《机电一体化系统设计》第6章控制系统.ppt
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1、第第6章章 控制系统控制系统 n n6.1 概述概述n n6.2 控制系统的数学模型控制系统的数学模型n n6.3 微机控制技术基础微机控制技术基础n n6.4 数字控制器的设计数字控制器的设计6.1 概述概述n n一、控制与控制系统一、控制与控制系统n n二、系统的分类二、系统的分类n n三、系统的过渡过程和性能指标三、系统的过渡过程和性能指标一、控制与控制系统一、控制与控制系统n n 控制是指为达到预先给定的目的,作用于系统控制是指为达到预先给定的目的,作用于系统控制是指为达到预先给定的目的,作用于系统控制是指为达到预先给定的目的,作用于系统有目的的动作。控制系统是指由有目的的动作。控制系
2、统是指由有目的的动作。控制系统是指由有目的的动作。控制系统是指由被控对象被控对象被控对象被控对象和和和和控制控制控制控制装置装置装置装置所构成的,能够对被控对象的工作状态进行所构成的,能够对被控对象的工作状态进行所构成的,能够对被控对象的工作状态进行所构成的,能够对被控对象的工作状态进行调节、使之具有一定的状态和性能的系统。调节、使之具有一定的状态和性能的系统。调节、使之具有一定的状态和性能的系统。调节、使之具有一定的状态和性能的系统。n n例如:例如:例如:例如:一、控制与控制系统一、控制与控制系统组成:组成:组成:组成:(1)(1)传感器它将贮槽液位高低的信息转换为传感器它将贮槽液位高低的
3、信息转换为传感器它将贮槽液位高低的信息转换为传感器它将贮槽液位高低的信息转换为一种特定的信号一种特定的信号一种特定的信号一种特定的信号(如电压、电流等如电压、电流等如电压、电流等如电压、电流等),并传送到控制,并传送到控制,并传送到控制,并传送到控制器,相当于人工控制时的眼睛。器,相当于人工控制时的眼睛。器,相当于人工控制时的眼睛。器,相当于人工控制时的眼睛。(2)(2)控制器它接受变送器送来的信号,与生控制器它接受变送器送来的信号,与生控制器它接受变送器送来的信号,与生控制器它接受变送器送来的信号,与生产工艺要求所预先设定的液位高度信号相比较得出产工艺要求所预先设定的液位高度信号相比较得出产
4、工艺要求所预先设定的液位高度信号相比较得出产工艺要求所预先设定的液位高度信号相比较得出偏差,并按某种运算规则算出结果,然后将此结果偏差,并按某种运算规则算出结果,然后将此结果偏差,并按某种运算规则算出结果,然后将此结果偏差,并按某种运算规则算出结果,然后将此结果用特定信号发送到执行器,相当于人工控制时的大用特定信号发送到执行器,相当于人工控制时的大用特定信号发送到执行器,相当于人工控制时的大用特定信号发送到执行器,相当于人工控制时的大脑。脑。脑。脑。(3)(3)执行器在这里就是控制阀,它可以根据执行器在这里就是控制阀,它可以根据执行器在这里就是控制阀,它可以根据执行器在这里就是控制阀,它可以根
5、据控制器送来的信号以及信号值的大小自动调节阀门控制器送来的信号以及信号值的大小自动调节阀门控制器送来的信号以及信号值的大小自动调节阀门控制器送来的信号以及信号值的大小自动调节阀门的开启度,相当于人工控制时手和阀的组合。的开启度,相当于人工控制时手和阀的组合。的开启度,相当于人工控制时手和阀的组合。的开启度,相当于人工控制时手和阀的组合。一、控制与控制系统一、控制与控制系统控制器控制器控制阀控制阀被控对象被控对象传感器传感器给定值给定值偏差偏差控制器控制器 输出输出操纵操纵变量变量被控变量被控变量测量值测量值-+自动控制系统方框图自动控制系统方框图干干扰扰 利用系统框图可以清楚、方便地表示自动控
