机电系统计算机控制课件概述.ppt
第一章 概述,1.1 机电一体化系统 机电一体化系统是指在系统主功能、信息处理功能和控制功能等方面引进了电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机、检测与传感装置等电子设备以及软件等有机结合而构成的系统，即机械、执行、检测与传感、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行结合而形成的一种新型机械系统。 具体实例：计算机外设、办公自动化设备、微细加工设备、数控机床、数控加工中心、机器人、射压成型设备、武器系统、航空航天、航海设备、家用电子机械、电动玩具等。 目前这些系统的共性就是：绝大多数产品含有电子计算机或微处理器。,第一章 概述,几种典型的机电一体化系统 伺服传动系统：其为一种最基本的机电控制系统。其输入为模拟或数字电信号，输出或受控物理变量为机械位置或速度以及力或力矩等。 数字控制系统：根据零件编程或路径规划，由计算机生成数字形式的指令，驱动机械运动的一种控制系统，简记为NC。当控制器由计算机实现时，又称为计算机数控系统，简记为CNC。 顺序控制系统：按照规定次序执行一组操作的控制系统。每一步动作都是一个简单的二进制动作。 过程控制系统：在机械、冶金、化工、电力以及建材等生产过程中所采用的工业控制系统统称为过程控制系统。,第一章 概述,1.2 计算机控制系统 1.2.1 控制系统按信号形式的分类 计算机控制系统：含有计算机并且由计算机完成部分或全部控制功能的控制系统。 计算机在控制系统中的应用分两个方面： 离线应用：对控制系统进行分析、设计、仿真以及建模控制系统CAD 在线应用：用计算机代替模拟控制器，使其成为控制系统的一部分。,第一章 概述,控制系统按信号形式分类： 连续控制系统：所有信号均为连续信号。 离散控制系统：各处均为离散信号。 采用控制系统：既有连续信号，又有离散信号。 数字控制系统：含有数字信号计算机控制系统,第一章 概述,1.2.2 计算机控制系统的组成 硬件组成：控制对象、检测环节、计算机、输入输出通道、外设等 软件组成：系统软件、应用软件,第一章 概述,1.3.1 计算机控制系统的分类 1) 数据采集和数据处理系统 注意：可以用于辅助建模。也就是所有计算机控制系统均有数据采集和数据处理的功能。,1.3.2 直接数字控制系统-DDC(direct digital control),第一章 概述,1.3.3 监督控制系统-SCC(supervisory computer control) SCC+模拟调节系统 SCC+DDC系统,第一章 概述,1.3.4 分级计算机控制系统,第一章 概述,1.3.5 计算机控制系统的其他分类形式 程序和顺序控制：程序控制是指根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律而自动完成工作的数字式自动控制。主要用于机床的自动控制。 比例积分微分控制(PID控制)：目前应用最为广泛、也是广大工程技术人员所熟悉的控制规律。 最少拍控制：调节时间最短为技术指标。 复杂规律的控制：充分利用计算机的强大计算、逻辑判断、中断以及学习功能。如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、多变量解耦控制以及最优、自适应、自学习控制等。 智能控制。 模糊控制。,第一章 概述,1.4 计算机控制系统的一般要求 稳定性 精确性 快速性,第二章 信号采样与Z变换理论基础,2.1 计算机控制系统的信号形式 多数受控物理参数的连续模拟信号 计算机所能处理的离散数字量 在许多实际系统中，采样器即为A/D转换器 全部工作由计算机时钟同步,第二章 信号采样与Z变换理论基础,2.2 信号采样与保持 2.2.1 采样定理,第二章 信号采样与Z变换理论基础,2.2.2 量化和量化误差： 采样信号是时间上离散而幅值上连续的信号，需要经A/D转换进行编码，才能用计算机进行处理。 