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1、一、控制與控制系統(tǒng)二、系統(tǒng)的分類三、系統(tǒng)的過渡過程和性能指標 控制是指為達到預先給定的目的，作用于系統(tǒng)的有目的的動作?？刂葡到y(tǒng)是指由被控對象和控制裝置所構成的，能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進行調(diào)節(jié)、使之具有一定的狀態(tài)和性能的系統(tǒng)。例如： 一、控制系統(tǒng)的基本構成 控制器執(zhí)行機構被控對象傳感器給定值偏差控制器 輸出操縱變量被控參數(shù)測量值-+控制系統(tǒng)方框圖 二、控制系統(tǒng)的分類 1按照有無反饋測量裝置分類控制器被控對象傳感器輸入偏差輸出 測量值-+控制器被控對象輸入輸出順序控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)分為：順序控制系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng) （1） 1 過渡過程 系統(tǒng)的控制過程實際上是一個動態(tài)過程，即當系統(tǒng)的輸入

2、（包括干擾）量發(fā)生變化時，由于系統(tǒng)的能量只能作連續(xù)變化，從而使系統(tǒng)的輸出呈現(xiàn)出從一個平衡狀態(tài)向另一個新的平衡狀態(tài)過渡的過程這一過程稱為系統(tǒng)的過度過程。一般情況下，系統(tǒng)的過渡過程有以下幾種基本形式： (1). 非周期衰減過程 (2). 衰減振蕩過程 (3). 等幅振蕩過程 (4). 發(fā)散振蕩過程 分別見下圖的a b c d： 顯然，系統(tǒng)的輸出和系統(tǒng)的輸入是密切相關的，實際系統(tǒng)的輸入形式多種多樣，為了安全和理論分析的方便，通常選擇一些定型的典型的輸入形式，主要包括單位階躍輸入、單位速度(斜坡)輸入、單位加速度(拋物線)輸入。其中，由于階躍信號（如下圖所示）對被控變量影響最大，且容易實現(xiàn)，便于實驗、

3、分析和計算，因而常采用它作為系統(tǒng)的輸入來研究控制系統(tǒng)。 2. 性能指標 控制系統(tǒng)在輸入作用下所產(chǎn)生的輸出稱之為響應。系統(tǒng)由初始狀態(tài)隨時間到最終狀態(tài)的響應過程稱為動態(tài)過程，也稱為瞬態(tài)響應，它是系統(tǒng)短時間響應特性的度量；當時間趨于無窮大時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)過程，也稱為穩(wěn)態(tài)響應，它表征系統(tǒng)輸出量最終復現(xiàn)輸入量的程度。任何一個控制系統(tǒng)的時間響應都由動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程兩部分組成。 由此可見，控制系統(tǒng)在典型輸入信號作用下的性能指標，通常由穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能兩部分組成。 )()(lim)(lim tctrtee ttwc 一、 數(shù)學模型的概念二、 數(shù)學模型的類型三、 數(shù)學模型的建立四、 描述系統(tǒng)特性的參

4、數(shù) 1數(shù)學模型概念 用數(shù)學的方法來描述系統(tǒng)輸出量與輸入量之間的關系，這種系統(tǒng)特性的數(shù)學描述就稱為系統(tǒng)的數(shù)學模型。 由于在過渡過程中，系統(tǒng)的輸出（即被控變量）隨時間而變化，因而在描述系統(tǒng)特性的數(shù)學模型中不僅會出現(xiàn)這些變量本身，而且也包含這些變量的各階導數(shù)，所以，系統(tǒng)特性方程式是微分方程式，它是表示系統(tǒng)數(shù)學模型最基本的形式。 2建立數(shù)學模型的意義 在研究與分析一個控制系統(tǒng)時，不僅要定性地了解系統(tǒng)的工作原理及特性，而且還要定量地描述系統(tǒng)的動態(tài)性能。通過定量的分析與研究，找到內(nèi)部結(jié)構及參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關系，即數(shù)學模型，從而編寫控制程序；在系統(tǒng)不能按照預先期望的規(guī)律運行時，便可通過對模型的分析，適當

