控制系统设计

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1、6.1 概述概述一、控制与控制系统一、控制与控制系统二、系统的分类二、系统的分类三、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第一节第一节 概述概述 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，作用于系统的有目的的动作。控制系统是指由的有目的的动作。控制系统是指由被控对象被控对象和和控控制装置制装置所构成的，所构成的，能够对被控对象的工作状态进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行调节、使之具有一定的状态和性能的系统。例如：例如：一、控制系统的基本构成一、控制系统的基本构成组成：组成：组成：组成： (1) (1) 传感器它将贮槽液

2、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

3、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

4、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。控制器控制器执行机执行机构构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参数被控参数测量值测量值-+控制系统方框图控制系统方框图 利用系统框图可以清楚、方

5、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、控制系统的分类二、控制系统的分类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控制器控制器被控对象被控

6、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顺序控制系统顺序控制系统反馈控制系统反馈控制系统控制系统分为：控制系统分为：顺序控制系统顺序控制系统和和反馈控制系统反馈控制系统 （1）顺序控制系统是没有反馈环节的控制系顺序控制系统是没有反馈环节的控制系顺序控制系统是没有反馈环节的控制系顺序控制系统是没有反馈环节的控制系统统统统, ,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，对环境变化和干扰便宜。它的

7、主要缺点是精度低，对环境变化和干扰便宜。它的主要缺点是精度低，对环境变化和干扰便宜。它的主要缺点是精度低，对环境变化和干扰十分敏感。十分敏感。十分敏感。十分敏感。 （2 2）反馈控制系统闭环控制系统。闭环控制）反馈控制系统闭环控制系统。闭环控制）反馈控制系统闭环控制系统。闭环控制）反馈控制系统闭环控制系统。闭环控制系统与开环控制系统相比，具有精度高，动态性能系统与开环控制系统相比，具有精度高，动态性能系统与开环控制系统相比，具有精度高，动态性能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，它的缺点是结构复杂，好，抗干扰能力强等优点，它的缺点是结构复杂，好，抗干扰能力强等优

8、点，它的缺点是结构复杂，好，抗干扰能力强等优点，它的缺点是结构复杂，维修困难，价格昂贵等。维修困难，价格昂贵等。维修困难，价格昂贵等。维修困难，价格昂贵等。2 2按照系统中所处理的信号形式分类按照系统中所处理的信号形式分类按照系统中所处理的信号形式分类按照系统中所处理的信号形式分类 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连续控制系统连续控制系统连续控制系统连续控制系统和和和和离散控制系统离散控制系统离散控制系统离散控制系统 （1 1）凡是采用模拟技术处理信号的控制系统都称为）凡是采用模拟技术处理信号的控制系统都称为）凡是采用模拟技术处理信号的控制系统都称为）凡是采用模

9、拟技术处理信号的控制系统都称为连续控制系统，控制器是采用硬件模拟电路实现的连续控制系统，控制器是采用硬件模拟电路实现的连续控制系统，控制器是采用硬件模拟电路实现的连续控制系统，控制器是采用硬件模拟电路实现的 （2 2）采用数字技术处理信号的控制系统则称为离散）采用数字技术处理信号的控制系统则称为离散）采用数字技术处理信号的控制系统则称为离散）采用数字技术处理信号的控制系统则称为离散控制系统。控制器是采用软件实现的控制系统。控制器是采用软件实现的控制系统。控制器是采用软件实现的控制系统。控制器是采用软件实现的 3 3按照被控对象自身的特性按照被控对象自身的特性按照被控对象自身的特性按照被控对象自

10、身的特性 控制系统可分为：线性与非线性系统、确定与控制系统可分为：线性与非线性系统、确定与控制系统可分为：线性与非线性系统、确定与控制系统可分为：线性与非线性系统、确定与随机系统、集中参数系统与分布参数系统、时变随机系统、集中参数系统与分布参数系统、时变随机系统、集中参数系统与分布参数系统、时变随机系统、集中参数系统与分布参数系统、时变系统与时不变系统系统与时不变系统系统与时不变系统系统与时不变系统4 4按系统输出的变化规律分类按系统输出的变化规律分类按系统输出的变化规律分类按系统输出的变化规律分类 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：恒值控制系统恒值控制系

11、统恒值控制系统恒值控制系统 、程序控制系程序控制系程序控制系程序控制系统统统统和和和和随动控制系统随动控制系统随动控制系统随动控制系统 (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 特点：在外界干扰作用下使系统输出仍基本保持特点：在外界干扰作用下使系统输出仍基本保持特点：在外界干扰作用下使系统输出仍基本保持特点：在外界干扰作用下使系统输出仍基本保持为常量，如恒温调节系统为常量，如恒温调节系统为常量，如恒温调节系统为常量，如恒温调节系统 在控制过程中，如果要求被控变量保持在一个指在控制过程中，如果要求被控变量保持在一个指在控制过程中，如果要求被控变量保持在一个指在控制过程中，如果

12、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，那么就标上不变，或者说系统的给定信号是恒定值，那么就标上不变，或者说系统的给定信号是恒定值，那么就标上不变，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统。需要采用恒值控制系统。需要采用恒值控制系统。需要采用恒值控制系统。 4 4按系统输出的变化规律分类按系统输出的变化规律分类按系统输出的变化规律分类按系统输出的变化规律分类 (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 特点：在外界条件的作用下系统的输出按预定程特点：在外界条件的作用下系统的输出按预定程特点：在外界条件的作用下系统的输出按预定程特点：在外