量化单位为：,第二章 信号采样与Z变换理论基础,2.2.3 孔径时间及采样保持 1) 孔径时间,第二章 信号采样与Z变换理论基础,2) 采样保持,3) 模拟量输出保持器,第二章 信号采样与Z变换理论基础,2.3 Z变换 2.3.1 Z变换的定义,第二章 信号采样与Z变换理论基础,2.3.2 z变换的性质和常用定理,第二章 信号采样与Z变换理论基础,第二章 信号采样与Z变换理论基础,2.3.3 z变换方法 级数求和法：根据z变换的定义来求函数的z变换，适用于简单函数。,第二章 信号采样与Z变换理论基础,第二章 信号采样与Z变换理论基础,第二章 信号采样与Z变换理论基础,第二章 信号采样与Z变换理论基础,第二章 信号采样与Z变换理论基础,第二章 信号采样与Z变换理论基础,第二章 信号采样与Z变换理论基础,第二章 信号采样与Z变换理论基础,第二章 信号采样与Z变换理论基础,2.3.5 用z变换求解差分方程 对于线性连续控制系统，系统的时域描述为线性常系数微分方程，可以用拉氏变换变成s的代数方程，因此可以大大简化求解过程。计算机控制系统属于离散系统，其时域描述为线性常系数差分方程，可用z变换变成z的代数方程，用代数方程来求解。,第二章 信号采样与Z变换理论基础,第三章 计算机控制系统分析,3.1 脉冲传递函数 3.1.1 脉冲传递函数的定义 对右图所示的采样控制系统，如果 系统的初始条件为零，则脉冲传递 函数定义为输出采样信号的z变换 与输入采样信号z变换只比，用G(z)表示,对于大多数的实际系统而言，其输出往往是连续信号而不是采样信号，我们可以在输出端虚设一个采样开关，两采样开关同步工作。,第三章 计算机控制系统分析,3.1.2 开环系统（或环节）的脉冲传递函数 例3-1 具有零阶保持器的开环系统如右图 所示，求其脉冲传递函数。 解：零阶保持器的传递函数为,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,3.2 计算机控制系统的性能分析 3.2.1 系统的稳定性 设一个单输入、单输出线性定常系统的闭环脉冲传递函数为,该系统的稳定性可以由特征方程 的根在Z平面中的位置来确定。为了保证系统稳定，特征方程的全部根必须位于Z平面中单位圆的内部。如果系统的闭环极点或特征方程的根中有位于单位圆外的情况，则闭环系统不稳定。如果有一个根恰好位于Z平面中单位圆上，则系统处于临界稳定，临界稳定在实际系统中属于不稳定。 分析离散控制系统稳定性的一个方法是双线性变幻的劳斯判据。在应用时，由于Z平面的稳定域与s平面的稳定域是不同的，所以先需要经过一种复变函数的双线性变换(称为z-w变换)，把Z平面中的单位圆周映射到w平面的虚轴，Z平面中的单位圆外部和内部分别映射为w平面的右半平面和左半平面。满足这种变换关系的复变量z和w的关系为：,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,如果系统中没有采样器，则对该二阶连续系统可以直接用劳斯判据证明，只要K大于零，系统总是稳定的；但经过采样后，就不一定了。一般来说，引入采样器会降低系统的稳定性，而且采样周期越大，系统稳定性越差。 可以自己改变上述系统的采样周期，将其变小一些，再检验系统稳定时K的取值范围。 不过，实践证明，对于带有很大时间延迟对象的系统则例外。,第三章 计算机控制系统分析,3.2.2 系统的稳态误差 稳态误差是系统稳态性能的重要指标。在单位反馈的离散控制系统中，即令H(s)=1，系统在输入信号作用下误差的z变换式为,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,3.2.4 动态响应分析 如果已知离散控制系统的数学模型，通过递推法或者z变换法不难求出典型输入作用下的输出响应。离散控制系统的动态响应取决于系统脉冲传递函数零、极点在z平面中的分布情况。这里我们仅就单位阶跃输入函数作用下的输出响应。设系统的闭环脉冲传递函数为(z)，则系统输出量的z变换为,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,第三章 计算机控制系统分析,关于闭环极点在z平面中的分布情况所对应的输出响应如右图所示。 由上述分析可知，只要闭环极点在z平面的单位圆内，离散控制系统总是稳定的。稳定系统的动态性能往往被一对靠近单位圆周的主导复数极点所支配（其他极点则远离单位圆周）。所以，在离散控制系统中，为了获得良好的动态性能，希望其主导极点分布在z平面单位圆的右半圆内，而且离原点不要太远，与实轴的夹角要适中。