5、地改變其結(jié)構和參數(shù)，使其滿足規(guī)定性能的要求；在設計一個系統(tǒng)的過程中，對于給定的被控對象及控制任務，也可以借助數(shù)學模型來檢驗設計思想，以構成完整的系統(tǒng)。這些都離不開數(shù)學模型。 3建立數(shù)學模型的一般原則 一個合理的數(shù)學模型的建立，應該在模型的準確性和簡化性之間進行折中。既不能過分強調(diào)準確性而使系統(tǒng)過于復雜，也不能片面追求簡化性而使分析結(jié)果與實際出入過大。這是在建立系統(tǒng)數(shù)學模型的過程中要特別注意的問題。 (1). 非參量模型 當數(shù)學模型是采用曲線或數(shù)據(jù)表格等來表示時，就稱為非參量模型。非參量模型可以通過記錄實驗結(jié)果得到，有時也可以通過計算得到，它的特點是形象、清晰，比較容易看出其定性的特征。但是，由

6、于它們?nèi)狈?shù)學方程的解析性質(zhì)，要直接利用它來進行系統(tǒng)的分析和設計往往比較困難，必要和可能時，可以對它們進行一定的數(shù)學處理來得到參量模型的形式。 (2). 參量模型 當數(shù)學模型是采用數(shù)學方程式來描述時，稱為參量模型。參量模型按其討論域可分為時域模型、復數(shù)域模型和頻域模型。 建立數(shù)學模型的主要方法有： 分析法和實驗法分析法特點：方程復雜，難解算實驗法關鍵：測試方法和測試信號的選擇；常用測試方法有：時域法、頻率法和統(tǒng)計法；常用的測試信號：單位階躍信號 1. 機理建模： (1) 根據(jù)系統(tǒng)和各元件的工作原理及其在控制系統(tǒng)中的作用，確定其輸入量和輸出量。 (2) 根據(jù)元件工作時所遵循的物理或化學定律，列出

7、其相應的原始方程式。在條件許可時可適當簡化，忽略一些次要因素。這里所說的物理或化學定律，不外乎牛頓定律、能量守恒定律、物質(zhì)守恒定律、基爾霍夫定律等等。 (3) 列出原始方程式的中間變量與其它因素的關系式。 (4) 將上述關系式代入原始方程式，消去中間變量，得到描述輸出量與輸入量之間關系的微分方程便是系統(tǒng)或元件在時域的數(shù)學模型。 例1貯槽液位控制系統(tǒng) 即如圖所示的系統(tǒng)，液體經(jīng)過閥門1不斷地流入貯槽，貯槽內(nèi)的液體又通過閥門2不斷地流出。工藝上要求貯槽的液位h保持定值。在這里，貯槽就是被控對象，液位就是被控變量。 由題意可知，貯槽蓄儲量的變化率為單位時間流入的物料量減去單位時間流出的物料量。設貯槽橫

8、截面積為A，當流入貯槽的流量Qi等于流出貯槽的流量時Q0 ，對象處于平衡狀態(tài)，對象的輸出量液位h保持不變。 設在微小時間內(nèi)，Qi發(fā)生變化，不再等于Q0 因而引起液位變化，此時，流入與流出貯槽的物料量之差應該等于貯槽內(nèi)增加或減少的物料量，即AdhdtQQ oi )( 、 、h都是時間的變量，因而還需消去中間變量，得出只有 和h為變量的關系式?？紤]到變化量很微小，可以近似認為Qo與h成正比，與閥門2的阻力系數(shù)Rs成反比，即iQ oQ iQ so RhQ AdhdtRhQ si )( 即：令 、 ，代入上式可得 這就是用來描述簡單的貯槽液位控制系統(tǒng)特性的微分方程式。它是一階常系數(shù)微分方程式，式中T稱