13、界条件的作用下系统的输出按预定程序变化序变化序变化序变化 这类系统的给定值是变化的，但它是一个已知的这类系统的给定值是变化的，但它是一个已知的这类系统的给定值是变化的，但它是一个已知的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。比如金属热处理的时间函数，或按预定的规律变化。比如金属热处理的时间函数，或按预定的规律变化。比如金属热处理的时间函数，或按预定的规律变化。比如金属热处理的温度控制装置、数控机床的数控程序加工，就是这类温度控制装置、数控机床的数控程序加工，就是这类温度控制装置、数控机床的数控程序加工，就是这类温度控制装置、数控机床的数控程序加工，就是这类系统的

14、例子。系统的例子。系统的例子。系统的例子。 4 4按系统输出的变化规律分类按系统输出的变化规律分类按系统输出的变化规律分类按系统输出的变化规律分类 (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特点是给定信号不仅在不断地变化，而且这种变化不特点是给定信号不仅在不断地变化，而且这种变化不特点是给定信号不仅在不断地变化，而且这种变化不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是预先规定好的，也就是说给定信号是按未知规律变是预先规定好的，也就是说给定信号是按未知规律变是预先规定好的，也就是说给定信号是按未知规律变化的任意函数。随动系

15、统的根本任务就是能够自动地、化的任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动地、化的任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动地、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、精确地复现给定信号的变化规律。比如显示连续地、精确地复现给定信号的变化规律。比如显示连续地、精确地复现给定信号的变化规律。比如显示连续地、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平衡电位计伺服系统、雷达天线记录仪表采用的自动平衡电位计伺服系统、雷达天线记录仪表采用的自动平衡电位计伺服系统、雷达天线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，都是随动系统的一些例子。伺服系统等，都是随动系统

16、的一些例子。伺服系统等，都是随动系统的一些例子。伺服系统等，都是随动系统的一些例子。三、控制系统设计的一般方法和步骤三、控制系统设计的一般方法和步骤三、控制系统设计的一般方法和步骤三、控制系统设计的一般方法和步骤1 1、设计任务：、设计任务：、设计任务：、设计任务： 设计控制装置及被控对象，在设计过程中兼顾两者设计控制装置及被控对象，在设计过程中兼顾两者设计控制装置及被控对象，在设计过程中兼顾两者设计控制装置及被控对象，在设计过程中兼顾两者的要求，使设计具有更广的选择余地，更大的灵活性的要求，使设计具有更广的选择余地，更大的灵活性的要求，使设计具有更广的选择余地，更大的灵活性的要求，使设计具有

17、更广的选择余地，更大的灵活性2 2、设计方法：、设计方法：、设计方法：、设计方法： 把系统中所有的环节都抽象成数学模型进行分析和把系统中所有的环节都抽象成数学模型进行分析和把系统中所有的环节都抽象成数学模型进行分析和把系统中所有的环节都抽象成数学模型进行分析和研究，不论各环节具有何种量纲，在模型中都用相同研究，不论各环节具有何种量纲，在模型中都用相同研究，不论各环节具有何种量纲，在模型中都用相同研究，不论各环节具有何种量纲，在模型中都用相同的形式表达，用相同的方法分析的形式表达，用相同的方法分析的形式表达，用相同的方法分析的形式表达，用相同的方法分析3 3、设计步骤：、设计步骤：、设计步骤：、

18、设计步骤：四四、系统的过渡过程和性能指标、系统的过渡过程和性能指标1 过渡过程过渡过程 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：(1). 非周期衰减

19、过程非周期衰减过程(2). 衰减振荡过程衰减振荡过程(3). 等幅振荡过程等幅振荡过程(4). 发散振荡过程发散振荡过程 分别见下图的分别见下图的a b c d：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。 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

20、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，主要包括单位阶跃输入单位阶跃输入、单位速度单位速度(斜坡斜坡)输入输入、单位加速度单位加速度(抛物线抛物线)输入输入。其中，由于阶跃信号。其中，由于阶跃信号（如下图所示）对被控变量影响最大，且容易实（如下图所示）对被控变量影响最大，且容易实现，便于实验、分析和计算，因而常采用它作为现，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。系统的输入来研究控制系统。2. 性能指标性能指标 控制系统在输入作用下所产生的输出称之为响控制系

21、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，它表征系统输出量最终复现输入量的程度。任何一表征系统输出量最终复现输入量的程度。任何一个控制系统的时间响应都由动态过程和稳态过程个控制系统的时间响应都由动态过程和稳态过程两部分组成。两部分组成。 由此可见，控制系统在典型输入信号作用

22、下的由此可见，控制系统在典型输入信号作用下的性能指标，通常由性能指标，通常由稳态性能稳态性能和和动态性能动态性能两部分组两部分组成。成。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(1)(1)稳态性能稳态性能稳态性能稳态性能 对于单输入单输出系统来说，在时域中稳态响应对于单输入单输出系统来说，在时域中稳态响应对于单输入单输出系统来说，在时域中稳态响应对于单输入单输出系统来说，在时域中稳态响应的性能指标是稳态误差，它等于系统在典型信号作的性能指标是稳态误差，它等于系统在典型信号作的性能指标是稳态误差，它等于系统在典型信号作的性能

