机电一体化第三章计算机控制技术PPT课件
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《计算机控制技术》课件
主题二：传感器与执行器
传感器的作用和种类
探索传感器的工作原理和不同应 用领域，了解它们在自动化系统 中的重要性。
执行器的作用和种类
学习执行器的工作方式和不同类 型，了解它们在实际机械系统中 的应用。
传感器与执行器的应用
深入研究传感器与执行器在实际 工程中的具体应用案例，探索其 优势和限制。
主题三：控制系统的设计与实施
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
《计算机控制技术》PPT 课件
欢迎来到《计算机控制技术》课程的世界！本课程将向您介绍计算机控制系 统的基础知识、传感器与执行器的应用、以及控制系统的设计与实施。让我 们一起探索这个令人着迷的领域吧！
课程内容概述
主题一：控制系统基础知识
深入了解控制系统的定义、组成和分类，以及控制系统的性能指标。
主题二：传感器与执行器
探索各种传感器和执行器的作用、种类，以及它们在实际应用中的重要性。
主题三：控制系统的设计与实施
学习控制系统设计的步骤、实施的关键要点，以及如何进行调试与优化。
课程目标和重要性
1 深入理解控制系统
通过学习本课程，您将全 面了解计算机控制系统的 概念和原理。
2 掌握传感器与执行器
的应用
学习不同传感器和执行器 的使用方式，为实际工程 提供解决方案。
3 控制系统的设计与实
施能力
掌握控制系统的设计步骤 和调试方法，提高工程实 施的效率和质量。
主题一：控制系统基础知识
1
什么是控制系统
了解控制系统的概念和功能，探索其在自动化领域中的应用。
2
控制系统的组成和分类
学习控制系统的结构和分类方式，了解不同类型的系统。
3
控制系统的性能指标
《计算机控制技术》课件
《计算机控制技术》ppt课件
contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。
contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。
计算机控制技术PPT 第3章
3. 综合指标
在现代控制理论中，如最优控制系统的没计时，经常使用综
合性能指标来衡量一个控制系统。选择性能指标时．既要考虑
到能对系统的性能做出正确的评价，又要考虑到数学上容易处
理，以及工程上便于实现。因此，选择性能指标时，通常需要
做一定的试探和比较。综合性能指标通常有3种类型。
1）积分型指标：
（1）误差平方的积分：
3.5 线性离散时间系统的能控性与能观测性
线性定常离散时间系统的能控性定义及判据 线性定常离散时间系统的能观测性定义及判据
3.6 应用MATLAB进行离散系统分析
3.1 计算机控制系统概述
计算机控制系统(Computer Control System)是应用计算机 参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得 一定控制目的而构成的系统。
为n，Qc为由系数矩阵A和B按一定规则组成的分块矩阵，
表达式是：
n为系统的维数。 判别线性定常系统能控性的判据还有 其他的形式。对于线性时变系统，判别能控性的条件要复 杂一些，而且系统是否能控，常常还依赖于初始时刻的选 取。对于完全能控的线性定常系统，通过特别选定的坐标 变换，可以将其状态方程化成标准的形式，称为能控规范 形。
3.3 控制系统的性能指标描述
对于一个控制系统来说，人们总是要求它能根据实际 的被控对象，在给定信号的作用下达到稳定、快速和准确 的性能指标。对于计算机控制系统，计算机相当于人的大 脑，因此有更多的功能可以实现，系统就能实现最佳的性 能指标。本章描述了控制系统的基本性能指标，以及这些 性能指标与系统的固有参数和设计参数的关系，从而为分 析和设计控制系统提供了依据。
计算机控制技术 --控制组件分布和集成
2008.6
计算机控制技术(3)精品PPT课件
3.5 电动机控制接口技术
►3.5.1 小功率直流电动机调速原理及控制接口
▪ 1．小功率直流电动机的调速原理
►对于励磁式直流电动机，其转速n可以近似地表示为：
►式中，Ua为电枢两端的电压，Φ为励磁磁通，Ce为电动
机综合参数。
►小功率直流电动机的调速可以通过改变电枢电压Ua来实
现。在对直流电动机电枢的控制和驱动中，有线性驱动 方式和开关驱动方式两种。
3.5 电动机控制接口技术
▪ 2．步进电机的控制方法(以三相步进电机为例)
图3-26 计算机控制步进电机典型原理框图
▪ 1）单三拍工作方式
▪ 为了使步进电机正向旋转， 对于右图来说，就是顺时 针步进，各相磁极的通电 顺序如下：
3.5 电动机控制接口技术
►按顺时针步进方式工作时，各相磁极齿与转子 之间的差角参见表3-3。
图3-22 输入电压信号与电动机电枢电流、转速的对应关系