9、為時間常數(shù)，K稱為放大系數(shù)。iss QRhdtdhAR sART sRK iKQhdtdhT 2. 實驗建模（辨識模型） 許多機電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)往往很難通過內(nèi)在機理的分析來建立數(shù)學模型，而是常常用實驗的方法來獲得數(shù)學模型。所謂實驗建模，就是在所要研究的系統(tǒng)上，加上一個人為的輸入作用，然后用儀表測取并記錄表征系統(tǒng)特性的物理量隨時間變化的規(guī)律，得到一系列實驗數(shù)據(jù)或曲線。這些數(shù)據(jù)或曲線就是用來表征系統(tǒng)特性的非參量數(shù)學模型。當然，根據(jù)這些數(shù)據(jù)或曲線的特征再加以一定的構思與數(shù)據(jù)處理，就有可能使之轉(zhuǎn)變?yōu)閰⒘磕Ｐ汀?為了研究問題方便起見，在實際工作中，常用下面三個物理量來表示系統(tǒng)的特性。這些物理量，稱

10、為系統(tǒng)的特性參數(shù)。 1. 一階系統(tǒng)的特性參數(shù) (1). 放大系數(shù)K (2). 時間常數(shù)T (3). 滯后時間 (1). 放大系數(shù)K 如果有一定的輸入變化量 ，通過系統(tǒng)被放大了K倍，變?yōu)檩敵鲎兓縣，則稱K為系統(tǒng)的放大系數(shù)。K越大，表示系統(tǒng)的輸入量有一定變化時，對輸出量的影響就越大。放大系數(shù)越大，被控變量對這個量的變化就越靈敏，在選擇自動控制方案時需要仔細考慮。 iQ (2). 時間常數(shù)T 有的控制系統(tǒng)受到干擾后，被控變量變化很快，較迅速地達到了穩(wěn)定值，有的系統(tǒng)在受到干擾后，慣性很大，被控變量要經(jīng)過很長時間才能達到新的穩(wěn)態(tài)值。在自動控制系統(tǒng)中，用時間常數(shù)T來表示系統(tǒng)到達穩(wěn)定狀態(tài)的速度。時間常數(shù)T

11、越大，表示系統(tǒng)受到干擾作用后，被控變量變化越慢，達到新的穩(wěn)定值所需的時間越長。 (3). 滯后時間 有的系統(tǒng)在受到輸入作用后，被控變量卻滯后一定的時間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。根據(jù)滯后性質(zhì)的不同，可分為傳遞滯后和容量滯后兩類。 (1) 傳遞滯后又叫純滯后，一般用 表示。0 )(tr 比較兩條響應曲線可以看出，它們除了在時間軸上前后相差一個的時間外，其他形狀完全相同。也就是說純滯后對象的特性是當輸入量發(fā)生變化時，其輸出量不是立即響應輸入量的變化，而是要經(jīng)過一段純滯后時間以后，才開始等量地反映原無滯后時的輸出量的變化，其數(shù)學表達式為 tttctc 0 )()( 00)( 0)()( ttc

12、 ttctc 因此，有、無純滯后特性的系統(tǒng)其數(shù)學模型具有類似的形式。如果上述例子中被控對象都是一階對象，而且它們的時間常數(shù)和放大系數(shù)亦相等，僅在自變量t上相差一個T的時間，那么，若無純滯后的系統(tǒng)特性可以用下述方程式描述的話則有純滯后的系統(tǒng)特性可以用下述方程式描述)()()( tKrtcdttdcT )()()( tKrtcdttdcT (2) 容量滯后 容量滯后也叫過渡滯后。即系統(tǒng)在受到階躍輸入作用后，被控變量開始變化很慢，后來才逐漸加快，最后又變慢直至逐漸接近穩(wěn)定值，其響應曲線如圖所示。 近似處理的方法如下：在上圖所示的響應曲線上，過反應曲線的拐點O作一切線，與時間軸相交，交點與被控變量開始

13、變化的起點之間的時間間隔h即為容量滯后時間。由切線與時間軸的交點到切線與穩(wěn)定值KA線的交點之間的時間間隔為T。這樣二階系統(tǒng)就被近似為有滯后時間 ，時間常數(shù)為T的一階系統(tǒng)了。 h 不難看出，自動控制系統(tǒng)中，滯后的存在是不利于控制的。也就是說，系統(tǒng)受到干擾作用后，由于滯后的存在，被控變量不能立即反映出來，于是就不能及時產(chǎn)生控制作用，整個系統(tǒng)的控制質(zhì)量就會受到影響。 所以，在設計和安裝控制系統(tǒng)時，都應當盡量把滯后時間減到最小。 2. 二階系統(tǒng)的特性參數(shù) (1). 系統(tǒng)增益 (2). 系統(tǒng)固有頻率 (3). 系統(tǒng)阻尼 (1)、系統(tǒng)增益K： K較小，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，但較小的K會導致快速響應變差和穩(wěn)態(tài)誤差增

