第1章 控制系统概述PPT讲稿.ppt

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1、第第1章章 控制系控制系统统概述概述第1页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w教材现代控制技术教材现代控制技术-组件与系统组件与系统w国外高校经典教科书国外高校经典教科书w内容包括内容包括:机电部件、机械电子接口机电部件、机械电子接口 部分机械领域知识部分机械领域知识 基本反馈控制理论基本反馈控制理论w80%以上的内容在实际医疗器械中得到应用以上的内容在实际医疗器械中得到应用.w内容覆盖面宽，通俗易懂，可扩展专业知识面内容覆盖面宽，通俗易懂，可扩展专业知识面w讲授中尽量列举医疗器械中的应用实例。讲授中尽量列举医疗器械中的应用实例。w重点讲解其它课程没涉及的

2、知识。重点讲解其它课程没涉及的知识。w教材可作今后工作中的技术手册。教材可作今后工作中的技术手册。第2页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w课程：课程：48学时理论课，学时理论课，3学分。学分。w平时成绩和考试成绩比列：平时成绩和考试成绩比列：30：70w教学要求：准备作业本，和笔记本教学要求：准备作业本，和笔记本w本人联系方式：本人联系方式：第3页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述 本章学习目标本章学习目标w区分开环和闭环控制系统区分开环和闭环控制系统w理解控制系统的方框图理解控制系统的方框图w理解传递函数理解传递函

3、数w区分模拟和数字控制器区分模拟和数字控制器w掌握过程控制系统的工作原理掌握过程控制系统的工作原理w掌握伺服机构掌握伺服机构(系统系统)原理原理第4页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w输出：产生治疗的能量，具有多种能量形式。输出：产生治疗的能量，具有多种能量形式。w接口：传输能量。体内、体外。接口：传输能量。体内、体外。w控制器：控制能量控制器：控制能量-调整、聚焦、屏蔽，调整调整、聚焦、屏蔽，调整-强度、波长、持续时间监强度、波长、持续时间监护：体检、使用者的反馈或自动。护：体检、使用者的反馈或自动。w操纵器：操作输入接口，操作者输入指令。操纵器：操作

4、输入接口，操作者输入指令。输出输出控制器控制器监护监护操纵器操纵器接口接口病人病人图图1.1 医用治疗设备的一般结构医用治疗设备的一般结构第5页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述1.1 控制系统控制系统 control system,w控制系统中，电子智能控制一些物理过程。控制系统中，电子智能控制一些物理过程。例如：自动飞机、自动洗衣机。例如：自动飞机、自动洗衣机。特点特点:机械智能比认为控制更好、可做出快速或缓慢的相应机械智能比认为控制更好、可做出快速或缓慢的相应这种反应更加精确，且保持系统性能最佳。这种反应更加精确，且保持系统性能最佳。第6页，共28页

5、，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述1.1 控制系统控制系统w控制系统分类：控制系统分类：1.标准控制系统标准控制系统 A regulator system：可以自动保持参数在一定特定值可以自动保持参数在一定特定值 例如、控温、生理参数的控制。例如、控温、生理参数的控制。2.跟随系统跟随系统follow-up system：它会使系统的输出跟随预先设定好的路径。它会使系统的输出跟随预先设定好的路径。例如：机器人、治疗目标自动跟踪。例如：机器人、治疗目标自动跟踪。3.事件控制系统事件控制系统event control system：它控制着一系列顺序发生的事件。它控制着

6、一系列顺序发生的事件。例如：洗衣机、超声波清洗设备、消毒设备。例如：洗衣机、超声波清洗设备、消毒设备。第7页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述1.1 控制系统（控制系统（CONTROL SYSTEMS）w控制系统特点：控制系统特点：1.精确精确 2.在医疗器械中应用广泛在医疗器械中应用广泛 特别是在治疗设备中，以成为治疗设备的重要组成部分。特别是在治疗设备中，以成为治疗设备的重要组成部分。3.涉及知识内容多涉及知识内容多 电子、电子、计算机、电力控制装置、传感器、电动机、机械学计算机、电力控制装置、传感器、电动机、机械学 和控制理论和控制理论 4.结构复杂