3.5 电动机控制接口技术
▪ 3．脉宽调速PWM系统的设计
►当开关S1、S4闭合时，电动机全速正转； ►当开关S2、S3闭合时，电动机全速反转； ►当S2、S4（或者S1、S3）闭合时，电动机绕组被短
路，电动机处于刹车状态； ►如果4个开关全部断开，电动机将自由滑行。
图3-23 可逆PWM调速系统原理图
3.5 电动机控制接口技术
图3-24 双向电动机控制接口电路图
3.5.2 步进电机控制技术
北京斯达特微步控制技术有限公司
步进电机应用实例
1)、自动回单机 2)、二维工作台(a) 3)、二维工作台(b) 3)、高速自动端子机
二维工作平台(a)
二维工作平台(a)控制系统接线图
第3章 输出通道接口技术
《计算机控制技术》PPT课件
生 产 过 程
模拟控制系统结构图
计算机控制系统结构图
两者都是自动控制系统，两者都实现PID控制 模拟控制器 硬设备 只能控制一个回路 控制过程中算法不能改变 数字控制器 软设备 可控制多个回路 控制过程中算法可以改变，可实 现除PID以外的多种复杂控制
9
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1.4计算机控制系统举例
如果不考虑扰动(w(s)=0)，则其传递函数为：
G( s )
a ( s)
u( s )
1 s s( 1) a
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工业炉控制的典型情况。 为了保证燃料在炉膛内正常 燃烧，必须保持燃料和空气 的比值恒定。它可以防止空 气太多时，过剩空气带走大 量热量；也可防止当空气太 少时，由于燃料燃烧不完全 而产生许多一氧化碳或碳黑。 为了保持所需的炉温，将测 得的炉温送入计算机计算， 进而控制燃料和空气阀门的 开度。 为了保持炉膛压力恒定，避 免在压力过低时从炉墙的缝 隙处吸入大量过剩空气，或 在压力过高时大量燃料通过 缝隙逸出炉外，必须采用压 力控制回路。测得的炉膛压 力送入计算机，进而控制烟 道出口挡板的开度。
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罝尵絿蜅揅鼻魮歮懷 瀳鎮殻梨姁佁垍缮鲟 铢闅罛槢醑鳟蜂戚运 庉裻怰鷲脆闞褠轛煿 闔蘹揙幵梁氌熽柕櫱 漞巈蚴禿孰挅要临曹 111111111 玌瘽錙聒抚巖诠唜璶 看看 閎飛憴氍沓壘蠰錏砙 慅叻乎糔袙顯隂鵑肱
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痖靅甤憌腗隧睓湥蚩椢砌翲糮殣 荟讃襊焕妋瓶懸劆鵐坦帅鎺钞邮 巰軸璩骳惨褈釼虉謱坴卉任鶢囆 椞觍登譃兎魈唉祠族菼蹚夸緩藮 1 2 慷璀趭賋戚飵擤齰胈鐖睚烬拕熧 3 縋鸫爠糷栿緩琊憢氟簜灠鰾衬摣 4 5 昕絚氽万昌晇栢嗒炧頴觃汍柀楘 6男女男男女 漽訐暪浕畹唭譞貜淅猽艜毅冲淈 7古古怪怪古古怪怪个 8vvvvvvv 涙誖栔细餴風襹鋃侳殜淽呝陙普 9 愧銺鴈崀燼震凍痟媾圑箦衃爊肾 岏荧瓘幯艈颚仅顶鄰蓜卼黽吁蜋
《计算机控制技术》课件第3章
数字程序控制系统的插补器用于完成插补计算。插补 计算就是按给定的基本数据(如直线的终点坐标，圆弧的起 、终点坐标等)，插补(插值)中间坐标数据，从而把曲线形 状描述出来的一种计算。插补器实际上是一个函数发生器 ，能按给定的基本数据，产生一定的函数曲线，并以增量 形式(例如脉冲)将各坐标连续输出，以控制机床刀具按给定
数字程序控制主要应用于机床自动控制，如用于铣床 、车床、加工中心、线切割机以及焊接机、气割机等的自 动控制系统中。采用数字程序控制系统的机床叫做数字程 序控制机床，具有能加工形状复杂的零件、加工精度高、 生产效率高、便于改变加工零件品种等许多特点，是实现 机床自动化的一个重要发展方向。
数字程序控制系统一般由输入装置、输出装置、控制 器和插补器等四大部分组成。目前硬件数控系统已很少被 采用，多数采用计算机数控系统，控制器和插补器功能以 及部分输入/输出功能都由计算机承担。
由于计算机技术、半导体技术、通信和网络技术、控 制技术、软件技术等高新科学技术的发展，工业生产过程 的控制技术也出现了飞速的发展，可编程序控制器将与其 他计算机控制装置一起成为21世纪工业控制领域的主流控 制装置。
3.1.2 顺序控制系统的组成
顺序控制系统的组成见图3-2，它由五部分组成： (1)输入接口：实现输入信号的电平转换。 (2)控制器：接收控制输入信号，按一定的控制算法运 算后，输出控制信号到执行机构。控制器具有记忆功能， 能实现所需的控制运算功能。 (3)输出接口：实现输出信号的功率转换。 (4)检测机构：检测被控对象的状态信息。 (5)显示报警装置：显示系统的输入、输出状态及报警 信息等，便于了解过程运行状态和对过程的操作、调试、 事故处理等。
下面以冷加工自动线中钻孔动力头的自动控制顺序作 为实际例子，来说明顺序控制的应用。其加工过程分为以 下几步：
