第四章 控制系统设计

1、一、控制系统的地位和要求一、控制系统的地位和要求 控制系统是机电一体化产品最重要的组成部分，相当于人的“大脑”，实现控制及信息处理功能。 第四章第四章 控制系统设计控制系统设计 4.1 4.1 控制系统概述控制系统概述 对控制系统的基本要求：对控制系统的基本要求： 被控制量按规定的规律变化，控制系统具备是一个系统能交付使用的首要条件，包括两方面的含义，一是绝对稳定性，就是通常所说的系统稳定；另一方面是相对稳定性，即输出量振荡的强烈程度。如何判别系统稳定？是要求系统有一定的响应速度，即要求被控制量能够迅速地根据输入信号所规定的形式变化。用响应时间（tr、 tp、 ts）表示是表示系统控制精度的一

2、项性能指标，要求系统在输入信号作用下，其响应速度经过渐态过程后进入稳态，此时，系统输出值与期望值之间的差异，即稳态误差要小。)()(1)(lim)(lim)(lim00ssssssteeHGREsstss稳态误差：二、控制系统的基本构成二、控制系统的基本构成 控制系统是由控制装置、执行机构、被控对象、检测装置所构成的整体，其基本构成如图所示： G(s)H(s)R(s)C(s)传递函数：控制器执行机构被控对象检测装置给定值输出值控制装置 被控对象可以是机电设备（如机床）、一种过程（如化工生产过程）等，它在控制装置的控制下，执行机构的驱动下，按预定的规律或目的运行。 简单的全自动洗衣机控制系统与复

3、杂的航天飞机控制系统在原理上类似，但在结构上是很不相同的。机电机电系统计算机控制系统构成：系统计算机控制系统构成：三、控制系统的基本类型三、控制系统的基本类型 根据机电一体化系统的多样性及复杂性决定了控制器的多样性，一般有以下四种类基本类型： 数字控制系统（NCS） 将被加工零件的几何信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编成加工程序，由计算机生成数字形式的指令，再驱动机器运动的一种控制形式，其实际上是轨迹控制的问题。数控装置伺服系统机床检测装置控制介质 控制介质：传递零件的加工信息 数控装置：完成信息的输入、存储、变换、运算及各种控制功能 伺服系统：接收指令驱动机床执行机构（即电信号到机械

4、量转换） 检测装置：检测速度和位移，并反馈信息 伺服控制系统（SCS） 输入为模拟或数字的电信号，输出是机械的位移或速度的变化率，主要考虑如何稳定的、快速的、准确实现指令的功能要求，即要使输出量以一定的精度复现输入量的变化，常称为动作控制。控制器驱动系统执行系统检测装置指令信号输出信号 顺序控制系统 该系统采用开关控制方式，即输出量的开和关是一系列输入开关条件的函数。控制器对操作过程的“逻辑状态”进行控制，实现顺序控制的方法有机电式继电器、各种气动和液动装置、可编程控制器（PLC）等。 过程控制系统 在冶金、化工、电力等生产过程中采用的工业控制系统，过程控制系统的受控变量是生产过程的物理量，可

5、以是连续的连续的、离散的离散的。信号不是时间的连续函数，在相邻两个时刻间隔信号不确定信号是时间的连续函数四、控制系统设计的基本过程和内容四、控制系统设计的基本过程和内容 机电一体化机电一体化系统的控制子系统一般设计过程如图示：系统的控制子系统一般设计过程如图示： 控制子系统设计的主要内容有：控制子系统设计的主要内容有： 确定控制子系统的设计方案：确定控制子系统的设计方案： 确定控制算法：确定控制算法： 采用何种控制方式，开环还是闭环； 考虑驱动元件的类型和执行机构的类型； 选择观测点、被测量和传感器； 考虑微机在整个系统的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理， 微机承担那些任务，应具备哪些功

