(zhì)。傳遞函數(shù)是系統(tǒng)或元件數(shù)學(xué)模型的另一種形式，是一種用系統(tǒng)參數(shù)表示輸出量與輸入量之間關(guān)系的表達(dá)式。傳遞函數(shù)與微分方程有相通性。傳遞函數(shù)的拉氏反變換是脈沖響應(yīng)。 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束例例5-3 如如圖5-3所示網(wǎng)絡(luò)的微分方程為 )()()()(22tutudttduRCdttudLCrccc)()() 1(2sUsURCsLCsrc11)()()(2RCs

11、LCssUsUsGrc2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束二典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)二典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)一個(gè)物理系統(tǒng)是有許多元件組合而成的。雖然各種元件的具體結(jié)構(gòu)和作用原理是多種多樣的，但若拋開(kāi)其具體結(jié)構(gòu)和物理特點(diǎn)，研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和數(shù)學(xué)模型的共性，就可以劃分成為數(shù)不多的幾種典型環(huán)節(jié)。這些典型環(huán)節(jié)是：比例環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)、一階慣性環(huán)節(jié)、二階振蕩環(huán)節(jié)和延遲環(huán)節(jié)。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束1 比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)又稱放大環(huán)節(jié)，其輸出量與輸入量之間的關(guān)系為一種固定的比例關(guān)系。這就是說(shuō)，它的輸出量能夠無(wú)失真

12、、無(wú)滯后地按一定的比例復(fù)現(xiàn)輸入量。比例環(huán)節(jié)的表達(dá)式為)()(tKuty比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為KSUsYsG)()()(2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中經(jīng)常應(yīng)用的環(huán)節(jié)。微分環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是在暫態(tài)過(guò)程中，輸出量為輸入量的微分，即dttduty)()(其傳遞函數(shù)為 ssUsYsG)()()(2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)方程為)()(tKudttdysKsUsYsG)()()(對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)為 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束

13、一階慣性環(huán)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)中經(jīng)常包含有這種環(huán)節(jié)，這種環(huán)節(jié)具有一個(gè)儲(chǔ)能元件。一階慣性環(huán)節(jié)的微分方程為 )()()(tKutydttdyT其傳遞函數(shù) 1)()()(TsKSUsYsG2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束二階振蕩環(huán)節(jié)二階振蕩環(huán)節(jié)的微分方程為)()()(2)(222tKutytydtdTtydtdT其傳遞函數(shù)為22222212)()()(nnnssTssTKsUsYsG2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束延遲環(huán)節(jié)延遲環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是，其輸出信號(hào)比輸入信號(hào)遲后一定的時(shí)間。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為)()(trtc延遲環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

14、為 )(sGse2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.2.4傳遞函數(shù)與狀態(tài)方程的轉(zhuǎn)換傳遞函數(shù)與狀態(tài)方程的轉(zhuǎn)換一由狀態(tài)空間模型轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)一由狀態(tài)空間模型轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)(陣陣) 由狀態(tài)空間表達(dá)式惟一地導(dǎo)出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(陣)。最小多項(xiàng)式 (s) 的根與特征多項(xiàng)式 det(sI-A) 的根相同，差別的只是根的重?cái)?shù)不同而已。由同一系統(tǒng)的不同狀態(tài)空間表達(dá)式可以導(dǎo)出相同的傳遞函數(shù)(陣)2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束二傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間模型二傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間模型 由傳遞函數(shù)( 陣 )轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間表達(dá)式的實(shí)質(zhì)，

15、就是要尋找一個(gè)在外部特性上等價(jià)的狀態(tài)空間表達(dá)式(A，B，C，D) ，使其滿足： 并稱狀態(tài)空間表達(dá)式 (A，B，C，D) 為該傳遞函數(shù)( 陣 )G(s)的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。線性定常系統(tǒng)傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式為： 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.2.5方框圖方框圖一方框圖單元一方框圖單元任何系統(tǒng)都可以由信號(hào)線、函數(shù)方框、信號(hào)引出點(diǎn)及求和點(diǎn)組成的方框圖來(lái)表示如圖5-5所示。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束二方框圖的聯(lián)結(jié)二方框圖的聯(lián)結(jié)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的方框圖之間的聯(lián)結(jié)可歸納為以下幾種：(1) 串聯(lián)幾個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)，總的傳遞函數(shù)等于每