7、结构复杂 为了设计、诊断、维修这些复杂的系统，必须了解电子、为了设计、诊断、维修这些复杂的系统，必须了解电子、机械和控制系统原理机械和控制系统原理第8页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述1.1 控制系统（控制系统（CONTROL SYSTEMS）w控制系统的构成：控制系统的构成：1.控制器（控制器（controller）控制输入的输入叫设定点控制输入的输入叫设定点 set point，它描绘系统期望的输出信号。，它描绘系统期望的输出信号。2.执行器（执行器（actuator）执行器是机电装置，从控制器上得到信号并转化为实际执行动作。执行器是机电装置，从控制

8、器上得到信号并转化为实际执行动作。如电动机、控制阀、加热元件等。如电动机、控制阀、加热元件等。w物理过程：受控变量是过程的可测量结果。物理过程：受控变量是过程的可测量结果。第9页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w1.1.2 开环控制系统（开环控制系统（Open-loop control systems）控制系统分为开环和闭环控制两类。控制系统分为开环和闭环控制两类。开环控制系统：开环控制系统：控制器独立地计算并输出执行器工作时所控制器独立地计算并输出执行器工作时所需的准确电压和电流值。需的准确电压和电流值。特点：特点：建立在指导执行器工作特性基础上，系统

9、无内部反建立在指导执行器工作特性基础上，系统无内部反馈控制。馈控制。控制器不知道执行器是否工作在设定值上。控制器不知道执行器是否工作在设定值上。治疗设备的开环控制：治疗设备的开环控制：控制者控制者监视病人和设备监视病人和设备调节参数调节参数修正变化。修正变化。控制与输出变化间，无控制与输出变化间，无定量定量和和即时即时的关系的关系第10页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w1.1.2 开环控制系统（开环控制系统（Open-loop control systems）例例1.1 机器人的机器人的手臂控制手臂控制转转30第11页，共28页，编辑于2022年，星期

10、一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w1.1.3 闭环控制系统（闭环控制系统（Closed-Loop Control Systems）w闭环控制系统中，输出被传感器连续检测，传感器从系统输闭环控制系统中，输出被传感器连续检测，传感器从系统输出中采样，并将测量值转为电信号，再传回到控制器。出中采样，并将测量值转为电信号，再传回到控制器。w定义：定义：1.前向通道：前向通道：信号从控制器到执行器。信号从控制器到执行器。2.反馈通道反馈通道：信号从传感器到控制器。信号从传感器到控制器。3.误差：误差：代表代表“实际检测值实际检测值”和和“期望值期望值”之差。之差。第12页，共28页，编辑于2022

11、年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w1.1.3 闭环控制系统（闭环控制系统（Closed-Loop Control Systems）例例1.2 机器人的机器人的手臂控制手臂控制转转30特点：特点：可靠性和可靠性和重复性提高。重复性提高。第13页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w1.1.4 传递函数（传递函数（Transfer Functions）w控制系统是接在一起的能实现特定功能的组件和电路的集合。在系统中每个组件都控制系统是接在一起的能实现特定功能的组件和电路的集合。在系统中每个组件都将能量由一种形式转换为另一种形式。将能量由一种形式转换

12、为另一种形式。w传递函数（传递函数（TF）定义：是控制系统的输入和输出的关系，也叫增益。定义：是控制系统的输入和输出的关系，也叫增益。w TF=输出输出/输入输入w用途：描述整个系统特性，计算系统中不同装置的结合效果。如果知道系用途：描述整个系统特性，计算系统中不同装置的结合效果。如果知道系统的输入和传递函数，就能计算出输出。统的输入和传递函数，就能计算出输出。w 一系列的传递函数构成整个系统传递函数。一系列的传递函数构成整个系统传递函数。第15页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述例例1.5 考虑到图考虑到图1.5所示的系统。其中电动机驱动齿轮所示的系统。