6、制系利用系统框图可以清楚、方便地表示自动控制系利用系统框图可以清楚、方便地表示自动控制系利用系统框图可以清楚、方便地表示自动控制系统中各个组成部分之间的相互关系,在研究自动控统中各个组成部分之间的相互关系,在研究自动控统中各个组成部分之间的相互关系,在研究自动控统中各个组成部分之间的相互关系,在研究自动控制系统时,通常用方框图表示控制系统的组成。制系统时,通常用方框图表示控制系统的组成。制系统时,通常用方框图表示控制系统的组成。制系统时,通常用方框图表示控制系统的组成。二、系统的分类二、系统的分类n n1 1按照有无反馈测量装置分类按照有无反馈测量装置分类按照有无反馈测量装置分类按照有无反馈测
7、量装置分类控制器控制器被控对象被控对象传感器传感器输入输入偏差偏差输出输出测量值测量值-+控制器控制器被控对象被控对象输入输入输出输出开环控制系统开环控制系统闭环控制系统闭环控制系统二、系统的分类二、系统的分类 开环控制系统是没有反馈环节的控制系统开环控制系统是没有反馈环节的控制系统开环控制系统是没有反馈环节的控制系统开环控制系统是没有反馈环节的控制系统,其主要优点是简单、经济、容易维修以及价格其主要优点是简单、经济、容易维修以及价格其主要优点是简单、经济、容易维修以及价格其主要优点是简单、经济、容易维修以及价格便宜。它的主要缺点是精度低,对环境变化和便宜。它的主要缺点是精度低,对环境变化和便
8、宜。它的主要缺点是精度低,对环境变化和便宜。它的主要缺点是精度低,对环境变化和干扰十分敏感。干扰十分敏感。干扰十分敏感。干扰十分敏感。闭环控制系统亦称为反馈控制系统。闭环控闭环控制系统亦称为反馈控制系统。闭环控闭环控制系统亦称为反馈控制系统。闭环控闭环控制系统亦称为反馈控制系统。闭环控制系统与开环控制系统相比,具有精度高,动制系统与开环控制系统相比,具有精度高,动制系统与开环控制系统相比,具有精度高,动制系统与开环控制系统相比,具有精度高,动态性能好,抗干扰能力强等优点,它的缺点是态性能好,抗干扰能力强等优点,它的缺点是态性能好,抗干扰能力强等优点,它的缺点是态性能好,抗干扰能力强等优点,它的
9、缺点是结构复杂,维修困难,价格昂贵等。结构复杂,维修困难,价格昂贵等。结构复杂,维修困难,价格昂贵等。结构复杂,维修困难,价格昂贵等。二、系统的分类二、系统的分类2 2按照信号处理技术分类按照信号处理技术分类按照信号处理技术分类按照信号处理技术分类 控制系统可以分为控制系统可以分为控制系统可以分为控制系统可以分为模拟控制系统模拟控制系统模拟控制系统模拟控制系统和和和和数字控制系统数字控制系统数字控制系统数字控制系统 凡是采用模拟技术处理信号的控制系统都称为模拟控制凡是采用模拟技术处理信号的控制系统都称为模拟控制凡是采用模拟技术处理信号的控制系统都称为模拟控制凡是采用模拟技术处理信号的控制系统都
10、称为模拟控制系统,系统,系统,系统,而采用数字技术处理信号的控制系统则称为数字控制系而采用数字技术处理信号的控制系统则称为数字控制系而采用数字技术处理信号的控制系统则称为数字控制系而采用数字技术处理信号的控制系统则称为数字控制系统。统。统。统。现在许多控制系统都采用微处理机直接作为控制器,负现在许多控制系统都采用微处理机直接作为控制器,负现在许多控制系统都采用微处理机直接作为控制器,负现在许多控制系统都采用微处理机直接作为控制器,负责采集信号、运算控制规律以及产生控制指令等。机械系责采集信号、运算控制规律以及产生控制指令等。机械系责采集信号、运算控制规律以及产生控制指令等。机械系责采集信号、运