机电一体化技术第三章-计算机控制技术
3.1.4 计算机控制系统的类型
计算机控制系统有各种各样的结构和形式。 按计算机参与的形式，可以分为开环和闭环 控制系统； 按采用的控制方案，又分为程序和顺序控 制、常规控制、高级控制（最优、自适应、 预测、非线性等）、智能控制（FUZZY控制、 专家系统和神经网络等）。
3.1.4 计算机控制系统的类型
3.1.1 计算机控制系统概述
自动控制系统通常由被控对象、检测传感装 置、控制器等组成。控制器既可以由模拟控制 器组成，也可以由数字控制器组成，数字控制 器大多是用计算机实现的。 因此计算机控制系统指的是采用了数字控制 器的自动控制系统。
3.1.1 计算机控制系统概述
工业控制计算机 输入量r(k) E(k) 控制器 D/A 执行机构 生产过程 被控对象 被控量y(t)
+
—
D/A 变送器 测量元件
图3-1 典型计算机闭环控制系统 计算机控制系统包括控制计算机（包括硬件、软 件和网络）和生产过程（包括被控对象、检测传感器、 执行机构）两大部分。
3.1.1 计算机控制系统概述
计算机控制系统的核心是控制程序。计算机控制系 统执行控制程序的过程如下： （1）实时数据采集 对被控参数按一定的采样时间 间隔进行检测，并将结果输入计算机。 （2）实时计算 对采集到的被控参数进行处理后， 按预先设计好的控制算法进行计算，决定当前的控 制量。 （3）实时控制 根据实时计算得到的被控量，通过 D/A转换器将控制信号作用于执行机构。 （4）实时管理 根据采集到的被控参数和设备的状 态，对系统的状态进行监督和管理。
3.1.2 计算机控制系统的组成
（4）生产过程 生产过程包括被控对象及其测量变送仪表 和执行机构。测量变送仪表将被控对象需要监 视和控制的各种参数（如温度、流量、压力、 液位、位置、速度等）转换为电的模拟信号 （或数字信号），而执行机构将过程通道输出 的模拟控制信号转换为相应的控制动作，从而 改变被控对象的被控量。
计算机控制技术-PPT课件
器设备及其传动组件
▪ 电气部分：系统的动力源，包括各种驱动和执
行设备。
自动控制系统的工作目标：机电系统
机电系统的物理结构图
U（t） U（nT）
线性驱动器 脉冲驱动器
线性执行器 脉冲执行器
t : 时间 T : 控制周期 n : 整数 U（t） 、 Y（t） : 连续信号 U（nT） 、 Y（nT） : 离散信号
4、状态空间理论： 将控制信号、系统输出及输入信号等时域信号以向量形式描述， 并分析他们之间的相互关系。
5、最优控制： 以最快速度、最高产量、最佳效益等为目标来设计控制系统 （大林算法、振铃现象及消除、最少拍控制）
6、系统辩识与自适应控制： 具有自动识别系统模型、自动适应环境变化的控制系统
（2）开环控制系统
控制器
z 测量值
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
测量变送器
图1-1(a) 闭环控制系统
闭环控制系统--闭环控制系统中，测量变送器对被控对象进行检测，
把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到控制器中，控制器将 此测量值与给定值进行比较形成偏差输入，并按照一定的控制规律产生相应 的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量跟 踪趋近给定值，从而实现自动控制稳定生产的目的。这种信号传递形成了闭 合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。
1.3.1 控制计算机的工作任务
实时采集：收集系统的各种运行参数、状态 实时决策：对采集信息进行处理，得出控制值 实时控制：输出控制值，对系统进行控制 实时：在一定时间限度内完成
1.3.2 控制计算机的构成 1.3.2.1 硬件
▪ 电气部分：系统的动力源，包括各种驱动和执
行设备。
自动控制系统的工作目标：机电系统
机电系统的物理结构图
U（t） U（nT）
线性驱动器 脉冲驱动器
线性执行器 脉冲执行器
t : 时间 T : 控制周期 n : 整数 U（t） 、 Y（t） : 连续信号 U（nT） 、 Y（nT） : 离散信号
4、状态空间理论： 将控制信号、系统输出及输入信号等时域信号以向量形式描述， 并分析他们之间的相互关系。
5、最优控制： 以最快速度、最高产量、最佳效益等为目标来设计控制系统 （大林算法、振铃现象及消除、最少拍控制）
6、系统辩识与自适应控制： 具有自动识别系统模型、自动适应环境变化的控制系统
（2）开环控制系统
控制器
z 测量值
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
测量变送器
图1-1(a) 闭环控制系统
闭环控制系统--闭环控制系统中，测量变送器对被控对象进行检测，
