机电一体化第六章控制系统

第六章控制系统设计

第一节概述一、控制系统的基本构成

特点：所有控制系统抽象成的基本结构相同控制装置在原理和结构上差异很大控制装置和被控对象同在设计范畴内测量反馈元件控制器执行元件被控对象控制装置给定值二、控制系统的分类按控制器所依据的判定准则顺序控制系统反馈控制系统第一节概述二、控制系统的分类按系统输出的变化规律镇定控制系统程序控制系统随动控制系统第一节概述二、控制系统的分类按系统所处理信号的形式连续控制系统:信号是连续的模拟信号形式被处理和传递，控制器为硬件模拟电路。离散控制系统：采用计算机对数字信号进行处理，控制器为软件算法。注：连续控制系统也称轮廓控制系统，指数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行严格连续控制。轮廓控制系统加工，不仅能控制移动部件从一点准确地移动到另一点，而且还能控制整个加工过程每一点的速度与位移量，将零件加工成一定的轮廓形状。

第一节概述二、控制系统的分类按被控对象自身的特性线性系统与非线性系统线性系统是状态变量和输出变量对于所有可能的输入变量和初始状态都满足叠加原理的系统。第一节概述二、控制系统的分类按被控对象自身的特性线性系统与非线性系统确定系统与随机系统随机系统是指受到随机干扰、或测量带有随机误差的系统。这种随机性往往是马尔可夫过程，即在已知目前状态的条件下，它未来的演变不依赖于它以往的演变。第一节概述二、控制系统的分类按被控对象自身的特性线性系统与非线性系统确定系统与随机系统集中参数系统与分布参数系统分布参数系统的状态变化不能只用有限个参数而必须用场（一维或多维空间变量的函数）来描述的系统。第一节概述二、控制系统的分类按被控对象自身的特性线性系统与非线性系统确定系统与随机系统集中参数系统与分布参数系统时变系统与时不变系统一个系统，在零初始条件下，其输出响应与输入信号施加于系统的时间起点无关，称为时不变系统，否则称为时变系统。第一节概述系统A:

系统B:

在运动时其各关节绕相应轴的转动惯量是以时间为自变量的一个复杂函数数学模型的类型分布----集中参数随机性----确定性非线性----线性参数时变----参数时不变连续----离散动态----静态参数----非参数……第二节被控系统数学模型的建立建立数学模型的步骤及方法选择模型类型用于控制的模型应选择动态模型，而用于系统优化和性能分析的模型应选择静态模型。第二节被控系统数学模型的建立建立数学模型的步骤及方法选择模型类型用于控制的模型应选择动态模型，而用于系统优化和性能分析的模型应选择静态模型。分布参数模型简化为集中参数模型；随机过程处理成确定性过程；对系统进行线性化处理；时变系统简化为时不变系统；采用计算机数字控制时，建立离散时间模型。第二节被控系统数学模型的建立建立数学模型的步骤及方法确定建模方法分析法：将复杂被控对象分解成若干独立单元，并进一步分解成元件或环节，对每一环节的物理、化学规律采用数学分析的方法列出运动规律方程，将这些方程式按照系统结构原理和相互作用关系关联起来，从而得到方程或方程组表达的整个被控对象数学模型，即机理模型。缺点是模型可能复杂，难于计算。实验法：在实测系统输入、输出数据的基础上，分析其内在规律，建立一个与所测系统等效的数学模型，即系统辨识模型。关键在于测试方法及试验信号的选择。时域分析法、频率分析法和统计方法。第二节被控系统数学模型的建立建立数学模型的步骤及方法确定模型的结构和参数机理模型合理简化模型，确立边界条件，构建基本模型。采用解析法或计算机仿真方法，计算模型输入、输出及状态变量间的定量关系，必要时采取实验验证，并修正。第二节被控系统数学模型的建立建立数学模型的步骤及方法确定模型的结构和参数辨识模型初步确定被控对象模型结构，包括阶次及输入、输出变量，通过测试，获得输出对输入的响应，按照参数估计的最优准则，确定模型参数。第二节被控系统数学模型的建立被控对象模型的辨识时域法采用阶跃信号或矩形脉冲信号作为输入，根据输出响应曲线确定对象传递函数。频率法采用正弦波信号作为输入，根据输出频率响应特性确定对象传递函数。统计法采用随机信号作为输入，根据输出响应确定互相关函数和脉冲响应函数，并求得对象传递函数。第二节被控系统数学模型的建立借助于仿真工具软件，求得系统传递函数。微型机控制系统的组成特点具有完善的模拟量、数字量的输入输出通道具有实时控制功能可靠性高具有丰富的指令功能

