機(jī)電一體化復(fù)習(xí)資料

1、機(jī)電一體化復(fù)習(xí)資料第一章機(jī)械技術(shù)： 精度、體積、剛度、動態(tài)性能機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著高新技術(shù)引進(jìn)機(jī)械行業(yè)，機(jī)械技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)和變革。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，它不在是單一的完成系統(tǒng)間的連接，而是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性和耐用方面對機(jī)電一體化系統(tǒng)有著重要的影響。機(jī)電一體化的機(jī)械產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品的區(qū)別在于：機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單、機(jī)械功能更強(qiáng)、性能更優(yōu)越?，F(xiàn)代機(jī)械要求具有更新穎的結(jié)構(gòu)、更小的體積、更輕的重量，還要求精度更高、剛度更大、動態(tài)性能更好。機(jī)械技術(shù)的著眼點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化的技術(shù)相適應(yīng)。傳感檢測技術(shù)： 精度、靈敏度、可靠性傳感檢測技術(shù)的內(nèi)容：研究如何將各種被測量（包括物理量、化學(xué)

2、量和生物量等）轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量。研究對象：傳感器及其信號檢測裝置作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。要求：能快速、精確地獲得信息并在相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境中具有高可靠性。機(jī)電一體化的智能化趨勢包括以下幾個方面：診斷過程的智能化：診斷功能的強(qiáng)弱是評價(jià)一個系統(tǒng)性能的重要智能指標(biāo)之一。人機(jī)接口的智能化：智能化的人機(jī)接口 , 可以大大簡化操作過程, 這里包含多媒體技術(shù)在人機(jī)接口智能化中的有效應(yīng)用。自動編程的智能化：操作者只需輸入加工工件素材的形狀和需加工形狀的數(shù)據(jù), 加工程序就可全部自動生成。加工過程的智能化第二章滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力的方法滾珠絲杠副除了對本身單一方向的傳動精度有要求外，對其軸向間

3、隙也有嚴(yán)格要求，以保證其反向傳動精度。滾珠絲杠副的軸向間隙是承載時(shí)在滾珠與滾道面接觸點(diǎn)的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。通常采用雙螺母預(yù)緊或單螺母（大滾珠、大導(dǎo)程）的方法，把彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以減小或消除軸向間隙，并可以提高滾珠絲杠副的剛度。支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1選取有利的截面形狀2設(shè)置隔板和加強(qiáng)筋3選擇合理的壁厚4選擇合理的結(jié)構(gòu)以提高聯(lián)接處的局部剛度和接觸剛度5提高阻尼比6用模擬剛度試驗(yàn)類比法設(shè)計(jì)支承7支承件的結(jié)構(gòu)工藝性第三章把各種非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號，這就是傳感器的功能，傳感器又稱為一次儀表。對轉(zhuǎn)換后的電信號進(jìn)行測量, 并進(jìn)行放大、運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、記錄、指示、顯示等處理，

4、這叫作電信號處理系統(tǒng), 通常被稱為二次儀表。對傳感器的一般要求各種傳感器，由于原理、結(jié)構(gòu)不同，使用環(huán)境、條件、目的不同，其技術(shù)指標(biāo)也不可能相同。但是有些一般要求，卻基本上是共同的，這就是：可靠性；靜態(tài)精度；動態(tài)性能；量程；抗干擾能力；通用性；輪廓尺寸；成本；能耗；對被測對象的影響等。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有： 線性度、 靈敏度、 遲滯和重復(fù)性等。傳感器的標(biāo)定l 傳感器標(biāo)定是指利用較高等級的標(biāo)準(zhǔn)器具（或儀器、儀表）對傳感器的特性進(jìn)行刻度，或者說通過試驗(yàn)建立傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時(shí)，也確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器的標(biāo)定分靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定傳感器靜態(tài)特性標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定目的

5、是確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、精度、遲滯性和重復(fù)性等。傳感器動態(tài)特性標(biāo)定動態(tài)特性標(biāo)定的目的確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，如時(shí)間常數(shù)、上升時(shí)間或工作頻率、通頻帶等。機(jī)電一體化系統(tǒng)對檢測傳感器基本要求 體積小、重量輕、對整機(jī)的適應(yīng)性好； 精度和靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、信噪比高； 安全可靠、壽命長； 便于與計(jì)算機(jī)連接； 不易受被測對象(如電阻、磁導(dǎo)率) 的影響，也不影響外部環(huán)境； 對環(huán)境條件適應(yīng)能力強(qiáng)； 現(xiàn)場處理簡單、操作性能好； 價(jià)格低廉。傳感器的發(fā)展方向 開展基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化與智能化。開發(fā)新型傳感器 v 開發(fā)新材料 v 新工藝的