23、指标是稳态误差，它等于系统在典型信号作用下，时间用下，时间用下，时间用下，时间t t趋向于无穷大时的稳态输出与参考输趋向于无穷大时的稳态输出与参考输趋向于无穷大时的稳态输出与参考输趋向于无穷大时的稳态输出与参考输入整定的希望输出之差。入整定的希望输出之差。入整定的希望输出之差。入整定的希望输出之差。 对于单位反馈系统，在不同参考输入信号作用下对于单位反馈系统，在不同参考输入信号作用下对于单位反馈系统，在不同参考输入信号作用下对于单位反馈系统，在不同参考输入信号作用下的系统响应的稳态误差就是：的系统响应的稳态误差就是：的系统响应的稳态误差就是：的系统响应的稳态误差就是：三、系统的过渡过程和性能指

24、标三、系统的过渡过程和性能指标(2)(2)动态性能动态性能动态性能动态性能( (a)a)上升时间上升时间上升时间上升时间: :trtr(b)(b)峰值时间峰值时间峰值时间峰值时间: :tptp(c)(c)最大超调量最大超调量最大超调量最大超调量: :MpMp(d)(d)调整时间调整时间调整时间调整时间: :tsts(e)(e)振荡次数振荡次数振荡次数振荡次数: :NN6.2 控制系统的数学模型控制系统的数学模型一、一、 数学模型的概念数学模型的概念二、二、 数学模型的类型数学模型的类型三、三、 数学模型的建立数学模型的建立四、四、 描述系统特性的参数描述系统特性的参数1数学模型概念数学模型概念

25、 用数学的方法来描述系统输出量与输入量之间用数学的方法来描述系统输出量与输入量之间的关系，这种系统特性的数学描述就称为系统的的关系，这种系统特性的数学描述就称为系统的数学模型。数学模型。 由于在过渡过程中，系统的输出（即被控变量）由于在过渡过程中，系统的输出（即被控变量）随时间而变化，因而在描述系统特性的数学模型随时间而变化，因而在描述系统特性的数学模型中不仅会出现这些变量本身，而且也包含这些变中不仅会出现这些变量本身，而且也包含这些变量的各阶导数，所以，系统特性方程式是微分方量的各阶导数，所以，系统特性方程式是微分方程式，它是表示系统数学模型最基本的形式。程式，它是表示系统数学模型最基本的形

26、式。2建立数学模型的意义建立数学模型的意义 在研究与分析一个控制系统时，不仅要定性地在研究与分析一个控制系统时，不仅要定性地了解系统的工作原理及特性，而且还要定量地描了解系统的工作原理及特性，而且还要定量地描述系统的动态性能。述系统的动态性能。通过定量的分析与研究，找通过定量的分析与研究，找到内部结构及参数与系统性能之间的关系，即数到内部结构及参数与系统性能之间的关系，即数学模型学模型，从而编写控制程序；在系统不能按照预，从而编写控制程序；在系统不能按照预先期望的规律运行时，便可通过对模型的分析，先期望的规律运行时，便可通过对模型的分析，适当地改变其结构和参数，使其满足规定性能的适当地改变其结

27、构和参数，使其满足规定性能的要求；在设计一个系统的过程中，对于给定的被要求；在设计一个系统的过程中，对于给定的被控对象及控制任务，也可以借助数学模型来检验控对象及控制任务，也可以借助数学模型来检验设计思想，以构成完整的系统。这些都离不开数设计思想，以构成完整的系统。这些都离不开数学模型。学模型。3建立数学模型的一般原则建立数学模型的一般原则 一个合理的数学模型的建立，一个合理的数学模型的建立，应该在模型的准应该在模型的准确性和简化性之间进行折中确性和简化性之间进行折中。既不能过分强调准。既不能过分强调准确性而使系统过于复杂，也不能片面追求简化性确性而使系统过于复杂，也不能片面追求简化性而使分析

28、结果与实际出入过大。这是在建立系统而使分析结果与实际出入过大。这是在建立系统数学模型的过程中要特别注意的问题。数学模型的过程中要特别注意的问题。(1). 非参量模型非参量模型 当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，就称为非参量模型就称为非参量模型。非参量模型可以通过记录实。非参量模型可以通过记录实验结果得到，有时也可以通过计算得到，它的特验结果得到，有时也可以通过计算得到，它的特点是形象、清晰，比较容易看出其定性的特征。点是形象、清晰，比较容易看出其定性的特征。但是，由于它们缺乏数学方程的解析性质，要直但是，由于它们缺乏数学方程的解析性质，要直接利

29、用它来进行系统的分析和设计往往比较困难，接利用它来进行系统的分析和设计往往比较困难，必要和可能时，可以对它们进行一定的数学处理必要和可能时，可以对它们进行一定的数学处理来得到参量模型的形式。来得到参量模型的形式。二、二、 数学模型的类型数学模型的类型(2). 参量模型参量模型 当数学模型是采用数学方程式来描述时，当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模型称为参量模型。参量模型按其讨论域可分。参量模型按其讨论域可分为为时域模型时域模型、复数域模型复数域模型和和频域模型频域模型。 二、二、 数学模型的类型数学模型的类型建立数学模型的主要方法有：建立数学模型的主要方法有： 分析法分析法和和实验