16、個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)的乘積。 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束(2) 并聯(lián)同向環(huán)節(jié)并聯(lián)的傳遞函數(shù)等于所有并聯(lián)的環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)之和 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束（3）反饋聯(lián)結(jié)反饋量與輸入量相減稱為負(fù)反饋；反饋量與輸入量相加稱為正反饋 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束三方框圖簡(jiǎn)化三方框圖簡(jiǎn)化2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.3系統(tǒng)響應(yīng)系統(tǒng)響應(yīng)5.3.1時(shí)間響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)域分析法是一種直接分析法，具有直觀和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于一、二

17、階系統(tǒng)性能的分析和計(jì)算。對(duì)二階以上的高階系統(tǒng)則須采用頻率分析法和根軌跡法。一典型輸入信號(hào)一典型輸入信號(hào)自動(dòng)控制系統(tǒng)常用的典型輸入信號(hào)有下面幾種形式：1.階躍函數(shù) 定義為000u(t) ttU2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束2.斜坡函數(shù) 定義為3.拋物線函數(shù) 定義為000u(t)ttUt00021u(t)2ttUt2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束4.單位脈沖函數(shù)(t) 定義為0)(000)(u(t)dttttt2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束二一階系統(tǒng)的時(shí)間分析二一階系統(tǒng)

18、的時(shí)間分析凡是可用一階微分方程描述的系統(tǒng)稱一階系統(tǒng)。一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：(1) 單位階躍響應(yīng)當(dāng)輸入信號(hào)u(t)=1(t)時(shí)，U(s)=1/s，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換為1Ts1G(s)11) 1s(Ts1Y(s) TSTs2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束圖5-18 一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束三二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)三二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)凡是可用二階微分方程描寫(xiě)的系統(tǒng)稱為二階系統(tǒng)。在工程實(shí)踐中，二階系統(tǒng)不乏其例，具有較大的實(shí)際意義 222s2s (s)nnn2022-5-102022-5-10

19、開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.3.2頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)一頻率響應(yīng)和頻率特性一頻率響應(yīng)和頻率特性頻率響應(yīng)線形定常系統(tǒng)對(duì)諧波輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)。頻率特性在正弦信號(hào)作用下，系統(tǒng)輸入量的頻率由0變化到 時(shí)，穩(wěn)態(tài)輸出量與輸入量的振幅和相位差的變化規(guī)律。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束二頻率特性的幾何圖像二頻率特性的幾何圖像圖解法可方便、迅速地獲得問(wèn)題的近似解。每一種圖解法都是基于某一形式的坐標(biāo)圖表示法。圖5-21 頻率特性G(j)的圖示法（a）G(j)的極坐標(biāo)圖示法；（b）G(j)的直角坐標(biāo)圖示法2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前

20、頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束圖5-22 對(duì)數(shù)頻率特性圖(伯德圖)（a）對(duì)數(shù)幅頻特性；（b）對(duì)數(shù)相頻特性2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.3.3性能指標(biāo)性能指標(biāo)一時(shí)域性能指標(biāo)一時(shí)域性能指標(biāo)時(shí)域中評(píng)價(jià)系統(tǒng)的暫態(tài)性能，通常以系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入信號(hào)的暫態(tài)響應(yīng)為依據(jù)，規(guī)定如下指標(biāo)：（1）延遲時(shí)間td（2）上升時(shí)間tr（3）峰值時(shí)間tp（4）調(diào)節(jié)時(shí)間ts（5）最大超調(diào)量（6）穩(wěn)態(tài)誤差2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.4系統(tǒng)的控制策略系統(tǒng)的控制策略5.4.1傳統(tǒng)控制策略傳統(tǒng)控制策略傳統(tǒng)的控制策略主要有：PID控制、Smit

21、h控制和解耦控制三種。一一PID（比例（比例積分積分微分）控制微分）控制為了改進(jìn)反饋控制系統(tǒng)的性能，人們經(jīng)常選擇各種各樣的校正裝置，其中最簡(jiǎn)單最通用的是比例積分微分校正裝置，簡(jiǎn)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。 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束二二Smith控制控制圖5-23 Smith預(yù)估控制系統(tǒng)等效圖 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束三解耦控制三解耦控制工業(yè)應(yīng)用中的許多系統(tǒng)都是多變量系統(tǒng)，其中個(gè)變量間存在耦合關(guān)聯(lián)作用。在復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備中，往往需要設(shè)置若干個(gè)控制回路來(lái)穩(wěn)