6、采用 v 集成化、多功能化v 智能化微機(jī)械加工技術(shù)： 近年來隨著集成電路工藝發(fā)展起來的，它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學(xué)刻蝕等用于微電子加工的技術(shù)，目前已越來越多地用于傳感器領(lǐng)域。新型傳感器主要三個方面： 采用新原理；填補(bǔ)傳感器空白；仿生傳感器。傳感器的智能化對外界信息具有檢測、 數(shù)據(jù)處理、 邏輯判斷、自診斷和自適應(yīng)能力的集成一體化多功能傳感器，這種傳感器具有與主機(jī)互相對話的功能，可以自行選擇最佳方案，能將已獲得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速度、高精度傳輸?shù)?。誤差校正 在控制系統(tǒng)的模擬量輸入通道中，一般存在傳感器溫度漂移、放大器等器件的零點(diǎn)偏移的現(xiàn)象，這些都會造成誤差，從而影

7、響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這些誤差稱為系統(tǒng)誤差。 特點(diǎn)：在一定的測量條件下，其變化規(guī)律是可以掌握的，產(chǎn)生誤差的原因一般也是知道的。因此，原則上講，系統(tǒng)誤差是可以通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)途徑來確定并加以校正的。 方法：一般采用軟件程序進(jìn)行處理，對系統(tǒng)誤差進(jìn)行自動校準(zhǔn)。零點(diǎn)偏移是造成系統(tǒng)誤差的主要原因之一，因此零點(diǎn)的自動調(diào)整在實(shí)際應(yīng)用中最多，常把這種用軟件程序?qū)崿F(xiàn)零點(diǎn)調(diào)整的方法稱為數(shù)字調(diào)零。 實(shí)現(xiàn)方法：在測量輸入通道中，計(jì)算機(jī)分時(shí)巡回采集校準(zhǔn)電壓與n路傳感變送器送來的電壓信號。通過軟件程序進(jìn)行調(diào)零。采用 數(shù)字調(diào)零，可去掉放大電路、 A/D轉(zhuǎn)換電路本身的偏移及隨時(shí)間與溫度而發(fā)生的各種漂移的影響，從而大大降低對這些電

8、路器件的偏移值的要求，降低硬件成本。數(shù)字調(diào)零不能校正由傳感器本身引入的誤差。為了克服這種缺點(diǎn)，可采用系統(tǒng)校準(zhǔn)處理技術(shù)。 實(shí)現(xiàn)方法：系統(tǒng)校準(zhǔn)原理與數(shù)字調(diào)零相似，只是把測量擴(kuò)展到現(xiàn)場的傳感器。在需要校準(zhǔn)時(shí)，人工接入標(biāo)準(zhǔn)信號VR進(jìn)行測量，零點(diǎn)漂移的補(bǔ)償仍由數(shù)字調(diào)零來完成.與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波主要優(yōu)點(diǎn):1）數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬件設(shè)備，可靠性高、穩(wěn)定性好。2）一種濾波子程序可以被多個通道所共用，因而成本很低。3）數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，靈活、方便、功能強(qiáng)。4）數(shù)字濾波能對頻率很低(如0.01HZ ) 的信號進(jìn)行濾波。克服了模擬濾波器的缺陷。轉(zhuǎn)換精

9、度指標(biāo)通常由以下分項(xiàng)誤差有組成： 偏移誤差：是指輸出為零時(shí)，輸入不為零的值，所以有時(shí)又稱零點(diǎn)誤差。偏移誤差可以通過在A/D轉(zhuǎn)換器的外部加接調(diào) 滿刻度誤差：又稱增益誤差，它是指A/D轉(zhuǎn)換器滿刻度時(shí)輸出的代碼所對應(yīng)的實(shí)際輸入電壓值與理想輸入電壓值之差，滿刻度誤差一般是由參考電壓、放大器放大倍數(shù)、電阻網(wǎng)絡(luò)誤差等引起。滿刻度誤差可以通過外部電路來修正。 非線性誤差：是指實(shí)際轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。非線性誤差不包括量化誤差，偏移誤差和滿刻度誤差。 微分非線性誤差：是指轉(zhuǎn)換器實(shí)際階梯電壓與理想階梯電壓(1LSB)之間的差值。為保證A/D轉(zhuǎn)換器的單調(diào)性能， A/D轉(zhuǎn)換器的微分非線性誤差一般不大于1LS