6、能，需哪些输入/输出通道，配备哪些外围设备或接口硬件等； 画出控制系统组成的初步框图。 根据运动规律建立数学模型（物理系统动特性的数学表达式），数学模型反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系，为计算机进行运算处理提供依据，即由数学模型推出控制算法。 应根据不同的控制对象、不同的控制指标要求选用不同的控制算法。一般的控制采用PID控制；复杂的控制系统,采用的控制方法较多,如自适应控制、神经网络控制、模糊控制、专家系统智能控制等。积分积分比例比例微分微分被控对象被控对象r(t) +r(t) +u(t)u(t)c(t)c(t)e(t)e(t)PID控制器控制器)11 ()()()(sTs

7、TKsesusGdipPIDPID控制原理：控制原理： P（Proportional）：控制作用的强弱及响应速度 I（Integral）：消除稳态误差，提高控制精度 D（Differential）：减小超调，提高动特性及控制精度PIDPID控制器传递函数：控制器传递函数： 选择微型计算机：选择微型计算机： 控制系统总体设计：控制系统总体设计：存储容量、处理速度、输入输出通道；单片机、工控机、商用机。解决微型机、被控对象和操作者三者之间信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，通过总体设计画出系统各部分的具体构成框图。 硬、软件设计：硬、软件设计： 硬件设计包括电气装置及元器件的选择、接口设计、操

8、作控制面板设计等 软件设计包括系统软件和应用软件设计，系统软件包括操作系统、程序设计开发系统等，通常不需用户设计；应用软件设计是设计者要主要考虑的问题。 控制系统对应用软件的要求具有实时性、针对性、灵活性和通用性。 应用软件的设计采用模块化、结构化程序设计方法，按照软件工程的方法将整个程序分成若干模块，一个模块完成一定的功能，并且限定采用规定的结构类型和操作顺序，便于查错、纠错。 整理、编写技术文件：整理、编写技术文件：技术文件包括：控制系统原理说明及图表；设计图样、电器元件明细表；系统操作程序及说明书等。一、机电系统中控制的主要任务一、机电系统中控制的主要任务 根据系统的要求，控制执行机构完

9、成特定的运动规律，并满足工作要求。具体任务包括： 4.2 4.2 机电系统机械运动规律确定机电系统机械运动规律确定根据任务要求，就需：二、运动规律的概念二、运动规律的概念 运动规律是机电一体化设备执行机构运动特点的描述，不论运动规律如何复杂，都有共性一面，即用矢量形式矢量形式 来描述。 通常用运动曲线研究运动规律通常用运动曲线研究运动规律位移随时间的变化y=y(t)，用位移运动曲线表示。运动曲线的性质： 位移是时间的单值函数； 位移是时间的连续函数，可以微分； 在时间上具有不可逆性，过去的状态影响未来，未来状态对过去没有影。运动曲线包括速度运动曲线加速度运动曲线突跳运动曲线急跳运动曲线位移运动

10、曲线 位置矢量ieryixz 速度矢量ieirryixzv)( 加速度矢量 运动突跳（jerk） 运动急跳(quirk)zvaJ vaJQ zva 三、运动曲线的无因次表示和特性值三、运动曲线的无因次表示和特性值1、无因次表示为研究方便，引入无因次时间和无因次位移（或速度等），其定义如下：T = t / thY = y / h运动曲线可分为三种类型：运动曲线可分为三种类型：双停留曲线：“停、升、停、回”如凸轮曲线，或“停、升、停”如间歇传动单停留曲线：“停、升、回”如滑块运动无停留曲线： “升、回”如四连杆和曲柄滑块运动 主要研究运动曲线中随时间变化的升、回段，只在动力学分析时，才考虑停留段。

11、（t=th时，位移为h）无因次曲线表达式可以写成以下形式：10,10)(YTTYY无因次运动量与实际的有因次运动量的关系，由前面的公式导出：四、判别执行机构速度类型的准则四、判别执行机构速度类型的准则AthaVthvYhyhh2; 无因次运动量实际上是运动量瞬时真值与平均值之比瞬时真值与平均值之比，故有时把其称为位移系数、速度系数、加速度系数等。2、运动曲线的特性值运动曲线的v、a、j等的最大值在运动学与动力学分析中，有各自重要的含义： 最大速度vm,由于m与v之积是动量，从安全角度考虑，特别是重载或大质量系统，应当采用vm较小的运动曲线。tvmF 最大加速度am,由于m与a之积是惯性力，也称