13、其中电动机驱动齿轮,齿轮又驱动绞盘齿轮又驱动绞盘.w每个部分有其特点。电动机输入电压每个部分有其特点。电动机输入电压Vm，电机转速为，电机转速为100 rpm/V；小齿轮的转；小齿轮的转速是大齿轮的速是大齿轮的2倍，绞盘的周长是倍，绞盘的周长是3in，求系统的传递函数。假如输入电压为，求系统的传递函数。假如输入电压为10V，求物件的上升速度。，求物件的上升速度。第16页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w1.1.4 传递函数（传递函数（Transfer Functions）w例例1.5wTFM=输入输入输出输出=100r/min/VwTFE=0.5wTFW

14、=3in/rwTF总总=TFM TFE TFW=150in/min/V 输出输出=输入输入 TM总总=12V 150in/min/V=1800in/min第17页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w1.2 模拟和数字控制器模拟和数字控制器w模拟控制器是由传统模拟器件组成。模拟控制器是由传统模拟器件组成。w数字控制器由数字电路组成，通常基于微处理器。数字控制器由数字电路组成，通常基于微处理器。w控制程序控制程序第18页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述1.3 控制系统的分类控制系统的分类w与控制方法有关：开环、闭环；模拟

15、、数字；与控制方法有关：开环、闭环；模拟、数字；w与应用有关的分类：与应用有关的分类：1、过程控制；、过程控制；2、运动控制系统、运动控制系统。w1.3.1 过程控制过程控制 Process Controlw定义：过程控制是指控制系统监视工业过程，以达到统一的、定义：过程控制是指控制系统监视工业过程，以达到统一的、正确的输出值。这个过程通过监测和调整控制参数，保证输正确的输出值。这个过程通过监测和调整控制参数，保证输出达到设定值。出达到设定值。这里这里“过程过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、的

16、相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。流量、液位、成分、浓度等。第19页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w应用：口腔烤瓷炉、应用：口腔烤瓷炉、w新生儿保温箱、各种培养箱。新生儿保温箱、各种培养箱。第20页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w应用应用呼吸机：呼吸机：空气空气/氧气氧气混合器混合器第21页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w1.3.1 过程控制过程控制w图图1.9 多过程控制系统多过程控制系统第22页，共28页，编辑于2022年

17、，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w1.3.1 过程控制过程控制w1.3.1.1 顺序控制系统（顺序控制系统（Sequentially Controlled Systems）w顺序控制系统可以按给定顺序执行任务的过程。顺序控制系统可以按给定顺序执行任务的过程。1.时间驱动操作：顺序中每个操作如果是在定量时间内执行。开环时间驱动操作：顺序中每个操作如果是在定量时间内执行。开环 2.事件驱动操作：直到完成任务。闭环。事件驱动操作：直到完成任务。闭环。特点：使用特点：使用“开开/关关”离散信号。使用开关、继电器、电机、定时器、离散信号。使用开关、继电器、电机、定时器、PLC 例如：例如：全

18、自动洗衣机，全自动洗衣机，交通指示灯，交通指示灯，多数理疗设备。多数理疗设备。第23页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w1.3.2 运动控制运动控制(Motion Control)w1.3.2.1 司服机构（司服机构（Servomechanisms)w司服机构司服机构(系统）是指物体精确移动的闭环电机系统。系统）是指物体精确移动的闭环电机系统。第24页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w1.3.2 运动控制运动控制w1.3.2.2 数字控制（数字控制（Numerical Control）数字控制是应用在机械工具上的数

19、字控制，数字控制是应用在机械工具上的数字控制，这些机械能够自动切割和成型工件。这些机械能够自动切割和成型工件。计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）computer-aided design 计算机集成制造（计算机集成制造（CIM）computer-integrated manufacturing 第25页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w1.3.2 运动控制运动控制w1.3.2.3 机器人机器人第26页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w医用机器人医用机器人第27页，共28页，编辑于2022年，星期一第第1章章 控制系统概述控制系统概述w作业作业:wP16 1.1节第节第(2)题、第题、第(4)题题wP17 1.1节第节第(7)题、第题、第(8)题题wP17 1.3节第节第(13)题题第28页，共28页，编辑于2022年，星期一