,至于系统的零点，虽然不影响系统的稳定性，但影响系统的动态性能。零点影响的定性分析比较困难，在此不做详细讨论，通常把它的影响计算到有关极点所对应的动态分量的大小中去。当然，在采样离散控制系统中，动态性能的分析只是在采样瞬时有效。有些系统尽管在采样时刻的阻尼性能很好，但在非采样时刻的纹波可能仍然很厉害，特别是当采样周期比较大的时候。,第四章 数字控制器的设计方法,4.1 PID控制规律的离散华方法 4.1.1 模拟PID控制规律的离散化 在连续控制系统中，采用右图所示的 PID控制器，其控制规律的形式为：,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,4.1.2 PID控制规律的脉冲传递函数形式 与用传递函数形式表示模拟控制器类似，在计算机控制系统中，数字PID可以用脉冲传递函数的形式表示。由于,第四章 数字控制器的设计方法,由上式还可以得到其他类型的数字控制器的脉冲传递函数：,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,4.1.3 数字PID控制器的设计举例 各参数对系统性能的影响的定性认识： 增大比例系数将加快系统的响应速度，在有静差系统中有利于减小静差，但加大比例系数之能减小静差，却不能从根本上消除静差。而且过大的比例系数会使系统产生超调，并产生振荡或使振荡次数增多，使调节时间加长，并使系统稳定性变坏或使系统变得不稳定。比例系数大小，又会使系统的动作迟缓。 积分控制通常与比例控制或比例微分控制联合使用，构成PI或PID控制。增大积分时间常数（积分变弱）有利于减小超调，减小振荡，使系统更稳定，但同时要延长系统消除静差的时间。积分时间常数太小会降低系统的稳定性，增大系统的振荡次数。 积分控制一般也和比例控制和比例积分控制联合使用，组成PD或PID控制。微分控制可改善系统的动态特性，如减小超调量，缩短调节时间，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。但应当注意，微分时间常数偏大或偏小时，系统的超调量仍然较大，调节时间仍然较长，只有合适的微分时间常数，才能获得比较满意的过渡过程。此外，微分作用也使得系统对扰动变得敏感。,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,例4-2 计算机控制系统结构仍如上例所示，采用数字PI控制器，试分析几分作用及参数选择。采样周期T=0.1s。,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,4.1.4 按二阶工程设计法设计数字PID控制器 二阶系统是工业生产过程中很常见的一种系统，其闭环传递函数的一般形式为,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,4.2 PID控制算法的改进 一般情况下，用计算机实现PID控制规律，不能把PID控制规律简单地离散化，否则，将不能得到比模拟调节器优越的控制质量。这是因为： 模拟控制器的控制作用是连续的，而用计算机做控制器，在输出零阶保持器的作用下，控制量在一个采样周期内是不变的。 由于计算机进行数值计算和输入输出等工作需要一定时间，造成控制作用在时间上存在延迟。 计算机的有限字长和A/D、D/A转换精度将造成控制作用的误差。 因此，应充分利用计算机的运算速度快、逻辑判断功能强、编程灵活等特点，采用一些模拟控制器难以实现的复杂控制规律，使PID控制更加合理和灵活多样，使其更能满足实际生产过程的不同需要，才能在控制性能上超过模拟控制器。,第四章 数字控制器的设计方法,4.2.1 防止积分饱和的方法 积分分离法 于时间常数较大的被控对象，偏差不会在几个采样周期内消除，积分项就 很可能使输出值超过正常的表示范围。这时，可以采用积分分离的方法对 积分项加以处理，具体方法为：,积分分离法PID的控制效果,第四章 数字控制器的设计方法,2.变速积分法 在标准PID算法中，积分系数在整个调节过程中保持不变。变速积分的思想是根据偏差的大小，改变积分项的累加速度，即偏差越大，积分越慢，甚至没有，偏差越小，积分越快，以利于尽快消除静差。