机电系统计算机控制哈工大课件

M ( s) ( s p1 )( s p2 ) ( s pn ) A1 A2 An ... s p1 s p2 s pn
n
y (t ) Ai e pit
i 1
1.4 计算机控制系统的一般要求
y (t )

i 1
n
Ai e pi t
机电系统的计算机控制
（28学时 学位课）
主讲：陈维山，董惠娟
教材：机电系统计算机控制 陈维山 赵杰 编著 哈尔滨工业大学出版社
课程基础
1.机电系统参数及动力学基础
performance-dependent mechanical factors: 驱动力、驱动力矩、负载、摩擦力、 摩擦力矩、间隙、刚性、惯性、共振频率、传动比对控制系统的影响，如摩擦对 系统的稳态误差的影响、对系统的稳定性、快速性等动态性能的影响。
4 数字控制器的模拟设计方法 • PID控制规律的离散化方法
模拟PID控制规律的离散化 PID控制规律的脉冲传递函数、 PID控制规律的其他离散化方法
PID控制规律的工程实现
课程内容
PID控制器的设计举例 按二阶工程设计法设计数字PID控制器 控制器的前向差分、后向差分、图斯汀变换的比较 •PID控制算法的改进
2 信号采样与Z变换
•计算机控制系统的信号形式 •信号采样与保持 采样信号、采样定理、量化与量化误差、孔径时间、零阶采样保持器 • Z变换 Z变换与差分方程、Z变换定义、性质、常用定理、 方法、 Z反变换的方法、求 解差分方程
课程内容
3 计算机控制系统分析
•脉冲传递函数 开环系统脉冲传递函数、闭环系统脉冲传递函数 • 计算机控制系统性能分析 稳定性分析 、稳态误差分析、动态响应分析
(S )
M (S ) M 0 / S

1 JS 2 BS K
其中，M 0为工作力矩，
角位置伺服系统
K 为系统的刚度变形 K m为电机的转矩系数 K a为放大器的放大倍数
1.2 机电一体化系统分类 2）离散控制系统：所有信号均为离散信号。
3）采样控制系统：既有连续信号，又有离散信号。
3) 最少拍控制：调节时间最短为技术指标。
4) 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。 5) 智能控制。 6) 模糊控制。
1.3.2 计算机控制系统分类
4） 分级计算机控制系统
1.4 计算机控制系统的一般要求
1.4 计算机控制系统的一般要求
稳定判据之二：劳斯判据routh 稳定判据之三：bode图
a sin wt
G ( s)
b sin( wt )
(db)
振幅比： g 20lg(b/a)

