2013复杂机电控制(1)课件

2013复杂机电控制(1)课件第一页，共48页。本课程设置的必要性主要体现在以下几个方面：(1)传授系统的自动控制知识的需要——古典、现代、智能(2)现代复杂机电系统及其控制技术研发(3)人工智能在机电系统中应用第二页，共48页。第二章机电自动控制简介自动控制的基本原理自动控制理论发展的三个阶段机电系统工程的发展方向讲授内容及教学计划本课程预期达到的效果教学效果教材情况第三页，共48页。如何构建先进的机电控制系统？第四页，共48页。材料加工的基本要素和流程

三个基本要素：材料、能量和信息

第五页，共48页。信息流程包括形状信息和性能信息性能信息流程涉及材料的初始性能和通过各种加工过程所产生的材料性能的变化。

在材料加工过程中，由于把形状变化信息加于材料，最终形状信息就等于材料的初始形状信息与加工所施加的形状变化信息之和。工件最终的性能则是初始和加工过程两方面性能变化综合作用的结果。

第六页，共48页。形状变化信息是由刀具和工模具（具有一定形状信息量），和加工材料和刀具、工模具之间相对运动共同产生的。

也就是说形状变化过程为借助能量流程把相应于信息流程中的形状变化信息施加于材料流程的过程。

第七页，共48页。

一般来说，刀具或工模具所包含的形状信息量越少，则它们与加工材料的相对运动对于材料的形状变化所起的作用越大，反之亦然。闭式模锻：传递介质（模锻）已包含了所要求的全部形状信息，因而传递介质与加工材料的相对运动就变得很简单。

车削加工：车刀所包含的形状信息量很少，为了形成所需形状零件，甚至要求三种相对运动。第八页，共48页。原动机的运动和动力特性越好，则传动部件越简单！现代机器的原动机综合性能越来越好！传动部件趋向于系列化与标准化！伺服直接驱动与近零传动是发展趋势！第九页，共48页。二、自动控制的基本原理1.自动控制的内涵所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使在一定的外界条件（输入与干扰）作用下机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。

即自动控制是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。控制三要素：控对象、控制目标、控制装置第十页，共48页。自动控制和人工控制的基本原理是相同的,它们都是建立在“测量偏差,修正偏差”的基础上,并且为了测量偏差,必须把系统的实际输出反馈到输入端。自动控制和人工控制的区别在于自动控制用控制器代替人完成控制。总之,所谓自动控制就是在没有人直接参与的情况下,利用控制装置使被控对象中某一物理量或数个物理量准确地按照预定的要求规律变化。第十一页，共48页。恒温系统实现恒温控制有两种方法-人工控制和自动控制（1）.人工控制通过改变调压器的电压来达到控制温度的目的。箱内温度是由温度计测量的。图人工控制的恒温箱第十二页，共48页。（1）.人工控制a.观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱（被控制元件）的温度；----测量

b.与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏差的大小和方向；----比较c.根据偏差大小和方向再进行控制：当温度高于所要求的给定温度值时，就调节调压器动触头使电压减小，温度降低；若温度低于给定的值，则调节调压器动触头，使电压增加，温度升高；----调节d.如温度还达不到要求时，要反复进行上面的步骤操作。----循环

因此，人工控制的过程就是测量、求偏差、再控制以纠正偏差的过程。也就是“检测偏差用以纠正偏差”的过程。第十三页，共48页。（2）.自动控制

对于这样简单的控制形式，如果能找到一个控制器来代替人的职能，这样人工控制系统就变成自动控制系统了。图恒温箱的自动控制系统第十四页，共48页。-发动机的瓦特式速度调节器

根据希望的发动机速度与实际的发动机速度之差对进入到发动机内的燃料数量进行调整。当发动机工作于期望的转速时，高压油将不进入动力油缸的任何一侧，进入发动机的燃料流量和发动机转速均保持稳定。如果由于扰动，使得实际速度下降到低于希望值，则速度调节器的离心力下降，导致控制阀向下移动，从而对发动机的燃料供应增多，发动机的速度增大，直到达到希望的速度时为止。,图瓦特速度控制系统第十五页，共48页。2.系统及控制系统系统