30、法实验法分析法特点：方程复杂，难解算分析法特点：方程复杂，难解算实验法关键：测试方法和测试信号的选实验法关键：测试方法和测试信号的选择；择；常用测试方法有常用测试方法有：时域法、频率：时域法、频率法和统计法；法和统计法；常用的测试信号常用的测试信号：单位：单位阶跃信号阶跃信号三、三、 数学模型的建立数学模型的建立1. 机理建模：机理建模：(1) 根据系统和各元件的工作原理及其在控制系根据系统和各元件的工作原理及其在控制系统中的作用，确定其输入量和输出量。统中的作用，确定其输入量和输出量。(2) 根据元件工作时所遵循的物理或化学定律，根据元件工作时所遵循的物理或化学定律，列出其相应的原始方程式。

31、在条件许可时可适列出其相应的原始方程式。在条件许可时可适当简化，忽略一些次要因素。这里所说的物理当简化，忽略一些次要因素。这里所说的物理或化学定律，不外乎或化学定律，不外乎牛顿定律牛顿定律、能量守恒定律能量守恒定律、物质守恒定律物质守恒定律、基尔霍夫定律基尔霍夫定律等等。等等。(3) 列出原始方程式的中间变量与其它因素的关列出原始方程式的中间变量与其它因素的关系式。系式。(4) 将上述关系式代入原始方程式，消去中间变将上述关系式代入原始方程式，消去中间变量，得到量，得到描述输出量与输入量之间关系的微分描述输出量与输入量之间关系的微分方程方程便是系统或元件在时域的数学模型。便是系统或元件在时域的

32、数学模型。三、三、 数学模型的建立数学模型的建立例例1贮槽液位控制系统贮槽液位控制系统 即如图所示的系统，即如图所示的系统，液体经过阀门液体经过阀门1不断地流不断地流入贮槽，贮槽内的液体又入贮槽，贮槽内的液体又通过阀门通过阀门2不断地流出。不断地流出。工艺上要求贮槽的液位工艺上要求贮槽的液位h保持定值。在这里，保持定值。在这里，贮槽贮槽就是被控对象，液位就是就是被控对象，液位就是被控变量。被控变量。三、三、 数学模型的建立数学模型的建立n n 设阀门设阀门设阀门设阀门2 2的开度保持不变，阀门的开度保持不变，阀门的开度保持不变，阀门的开度保持不变，阀门1 1的开度变化是引的开度变化是引的开度变

33、化是引的开度变化是引起液位变化的扰动作用，对象的输入量是流入贮槽的流起液位变化的扰动作用，对象的输入量是流入贮槽的流起液位变化的扰动作用，对象的输入量是流入贮槽的流起液位变化的扰动作用，对象的输入量是流入贮槽的流量量量量QQi i，对象的输出量是液位，对象的输出量是液位，对象的输出量是液位，对象的输出量是液位h h。下面来看当阀门。下面来看当阀门。下面来看当阀门。下面来看当阀门1 1的开的开的开的开度变化时，液位是如何变化的，也就是建立表征度变化时，液位是如何变化的，也就是建立表征度变化时，液位是如何变化的，也就是建立表征度变化时，液位是如何变化的，也就是建立表征h h和和和和QQi i之间关

34、系的数学表达式。之间关系的数学表达式。之间关系的数学表达式。之间关系的数学表达式。 由题意可知，贮槽蓄储量的变化率为单位时间由题意可知，贮槽蓄储量的变化率为单位时间流入的物料量减去单位时间流出的物料量。设贮槽流入的物料量减去单位时间流出的物料量。设贮槽横截面积为横截面积为A，当流入贮槽的流量，当流入贮槽的流量Qi等于流出贮槽等于流出贮槽的流量时的流量时Q0，对象处于平衡状态，对象的输出量，对象处于平衡状态，对象的输出量液位液位h保持不变。保持不变。 设在微小时间内，设在微小时间内，Qi发生变化，不再等于发生变化，不再等于Q0 因因而引起液位变化，此时，流入与流出贮槽的物料量而引起液位变化，此时

35、，流入与流出贮槽的物料量之差应该等于贮槽内增加或减少的物料量，即之差应该等于贮槽内增加或减少的物料量，即三、三、 数学模型的建立数学模型的建立 、 、h都是时间的变量，因而还需消去中间都是时间的变量，因而还需消去中间变量，得出只有变量，得出只有 和和h为变量的关系式。考虑到为变量的关系式。考虑到变化量很微小，可以近似认为变化量很微小，可以近似认为Qo与与h成正比，与成正比，与阀门阀门2的阻力系数的阻力系数Rs成反比，即成反比，即三、三、 数学模型的建立数学模型的建立和上式合并，可得：和上式合并，可得：和上式合并，可得：和上式合并，可得：即：即：令令 、 ，代入上式可得，代入上式可得 这就是用来

36、描述简单的贮槽液位控制系统特性这就是用来描述简单的贮槽液位控制系统特性的微分方程式。它是一阶常系数微分方程式，式的微分方程式。它是一阶常系数微分方程式，式中中T称为时间常数，称为时间常数，K称为放大系数。称为放大系数。三、三、 数学模型的建立数学模型的建立2. 实验建模（辨识模型）实验建模（辨识模型） 许多机电一体化产品的控制系统往往很难通过许多机电一体化产品的控制系统往往很难通过内在机理的分析来建立数学模型，而是常常用实内在机理的分析来建立数学模型，而是常常用实验的方法来获得数学模型。所谓实验建模，就是验的方法来获得数学模型。所谓实验建模，就是在所要研究的系统上，加上一个人为的输入作用，在所

