第四章控制系统设计 §4搜制系统攏述 、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。 对控制系统的基本要求: 被控制量按规定的规律变化,控制系统具备稳定性、怏速性、准确性 稳定性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,即输岀量振 荡的强烈程度。如何判别系统稳定 ◎快速性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。 ◎准确性是表示系统控制精度的一项性能指标,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,系统输岀值与期望值之间 的差异,即稳态误差要小。 稳态误差:=me(=lmsE(s)=ims R(S) →)∞0 501+G()H(s)
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 控制系统设计 § 4.1 控制系统概述 对控制系统的基本要求： 被控制量按规定的规律变化，控制系统具备稳定性、快速性、准确性 稳定性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？ 快速性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 准确性是表示系统控制精度的一项性能指标，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 ( ) lim 0 0 s s s e e t s s s G H R E t s s s s + = = = → → → 稳态误差：
R(s) C(s) 传递函数: G(s) 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: 控制装置 给定值 输出值 控制器 执行机构 被控对象 检测装置 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
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
机电系统计算机控制系统构成 D/A 接口电路 口开关量 广义执行机构 被控对象 控制算法 微机 数字量 及其软件 A/D 检测传感器 接口电路 图8-22线性处理及控制子系统的基本构成
机电系统计算机控制系统构成：
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。 控制介质 数控装置 伺服系统 机床 检测装置 目控制介质: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(即电信号到机械量转换) 检测装置:检测速度和位移,并反馈信息
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,即要使输岀量以- 定的精度复现输入量的变化,常称为动作控制 指令信号 输出信号 控制器 驱动系统 执行系统 检测装置 o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。 o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,可以是连续的、离散的 信号是时间的连续函数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
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，可以是连续的、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 机电一体化系统的控制子系统一般设计过程如图示: 机电一体化系统的设计要求 确定控制子系统整体控制方案 确定控制算法 选用徽型计算机 国控制子系统总体设计 软件设计 图823信息处理及控制子系统的般设计过程
四、控制系统设计的基本过程和内容 机电一体化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 o确定控制子系统的设计方案 ◆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,应具备哪些功能,需哪些输入/输岀通道,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。 o确定控制算法 根据运动规律建立 (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,即由数学模型推岀控制算法。 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PD控制;复杂的控制系统,采用的控制方法较多,如自
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。 PD控制原理: P( Proportiona):控制作用的强弱及响应速度 I( Integra):消除稳态误差,提髙控制精度 D( Different ial):减小超调,提高动特性及控制精度 PID控制器 比例 r(D+) u(t)) c(t) 积分 被控对象 微分 PD控制传递函数:(D个(1+3)
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 比例 微分 被控对象 r(t) + – +– + + u(t)) e(t)) c(t) PID控制器 ) 1 (1 ( ) ( ) ( ) T s T s K e s u s G s d i = = p + + PID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 PID控制器传递函数：
选择微型计算机 存储容量、处理速度、输入输岀通道;单片机、工控机、商用机。 o控制系统总体设计 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。 Q硬,教件设计 ◆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构化序设计方法,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
选择微型计算机： 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： 硬件设计包括电气装置及元器件的选择、接口设计、操作控制面板设计等 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 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
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