把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到控制器中，控制器将 此测量值与给定值进行比较形成偏差输入，并按照一定的控制规律产生相应 的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量跟 踪趋近给定值，从而实现自动控制稳定生产的目的。这种信号传递形成了闭 合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。
1.3.1 控制计算机的工作任务
实时采集：收集系统的各种运行参数、状态 实时决策：对采集信息进行处理，得出控制值 实时控制：输出控制值，对系统进行控制 实时：在一定时间限度内完成
1.3.2 控制计算机的构成 1.3.2.1 硬件
机电一体化第三章计算机控制技术
第二章 机电一体化的单元技术
24
自动控制
Ⅳ 根据控制度确定采样周期及数字调节器参数
控制度 1.05 1.2 1.5 2.0 调节器 类型 PI PID PI PID PI PID PI PID T 0.03Tr 0.014 Tr 0.05 Tr 0.043 Tr 0.14 Tr 0.09 Tr 0.22 Tr 0.16 Tr Kp 0.53Kr 0.63 Kr 0.49 Kr 0.47 Kr 0.42 Kr 0.34 Kr 0.36 Kr 0.27 Kr Ti 0.88 Tr 0.49 Tr 0.91 Tr 0.47 Tr 0.99 Tr 0.43 Tr 1.05 Tr 0.4 Tr Td 0.14 Tr 0.16 Tr 0.2 Tr 0.22 Tr
第二章 机电一体化的单元技术
2
自动控制
4. 按系统中所处理信号的形式
连续控制系 按被控对象 自身的特性
确定系统与随机系统
集中参数系统与分布参数系统 时变系统与时不变系统
第二章 机电一体化的单元技术
3
自动控制
二、自动控制技术的发展 1、经典控制理论 2、现代控制理论 3、智能控制理论 三、控制系统的基本要求
第二章 机电一体化的单元技术
31
自动控制
3. 计算机控制系统的常用类型及特点
机电系统多用计算机作为控制器，常用的有基于单 片机、单板机、普通PC机、工业PC机和可编程控制 器（PLC）等系统。
第二章 机电一体化的单元技术
32
单片机系统
嵌入式工控机
第二章 机电一体化的单元技术
33
工业PC机
PLC
e( j )
j 0
k
Td [e(k ) e(k 1)]} T
计算机控制技术课件
计算机控制技术课件1.计算机控制技术是指通过计算机对各种设备、机械和系统进行控制和管理的一门技术。
它广泛应用于工业自动化、智能交通、机器人技术等领域。
计算机控制技术的发展极大地提高了生产效率和生活质量，成为现代社会不可或缺的一部分。
2. 基本原理计算机控制技术的基本原理主要包括传感器信号采集、信号处理、控制算法以及执行机构的控制等。
2.1 传感器信号采集传感器用于将各种物理量转换成电信号，通过采集装置将其转换为计算机可识别的信号。
常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、光敏传感器等。
2.2 信号处理采集到的传感器信号需要进行信号处理，包括滤波、放大、去噪等操作。
信号处理的目的是提取有效信息，去除噪声和干扰，以便后续的控制算法能够准确地对信号进行分析和处理。
2.3 控制算法在计算机控制技术中，控制算法是实现对设备或系统控制的核心部分。
常用的控制算法有比例控制、积分控制和微分控制，也可以采用更复杂的PID控制算法和模糊控制算法。
2.4 执行机构的控制执行机构是指根据计算机控制信号完成动作的设备或机械。
根据控制算法的计算结果，将执行机构的动作控制在预定的范围内，以实现对设备或系统的精准控制。
3. 应用领域计算机控制技术广泛应用于各个领域，以下是其中的几个典型应用：3.1 工业自动化在工业生产中，通过计算机控制技术可以实现生产线的自动化控制和监测，提高生产效率和品质。
计算机控制技术还可以实现对机器人和自动化设备的精准控制，实现工业系统的智能化。
3.2 智能交通计算机控制技术在交通管理中起着重要的作用。
通过采集和处理路况信息，可以实现智能交通信号控制，减少交通堵塞和事故发生。
此外，计算机控制技术还可以应用于智能车辆和智能交通管理系统。
3.3 机器人技术机器人是计算机控制技术的重要应用之一。
通过计算机对机器人进行控制和编程，可以实现机器人的自主导航、物体抓取和处理等功能。
机器人技术在制造业、医疗领域和军事领域都有广泛的应用。
计算机控制技术PPT课件
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12
1.2 计算机控制系统的典型型式
1.2.1 操作指导控制系统
操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。