具体如下：,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,4.2.2 微分项的改进不完全微分数字PID控制算式 微分项的作用有助于减小系统的超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快系统的响应，缩短调整时间。 模拟PID调节器是靠硬件来实现的，由于反馈电路本身特性的限制，无法实现理想微分，其特性是实际微分的PID控制。为了分析数字PID控制器的微分作用，由标准数字PID中微分作用算式：,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,不完全微分数字PID控制器可以解决上述问题。在标准数字PID控制算式中，引入一贯性环节便构成了不完全微分数字控制器。它不仅可以平滑微分产生的瞬时脉动，而且能加强微分对全控制过程的影响。 一阶惯性环节的传递函数为,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,(1) 标准数字PID控制器的控制品质差。其原因在于微分作用仅局限于第一个采样周期有一个大幅度输出。一般工业执行机构无法在较短的采样周期内跟踪较大的微分作用输出。而且，理想微分还容易引进高频干扰。 (2) 不完全微分数字PID控制器的控制品质较好。其原因是微分作用能缓慢地持续多个采样周期，使得一般的工业执行机构能比较好地跟踪微分作用输出。由于不完全微分数字PID控制器算式中含有一阶惯性环节，因此，抗干扰作用也较强。,第四章 数字控制器的设计方法,4.2.3 抑制干扰的数字PID算法 PID控制算法的输入量是偏差信号e，即给定量r和系统输出量c的差值。在进入正常调节后，由于c已接近r，所以偏差信号e的值不会太大。相对而言，干扰值对调节作用的影响较大。为了消除随机干扰的影响，除了从系统硬件及环境方面采取措施外，在控制算法上应采取一定措施，以抑制干扰的影响。 对于作用时间较短暂的快速干扰，如采样器、A/D转换器的偶然出错等，我们可以简单地采用连续多次采样求平均值的数字滤波办法加以滤除。而对于一般的随机干扰，我们还可以采用如一阶惯性滤波的数字滤波方法来减少扰动的影响。 除了采用一般的数字滤波方法外，我们还可以用单独修改数字PID控制算式中的微分项的办法来抑制干扰。其中，四点中心差分法就是最常用的一种算法。,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计方法,4.2.4 数字滤波方法 对计算机控制系统中的常态干扰，可以用数字滤波的方法加以抑制或滤除。所谓数字滤波，就是通过一定的软件程序降低干扰在有用信号中的比重，故实质上是一种程序滤波。与模拟滤波器相比，数字滤波有以下几个优点： (1) 数字滤波是用软件来实现，故不需要增加硬件，而且多个通道可以共用一个滤波子程序。 (2) 由于不需要硬设备，故可靠性高，且无阻抗匹配问题。 (3) 可以对频率很低的信号进行滤波，克服了模拟滤波器的缺陷，而且通过改写滤波程序可以实现不同的滤波方法或改变滤波参数。 由于数字滤波的上述优点，使其得到了广泛的应用。下面介绍几种常用的数字滤波方法。,第四章 数字控制器的设计方法,第四章 数字控制器的设计,2. 算术平均滤波 算术平均滤波就是用n次采样的算术平均值作为本次采样的值，即,算术平均滤波主要适用于压力、流量等周期性脉动信号的平滑加工。平均次数n决定于平滑度和灵敏度；n增大，平滑度提高而灵敏度下降；反之，平滑度下降而灵敏度提高。 3. 加权平均滤波 对不同时刻的采样值赋以不同的加权因子，即所谓的加权平均滤波。,加权因子的选取可视具体情况而定，一般采样值越靠后，加权因子越大，以增加新的采样值在平均值中的比重，系统对正常变化的灵敏度也提高。 加权平均滤波适用于系统纯滞后时间较大，而采样周期较短的情况。,第四章 数字控制器的设计,4. 中值滤波,中值滤波能有效地滤除由于偶然因素引起的波动或采样器不稳定造成的误码等引起的脉冲干扰，对缓慢变化的过程量具有良好的滤波效果。 5. 