能完成一定任务的一些部件的组合。机械系统

以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。

控制系统

系统的可变输出，如果能按照要求由参考输入或控制输入进行调节的，即称作控制系统。第十六页，共48页。被控对象：在控制理论和控制技术中，运动规律或状态需要控制的装置或元件称为被控对象（控制对象）。控制器：在控制系统中，除被控对象以外的所有装置，统称为控制器。给定元件：控制系统中主要用于产生给定信号（指令信号）的元件。反馈元件（测量元件）：控制系统中用于测量被控量（输出量），产生反馈信号的元件。反馈信号与输出量之间往往存在确定的函数关系。被控量：表征被控对象运动规律或状态的物理量。实质上是系统的输出（输出量）。指令值：希望的被控对象运动规律或状态的物理量（或称参考输入）。偏差：系统的输入量与反馈量之差或之和（即比较环节的输出值）。控制量：被控对象的输入量。由于往往是偏差的某种函数，因此，也可将偏差看成为控制量。控制器被控对象指令传感器输出量/被控量控制量希望值/指令值控制系统基本概念第十七页，共48页。对控制系统的基本要求

(稳、快、准)

1.系统的稳定性是指系统在受到外界扰动作用时，系统地输出将偏离平衡位置，当这个扰动作用去除后，系统恢复到原来的平衡状态或者区域一个新的平衡状态的能力。由于系统存在着惯性，当系统的各个参数分配不恰当时，将会引起系统的震荡而失去工作能力。

稳定性的要求是系统正常工作的首要条件。第十八页，共48页。对控制系统的基本要求(稳、快、准)

2.响应的快速性是指当系统实际输出量与期望的输出量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速性。

这是在系统稳定的前提下提出的。第十九页，共48页。对控制系统的基本要求

(稳、快、准)

3.响应的准确性是指在调整过程结束后输出量与期望的输出量之间的偏差，或称为静态精度。

这是衡量系统工作性能的重要指标。第二十页，共48页。对控制系统的基本要求

(稳、快、准)不同的被控对象，对稳、快、准的要且各有侧重。

例如：随动系统：快速性；调速系统：稳定性。同一系统稳、快、准三方面的要求有时相互制约的。提高了系统的快速性，可能导致系统的不稳定，可能会有强烈振荡；改善了系统的稳定性，又可能使系统的稳态精度降低，控制过程可能又过于迟缓第二十一页，共48页。工作在不同场合下的自动控制系统，对它有不同的性能要求。图示为在阶跃输入信号下，几种系统的被控量的变化过程。图中x(t)表示输入，y(t)表示输出。图

控制系统的阶跃输入输出第二十二页，共48页。

机电系统在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。

因此，机电系统不仅是人的肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸。

具有“智能化”的特征是机电系统与机械电气化在功能上的本质差别。第二十三页，共48页。机电系统工程知识的内容1).系统理论和系统思想贯穿始终，因此系统科学是机电系统工程的思维基础。2).人们在设计、规划、控制和运筹机电系统是，总是追求总体最优，因而必然要涉及大量的运筹学、控制论和信息论的技术和方法，这些构成了机电系统工程的技术基础。3).机电系统所设计的工艺、方法、技术、设备等市机电系统工程赖以生存的基石，它们构成了整个机电系统工程的专业基础。第二十四页，共48页。第二十五页，共48页。三、自动控制理论发展的三个阶段欧洲往往以理论研究为主导美国将技术研究作为热点日本着重从事应用技术的开发工作，也就是将技术变为可赚钱的产品而智能控制更实用！研究及应用领域亟待开发！第二十六页，共48页。美国著名的控制论创始人维纳（N.Wiener，1894-1964年）系统地总结了前人的研究成果，1948年发表了《控制论——或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》著作。书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念（目的性行为可以用反馈来代替，从而突破了生命体和非生命体（机器）的界限），为控制论这门学科的产生及应用奠定了坚实的基础。F.H.George在《控制论基础》中明确指出，控制论的焦点就是模拟和综合人类的智能问题。第二十七页，共48页。3、自动控制理论发展的三个阶段1）.古典控制理论阶段（20世纪20-50年代）