响应滞后时间 相位差： 360 输入周期
1.4 计算机控制系统的一般要求
1.4 计算机控制系统的一般要求
1.4 计算机控制系统的一般要求
2.精确性 (steady state error) 即控制精度，以稳态误差来衡量。指以一定变化规律的输入信号作 用于系统。当调整过程结束，趋于稳定时，输出量的实际值与希望 值之间的差值。它反映了动态过程的后期性能。
Y ( s)
G(s) k k 1 U (s) U (s) U (s) 1 G ( s) 1 Ts k 1 k 1 Ts /(1 k ) 1 Ts 1 Ts 1 E (s) U (s) Y (s) U (s) 1 Ts k 1 Ts k s 1 e() lim s E ( s ) s 0 1 k k 如果开环增益K值为无穷大，则稳态误差就会变成0。 y () lim s Y ( s) s 0 1 k
4）数字控制系统：含有数字信号——计算机控制系统
采样保持
传感器 信号形式 时间 幅值 图形表示
采样开关可以在不同位置
图中各点信号
连续
模拟量
T 2T 3T
A，I
离散
连续
T 2T 3T
B
q
2q 3q
离散
离散
T 2T 3T
C，G
001 010 011
离散
数字量
T 2T 3T
D，F
连续
阶梯形模拟量
T 2T 3T
2. 机电系统的模拟控制技术
直流电机驱动 直流电机的静态方程以及动态方程 转速闭环直流调速系统稳态设计 转速闭环直流调速系统动态分析与校正 电压反馈直流调速系统的分析 双闭环直流调速系统
3. 步进电机
步进电机性能指标 步进电机性能分析 步进电机驱动 步进电机环形分配器设计
课程内容
1.绪论
• • • • 机电一体化技术的概念、特点、发展 机电一体化产品及特点 机电控制系统的分类 计算机控制系统一般要求
0
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Fra Baidu bibliotek-180°
w
在相角 1800时，如果20 lg G ( s) 0， 即G ( jw) 1, 这时开环传递函数G ( s) U 0 ( s) 1, 系统的输出为等幅振荡。 U i ( s)
在相角 1800时，如果20 lg G( s) 0， 即G( jw) 1, 这时闭环传递函数的分母1 G( s) 0, 系统的最后输出为无穷。
1.4 计算机控制系统的一般要求
稳定性、稳态误差、动态响应，与连续系统的区别是受采样周期的影响。 1.稳定性 对于稳定系统，当输出量偏离平衡状态，应能随着时间收敛，并 且最后回到初始的平衡状态。稳定性是保证控制系统正常工作的先 决条件，与系统输入无关。
稳定判据之一： （s平面和z平面的相互关系） (定义)闭环传递函数的极点在左半平面闭环脉冲传递函数的极点的模小于1
1.2 机电一体化系统分类
1.2 机电一体化系统分类 控制系统按信号形式分类：
1）连续控制系统：所有信号均为连续信号。
G(s)：负载、负载台体、执行电机、驱动电路等
M J B K M 0 M ( S ) JS 2 ( S ) BS ( S ) K ( S ) M 0 / S
线形离散系统：特征根（极点）的模越大（小于1）。。。。。。
1.4 计算机控制系统的一般要求
线形离散系统： 向后差分 a0 y (kT ) a1 y (kT T ) .... an y (kT nT ) b0 r (kT ) b1r (kT T ) .... bm r (kT mT ) D( s )稳定，D ( z )一定稳定 向前差分 a0 y (kT nT ) a1 y (kT nT T ) .... an y (kT ) b0 r (kT mT ) b1r (kT mT T ) .... bm r (kT ) 其中， n m D( s )稳定，D ( z )不一定稳定
2）直接数字控制系统-DDC(direct digital control)
1.3.2 计算机控制系统分类
3） 监督控制系统-SCC(supervisory computer control)
SCC+模拟调节系统
SCC+DDC系统
1.3.2 计算机控制系统分类
2. 按控制规律分类 1) 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。 2) 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。
稳定判据之三： 双线性变换 bode图
稳定裕度（幅值裕度，相位裕度）
0
w0
w
-180°
w
在相角 1800时，如果20 lg G ( s) 0，即G ( jw) 1, 这时开环传递函数G ( s)
U 0 (s) 1, 系统的输出为收敛的。 U i ( s)
1.4 计算机控制系统的一般要求
1.4 计算机控制系统的一般要求
0
w0
w
-180°
w
在相角 1800时，如果20 lg G ( s) 0， 即G ( jw) 1, 这时开环传递函数G ( s) U 0 ( s) 1, 系统的输出为发散振荡。 U i ( s)
注意：横坐标是对数坐标。
1.4 计算机控制系统的一般要求
防止积分饱和的方法 、微分项的改进 、抑制干扰的数字PID 、 数字滤波
•数字PID控制器的参数整定 •数字控制器的等价离散化设计
5 最少拍无纹波系统设计
第一章 绪论
1.1 机电一体化
机电一体化技术： 主要研究机械技术与电子技术的结合规律，又称机械电子 （mechatronics）,既不同于机械产品，又不同于电子产品，是与微处理器相结 合的电子产品。 技术发展方向：多功能、高效率、高智能、 机电一体化产品： 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。 产品发展方向：轻、薄、细、巧 机电一体化系统： 是把电子、机械装置、计算机、检测与传感装置以及软件等有机结合而构 成的系统，即机械、电子、检测与传感、信息处理、接口和软件等部分以系统 的观点进行结合而形成的一种新型机械系统。
（4）静差率s或转速降落：最低速度仍具有负载能力 （5）对阶跃信号输入下系统的响应特性：在阶跃信号作用下，系统的 最大超调量和响应时间(wc)。 （6）通频带宽要求：国内一般用双十指标。
（7）对系统可靠性以及使用寿命等的要求。
（8）对环境、成本、通用性、标准化程度、效率、维护维修、结构尺 寸以及安装条件等的要求。
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1.3计算机控制系统
1.3 计算机控制系统：
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。
1.3.1 计算机控制系统组成
(an s n an 1s n 1 ... a1s a0 )Y ( s ) (bm s m bm1s m1 ... b1s b0 ) R( s ) M ( s )
令输入为0
Y ( s)
M ( s) an s n an 1s n 1 ... a1s a0
其中，高次代数方程的 根一般为复数， 假设pi i j 则，y (t )

i 1
n
Ai e
pi t


i 1
n
Ai [e i t (cos t j sin t )]
lim y(t ) 0
若所有的根具有负实部：
t
若特征根（极点）是在左半平面，离虚轴越近，阻尼越小，超调量越 大，系统达到稳态所需的时间越长，其稳定性能差。
z e sT
1.4 计算机控制系统的一般要求
线形连续系统和线形离散系统可以分别用高阶微分方程和差分 方程来描述。例如，力矩平衡方程：
J B k M F M e an y ( n ) an1 y ( n1) ....... a1 y a0 bm r ( m ) bm1r ( m1) ...... b1r b0
系统的稳定性由中频段描述。
对于一个不稳定的系统，常采用滞后校正（中频率段），
G( s)
TS 1
Ts 1
(0 1)
L（ w ） 1/T 1/aT w
y 20 lg w 20 lg
1 T
•中频段以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线，而且这一频段具有足够的宽度， 则系统的稳定性好。 •截止频率（或称剪切频率）越高，增系统的快速性越好。
1.4 计算机控制系统的一般要求 稳定性 精确性 快速性
1.4 计算机控制系统的一般要求
性能指标（performance specification）
（1）被控对象的最高运行加速度 （2）被控对象的最高运行速度 （3）最低平滑速度
T N .m Pw nrad / s
9.55
Pw nrpm
1.3.1 计算机控制系统组成：
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
1.3.2 计算机控制系统分类 1.3.2 计算机控制系统分类： 1. 按功能分类
1) 数据采集和数据处理系统(操作指导系统)
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。