37、要研究的系统上，加上一个人为的输入作用，然后然后用仪表测取并记录表征系统特性的物理量随用仪表测取并记录表征系统特性的物理量随时间变化的规律，得到一系列实验数据或曲线。时间变化的规律，得到一系列实验数据或曲线。这些数据或曲线就是用来表征系统特性的非参量这些数据或曲线就是用来表征系统特性的非参量数学模型数学模型。当然，根据这些数据或曲线的特征再。当然，根据这些数据或曲线的特征再加以一定的构思与数据处理，就有可能使之转变加以一定的构思与数据处理，就有可能使之转变为参量模型。为参量模型。三、三、 数学模型的建立数学模型的建立 为了研究问题方便起见，在实际工作中，为了研究问题方便起见，在实际工作中，常用

38、下面三个物理量来表示系统的特性。常用下面三个物理量来表示系统的特性。这些物理量，称为系统的特性参数。这些物理量，称为系统的特性参数。1. 一阶系统的特性参数一阶系统的特性参数(1). 放大系数放大系数K(2). 时间常数时间常数T(3). 滞后时间滞后时间四、四、 描述系统特性的参数描述系统特性的参数(1). 放大系数放大系数K 如果有一定的输入变化量如果有一定的输入变化量 ，通过系统被放大，通过系统被放大了了K倍，变为输出变化量倍，变为输出变化量h，则称，则称K为系统的放大为系统的放大系数。系数。K越大，表示系统的输入量有一定变化时，越大，表示系统的输入量有一定变化时，对输出量的影响就越大对

39、输出量的影响就越大。放大系数越大，被控变放大系数越大，被控变量对这个量的变化就越灵敏，在选择自动控制方量对这个量的变化就越灵敏，在选择自动控制方案时需要仔细考虑。案时需要仔细考虑。 四、四、 描述系统特性的参数描述系统特性的参数(2). 时间常数时间常数T 有的控制系统受到干扰后，被控变量变有的控制系统受到干扰后，被控变量变化很快，较迅速地达到了稳定值，有的系化很快，较迅速地达到了稳定值，有的系统在受到干扰后，惯性很大，被控变量要统在受到干扰后，惯性很大，被控变量要经过很长时间才能达到新的稳态值。在自经过很长时间才能达到新的稳态值。在自动控制系统中，动控制系统中，用时间常数用时间常数T来表示系

40、统到来表示系统到达稳定状态的速度达稳定状态的速度。时间常数。时间常数T越大，表示越大，表示系统受到干扰作用后，被控变量变化越慢，系统受到干扰作用后，被控变量变化越慢，达到新的稳定值所需的时间越长。达到新的稳定值所需的时间越长。四、四、 描述系统特性的参数描述系统特性的参数(3). 滞后时间滞后时间 有的系统在受到输入作用后，被控变量却滞后有的系统在受到输入作用后，被控变量却滞后一定的时间才发生变化，这种现象称为滞后现象。一定的时间才发生变化，这种现象称为滞后现象。根据滞后性质的不同，可分为根据滞后性质的不同，可分为传递滞后传递滞后和和容量滞容量滞后后两类。两类。 (1) 传递滞后又叫纯滞后，一

41、般用传递滞后又叫纯滞后，一般用 表示。表示。四、四、 描述系统特性的参数描述系统特性的参数 右图所示为有、无纯滞后一右图所示为有、无纯滞后一右图所示为有、无纯滞后一右图所示为有、无纯滞后一阶对象的阶跃响应曲线。阶对象的阶跃响应曲线。阶对象的阶跃响应曲线。阶对象的阶跃响应曲线。 为为为为输入量，输入量，输入量，输入量，c c( (t t) )为无纯滞后时的输为无纯滞后时的输为无纯滞后时的输为无纯滞后时的输出量，出量，出量，出量，c c ( (t t) )为有纯滞后时的输为有纯滞后时的输为有纯滞后时的输为有纯滞后时的输出量。出量。出量。出量。 比较两条响应曲线可以看出，它们除了在时间比较两条响应曲

42、线可以看出，它们除了在时间轴上前后相差一个轴上前后相差一个的时间外，其他形状完全相同。的时间外，其他形状完全相同。也就是说纯滞后对象的特性是当输入量发生变化也就是说纯滞后对象的特性是当输入量发生变化时，其输出量不是立即响应输入量的变化，而是时，其输出量不是立即响应输入量的变化，而是要经过一段纯滞后时间要经过一段纯滞后时间以后，才开始等量地反映以后，才开始等量地反映原无滞后时的输出量的变化，原无滞后时的输出量的变化，其数学表达式为其数学表达式为四、四、 描述系统特性的参数描述系统特性的参数 因此，有、无纯滞后特性的系统其数学模型具因此，有、无纯滞后特性的系统其数学模型具有类似的形式。如果上述例子