22、定各個(gè)被控制變量。在許多情況下，這幾個(gè)控制回路間存在著相互關(guān)聯(lián)，相互耦合，形成力量多輸入、多輸出的相關(guān)控制系統(tǒng)。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.4.2現(xiàn)代控制策略現(xiàn)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(jiǎn)單，魯棒性能較好，但它具有時(shí)變、大時(shí)滯、非線形等特性的過(guò)程時(shí)，就顯得力不從心。基于狀態(tài)空間模型的現(xiàn)代控制理論盡管發(fā)展很快，在空間技術(shù)和軍事工程上獲得了成功的應(yīng)用，但面對(duì)如此復(fù)雜并難于建模的工業(yè)過(guò)程，依然存在著很大的局限性。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束一自適應(yīng)控制一自適應(yīng)控制(1)

23、 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)框圖如圖所示。 圖5-24 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束(2) 系統(tǒng)辨識(shí)與最優(yōu)控制結(jié)合的自適應(yīng)系統(tǒng)這類自適應(yīng)控制系統(tǒng)的框圖如圖所示。它一般由系統(tǒng)辨識(shí)、被控對(duì)象、最優(yōu)計(jì)算和調(diào)節(jié)器幾部分組成。圖5-25 具有在線辨識(shí)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束二預(yù)測(cè)控制二預(yù)測(cè)控制預(yù)測(cè)控制，也成為基于模型的控制，最典型的算法為DMC、MAC、GPC等。預(yù)測(cè)控制的三個(gè)基本特征是預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正。三魯棒控制三魯棒控制控制系統(tǒng)的

24、魯棒性研究是現(xiàn)代控制理論研究中一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域,魯棒控制問(wèn)題最早出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)人們對(duì)于微分方程的研究中。 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.4.3智能控制策略智能控制策略智能控制是自動(dòng)控制發(fā)展的高級(jí)階段，是人工智能、控制論、系統(tǒng)論和信息論等多種學(xué)科的高度綜合與集成，是一門新的交叉前沿學(xué)科。從廣義上講，智能控制是研究對(duì)復(fù)雜的不確定性被控對(duì)象（過(guò)程）采用人工智能的方法有效地克服系統(tǒng)的不確定性，使系統(tǒng)從無(wú)序到期望的有序狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方法及其規(guī)律。 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束一智能控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：一智能控制

25、系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1) 同時(shí)具有以知識(shí)表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合制過(guò)程，(2) 智能控制的核心在高層控制，即組織級(jí)；(3) 智能控制器具有非線性特性；(4) 智能控制具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；(5) 智能控制器具有總體自尋優(yōu)特性； (6) 智能控制系統(tǒng)應(yīng)能滿足多樣性目標(biāo)的高性能要求；(7) 智能控制是一門邊緣交叉學(xué)科；(8) 智能控制是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束二智能控制的結(jié)構(gòu)理論：二智能控制的結(jié)構(gòu)理論：智能控制的理論結(jié)構(gòu)明顯地具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，許多研究人員試圖建立起智能控制這一新學(xué)科，他們提出了一些有關(guān)智能控制系

26、統(tǒng)結(jié)構(gòu)的思想。 圖5-26 魯綁控制三元結(jié)構(gòu)2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束三智能控制系統(tǒng)的分類：三智能控制系統(tǒng)的分類：智能控制實(shí)際只是研究與模擬人類智能活動(dòng)及其控制與信息傳遞過(guò)程的規(guī)律，研制具有仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)的一個(gè)新興分支學(xué)科。智能控制系統(tǒng)一般包括：專家控制系統(tǒng) 、神經(jīng)控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng) 、學(xué)習(xí)控制系統(tǒng) 。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.4.4控制策略的相互滲透和結(jié)合控制策略的相互滲透和結(jié)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(zhǎng)，但都在某方面有某些問(wèn)題。因此，一種必

27、然的發(fā)展趨勢(shì)是各種控制策略相互滲透，取長(zhǎng)補(bǔ)短，互濟(jì)優(yōu)勢(shì)結(jié)合成符合的控制策略。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.5微機(jī)控制裝置的設(shè)計(jì)微機(jī)控制裝置的設(shè)計(jì)5.5.1控制裝置及微機(jī)的選擇控制裝置及微機(jī)的選擇微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：可靠性高、操作性好、實(shí)施性強(qiáng)、通用性好、經(jīng)濟(jì)效益高。硬件軟件功能分配與協(xié)調(diào)。大量使用硬件會(huì)增加成本，影響系統(tǒng)可靠性；增加軟件，系統(tǒng)速度相應(yīng)降低 。所以，微機(jī)控制應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)工業(yè)測(cè)、控系統(tǒng)，一個(gè)模擬數(shù)字系統(tǒng)，一個(gè)物理結(jié)構(gòu)靈活的系統(tǒng)。 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束一微處理機(jī)在控制系統(tǒng)