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1.2.2 直接数字控制系统
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1.2.3 监督控制系统
a） SCC+模拟调节器的控制系统 b） SCC+DDC的分级控制系统
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！而且这个时间范围的大小跟被空对象联系非常
的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同：
发酵过程和导弹防御系统的对比！
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思考两个问题
一.在线系统是否一定是实时系统？ 二.实时系统是否一定是在线系统？
一.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行 处理，只要把数据采集来就可以！ 二.是。不在线肯定不能满足实时性。
通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。
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1.1 计算机控制系统概述
1.1.2 计算机控制系统 计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机，
简称工业控制机)来实现生产过程自动控制的系统。
1.计算机控制系统的工作原理 2.在线方式和离线方式 3.实时的含义
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1.2.4 集散控制系统
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16
1.2.5 现场总线控制系统
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1.2.6 综合自动化系统
由企业资源信息管理系统ERP （Enterprise Resources Planning）、 生产执行系统MES（Manufacturing Execution System）和生产过程控制系 统PCS（Process Control System）构成 的三层结构，已成为综合自动化系统的整 体解决方案。
机电一体化技术ppt课件(完整版)
1. 4机电一体化系统的设计
1 .4.5机电一体化系统的设计流程 各种机电一体化系统的研究、开发、生产
及销售的过程各有其自身特点，归纳其基本规 律，机电一体化系统的设计流程如图1-6所示。
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第1章概论 1. 1机电一体化的定义 1. 2机电一体化系统的基本构成 1. 3机电一体化相关技术 1.4机电一体化系统的设计 1.5机电一体化技术的发展历程和发展趋势
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第2章机械技术 2.1概述 2.2机械传动 2.3支承部件 2.4导轨副
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第3章自动化控制技术 3. 1自动控制技术概述 3. 2 PID控制技术 3 .3模糊控制理沦 3 .4计算机控制系统 3. 5先进控制方法简介
取代法就是用电气控制取代原系统中机械 控制机构。这种方法就是改造旧产品开发新产 品或对原系统进行技术改造常用的方法。如用 电气调速控制系统取代机械式变速机构，用可 编程序控制器取代机械凸轮控制机构、中间继 电器等。这不但大大简化了机械结构和电气控 制，而且提高了系统的性能和质量。这种方法 是改造传统机械产品的常用方法。
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1. 4机电一体化系统的设计
1 .4. 2机电一体化系统开发的类型 1.开发性设计 开发性设计是一种独创性的设计方式，在 没有参考样板的情况下，通过抽象思维和理沦 分析，依据产品性能和质量要求设计出系统原 理和制造工艺。开发性设计属于产品发明专利 范畴。最初的电视机和录像机、中国的“神舟 一七号”航天飞机都属于开发性设计。 2.适应性设计 适应性设计是在参考同类产品上一的页基下础一上页 ，返回 主要原理和设计方案保持不变的情况下，通过
1. 4机电一体化系统的设计
1 .4. 4机电一体化系统设计 所谓的系统设计，就是用系统思维综合运
第3章机电一体化的计算机控制技术
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可编程序控制器的发展趋势