43、中被控对象都是一有类似的形式。如果上述例子中被控对象都是一阶对象，而且它们的时间常数和放大系数亦相等，阶对象，而且它们的时间常数和放大系数亦相等，仅在自变量仅在自变量t上相差一个上相差一个T的时间，那么，若无纯的时间，那么，若无纯滞后的系统特性可以用下述方程式描述的话滞后的系统特性可以用下述方程式描述的话则有纯滞后的系统特性可以用下述方程式则有纯滞后的系统特性可以用下述方程式描述描述四、四、 描述系统特性的参数描述系统特性的参数 (2) 容量滞后容量滞后 容量滞后也叫过渡滞后。即系统在受到阶跃输容量滞后也叫过渡滞后。即系统在受到阶跃输入作用后，被控变量开始变化很慢，后来才逐渐入作用后，被控变量

44、开始变化很慢，后来才逐渐加快，最后又变慢直至逐渐接近稳定值，其响应加快，最后又变慢直至逐渐接近稳定值，其响应曲线如图所示。曲线如图所示。四、四、 描述系统特性的参数描述系统特性的参数 容量滞后一般是由于物料容量滞后一般是由于物料容量滞后一般是由于物料容量滞后一般是由于物料或能量的传递需要通过一定或能量的传递需要通过一定或能量的传递需要通过一定或能量的传递需要通过一定阻力而引起的，一般出现在阻力而引起的，一般出现在阻力而引起的，一般出现在阻力而引起的，一般出现在二阶系统。对于这种系统，二阶系统。对于这种系统，二阶系统。对于这种系统，二阶系统。对于这种系统，要想用前面所讲的描述系统要想用前面所讲的

45、描述系统要想用前面所讲的描述系统要想用前面所讲的描述系统的三个参数的三个参数的三个参数的三个参数KK、T T、 来描述来描述来描述来描述的话，必须作近似处理。的话，必须作近似处理。的话，必须作近似处理。的话，必须作近似处理。 近似处理的方法如下：在上图所示的响应曲线近似处理的方法如下：在上图所示的响应曲线上，过反应曲线的拐点上，过反应曲线的拐点O作一切线，与时间轴相作一切线，与时间轴相交，交点与被控变量开始变化的起点之间的时间交，交点与被控变量开始变化的起点之间的时间间隔间隔h即为容量滞后时间。即为容量滞后时间。由切线与时间轴的交点到由切线与时间轴的交点到切线与稳定值切线与稳定值KA线的交点线

46、的交点之间的时间间隔为之间的时间间隔为T。这样。这样二阶系统就被近似为有二阶系统就被近似为有滞后时间滞后时间 ，时间，时间常数为常数为T的一阶系统了。的一阶系统了。四、四、 描述系统特性的参数描述系统特性的参数 不难看出，自动控制系统中，不难看出，自动控制系统中，滞后的存在是不滞后的存在是不利于控制的利于控制的。也就是说，系统受到干扰作用后，。也就是说，系统受到干扰作用后，由于滞后的存在，被控变量不能立即反映出来，由于滞后的存在，被控变量不能立即反映出来，于是就不能及时产生控制作用，整个系统的控制于是就不能及时产生控制作用，整个系统的控制质量就会受到影响。质量就会受到影响。 所以，在设计和安装

47、控制系统时，都应当尽量所以，在设计和安装控制系统时，都应当尽量把滞后时间减到最小。把滞后时间减到最小。四、四、 描述系统特性的参数描述系统特性的参数2. 二阶系统的特性参数二阶系统的特性参数(1). 系统增益系统增益(2). 系统固有频率系统固有频率(3). 系统阻尼系统阻尼四、四、 描述系统特性的参数描述系统特性的参数四、四、 描述系统特性的参数描述系统特性的参数(1)、系统增益、系统增益K：K较小，系统比较稳定，但较小的较小，系统比较稳定，但较小的K会导致快速响会导致快速响应变差和稳态误差增大。应变差和稳态误差增大。(2)、系统阻尼比、系统阻尼比 大可以提高系统稳定性及响应过程的平稳性，大

48、可以提高系统稳定性及响应过程的平稳性，减小超调量，但同时响应速度降低。减小超调量，但同时响应速度降低。(3)、系统固有频率、系统固有频率 提高固有频率可以提高系统稳定性、精度和快提高固有频率可以提高系统稳定性、精度和快速响应，提高抗干扰能力，但系统成本增加速响应，提高抗干扰能力，但系统成本增加2024/9/345當當當當 減少時，響應便有較大減少時，響應便有較大減少時，響應便有較大減少時，響應便有較大的振盪，且超越量較大。當的振盪，且超越量較大。當的振盪，且超越量較大。當的振盪，且超越量較大。當 1 1，步階響應則沒有任何，步階響應則沒有任何，步階響應則沒有任何，步階響應則沒有任何振盪；亦即振

49、盪；亦即振盪；亦即振盪；亦即 y y( (t t) ) 在暫態時，在暫態時，在暫態時，在暫態時，不曾超越終值。不曾超越終值。不曾超越終值。不曾超越終值。 n n 直接影響到上升時間、延直接影響到上升時間、延直接影響到上升時間、延直接影響到上升時間、延遲時間，及安定時間，但不遲時間，及安定時間，但不遲時間，及安定時間，但不遲時間，及安定時間，但不會影響超越量。會影響超越量。會影響超越量。會影響超越量。 6.3 微机控制技术基础微机控制技术基础一、微机控制系统的组成及其特点一、微机控制系统的组成及其特点二、信号变换概述二、信号变换概述三、三、 输入输出接口技术和输入输出通道输入输出接口技术和输入输