微型计算机传感与检测控制器执行机构给定值D/A

被控参数被控对象A/D

是一种离散型控制系统系统的分析和设计以z

变换为主要数学工具第三节微型机控制技术基础控制装置包括硬件和软件，软件分为系统软件和用户程序软件第五节微型机控制装置设计控制装置及微型机的选择常用的微型机有选择微型机时应考虑的因素计算精度与计算机字长直接相关，多字节运算提高精度计算速度决定实时性控制方法分顺序控制和实时控制系统规模扩展接口能力、并行网络、分布式控制、递阶控制成本、批量及设计周期

可编程控制器

单片微控制机

工业控制机第五节微型机控制装置设计通用工控机控制装置简介构成加固型工业控制计算机ISA总线无源底板ISA+PCI总线无源底板CPU卡第五节微型机控制装置设计通用工控机控制装置简介特点（模块化、具有标准化总线）系统组成、修改和扩展方便检测、调试、查找故障简便、迅速由各种功能板可供选择，硬件设计工作量大大减少有操作系统和开发软件支持，控制软件开发难度大为降低任务根据具体的控制系统要求，选择适用的标准化功能模块，将这些模块连接成所需的控制装置，设计工作主要集中在开发控制软件上第五节微型机控制装置设计通用工控机控制装置设计数字量I/O模板的选择模拟量I/O模板的选择处理开关信号的输入和输出，实现滤波、电平转换、电气隔离、功率驱动等功能开关量的数量、类型、信号的宽度、电平、逻辑、频率等参数功能因素处理模拟信号的输入和输出，对微处理机和被控对象之间的模拟信号进行A/D、D/A转换信号的最高频率、电平范围、信号数量等参数及系统对信号的转换速度、精度、分辨率等功能因素第五节微型机控制装置设计通用工控机控制装置设计信号调理模板的选择光电隔离型A/D模板机构对传感器与A/D、D/A与执行元件之间的信号进行调理，信号放大、滤波、线性化等信号的信噪比、放大器增益的可调范围、零点的调整范围、滤波器的通带增益等功能因素光电隔离总线接口A/D转换第五节微型机控制装置设计通用工控机控制装置设计CPU板、存储器的选择控制系统的核心部件控制方法的复杂程度、计算工作量、采样周期等；控制系统程序量、需存数量等功能因素输出模块输入模块执行机构工业对象传感器输出模块输入模块机算机模拟子系统A/DD/A0~5v±5v4~20mA0~5v±5mv~v4~20mA4~20mA第五节微型机控制装置设计通用工控机控制装置设计其它插件的选择软件开发注意步进电机和伺服电机控制插件机内仪表和远程仪表接口插件通用工控机所提供的各种标准化功能模板和插件及标准软件模块或算法程序，有时不一定能满足系统要求，这种情况下，应自行开发响应的硬件模板和软件模块借助支持软件所提供的开发工具，利用程序库中所提供的各种标准计算和控制算法程序，针对系统特点和要求，开发专用接口软件，将所选用各种标准模块和算法程序连接货拼装成所需的控制系统软件第五节微型机控制装置设计专用控制装置设计确定输入接口的性质和数量模拟量：数量、形式、幅值、信噪比、频率、输出阻抗、传递方式数字量：数量、逻辑、电平、脉冲频率、最小脉宽人机接口：信息类型、数量和输入方式确定输出接口的性质和数量模拟量：功放环节的输入阻抗、输入功率、频率响应范围、光电隔离等数字量：信号逻辑、驱动电平、最小脉宽人机接口：信息形式、数量和显示刷新频率等第五节微型机控制装置设计专用控制装置设计微控制器的选择根据所需I/O接口的性质和数量，减少扩展芯片；根据控制方式和算法计算量及周期，满足计算速度要求；微控器价格、供货周期、提供的软件开放度或驱动支持。控制装置电路及结构设计辅助电路设计，扩展存储和I/O接口设计，人机接口的连接，输入输出信号调理电路设计、功放驱动电路设计及印制板设计，控制面板及机箱结构的选择和设计等。第五节微型机控制装置设计专用控制装置设计控制装置软件设计选择开发工具、软件和程序语言；分析理解控制系统的任务，合理安排软件流程和程序结构：初始化、存储器分配、运行状态设置与监控、输入输出设备管理、实时控制、数据采集和处理、巡回检测、数据管理等内容；准确定义数据结构和