10、B。非線性誤差和微分非線性誤差在使用中很難進(jìn)行調(diào)整。在測控系統(tǒng)中為什么要采用信號調(diào)制？在測控系統(tǒng)中，進(jìn)入測控電路的除了傳感器輸出的測量信號外，還往往有各種噪聲。而傳感器的輸出信號一般又很微弱，將測量信號從含有噪聲的信號中分離出來是測控電路的一項(xiàng)重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號與噪聲，往往給測量信號賦予一定特征，這就是調(diào)制的主要功用。在測控系統(tǒng)中常用的調(diào)制方法有哪幾種？在信號調(diào)制中常以一個高頻正弦信號作為載波信號。一個正弦信號有幅值、頻率、相位三個參數(shù)，可以對這三個參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。也可以用脈沖信號作載波信號?？梢詫γ}沖信號的不同特征參數(shù)作調(diào)制，最常用的是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，稱

11、為脈沖調(diào)寬。什么是調(diào)制信號、載波信號、已調(diào)信號？調(diào)制是給測量信號賦予一定特征，這個特征由作為載體的信號提供。常以一個高頻正弦信號或脈沖信號作為載體，這個載體稱為載波信號。用來改變載波信號的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位的信號稱為調(diào)制信號。在測控系統(tǒng)中，通常就用測量信號作調(diào)制信號。經(jīng)過調(diào)制的載波信號叫已調(diào)信號。第四章ISA總線采用獨(dú)立于CPU的總線時(shí)鐘，因此CPU可采用比總線頻率更高的時(shí)鐘，有利于CPU性能的提高。但I(xiàn)SA總線沒有支持總線仲裁的硬件邏輯，因此不支持多臺主設(shè)備系統(tǒng)，且ISA上的所有數(shù)據(jù)的傳送必須通過CPU或DMA接口來管理，因此使CPU花費(fèi)了大量時(shí)間來控制與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)。 ISA

12、總線時(shí)鐘頻率為8MHz，最大傳輸率為16MB/s。ISA總線擴(kuò)展槽的62根信號線分為五類：地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、狀態(tài)線、輔助線和電源線。所謂局部總線是指在系統(tǒng)外，為兩個以上模塊提供的高速傳輸信息通道。 VL-Bus是由CPU總線演化而來的，采用CPU的時(shí)鐘，頻率達(dá)33MHz、數(shù)據(jù)線為32位，配有局部控制器。通過局部控制的判斷，將高速I/O直接掛在CPU的總線上，實(shí)現(xiàn)CPU與高速外設(shè)之間的高速數(shù)據(jù)交換。第五章系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)的控制過程實(shí)際上是一個動態(tài)過程，即當(dāng)系統(tǒng)的輸入（包括干擾）量發(fā)生變化時(shí)，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

13、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：l 非周期衰減過程l 衰減振蕩過程l 等幅振蕩過程l 發(fā)散振蕩過程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(shí)現(xiàn)，便于實(shí)驗(yàn)、分析和計(jì)算，因而常采用它作為系統(tǒng)的輸入來研究控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的性能指標(biāo)控制系統(tǒng)在輸入作用下所產(chǎn)生的輸出稱之為響應(yīng)。系統(tǒng)由初始狀態(tài)隨時(shí)間到最終狀態(tài)的響應(yīng)過程稱為動態(tài)過程，也稱為瞬態(tài)響應(yīng)，它是系統(tǒng)短時(shí)間響應(yīng)特性的度量；當(dāng)時(shí)間趨于無窮大時(shí)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(yīng)，它

14、表征系統(tǒng)輸出量最終復(fù)現(xiàn)輸入量的程度。任何一個控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)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(biāo)，通常由穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能兩部分組成。對于單輸入單輸出系統(tǒng)來說，在時(shí)域中穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的性能指標(biāo)是穩(wěn)態(tài)誤差動態(tài)性能上升時(shí)間: tr(b) 峰值時(shí)間: tp(c) 最大超調(diào)量: Mp(d) 調(diào)整時(shí)間: ts(e) 振蕩次數(shù):N控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟1、目的分析。 首先對系統(tǒng)的目的或任務(wù)進(jìn)行定量分析，即將系統(tǒng)的目的、任務(wù)直接地或間接地變換成定量關(guān)系。2、系統(tǒng)分析。（1）建立系統(tǒng)框圖。將系統(tǒng)進(jìn)行分解后，考慮到各個部分之間的輸入、輸出聯(lián)系，即可利用框圖方法來表達(dá)系統(tǒng)。（