14、大。 (2)、系統(tǒng)阻尼比 大可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及響應過程的平穩(wěn)性，減小超調(diào)量，但同時響應速度降低。 (3)、系統(tǒng)固有頻率 提高固有頻率可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、精度和快速響應，提高抗干擾能力，但系統(tǒng)成本增加 n 2nn2 2n s2sK)s(G 2021/8/3 45 一、微機控制系統(tǒng)的組成及其特點二、信號變換概述三、 輸入輸出接口技術和輸入輸出通道四、 抗干擾技術 1. 微機控制系統(tǒng)的組成 (1) 硬件組成(教材圖6-12) (2) 軟件組成 軟件是指支持系統(tǒng)運行、并對系統(tǒng)進行管理和控制的程序的總和。從功能上可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。 系統(tǒng)軟件由計算機制造廠商提供，用來管理計算機本身的資源、方便用

15、戶使用計算機的軟件。常用的有操作系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)等。 應用軟件是用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序，比如各種數(shù)據(jù)采集程序、濾波程序、控制量計算程序、機械運動過程監(jiān)控程序等。 2.微機控制系統(tǒng)的特點 1具有完善的輸入輸出通道，包括模擬量輸入輸出通道和數(shù)字量或開關量輸入輸出通道，這是計算機有效發(fā)揮其控制功能的重要保證。 2具有實時控制功能。 3由于控制規(guī)律是用軟件實現(xiàn)的，因而變動一個控制規(guī)律，一般只需要修改軟件即可。 4微機控制系統(tǒng)中，由于計算機具有高速的運算處理能力，一個控制器（控制計算機)經(jīng)常可采用分時控制的方式而同時控制多個回路。 5可靠性高，對環(huán)境適應性強，以保證在生產(chǎn)現(xiàn)場應用的要求。

16、 3、工業(yè)控制計算機分類及特點1）.可編程控制器2）.總線型工業(yè)控制計算機3）.單片機 單片機系統(tǒng)構成 受集成度的限制，片內(nèi)存儲器容量較小?？煽啃愿摺Ｒ讛U展。控制功能強。一般單片機內(nèi)無監(jiān)控程序或系統(tǒng)通用管理程序。 三種常用工業(yè)控制計算機的性能比較 總線：采用一組公共的信號線作為各個部件之間的通信線，這種公共信號線成為總線。 總線標準：連接總線的接插件的幾何尺寸、引腳排序、電路信號名稱及其電氣特性進行的詳細規(guī)定。 常用的內(nèi)部總線有:STD總線、ISA總線、PCI總線、VME總線等。STD總線在1978年最早由Pro-Log公司作為工業(yè)標準發(fā)明的，由STDGM制為STD80規(guī)范，隨后被批準為國際標

17、準IEEE961。 自從1978年STD總線問世以來，STD總線工控機已經(jīng)被證明是工業(yè)控制實現(xiàn)的主力軍，隨著拔術的進步，原來被工業(yè)用戶所認同SID80標準已經(jīng)難以滿足要求。1990午9月，STD32MG公布STD32規(guī)范1.0版。STD32具有32位數(shù)據(jù)寬度，32位尋址能力，是工業(yè)型的高端計算機STD32總線兼容STD80規(guī)范，產(chǎn)品可以互操作。 系統(tǒng)的組成、修改和擴展方便檢測、調(diào)試、查找故障簡便、迅速有多種標準功能模板可供選用，大大減少了硬件設計工作量系統(tǒng)中可運行多種操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)支持軟件，便于控制軟件的開發(fā)主要的硬件設計任務： 選擇適用的標準化或通用化功能模板 計算機控制系統(tǒng)的外圍設備由