1.向高速、大存储容量方向发展
为了提高数据处理的能力，要求PLC能具有更高的响应速度 和更大的存储容量。 在存储容量方面，目前大型PLC是几十KB，甚至几百KB。西 门子公司的S5－155V为2MB。 总之,各公司都把PLC的扫描速度、存储容量作为一个重要 的竞争指标。
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可编程器(PLC)的发展
1968 年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司 (GM) 为了 适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠 ，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角 度提出了新一代控制器应具备的十大条件，这十大条件是：
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可编程器(PLC)的发展
1. 编程方便，可在现场修改程序； 2. 维修方便，最好是插件式； 3. 可靠性高于继电器控制柜； 4. 体积小于继电器控制柜； 5. 可将数据直接送入管理计算机； 6. 在成本上可与继电器控制竞争； 7. 输入可以是交流115V； 8. 输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀； 9. 在扩展时，原有系统只要很小变更； 10. 用户程序存储容量至少能扩展到4K字节。
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（5）传感器的主要功能是将被检测的非电学量参
数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号 ，压力传感器把压力变成电信号等等。变送器的 作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算 机接口使用的标准的电信号（如0~10mADC）
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计算机控制系统的组成
软件主要是指支持系统运行并对系统进行管理 和控制的程序系统。
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具有结构简单、性能优越、易于编程，灵活通用，维 护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强 的适应恶劣工业环境的能力，更是得到用户的好评 目前已被广泛地应用于各种生产机械和生产过程的自 动控制中。
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有效控制的软件系统
第二章 机电一体化的单元技术
10
2. 数字PID控制算法
（1）数字PID控制算法 （2）PID控制器的参数选择 （3）采样周期的选择
自动控制
第二章 机电一体化的单元技术
11
（1）数字PID控制算法
模拟PID调节器：按偏差的比例、积分和微分进行控制。
将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量， 简称P（比例）I（积分）D（微分）调节器。
第二章 机电一体化的单元技术
4
二、自动控制技术的发展 1、经典控制理论 2、现代控制理论 3、智能控制理论
三、控制系统的基本要求
基本要求 1．稳定性 2．快速性 3．精确性
第二章 机电一体化的单元技术
自动控制
5
四、计算机控制技术
计算机控制系统组成和特点 数字PID控制算法 计算机控制系统常用类型及特点 计算机控制系统的设计
第二章 机电一体化的单元技术
19
自动控制
（2）PID控制器的参数选择
①凑试法确定PID调节参数
凑试法 通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线（例如阶跃 响应） 然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑 试参数，以达到满意的响应 最终确定PID调节参数
第二章 机电一体化的单元技术
20
各参数的整定过程
1.计算机只输出控制增量，误差动作影响小 2.在进行手动/自动切换时，控制量冲击小， 平滑过渡 3.节约计算机的内存和计算时间 4.不易产生积分失控
位置型与增量型的关系：
u (k) u (k 1 ) u (k)
第二章 机电一体化的单元技术
17
数字PID算法流程：
开始 设置各参数值 采样w(k), y(k)
Proportional-Integral-Differential.