15、2）建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。3、系統(tǒng)最佳化。4、系統(tǒng)仿真。數(shù)學(xué)模型的概念用數(shù)學(xué)的方法來描述系統(tǒng)輸出量與輸入量之間的關(guān)系 ，這種系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)描述就稱為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型的一般原則一個合理的數(shù)學(xué)模型的建立，應(yīng)該在模型的準(zhǔn)確性和簡化性之間進(jìn)行折中。既不能過分強(qiáng)調(diào)準(zhǔn)確性而使系統(tǒng)過于復(fù)雜，也不能片面追求簡化性而使分析結(jié)果與實(shí)際出入過大。這是在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的過程中要特別注意的問題。數(shù)學(xué)模型的類型 非參量模型當(dāng) 數(shù)學(xué)模型是采用 曲線或數(shù)據(jù)表格等來表示時(shí)，就稱為非參量模型。參量模型(輸入輸出模型)當(dāng) 數(shù)學(xué)模型是采用數(shù)學(xué)方程式來描述時(shí)，稱為參量模型。參量模型按其討論域可分為時(shí)域模型、復(fù)數(shù)域模型和頻域模

16、型。時(shí)域模型包括微分方程、差分方程等，其特點(diǎn)是具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，不足之處是當(dāng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改變或某個參數(shù)變化時(shí)，就要重新列寫并求解微分方程。傳遞函數(shù)： 復(fù)數(shù)域模型包括系統(tǒng)傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖，傳遞函數(shù)具有以下性質(zhì)：(1) 傳遞函數(shù)描述了系統(tǒng)本身的動態(tài)特性，它與輸入量的大小及性質(zhì)無關(guān)。傳遞函數(shù)的分母是系統(tǒng)的特征多項(xiàng)式，代表系統(tǒng)的固有特性，分子代表輸入量與系統(tǒng)之間的變換關(guān)系。(2) 傳遞函數(shù)不能描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。對于動態(tài)特性相似的不同的物理系統(tǒng)可以用同一類型的傳遞函數(shù)描述。(3) 傳遞函數(shù)的量綱決定于輸入量和輸出量的量綱。(4) 一般情況，傳遞函數(shù)分母多項(xiàng)式的階次高于分子多項(xiàng)式的階次，對于最高階次為 n

17、的系統(tǒng)，稱為 n階系統(tǒng)。(5) 傳遞函數(shù)只適用于線性系統(tǒng)。滿足線性疊加原理是線性系統(tǒng)的主要性質(zhì)。將傳遞函數(shù)中S 換成jw ，即為頻率特性。A(w) 是輸入信號角頻率 w的函數(shù)，稱為幅頻特性，常用幅頻特性曲線表示，它表示輸出與輸入的幅值之比j(w ) 也是角頻率 w 的函數(shù)，稱為相頻特性，常用相頻特性曲線表示， 它表示輸出相對于輸入的相位移數(shù)學(xué)模型的建立 機(jī)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(shí)所遵循的物理或化學(xué)定律，列出其相應(yīng)的原始方程式。在條件許可時(shí)可適當(dāng)簡化，忽略一些次要因素。這里所說的物理或化學(xué)定律，不外乎牛頓定律、能

18、量守恒定律、物質(zhì)守恒定律、基爾霍夫定律等。(3) 列出原始方程式的中間變量與其它因素的關(guān)系式。(4) 將上述關(guān)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(guān)系的微分方程便是系統(tǒng)或元件在時(shí)域的數(shù)學(xué)模型。滯后時(shí)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(shí)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。容量滯后容量滯后也叫過渡滯后。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(shí)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(shè)計(jì)和安裝控制系統(tǒng)