防止脉冲干扰的平均值滤波 算术平均滤波和中值滤波都有一些缺点，但从这两种滤波方法消弱干扰的原理可以得到启发，即如果先用中值滤波原理滤除由于脉冲干扰引起误差的采样值，然后再把剩下的采样值进行算术平均值滤波，这就是防止脉冲干扰的平均值滤波，表示为：,可以肯定，这种滤波方法兼容了算术平均值滤波和中值滤波的优点，当采样点数不多时尚不明显，但在快、慢系统中它却能消弱干扰，提高控制质量。,第四章 数字控制器的设计,4.4 数字PID控制器的参数整定 4.4.1 采样周期的选择（主要考虑如下因素） 1. 采样周期对系统稳定性的影响 2. 给定频率和扰动频率 3. 计算机精度 4.执行机构的特性 5.控制的回路数 6. 闭环系统的带宽 7. 操作系统,第四章 数字控制器的设计,4.4.2 扩充临界比例度法整定参数 扩充临界比例度法是模拟调节器参数中使用的临界比例度法的推广。按这种方法进行数字PID控制器参数整定的步骤如下： (1) 选择一个足够小的采样周期，例如使采样周期在被控对象纯滞后时间的十分之一以下。,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,4.4.2 扩充响应曲线法整定参数 扩充响应曲线法是模拟调节器的响应曲线法的一种扩充，也是一种实验方法，其步骤如下： (1) 断开数字控制器，即数字控制器 不接入控制系统中，使系统工作在 手动状态。将被调节量调节到给定 值附近，并使之稳定下来。然后突然 改变给定值，给对象一个阶跃输入 信号。 (2) 用记录仪记录下被调量在阶跃输入 作用下的变化过程曲线，如右图。,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,4.5 数字控制器的直接设计法 4.5.1 概述 在被控对象的特性不太清楚的情况下，可以充分利用技术成熟的模拟PID调节规律，并把它移植到计算机上加以实现，可以获得比较满意的控制效果。但是，这种模拟化设计方法通常要求较小的采样周期。 数字控制器的直接设计方法，是假定被控对象本身是离散化模型或者用离散化模型表示的连续对象，直接采用采样控制理论，以z变换为工具，在z域中直接设计出数字控制器D(z)。离散化设计比模拟化设计具有更一般的意义，它完全是根据采样系统的特点进行分析和综合，并导出相应的控制规律。由于所设计的D(z)是依照稳定性、准确性和快速性的指标逐步设计出来的，所以设计结果比模拟化设计来得更精确，故又称为精确设计法。此时采样周期T的选择主要决定于对象特性而不受分析方法的限制，所以，比起模拟化设计方法，采样周期可以选得大一些。,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,4.5.2 最少拍随动系统的设计 在数字随动系统中，通常要求系统输出值能够尽快地跟踪给定值的变化，最少拍控制就是适应这种要求的一种直接离散化设计的方法。 所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对某种特定的输入在最少几个采样周期内达到输出无静差的系统。显然，这种系统对闭环脉冲传递函数的性能要求是快速性和准确性。进行设计时，应重点考虑以下几点： (1) 对特定的给定输入信号，在达到稳态后，系统在采样时刻的输出值能准确地跟踪给定信号，不存在静差。 (2) 系统准确跟踪给定信号所用的拍数应最少。 (3) 数字控制器必须在物理上是可实现的。 (4) 闭环系统必须稳定。,第四章 数字控制器的设计,1. 特性系统最少拍闭环脉冲传递函数的确定 一般情况下，控制系统常用的典型输入信号及其z变换为 单位阶跃输入函数,单位速度输入函数,单位加速度输入函数,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,无纹波系统数字控制器和系统的输出波型如下图。,对比前后两例的输出序列波形，可以看出，有纹波系统的调整时间为两个采样周期(2T)，系统输出跟随输入函数后，由于数字控制器的输出仍然波动，所以系统的输出在非采样时刻有纹波。无纹波系统的调整时间为三个采样周期(3T)，系统输出跟随输入函数所需时间比无纹波系统增加了一个采样周期。由于系统中数字控制器的输出经3T后为常值，所以无纹波系统在采样点之间不存在纹波。,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,第四章 数字控制器的设计,