依据被控对象的数学模型（传递函数），解决在频率域上线性、定常、单输入、单输出系统的反馈控制问题2）.现代控制理论阶段（20世纪60-70年代）

依靠被控对象的数学模型（状态方程），解决在时间域上对非线性、时变系统的多输入多输出系统的有效控制问题。3）.大系统智能控制阶段（20世纪80年代至今）

不依靠被控对象的数学模型，解决复杂不确定的大系统的人工智能控制问题。第二十八页，共48页。1）.古典控制理论阶段

从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，古典控制论的任务主要有以下三种：

a.已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；b.已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；c.已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。第二十九页，共48页。被控对象：在控制理论和控制技术中，运动规律或状态需要控制的装置或元件称为被控对象（控制对象）。控制器：在控制系统中，除被控对象以外的所有装置，统称为控制器。给定元件：控制系统中主要用于产生给定信号（指令信号）的元件。反馈元件（测量元件）：控制系统中用于测量被控量（输出量），产生反馈信号的元件。反馈信号与输出量之间往往存在确定的函数关系。被控量：表征被控对象运动规律或状态的物理量。实质上是系统的输出（输出量）。指令值：希望的被控对象运动规律或状态的物理量（或称参考输入）。偏差：系统的输入量与反馈量之差或之和（即比较环节的输出值）。控制量：被控对象的输入量。由于往往是偏差的某种函数，因此，也可将偏差看成为控制量。控制器被控对象指令传感器输出量/被控量控制量希望值/指令值控制系统基本概念第三十页，共48页。古典控制理论（自动调节原理）的发展历程18世纪，詹姆斯·瓦特（James,Watt）1765年发明了蒸汽机，1868年发表了调节器一文，文中指出控制品质可用微分方程来描述，而稳定性可用特征方程根的位置来分析，进一步为控制蒸汽机速度而设计了离心调节器。从而标志着自动控制理论的诞生。1922年，迈纳斯基研制出船舶操纵自动控制器，并且证明了如何从描述系统的微分方程中确定系统的稳定性。1932年，奈奎斯特（H.Nyquist）提出了一种相当简便的方法，根据对稳态正弦输入的开环响应，确定闭环系统的稳定性。1934年，黑曾提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了精确跟踪变化的输入信号的继电式伺服机构。1945年，伯德（H.W.Bode）提出了简便而实用的频率域中的伯德图法，判断系统的稳定性及用来设计和改进新系统。1948年，伊凡思（W.R.Evans）提出了直观而形象的判断系统稳定性的根轨迹法。20世纪40-50年代初，劳斯(E.J.Routh)和赫尔维茨（Hurwitz）提出了系统稳定性的代数判据。第三十一页，共48页。现代控制理论阶段（20世纪60-70年代）

伴随着多输入多输出的现代设备变得愈来愈复杂，需要大量方程来描述现代控制系统，因为数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提供了可能性。系统辨识：依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数。自适应控制：控制系统能修正自身的特性，以适应对象和扰动的动态特性。自适应控制的对象结构已知，仅仅是参数未知，仍基于数学模型。自适应控制与常规反馈控制及最优控制的区别只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少。需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善。

模型参考自适应控制系统(ModelRefernceAdaptiveSystem,简称MRAS）.由参考模型，被控对象，反馈控制器和调整控制其参数自适应机构组成。自校正调节器（Self-tuningRegulator,简称STR）。具有一个被控对象数学模型的在线辨识环节。第三十二页，共48页。现代控制理论阶段（20世纪60-70年代）最优控制：根据已建立的被控对象的数学模型，选择一个容许的控制律，使得被控对象按预定要求运行，并使给定的某一性能指标达到极小值（或极大值）。往往表现为系统性能指标的泛函最小的“系统最佳控制”。是求解一类带有约束条件的泛函极值问题。卡尔曼滤波：是利用系统在时间上的转移关系所获得的一套适合于计算机运算的递推公式，属于时域法。。不同于早期的频域法中的维纳-霍夫（Wiener-Hoff）滤波理论。《现代控制工程》，绪方胜彦，卢伯英译，科学出版社，1976年第三十三页，共48页。大系统智能控制阶段（20世纪80年代至今）1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一届智能控制学术讨论会，随后成立了IEEE智能控制专业委员会，1987年1月在美国举行了第一次国际智能控制大会，标志着智能控制领域的形成。1994年6月在美国奥兰多召开了IEEE全球性的职能大会，将模糊化、神经网络、进化行为三方面内容和在一起召开，引起了国际各界的广泛关注。第三十四页，共48页。大系统智能控制阶段（20世纪80年代至今）大系统理论使用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。智能控制是研究模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律。研制具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。智能控制源于被控对象的三高三性：高度的复杂性高度的不确定性越来越高的控制性能智能信息、智能反馈和智能决策是智能控制论的三要素第三十五页，共48页。大系统智能控制阶段（20世纪80年代至今）1.不确定性：物理量：