第二章 机电一体化的单元技术
12
模拟PID调节的微分方程式为
自动控制
u(t)K p[e(t)T 1 i 0 te(t)d tT ddd (te )t]
e(t)——调节器的输入，即给定量w与实际输出量 y 的误 差 e(t) = w - y ；u(t)—调节器输出
2. 按系统输出量的形式
位置控制 速度控制 加速度控制 力、力矩控制
定值控制系统 3.按系统输出信号的变化规律 过程控制系统
随动系统
第二章 机电一体化的单元技术
3
自动控制
4. 按系统中所处理信号的形式 连续控制系统 离散控制系统
5. 按被控对象 自身的特性
线性系统与非线性系统 确定系统与随机系统 集中参数系统与分布参数系统 时变系统与时不变系统
u ( k ) u ( k ) u ( k 1 ) d 0 e ( k ) d 1 e ( k 1 ) d 2 e ( k 2 )
d0
Kp(1TTi
Td ) T
d1 Kp(12TTd )
d2
Kp
Td T
第二章 机电一体化的单元技术
16
u ( k ) d 0 e ( k ) d 1 e ( k 1 ) d 2 e ( k 2 )
况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的 超调，并产生振荡，使稳定性变坏。
• 增大积分时间Ti有利于减小超调，减小振荡；使系统更加 稳定，但系统静差的消除将随之减慢。
• 增大微分时间Td亦有利于加快系统响应，使超调量减小， 稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏 感的响应。
0
j0
j0
d( t) e e ( k ) e ( k 1 ) e ( k ) e ( k 1 )
dt
t
T
第二章 机电一体化的单元技术
15
离散形式PID：
PID位置控制算法
自动控制
u (k)K p[e(k)T T i j k0e(j)T T d(e(k) e(k 1 ))]
PID增量式控制算法
a.首先只整定比例部分，将比例系数由小变大，直至 得到反应快、超调小的响应曲线。
b.加入积分环节，缩小比例系数，将积分时间常数由 大变小，消除静差。
Kp—比例系数；Ti—积分时间常数；Td—微分时间常数
第二章 机电一体化的单元技术
13
u (t)K p [e (t) T 1 i 0 te (t)d tT dd d (te )t]
D(s)Kp(1T1isTds)
其中比例调节起纠正偏差的作用，但不能消除稳态 误差，增益越大，调节作用越强，系统快速响应性 越好，但过大会引起系统不稳定；
e(k)=w(k) - y(k) 计算 Kpe(K) A
k
计算 Kie(j)TAA j0
计 K d ( 算 e ( k ) e ( k 1 ) ) A A
采样时刻到吗？
e(k) e(k1)
输出 u(k)=A
第二章 机电一体化的单元技术
18
各参数的作用：ຫໍສະໝຸດ 自动控制• 增大比例系数Kp，一般将加快系统的响应，在有静差的情
8
自动控制
计算机是整个控制系统的核心
接口与I/O通道是计算机与被控对象信息交换 的桥梁；人机接口是最基本的外设 软件主要是指支持系统运行并对系统进行管理 和控制的程序系统
第二章 机电一体化的单元技术
9
计算机控制系统
自动控制
完善的I/O通道 实时控制功能 可靠性高 具有丰富、完善正确反映运动规律并
积分调节能消除静差，改善系统静态特性，但积分 作用过大会使系统超调增大；
微分调节有利于减少超调，克服震荡，加快系统的 过渡过程，不能消除稳态误差，对具有较大容量滞 后的系统具有显著控制效果。
第二章 机电一体化的单元技术
14
PID控制器的离散化
e(K )
t
k
k
e(t)d t e(j)t e(j)T
自动控制
第二章 机电一体化的单元技术
6
1. 计算机控制系统的组成和特点
自动控制
计算机控制系统是由硬件和软件组成:
计算机控制复杂的控制规律，如非线性控制、逻辑控 制、自适应和自学习控制等。
第二章 机电一体化的单元技术
7
自动控制
硬件：由计算机主机、接口电路、输入/输出 通道及外部设备等组成
第二章 机电一体化的单元技术
2.5 自动控制技术
控制形式 基本要求 计算机控制技术
自动控制
第二章 机电一体化的单元技术
1
标题添加
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总体概述
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2
一、机电一体化系统的控制形式
1. 按输出量对控制作用的影响 顺序控制 反馈控制
第二章 机电一体化的单元技术
10
2. 数字PID控制算法
（1）数字PID控制算法 （2）PID控制器的参数选择 （3）采样周期的选择
自动控制
第二章 机电一体化的单元技术
11
（1）数字PID控制算法
模拟PID调节器：按偏差的比例、积分和微分进行控制。
将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量， 简称P（比例）I（积分）D（微分）调节器。
第二章 机电一体化的单元技术
4
二、自动控制技术的发展 1、经典控制理论 2、现代控制理论 3、智能控制理论
三、控制系统的基本要求
基本要求 1．稳定性 2．快速性 3．精确性
第二章 机电一体化的单元技术
自动控制
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四、计算机控制技术
计算机控制系统组成和特点 数字PID控制算法 计算机控制系统常用类型及特点 计算机控制系统的设计
第二章 机电一体化的单元技术
19
自动控制
（2）PID控制器的参数选择
①凑试法确定PID调节参数
凑试法 通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线（例如阶跃 响应） 然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑 试参数，以达到满意的响应 最终确定PID调节参数
第二章 机电一体化的单元技术
20
各参数的整定过程
1.计算机只输出控制增量，误差动作影响小 2.在进行手动/自动切换时，控制量冲击小， 平滑过渡 3.节约计算机的内存和计算时间 4.不易产生积分失控
位置型与增量型的关系：
u (k) u (k 1 ) u (k)
第二章 机电一体化的单元技术
17
数字PID算法流程：
开始 设置各参数值 采样w(k), y(k)
Proportional-Integral-Differential.