50、出通道四、四、 抗干扰技术抗干扰技术1. 微机控制系统的组成微机控制系统的组成一、微机控制系统的组成及其特点一、微机控制系统的组成及其特点 微机控制系统基本结构示意图微机控制系统基本结构示意图微机控制系统基本结构示意图微机控制系统基本结构示意图(1) 硬件组成硬件组成(教材教材图图6-12)一、微机控制系统的组成及其特点一、微机控制系统的组成及其特点(2) 软件组成软件组成 软件是指支持系统运行、并对系统进行管理和软件是指支持系统运行、并对系统进行管理和控制的程序的总和。从功能上可分为控制的程序的总和。从功能上可分为系统软件系统软件和和应用软件应用软件。 系统软件由计算机制造厂商提供，用来管理

51、计系统软件由计算机制造厂商提供，用来管理计算机本身的资源、方便用户使用计算机的软件。算机本身的资源、方便用户使用计算机的软件。常用的有操作系统、开发系统等。常用的有操作系统、开发系统等。 应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集程序、滤波程序、的各种程序，比如各种数据采集程序、滤波程序、控制量计算程序、机械运动过程监控程序等。控制量计算程序、机械运动过程监控程序等。一、微机控制系统的组成及其特点一、微机控制系统的组成及其特点2.微机控制系统的特点微机控制系统的特点 1具有完善的输入输出通道，包括模拟量输入具有完善的输入输出通道

52、，包括模拟量输入输出通道和数字量或开关量输入输出通道，这是计输出通道和数字量或开关量输入输出通道，这是计算机有效发挥其控制功能的重要保证。算机有效发挥其控制功能的重要保证。 2具有实时控制功能。具有实时控制功能。 3由于控制规律是用软件实现的，因而变动一由于控制规律是用软件实现的，因而变动一个控制规律，一般只需要修改软件即可。个控制规律，一般只需要修改软件即可。 4微机控制系统中，由于计算机具有高速的运微机控制系统中，由于计算机具有高速的运算处理能力，一个控制器（控制计算机算处理能力，一个控制器（控制计算机)经常可采经常可采用分时控制的方式而同时控制多个回路。用分时控制的方式而同时控制多个回路

53、。 5可靠性高，对环境适应性强，以保证在生产可靠性高，对环境适应性强，以保证在生产现场应用的要求。现场应用的要求。一、微机控制系统的组成及其特点一、微机控制系统的组成及其特点3、工业控制计算机分类及特点1）.可编程控制器2）.总线型工业控制计算机3）.单片机一、微机控制系统的组成及其特点一、微机控制系统的组成及其特点单片机系统构成单片机特点受集成度的限制，片内存储器容量较小。可靠性高。易扩展。控制功能强。一般单片机内无监控程序或系统通用管理程序。三种常用工业控制计算机的性能比较二、通用工控机控制装置设计 总线总线：采用一组公共的信号线作为各个部件之间的通信：采用一组公共的信号线作为各个部件之间

54、的通信线，这种公共信号线成为总线。线，这种公共信号线成为总线。 总线标准总线标准：连接总线的接插件的几何尺寸、引脚排序、连接总线的接插件的几何尺寸、引脚排序、电路信号名称及其电气特性进行的详细规定。电路信号名称及其电气特性进行的详细规定。 常用的内部总线有常用的内部总线有:STD总线、总线、ISA总线、总线、PCI总线、总线、VME总线等。总线等。STD总线在总线在1978年最早由年最早由Pro-Log公司作为工业标准公司作为工业标准发明的，由发明的，由STDGM制为制为STD80规范，随后被批准为国规范，随后被批准为国际标准际标准IEEE961。 自从自从1978年年STD总线问世以来，总线

55、问世以来，STD总线工控机已经总线工控机已经被证明是工业控制实现的主力军，随着拔术的进步，原被证明是工业控制实现的主力军，随着拔术的进步，原来被工业用户所认同来被工业用户所认同SID80标准已经难以满足要求。标准已经难以满足要求。1990午午9月，月，STD32MG公布公布STD32规范规范1.0版。版。STD32具有具有32位数据宽度，位数据宽度，32位寻址能力，是工业型的高端计位寻址能力，是工业型的高端计算机算机STD32总线兼容总线兼容STD80规范，产品可以互操作。规范，产品可以互操作。STD总线工控机的特点：系统的组成、修改和扩展方便检测、调试、查找故障简便、迅速有多种标准功能模板可

56、供选用，大大减少了硬件设计工作量系统中可运行多种操作系统及系统开发支持软件，便于控制软件的开发主要的硬件设计任务：选择适用的标准化或通用化功能模板 计算机控制系统的外围设备由于种类繁多，且工计算机控制系统的外围设备由于种类繁多，且工作速度不一，所以不能像存储器那样，直接挂到主作速度不一，所以不能像存储器那样，直接挂到主机机CPU的总线上，都必须通过输入输出接口和输入的总线上，都必须通过输入输出接口和输入输出通道才能和输出通道才能和CPU的总线相连。因此，的总线相连。因此，IO（输（输入入/输出）接口输出）接口和和IO通道通道是计算机控制系统必须解是计算机控制系统必须解决的技术之一。决的技术之一