18、于種類繁多，且工作速度不一，所以不能像存儲器那樣，直接掛到主機CPU的總線上，都必須通過輸入輸出接口和輸入輸出通道才能和CPU的總線相連。因此，IO（輸入/輸出）接口和IO通道是計算機控制系統(tǒng)必須解決的技術之一。 IO接口電路在主機和外圍設備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶的作用。設置接口電路有以下幾個用途： 1. 解決主機CPU和外圍設備之間時序配合和通信聯(lián)絡的問題，以保證CPU和外圍設備之間雖異步卻能協(xié)調(diào)工作。 2. 解決CPU和外圍設備之間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題。 3. 解決CPU的負載能力和外圍設備端口選址的問題。 （一）數(shù)字量I/O模板1、主要功能：用于處理開關信號的輸入和輸出，其主要

19、功能是濾波、電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離和功率驅(qū)動2、選擇：根據(jù)所設計系統(tǒng)的開關量數(shù)量及類型、信號的脈寬、電平、邏輯、頻率等參數(shù)進行合理選擇 數(shù)字量I/O模板電路框圖 （二）模擬量I/O模板 1、主要功能：用于處理模擬信號的輸入和輸出，其主要功能是對微處理機和被控對象之間的模擬信號進行A/D和D/A轉(zhuǎn)換。 2、選擇：主要考慮系統(tǒng)中信號的最高頻率、電平范圍、信號數(shù)量等參數(shù)及系統(tǒng)對信號的轉(zhuǎn)換速度、精度及分辨率等方面的要求光電隔離型A/D模板結(jié)構 信號調(diào)理器是傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的接口。 簡單的說就是將待測信號通過放大、濾波等操作轉(zhuǎn)換成采集設備能夠識別的標準信號。因為工業(yè)信號有些是高壓，過流，浪涌等，不能

20、被系統(tǒng)正確識別，必須對這些信號進行調(diào)理。 1、主要功能： 用于在傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間以及D/A轉(zhuǎn)換器與執(zhí)行元件之間對信號進行調(diào)理。 主要功能有非電量轉(zhuǎn)換、信號形式變換、信號放大、濾波、線性化、共模抑制及隔離等2、典型產(chǎn)品： 熱電偶、熱電阻、I/V信號調(diào)理板、前置放大板、隔離放大板等3、選擇： 根據(jù)傳感器和執(zhí)行機構的要求來選擇，充分考慮信號的信噪比、放大器增益的可調(diào)范圍、零點的調(diào)整方法等參數(shù) 信號調(diào)理模板在系統(tǒng)中的連接方法 控制裝置的可靠性是影響整個機電一體化產(chǎn)品可靠性的一個最重要環(huán)節(jié)。 提高控制裝置可靠性的兩種方法： 硬件方法和軟件方法 1、合理選擇元、器件以提高可靠性2、對功率接口采用降

21、額設計以提高可靠性3、采用監(jiān)視定時器提高可靠性4、采用冗余技術以提高可靠性后備冗余并聯(lián)冗余 5、采用抗干擾技術提高可靠性 由于工作環(huán)境比較惡劣（存在電噪聲干擾等），干擾是導致控制裝置故障或永久性失效的最常見和最主要的因素之一。為提高控制系統(tǒng)的環(huán)境適應能力和抗干擾能力以及可靠性，必須采取相應的抗干擾措施。（1）供電干擾及抗干擾措施（2）過程通道干擾及抗干擾措施（3）空間干擾及抗干擾措施6、通過合理設計印刷電路提高可靠性 1、軟件測試：充分測試2、容錯設計：把程序設計成能夠緩解錯誤的影響，不致造成死鎖或崩潰等嚴重后果，并能指出錯誤原因3、糾錯設計：發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)果有誤時，使之自動回復到正確狀態(tài)，以防止對系統(tǒng)造成損害4、抗干擾設計5、故障診斷：（1）故障發(fā)生后，查找故障的類型、位置和原因（2）故障發(fā)生前，預測可能發(fā)生的異常。包括故障類型、位置、原因和時間，及時報警并保護現(xiàn)場及重要信息，以防產(chǎn)生嚴重后果，或?qū)溆脝卧袚Q到運行狀態(tài)，以免故障停機。