19、時(shí)，都應(yīng)當(dāng)盡量把滯后時(shí)間減到最小。二階系統(tǒng)的特性參數(shù)n (1). 系統(tǒng)增益(2). 系統(tǒng)固有頻率(3). 系統(tǒng)阻尼、系統(tǒng)增益K： K較小，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，但較小的K會導(dǎo)致快速響應(yīng)變差和穩(wěn)態(tài)誤差增大。n (2)、系統(tǒng)阻尼比: 大可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及響應(yīng)過程的平穩(wěn)性，減小超調(diào)量，但同時(shí)響應(yīng)速度降低。n (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(yīng)，提高抗干擾能力，但系統(tǒng)成本增加方框圖強(qiáng)調(diào)幾點(diǎn)：1. 傳遞函數(shù)框圖中的環(huán)節(jié)是根據(jù)動力學(xué)方程來劃分的，一個環(huán)節(jié)并不一定代表一個物理元件（物理環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)），一個物理元件（物理環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)）也不一定就是一個傳遞函數(shù)環(huán)節(jié)（也許幾個物理元件

20、的特性才組成一個傳遞函數(shù)環(huán)節(jié)，也許一個物理元件的特性分散在幾個傳遞函數(shù)環(huán)節(jié)中）。2. 注意區(qū)別表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的物理框圖和分析系統(tǒng)的同傳遞函數(shù)框圖。一物理元件在不同系統(tǒng)中的作用不同時(shí)，其傳遞函數(shù)可以不同。（例如，測速發(fā)電機(jī)：當(dāng)輸入為角速度時(shí)，是比例環(huán)節(jié)當(dāng)輸入為角位移時(shí)，是微分環(huán)節(jié)）時(shí)域分析法是一種直接分析法，具有直觀和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于一、二階系統(tǒng)性能的分析和計(jì)算。對二階以上的高階系統(tǒng)則須采用頻率分析法和根軌跡法。頻率響應(yīng)和頻率特性頻率響應(yīng)線性定常系統(tǒng)對諧波輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)。頻率特性在正弦信號作用下，系統(tǒng)輸入量的頻率由 0變化到 時(shí)，穩(wěn)態(tài)輸出量與輸入量的振幅和相位差的變化規(guī)律。時(shí)域性

21、能指標(biāo)時(shí)域中評價(jià)系統(tǒng)的暫態(tài)性能，通常以系統(tǒng)對單位階躍輸入信號的暫態(tài)響應(yīng)為依據(jù)，規(guī)定如下指標(biāo)：l （ 1）延遲時(shí)間td（ 2）上升時(shí)間tr（ 3）峰值時(shí)間tp 4）調(diào)節(jié)時(shí)間ts（ 5）最大超調(diào)量 6）穩(wěn)態(tài)誤差ess頻域性能指標(biāo)（ 1）相位裕度（ 2）幅值裕度K 4）復(fù)現(xiàn)帶寬0 m（ 5）諧振頻率 r（ 6）截至頻率為克服微分帶來的高頻干擾的濾波PID控制， 為克服大偏差時(shí)出現(xiàn)飽和超調(diào)的PID積分分離控制， 為補(bǔ)償控制對象非線性因素的可變增益PID控制傳統(tǒng)的控制策略隱含著兩個前提， 一是要求對象的模型是精確的、 不變換的， 且是線性的；二是操作條件和運(yùn)行環(huán)境是確定的、 不變的。隨著工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)

22、大， 控制精度和性能要求的提高， 必須考慮控制對象參數(shù)乃至結(jié)構(gòu)的變化、 非線性的影響、 運(yùn)行環(huán)境的改變以及環(huán)境干擾等時(shí)變的和不確定因素， 才能得到滿意的控制效果自適應(yīng)控制是針對對象特性的變化、漂移和環(huán)境干擾對系統(tǒng)的影響而提出來的。它的基本思想是通過自適應(yīng)控制是一種逐漸修正、漸近趨向期望性能的過程，適用于模型和干擾變化緩慢的情況。對于模型參數(shù)變化快，環(huán)境干擾強(qiáng)的工業(yè)場合，以及比較復(fù)雜的生產(chǎn)過程，顯得力不從心，難于應(yīng)用。其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。 控制系統(tǒng)的魯棒性是指系統(tǒng)的某種性能或某個指標(biāo)在某種擾動下保持不變的程度（或?qū)_動不敏感的程度） ) 。魯棒性是個統(tǒng)稱，最基本的可分為穩(wěn)定魯棒性和品質(zhì)