11、算控制规律以及产生控制指令等。机械系统是连续的物理过程,而微处理机控制器处理离散的数字统是连续的物理过程,而微处理机控制器处理离散的数字统是连续的物理过程,而微处理机控制器处理离散的数字统是连续的物理过程,而微处理机控制器处理离散的数字信号,二者之间必须通过采样器和数据保持器连接起来通信号,二者之间必须通过采样器和数据保持器连接起来通信号,二者之间必须通过采样器和数据保持器连接起来通信号,二者之间必须通过采样器和数据保持器连接起来通常,这类计算机控制系统通常称为常,这类计算机控制系统通常称为常,这类计算机控制系统通常称为常,这类计算机控制系统通常称为采样采样采样采样数据控制系统数据控制系统数据
12、控制系统数据控制系统。二、系统的分类二、系统的分类3 3按照应用分类按照应用分类按照应用分类按照应用分类 控制系统可分为控制系统可分为控制系统可分为控制系统可分为调节系统调节系统调节系统调节系统、跟踪系统跟踪系统跟踪系统跟踪系统和和和和过程控制系统过程控制系统过程控制系统过程控制系统 调节系统是在干扰作用下使被控变量保持常数的一种控调节系统是在干扰作用下使被控变量保持常数的一种控调节系统是在干扰作用下使被控变量保持常数的一种控调节系统是在干扰作用下使被控变量保持常数的一种控制系统,调节系统的输入是它的设定点。制系统,调节系统的输入是它的设定点。制系统,调节系统的输入是它的设定点。制系统,调节系
13、统的输入是它的设定点。跟踪系统是保持其被控变量尽可能接近时变的指令值,跟踪系统是保持其被控变量尽可能接近时变的指令值,跟踪系统是保持其被控变量尽可能接近时变的指令值,跟踪系统是保持其被控变量尽可能接近时变的指令值,跟踪系统的一个实例是数控机床的刀具必须跟踪给定的路跟踪系统的一个实例是数控机床的刀具必须跟踪给定的路跟踪系统的一个实例是数控机床的刀具必须跟踪给定的路跟踪系统的一个实例是数控机床的刀具必须跟踪给定的路径,以加工出合适形状的零件,这一实例就是常见的伺服径,以加工出合适形状的零件,这一实例就是常见的伺服径,以加工出合适形状的零件,这一实例就是常见的伺服径,以加工出合适形状的零件,这一实例
14、就是常见的伺服系统。伺服系统是一类被控变量为位移、速度或加速度的系统。伺服系统是一类被控变量为位移、速度或加速度的系统。伺服系统是一类被控变量为位移、速度或加速度的系统。伺服系统是一类被控变量为位移、速度或加速度的跟踪系统。跟踪系统。跟踪系统。跟踪系统。温度自动调节系统不是伺服系统,而是过程控制系统。温度自动调节系统不是伺服系统,而是过程控制系统。温度自动调节系统不是伺服系统,而是过程控制系统。温度自动调节系统不是伺服系统,而是过程控制系统。典型的过程控制系统的被控变量有温度、压力、流速、液典型的过程控制系统的被控变量有温度、压力、流速、液典型的过程控制系统的被控变量有温度、压力、流速、液典型
15、的过程控制系统的被控变量有温度、压力、流速、液位以及化学浓度等。位以及化学浓度等。位以及化学浓度等。位以及化学浓度等。二、二、系统的分类系统的分类4 4按系统给定信号的特点分类按系统给定信号的特点分类按系统给定信号的特点分类按系统给定信号的特点分类 (1)(1)恒值控制系统恒值控制系统恒值控制系统恒值控制系统 在控制过程中,如果要求被控变量保持在一个指标上不变,在控制过程中,如果要求被控变量保持在一个指标上不变,在控制过程中,如果要求被控变量保持在一个指标上不变,在控制过程中,如果要求被控变量保持在一个指标上不变,或者说系统的给定信号是恒定值,那么就需要采用恒值控制系或者说系统的给定信号是恒定