57、。IO接口电路在主机和外围设备之间的信息交换中接口电路在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带的作用。设置接口电路有以下几个起着桥梁和纽带的作用。设置接口电路有以下几个用途：用途： 输入输出接口技术和输入输出通道输入输出接口技术和输入输出通道 1. 解决主机解决主机CPU和外围设备之间时序配合和通和外围设备之间时序配合和通信联络的问题，以保证信联络的问题，以保证CPU和外围设备之间虽和外围设备之间虽异步却能协调工作。异步却能协调工作。 2. 解决解决CPU和外围设备之间数据格式转换和匹和外围设备之间数据格式转换和匹配问题。配问题。 3. 解决解决CPU的负载能力和外围设备端口选址的的负载

58、能力和外围设备端口选址的问题。问题。输入输出接口技术和输入输出通道输入输出接口技术和输入输出通道（一）数字量I/O模板1、主要功能：用于处理开关信号的输入和输出，其主要功能是滤波、电平转换、电气隔离和功率驱动2、选择：根据所设计系统的开关量数量及类型、信号的脉宽、电平、逻辑、频率等参数进行合理选择数字量I/O模板电路框图（二）模拟量I/O模板1、主要功能：用于处理模拟信号的输入和输出，其主要功能是对微处理机和被控对象之间的模拟信号进行A/D和D/A转换。2、选择：主要考虑系统中信号的最高频率、电平范围、信号数量等参数及系统对信号的转换速度、精度及分辨率等方面的要求光电隔离型光电隔离型A/D模板

59、结构模板结构（三）信号调理模板信号调理器是传感器与数据采集系统之间的接口。简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。因为工业信号有些是高压，过流，浪涌等，不能被系统正确识别，必须对这些信号进行调理。1、主要功能主要功能： 用于在传感器与用于在传感器与A/D转换器之间以及转换器之间以及D/A转换转换器与执行元件之间对信号进行调理。器与执行元件之间对信号进行调理。 主要功能有非电量转换、信号形式变换、信主要功能有非电量转换、信号形式变换、信号放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等号放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等2、典型产品典型产品： 热电偶、热电阻、热电偶、热

60、电阻、I/V信号调理板、前置放大信号调理板、前置放大板、隔离放大板等板、隔离放大板等3、选择选择： 根据传感器和执行机构的要求来选择，充分根据传感器和执行机构的要求来选择，充分考虑信号的信噪比、放大器增益的可调范围、零考虑信号的信噪比、放大器增益的可调范围、零点的调整方法等参数点的调整方法等参数信号调理模板在系统中的连接方法信号调理模板在系统中的连接方法三、提高控制装置的可靠性 控制装置的可靠性是影响整个机电一体控制装置的可靠性是影响整个机电一体化产品可靠性的一个化产品可靠性的一个最重要环节最重要环节。 提高控制装置可靠性的两种方法：提高控制装置可靠性的两种方法： 硬件方法硬件方法和和软件方法

61、软件方法（一）提高控制装置可靠性的硬件方法1、合理选择元、器件以提高可靠性2、对功率接口采用降额设计以提高可靠性3、采用监视定时器提高可靠性4、采用冗余技术以提高可靠性后备冗余并联冗余（一）提高控制装置可靠性的硬件方法（一）提高控制装置可靠性的硬件方法5、采用抗干扰技术提高可靠性、采用抗干扰技术提高可靠性 由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），干扰是导致控制装置故障或永久性失效的最常见和干扰是导致控制装置故障或永久性失效的最常见和最主要的因素之一。为提高控制系统的环境适应能最主要的因素之一。为提高控制系统的环境适应能力和抗干扰能力以及可靠性，必须采

62、取相应的抗干力和抗干扰能力以及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。扰措施。（1）供电干扰及抗干扰措施）供电干扰及抗干扰措施（2）过程通道干扰及抗干扰措施）过程通道干扰及抗干扰措施（3）空间干扰及抗干扰措施）空间干扰及抗干扰措施6、通过合理设计印刷电路提高可靠性、通过合理设计印刷电路提高可靠性（二）提高控制装置可靠性的软件方法（二）提高控制装置可靠性的软件方法1、软件测试：充分测试、软件测试：充分测试2、容错设计：把程序设计成能够缓解错误的影响，不、容错设计：把程序设计成能够缓解错误的影响，不致造成死锁或崩溃等严重后果，并能指出错误原因致造成死锁或崩溃等严重后果，并能指出错误原因3、纠错设计：发现系统结果有误时，使之自动回复到、纠错设计：发现系统结果有误时，使之自动回复到正确状态，以防止对系统造成损害正确状态，以防止对系统造成损害4、抗干扰设计、抗干扰设计5、故障诊断：、故障诊断：（1）故障发生后，查找故障的类型、位置和原因）故障发生后，查找故障的类型、位置和原因（2）故障发生前，预测可能发生的异常。包括故障类）故障发生前，预测可能发生的异常。包括故障类型、位置、原因和时间，及时报警并保护现场及重型、位置、原因和时间，及时报警并保护现场及重要信息，以防产生严重后果，或将备用单元切换到要信息，以防产生严重后果，或将备用单元切换到运行状态，以免故障停机。运行状态，以免故障停机。