复杂性、非线性、时变性、不完全性、不确定性第三十六页，共48页。大系统智能控制阶段（20世纪80年代至今）2.复杂性：无法获取数学模型系统和环节种类繁多，层次各异系统结构和参数具有高维性，时变性，突变性和随机性系统干扰具有多样性，时变性，随机性和高强度传感器和执行器数目大且分散决策机构具有分级分布特征信息结构复杂处理数据庞大，算法复杂有些系统具有人机交互功能第三十七页，共48页。3.高性能要求（1）稳定性：系统状态、输入输出和参数等变量在干扰的影响下总是有界的。（2）收敛性：在给以的初如条件下，算法能渐进地达到其预期目标，并在收敛过程中所有变量有界。（3）鲁棒性：在存在干扰和未建模动态特性的条件下，系统能保持其稳定性和一定动态特性的能力。第三十八页，共48页。四机电系统工程的发展方向1)．智能化

对机电系统的高性能要求，特别是适应性要求，使得一些新的机电系统被采用。典型的智能机电系统有机器人、智能型数控设备、智能仪器仪表等。这些新型的机电系统有一个共同的特点，那就是它们具有一定的人工智能，能够根据环境条件的变化进行分析、推理，并作出合适的响应。智能机器人能通过自身的视觉、听觉或触觉来感知周围环境的状态及其变化，并对此作出相应的反应。智能仪器仪表能够根据不同的状态或时段进行不同的计算、复杂计算、实时监测和数据传输、语音提示和图像显示等。第三十九页，共48页。四机电系统工程的发展方向2).集成性集成性就是机电系统工程强调综合运用机电系统所涉及的多学科知识，来研究和处理机电系统的设计、制造、管理、运行、更新、发展等重大问题。而这种集成性变得越来越广泛，许多新的机电系统就其每一部分来说，不是什么新的东西，但把各部分有机地集成在一起，就成了具有新颖特色的整体，形成了一种新型的机电系统。柔性制造系统（FMS)，就其各部分来说，包括控制系统、监测系统、物料流系统、计算机数控（CNC）机床、加厂中心等。

就这些单元孤立地来看均是已有的理论和技术，但有机地组合起来，就形成了一种新型的机电系统。

为了便于系统集成，机电系统的结构越来越趋向于模块化和开放性。模块化:使得许多单一功能或基本功能以子系统的形式产品化，可以缩短系统构成周期，降低系统制造成本；开放性:是指在一定标准支持下，使得系统可以灵活组态，进行任意组合，并可以通过总线进行数据通信与共享。第四十页，共48页。四机电系统工程的发展方向3)．微型化一些特殊的应用领域（如军事、医疗、家用器具、娱乐用具等）不仅要求机电系统具有优良的性能，还要求体积尽量的小、重量尽可能的轻。微电子技术的迅速发展，使得电子元器件的尺寸越来越小，再加上安装工艺的不断改进，如表面安装技术（SMT），特别是绑定（banding）技术可以直接把芯片安装在PCB上，一个功能强大的控制装置的体积可以做得非常的小。另一方面，精密微细加工技术发展使得微机电系统（MEMS）取得了突破性的进展，实现了将机构及其驱动、传感监测、控制器以及电源集成在一个很小的晶片上。

这是未来机电系统微型化的研究主题。第四十一页，共48页。五、讲授内容及教学计划第一章绪论4学时1