16、值,那么就需要采用恒值控制系或者说系统的给定信号是恒定值,那么就需要采用恒值控制系或者说系统的给定信号是恒定值,那么就需要采用恒值控制系统。统。统。统。(2)(2)程序控制系统程序控制系统程序控制系统程序控制系统 这类系统的给定值是变化的,但它是一个已知的时间函数,这类系统的给定值是变化的,但它是一个已知的时间函数,这类系统的给定值是变化的,但它是一个已知的时间函数,这类系统的给定值是变化的,但它是一个已知的时间函数,或按预定的规律变化。比如金属热处理的温度控制装置、数控或按预定的规律变化。比如金属热处理的温度控制装置、数控或按预定的规律变化。比如金属热处理的温度控制装置、数控或按预定的规律变
17、化。比如金属热处理的温度控制装置、数控机床的数控程序加工,就是这类系统的例子。机床的数控程序加工,就是这类系统的例子。机床的数控程序加工,就是这类系统的例子。机床的数控程序加工,就是这类系统的例子。(3)(3)随动控制系统随动控制系统随动控制系统随动控制系统 这类系统的特点是给定信号不仅在不断地变化,而且这种变这类系统的特点是给定信号不仅在不断地变化,而且这种变这类系统的特点是给定信号不仅在不断地变化,而且这种变这类系统的特点是给定信号不仅在不断地变化,而且这种变化不是预先规定好的,也就是说给定信号是按未知规律变化的化不是预先规定好的,也就是说给定信号是按未知规律变化的化不是预先规定好的,也就
18、是说给定信号是按未知规律变化的化不是预先规定好的,也就是说给定信号是按未知规律变化的任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动地、连续地、精任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动地、连续地、精任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动地、连续地、精任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动地、连续地、精确地复现给定信号的变化规律。比如显示记录仪表采用的自动确地复现给定信号的变化规律。比如显示记录仪表采用的自动确地复现给定信号的变化规律。比如显示记录仪表采用的自动确地复现给定信号的变化规律。比如显示记录仪表采用的自动平衡电位计伺服系统、雷达天线伺服系统等,都是随动系统的平衡电位计伺服系统、雷达天线伺
19、服系统等,都是随动系统的平衡电位计伺服系统、雷达天线伺服系统等,都是随动系统的平衡电位计伺服系统、雷达天线伺服系统等,都是随动系统的一些例子。一些例子。一些例子。一些例子。三、系统的过渡过程和性能指标三、系统的过渡过程和性能指标n n1 1 过渡过程过渡过程过渡过程过渡过程n n 系统的控制过程实际上是一个动态过程,即当系统的控制过程实际上是一个动态过程,即当系统的控制过程实际上是一个动态过程,即当系统的控制过程实际上是一个动态过程,即当系统的输入(包括干扰)量发生变化时,由于系系统的输入(包括干扰)量发生变化时,由于系系统的输入(包括干扰)量发生变化时,由于系系统的输入(包括干扰)量发生变化
20、时,由于系统的能量只能作连续变化,从而使系统的输出呈统的能量只能作连续变化,从而使系统的输出呈统的能量只能作连续变化,从而使系统的输出呈统的能量只能作连续变化,从而使系统的输出呈现出从一个平衡状态向另一个新的平衡状态过渡现出从一个平衡状态向另一个新的平衡状态过渡现出从一个平衡状态向另一个新的平衡状态过渡现出从一个平衡状态向另一个新的平衡状态过渡的过程这一过程称为系统的过度过程。一般情况的过程这一过程称为系统的过度过程。一般情况的过程这一过程称为系统的过度过程。一般情况的过程这一过程称为系统的过度过程。一般情况下,系统的过渡过程有以下几种基本形式:下,系统的过渡过程有以下几种基本形式:下,系统的