第二章 机电一体化的单元技术
12
模拟PID调节的微分方程式为
自动控制
u(t)K p[e(t)T 1 i 0 te(t)d tT ddd (te )t]
e(t)——调节器的输入，即给定量w与实际输出量 y 的误 差 e(t) = w - y ；u(t)—调节器输出
2. 按系统输出量的形式
位置控制 速度控制 加速度控制 力、力矩控制
定值控制系统 3.按系统输出信号的变化规律 过程控制系统
随动系统
第二章 机电一体化的单元技术
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自动控制
4. 按系统中所处理信号的形式 连续控制系统 离散控制系统
5. 按被控对象 自身的特性
线性系统与非线性系统 确定系统与随机系统 集中参数系统与分布参数系统 时变系统与时不变系统
u ( k ) u ( k ) u ( k 1 ) d 0 e ( k ) d 1 e ( k 1 ) d 2 e ( k 2 )
d0
Kp(1TTi
Td ) T
d1 Kp(12TTd )
d2
Kp
Td T
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u ( k ) d 0 e ( k ) d 1 e ( k 1 ) d 2 e ( k 2 )
况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的 超调，并产生振荡，使稳定性变坏。
• 增大积分时间Ti有利于减小超调，减小振荡；使系统更加 稳定，但系统静差的消除将随之减慢。
• 增大微分时间Td亦有利于加快系统响应，使超调量减小， 稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏 感的响应。
0
j0
j0
d( t) e e ( k ) e ( k 1 ) e ( k ) e ( k 1 )
dt
t
T
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15
离散形式PID：
PID位置控制算法
自动控制
u (k)K p[e(k)T T i j k0e(j)T T d(e(k) e(k 1 ))]
PID增量式控制算法
a.首先只整定比例部分，将比例系数由小变大，直至 得到反应快、超调小的响应曲线。
b.加入积分环节，缩小比例系数，将积分时间常数由 大变小，消除静差。
Kp—比例系数；Ti—积分时间常数；Td—微分时间常数
第二章 机电一体化的单元技术
13
u (t)K p [e (t) T 1 i 0 te (t)d tT dd d (te )t]
D(s)Kp(1T1isTds)
其中比例调节起纠正偏差的作用，但不能消除稳态 误差，增益越大，调节作用越强，系统快速响应性 越好，但过大会引起系统不稳定；
e(k)=w(k) - y(k) 计算 Kpe(K) A
k
计算 Kie(j)TAA j0
计 K d ( 算 e ( k ) e ( k 1 ) ) A A
采样时刻到吗？
e(k) e(k1)
输出 u(k)=A
第二章 机电一体化的单元技术
18
各参数的作用：ຫໍສະໝຸດ 自动控制• 增大比例系数Kp，一般将加快系统的响应，在有静差的情
8
自动控制
计算机是整个控制系统的核心
接口与I/O通道是计算机与被控对象信息交换 的桥梁；人机接口是最基本的外设 软件主要是指支持系统运行并对系统进行管理 和控制的程序系统
第二章 机电一体化的单元技术
9
计算机控制系统
自动控制
完善的I/O通道 实时控制功能 可靠性高 具有丰富、完善正确反映运动规律并
积分调节能消除静差，改善系统静态特性，但积分 作用过大会使系统超调增大；
微分调节有利于减少超调，克服震荡，加快系统的 过渡过程，不能消除稳态误差，对具有较大容量滞 后的系统具有显著控制效果。
第二章 机电一体化的单元技术
14
PID控制器的离散化
e(K )
t
k
k
e(t)d t e(j)t e(j)T
自动控制
第二章 机电一体化的单元技术
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1. 计算机控制系统的组成和特点
自动控制
计算机控制系统是由硬件和软件组成:
计算机控制复杂的控制规律，如非线性控制、逻辑控 制、自适应和自学习控制等。
第二章 机电一体化的单元技术
7
自动控制
硬件：由计算机主机、接口电路、输入/输出 通道及外部设备等组成
第二章 机电一体化的单元技术
2.5 自动控制技术
控制形式 基本要求 计算机控制技术
自动控制
第二章 机电一体化的单元技术
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一、机电一体化系统的控制形式
1. 按输出量对控制作用的影响 顺序控制 反馈控制