23、魯棒性，前者系統(tǒng)在某種擾動下保持穩(wěn)定性的能力，后者指保持某項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)的能力。目前， 魯棒控制主要有兩類方法：(1) 代數(shù)方法研究對象是系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣或特征多項(xiàng)式，討論多項(xiàng)式族或矩陣族的魯棒控制。 其中又包括多項(xiàng)式代數(shù)法和狀態(tài)空間法。(2) 頻域方法從系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣出發(fā)。 H是其中較為成熟和應(yīng)用較廣的方法。 這類問題的實(shí)質(zhì)是通過使系統(tǒng)由擾動至偏差的傳遞函數(shù)矩陣的H范數(shù)取極小， 來設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制規(guī)律。 現(xiàn)代魯棒控制采用了頻率方法與狀態(tài)空間結(jié)合， 即直接在狀態(tài)空間上進(jìn)行設(shè)計(jì)。 其設(shè)計(jì)過程簡單， 控制器階次較低， 結(jié)構(gòu)特性明顯。預(yù)測模型是系統(tǒng)動態(tài)特性的預(yù)先描述，它根據(jù)系統(tǒng)的歷史信息和未來輸入，預(yù)

24、測未來一個有限時(shí)段的輸出值。及時(shí)進(jìn)行彌補(bǔ)， 減小偏差， 獲得較高的綜合控制質(zhì)量。預(yù)測控制的缺點(diǎn)是在建模中未充分利用過程的知識，其計(jì)算耗時(shí)、工作量大。智能控制策略其復(fù)雜性可歸納為：(1 ) 對象復(fù)雜不只是一種單一的運(yùn)動， 往往是幾種物質(zhì)的運(yùn)動， 甚至同時(shí)進(jìn)行著物理、 化學(xué)、 生物的反應(yīng)， 內(nèi)部機(jī)理不甚清楚；系統(tǒng)往往是非線性、 多變量、 強(qiáng)耦合和高維數(shù)的；對象的特性（包括結(jié)構(gòu)、 參數(shù)等） 在變化， 存在著許多不確定性因素， 難以用常規(guī)的數(shù)學(xué)工具建模并進(jìn)行研究；輸入信息多樣化、 數(shù)據(jù)量龐大；信息方式不是單一的， 往往是多媒體的（ 例如圖形、 文字、 聲音、 數(shù)字等） 。(2）環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)處于動態(tài)變化

25、的、難以預(yù)先知道的環(huán)境中。自動控制與人工智能的結(jié)合產(chǎn)生了智能控制?？刂撇呗缘臐B透和結(jié)合從上述各種控制策略的分析可以看出， 每種控制略都有其特長， 但都在某方面存在某些問題。 因此，一種必然的發(fā)展趨勢是各種控制策略互相滲透， 取長補(bǔ)短， 互濟(jì)優(yōu)勢， 結(jié)合成復(fù)合的控制策略。 這些復(fù)合控制策略克服了單獨(dú)策略的不足， 具有更優(yōu)良的性能能更好地滿足不同應(yīng)用的不同要求， 因而獲得了更廣泛的應(yīng)用。 可以說， 復(fù)合（ 混合） 控制模式是控制策略的發(fā)展方向。復(fù)合控制策略的類型很多， 而且隨著研究工作進(jìn)展還在不斷的增加和變化。模糊PID復(fù)合控制模糊變結(jié)構(gòu)控制自適應(yīng)模糊控制模糊預(yù)測控制模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制專家PID控制

26、專家模糊控制控制策略的滲透和結(jié)合有下述特點(diǎn)：(1) 滲透面最廣的是模糊控制， 它形成的復(fù)合控制策略適用性強(qiáng)， 應(yīng)用也最廣。(2) 專家控制形成的復(fù)合控制策略可以具有較復(fù)雜的形式和較高的性能， 而且也有不少的應(yīng)用。(3) PID控制形成的復(fù)合控制策略吸收了其他策略性能上的優(yōu)點(diǎn)， 保持了自身應(yīng)用上的優(yōu)勢， 仍是一種工業(yè)上的主要控制方式。(4) 十分有前途的一種方法是在模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的基礎(chǔ)上，再與其他智能或傳統(tǒng)控制策略結(jié)合形成更高層次的性能更優(yōu)良的控制策略。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變結(jié)構(gòu)控制(FNV）可發(fā)揮三者之長， 形成比模糊控制和變結(jié)構(gòu)控制動靜態(tài)品質(zhì)更佳以及設(shè)計(jì)更簡單， 而且比模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)收斂速