28、中的作用是：一微處理機(jī)在控制系統(tǒng)中的作用是：（1）接受上位機(jī)的指令；（2）采集傳感器的反饋信號(hào)；（3）運(yùn)算控制規(guī)律；（4）生成并輸出控制信號(hào)。所選計(jì)算機(jī)應(yīng)滿足以下要求：（1）完善的中斷系統(tǒng)（2）足夠的存儲(chǔ)容量（3）完備的I/O通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束二接口以及信息輸入二接口以及信息輸入/輸出設(shè)備設(shè)計(jì)。輸出設(shè)備設(shè)計(jì)。微機(jī)控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)與外設(shè)（如傳感器、執(zhí)行器、動(dòng)力源、機(jī)械本體、與人的信息交換設(shè)備等）之間的連接和信息交換是通過(guò)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在此將計(jì)算機(jī)與外設(shè)連接的接口稱作輸入/輸出（I/O）接口。 2022-5-102022-5

29、-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束三傳輸總線與標(biāo)準(zhǔn)接口。三傳輸總線與標(biāo)準(zhǔn)接口。輸入和輸出通路的主要功能是實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的信號(hào)變換?？刂蒲b置的通道包括：系統(tǒng)I/O通道、 數(shù)字量I/O通道、開(kāi)關(guān)量I/O通道、模擬量I/O通道、脈沖量I/O通道。在總體設(shè)計(jì)中，應(yīng)確定本系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置什么樣的通道、每個(gè)通道由幾部分組成，各部分選用什么器件等2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束四操作員控制臺(tái)設(shè)計(jì)。四操作員控制臺(tái)設(shè)計(jì)。對(duì)于控制臺(tái)的設(shè)計(jì)，應(yīng)保證作者觀察顯示器和操作控制器方便舒適，為操作者長(zhǎng)時(shí)間操作提供舒適穩(wěn)定的坐姿。人在控制臺(tái)前常用的作業(yè)姿勢(shì)有三種：坐姿、坐

30、/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(lái)放置。 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.5.2提高系統(tǒng)控制裝置的可靠性提高系統(tǒng)控制裝置的可靠性可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。這里的“產(chǎn)品”是作為單獨(dú)研究和分別試驗(yàn)對(duì)象的任何元件、設(shè)備或系統(tǒng)，可以是零件、部件，也可以是由它們裝配而成的機(jī)器，或由許多機(jī)器組成的機(jī)組和成套設(shè)備，甚至還把人的作用也包括在內(nèi)。規(guī)定的時(shí)間是是可靠性區(qū)別于產(chǎn)品其他質(zhì)量屬性的重要特征，一般也可認(rèn)為可靠性是產(chǎn)品功能在時(shí)間上的穩(wěn)定程度。 2022-5-102

31、022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束5.6數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)5.6.1PID數(shù)字控制器數(shù)字控制器PID控制在經(jīng)典控制理論中技術(shù)成熟，自20世紀(jì)30年代末出現(xiàn)的模擬式PID調(diào)節(jié)器，至今仍在廣泛地應(yīng)用著。今天，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，用技術(shù)算法代替模擬式PID調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制，使其控制作用更靈活、更易于改進(jìn)和完善。2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始 前頁(yè)前頁(yè) 后頁(yè)后頁(yè) 結(jié)束結(jié)束PID程序的實(shí)現(xiàn) 1操作特征的設(shè)置：每個(gè)回路手動(dòng)/自動(dòng)特征位；每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置正向/反向特征位 2執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限保護(hù)。在編寫(xiě)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的程序時(shí)應(yīng)計(jì)算Pn(n)-U(n)，檢查輸出余量，這樣做主要是為了防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)開(kāi)或過(guò)關(guān)。 3防止極限環(huán)。可一采用對(duì)計(jì)算機(jī)輸出規(guī)定一個(gè)不靈敏區(qū)，如果|Pn(n)|則計(jì)算機(jī)不輸出來(lái)解決此問(wèn)題。 2022-5-102022-5-10開(kāi)始開(kāi)始