21、过渡过程有以下几种基本形式:下,系统的过渡过程有以下几种基本形式:n n(1).(1).非周期衰减过程非周期衰减过程非周期衰减过程非周期衰减过程n n(2).(2).衰减振荡过程衰减振荡过程衰减振荡过程衰减振荡过程n n(3).(3).等幅振荡过程等幅振荡过程等幅振荡过程等幅振荡过程n n(4).(4).发散振荡过程发散振荡过程发散振荡过程发散振荡过程 n n分别见下图的分别见下图的分别见下图的分别见下图的a b c da b c d:三、系统的过渡过程和性能指标三、系统的过渡过程和性能指标a ab bc cd d 实际的控制系统希望系统具有图实际的控制系统希望系统具有图实际的控制系统希望系统
22、具有图实际的控制系统希望系统具有图a a和和和和b b的输出形式,的输出形式,的输出形式,的输出形式,图图图图c c和和和和d d的情况是不容许出现的。的情况是不容许出现的。的情况是不容许出现的。的情况是不容许出现的。n n 显然,系统的输出和系统的输入是密切相关的,显然,系统的输出和系统的输入是密切相关的,显然,系统的输出和系统的输入是密切相关的,显然,系统的输出和系统的输入是密切相关的,实际系统的输入形式多种多样,为了安全和理论实际系统的输入形式多种多样,为了安全和理论实际系统的输入形式多种多样,为了安全和理论实际系统的输入形式多种多样,为了安全和理论分析的方便,通常选择一些定型的典型的输
23、入形分析的方便,通常选择一些定型的典型的输入形分析的方便,通常选择一些定型的典型的输入形分析的方便,通常选择一些定型的典型的输入形式,主要包括式,主要包括式,主要包括式,主要包括单位阶跃输入单位阶跃输入单位阶跃输入单位阶跃输入、单位速度单位速度单位速度单位速度(斜坡斜坡斜坡斜坡)输输输输入入入入、单位加速度单位加速度单位加速度单位加速度(抛物线抛物线抛物线抛物线)输入输入输入输入。其中,由于阶跃。其中,由于阶跃。其中,由于阶跃。其中,由于阶跃信号(如下图所示)对被控变量影响最大,且容信号(如下图所示)对被控变量影响最大,且容信号(如下图所示)对被控变量影响最大,且容信号(如下图所示)对被控变量
24、影响最大,且容易实现,便于实验、分析和计算,因而常采用它易实现,便于实验、分析和计算,因而常采用它易实现,便于实验、分析和计算,因而常采用它易实现,便于实验、分析和计算,因而常采用它作为系统的输入来研究控制系统。作为系统的输入来研究控制系统。作为系统的输入来研究控制系统。作为系统的输入来研究控制系统。三、系统的过渡过程和性能指标三、系统的过渡过程和性能指标n n2.2.性能指标性能指标性能指标性能指标n n 控制系统在输入作用下所产生的输出称之为响控制系统在输入作用下所产生的输出称之为响控制系统在输入作用下所产生的输出称之为响控制系统在输入作用下所产生的输出称之为响应。系统由初始状态随时间到最
25、终状态的响应过应。系统由初始状态随时间到最终状态的响应过应。系统由初始状态随时间到最终状态的响应过应。系统由初始状态随时间到最终状态的响应过程称为动态过程,也称为瞬态响应,它是系统短程称为动态过程,也称为瞬态响应,它是系统短程称为动态过程,也称为瞬态响应,它是系统短程称为动态过程,也称为瞬态响应,它是系统短时间响应特性的度量;当时间趋于无穷大时系统时间响应特性的度量;当时间趋于无穷大时系统时间响应特性的度量;当时间趋于无穷大时系统时间响应特性的度量;当时间趋于无穷大时系统的输出状态称为稳态过程,也称为稳态响应,它的输出状态称为稳态过程,也称为稳态响应,它的输出状态称为稳态过程,也称为稳态响应,
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- 机电一体化系统设计 机电 一体化 系统 设计 控制系统
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