12、之为动载荷，动载荷大使机构受力增大，振动增加，影响机构运动精度。 最大突跳Jm,表示了加速度曲线a(T)的斜率，与从动件的振动关系很大，在高速机构中，防止产生过大振动，应当采用Jm较小的运动曲线。 这些运动曲线的特性值要按照执行机构在低速、中速、高速不同运动规律情况下合理选择。 最简单的工程判别准则是：按运动规律在第几阶位移导数出现间断或跳跃按运动规律在第几阶位移导数出现间断或跳跃 运动曲线在 Y(p)上出现不连续，通过p值判定机构速度类型： 较合理的判别准则是既考虑机构的设计速度d，又考虑机构的固有频率n 即满足 d / n = 10-d 判定准则是： d的大小表明了机构运动速度偏离机构固有

13、频率的程度，偏离共振峰值越远， 动力扭曲变形越小，因此该判定准则反映了动力学响应的实际情况。P=2 低速机构P=3： 中速机构P=4： 高速机构d=3 低速机构d=2： 中速机构d=1： 高速机构这一准则只考虑了运动学因素，未考虑机构质量、刚度等动力学因素作用。五、选择机械程序控制的基本形式和原则五、选择机械程序控制的基本形式和原则分配轴上有多个凸轮，每个凸轮就是一个执行构件的驱动构件 利用曲柄的错位使各执行机构按一定顺序动作为了使机电设备的整个工作循环中各个工序按一定顺序进行，需配备专门的程序控制系统，通常有两种类型：一是机械控制方式，二是电子控制方式，常用的有以下几种形式：1、机械程序控制

14、的基本形式、机械程序控制的基本形式利用行程开关的接通与关闭，以及电磁继电器（或电磁铁等）通停电时间的长短，以此来控制各执行机构按一定顺序动作利用可编程控制器（PLC），通过编制接点梯形图（类似继电器逻辑电路图）在可编程存储器内部存储用户设定的指令，通过数字或模拟输入、输出来控制各种类型的机械过程。究竟选择何种控制型式，要综合考虑，通常的原则如下：对所选的执行机构作运动学分析，注意其动作型式（直线、旋转；连续、间歇、步进等）及运动规律的特点，还要进行动力学分析，考虑运转过程速度、加速度变化的要求、刚度的大小、质量或转动惯量、阻尼等因素。2、选择控制形式的基本原则、选择控制形式的基本原则。一、运动

15、循环图的作用一、运动循环图的作用 机电一体化设备的执行机构运动具有一定的规律性，且运动参数位移、速度周期性重复，构成一个个运动循环，运动循环用循环图表示，其作用在于： 4.3 4.3 执行机构运动循环图设计执行机构运动循环图设计二、运动循环图的表示二、运动循环图的表示1单个执行机构的运动循环图是系统运动循环图的基础，根据执行机构的功能要求表示，表示的方式有三种：反映运动循环的各运动区段时间及顺序各运动区段时间及顺序，按时间及顺序将运动循环各，按时间及顺序将运动循环各区段绘制于直线坐标上，如图区段绘制于直线坐标上，如图a at tk k( (前进或上升），前进或上升）， t td d( (后退或

16、下降），后退或下降）， t to o( (起始停留），起始停留）， t tp p( (全过程）全过程）将运动循环的区段按时间及顺序成比例地绘制于极坐标上按时间及顺序成比例地绘制于极坐标上，该方式特别，该方式特别适合于具有多个回转运动的执行机构，如图适合于具有多个回转运动的执行机构，如图b b2 2用横坐标表示各区段的时间（或分配轴转角），纵坐标表示执行机构的运动特征（如位移、角度等），此种方式表示出各执行机构更多的运动信息表示出各执行机构更多的运动信息，除时间、次序外，还有运动状态等，最常用。由个各执行机构的循环图组成系统的运动循环图，遵循原则： 同一时间或转角； 以某个主执行机构的运动特点为基准； 各执行机构相对于主执行机构循环的先后次序。例1：自动切书机的运动循环