27、度更快的控制策略。l 模糊神經(jīng)自適應(yīng)控制(FNA）在自適應(yīng)控制中引入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模工具， 改善神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制的魯棒性和實(shí)時(shí)性， 特別適用于具有不確定性的非線性系統(tǒng)跟蹤控制， 也可用于實(shí)際的伺服直流電機(jī)調(diào)速控制。l 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家控制（ FNE）將專家系統(tǒng)靈活性和集成性用于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制中。在初始階段作輔助控制，間接緩解對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速學(xué)習(xí)的要求，并可通過專家系統(tǒng)方法直接改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)問題，得到理想實(shí)用的工業(yè)控制器。什么是自動控制?自動控制系統(tǒng)由哪些部分組成?自動控制是在沒有人的情況下，利用外加的設(shè)備和裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。計(jì)算機(jī)控制系

28、統(tǒng)的工作原理可歸納為以下四個步驟：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集 對被控參數(shù)在一定采樣間隔進(jìn)行測量變送并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行處理。 (2) 實(shí)時(shí)控制決策 對被控變量的測量值進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理， 并按預(yù)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算。 (3) 實(shí)時(shí)控制輸出 實(shí)時(shí)地輸出運(yùn)算后的控制信號， 經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 完成控制任務(wù)。 上述過程不斷重復(fù)， 使被控變量穩(wěn)定在設(shè)定值上。 (4) 信息管理 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制策略的發(fā)展， 信息共享和管理也介入到控制系統(tǒng)中。什么是實(shí)時(shí)控制?工業(yè)控制機(jī)硬件： 硬件是指計(jì)算機(jī)本身及外圍設(shè)備具體如下：2常規(guī)外部設(shè)備 常規(guī)外部設(shè)備可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲設(shè)備。1 主機(jī)（計(jì)算機(jī)） 主機(jī)由C

29、PU和存儲器構(gòu)成。3輸入輸出通道 在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)置信息的傳遞和變換的連接通道。4外部設(shè)備（接口） 過程通道與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的接口，有并行、串行、管理接口。5運(yùn)行操作臺-人機(jī)接口 操作臺應(yīng)該具備如下功能： 要有屏幕或數(shù)字顯示器， 要有一組簡單功能鍵進(jìn)行控制操作； 要有一組數(shù)字鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)操作； 采用硬保護(hù)和軟保護(hù)措施，網(wǎng)絡(luò)通信接口 多個計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之間需要相互傳遞信息或與更高層計(jì)算機(jī)通信時(shí)，每一個計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就須設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信接口。7實(shí)時(shí)時(shí)鐘 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要一個時(shí)鐘，用于確定采樣周期、控制周期及事件發(fā)生時(shí)間等。8工業(yè)自動化儀表 被控對象與過程通道發(fā)生聯(lián)系的設(shè)備。有測量儀表、顯

30、示儀表、調(diào)節(jié)設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等什么是軟件?什么是程序？什么是指令？指令： 指示計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。 程序： 指令的集合軟件： 程序的集合計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)相比， 具有如下特點(diǎn)： 控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)靈活、方便。控制精度高?？刂菩矢??？梢苑奖銓?shí)現(xiàn)管控一體化。存在著采樣延遲計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)散控制系統(tǒng)工業(yè)過程計(jì)算機(jī)集成制造系操作指導(dǎo)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的輸出部分與被控過程不直接發(fā)生聯(lián)系，而是通過數(shù)據(jù)采集和處理，為操作人員提供反映生產(chǎn)工況的各種數(shù)據(jù)，并相應(yīng)地給出操作指導(dǎo)信息，由操作人員根據(jù)這些信息進(jìn)行相應(yīng)的操作。這種類型屬于開

31、環(huán)控制系統(tǒng)。直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC）DDC系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制的一種最典型的系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)可以代替模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，且不需要更換硬件只用軟件就可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，如最優(yōu)控制、模糊控制等SCC控制的效果主要取決于數(shù)學(xué)模型，合適的控制算法和完善的應(yīng)用程序集散控制系統(tǒng)又稱分布式控制系統(tǒng)。它以微處理器為核心，實(shí)現(xiàn)地理上和功能上的控制，同時(shí)通過高速數(shù)據(jù)通道把各個分散點(diǎn)的信息集中起來，進(jìn)行集中的監(jiān)視和操作，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制和優(yōu)化。 DCS的設(shè)計(jì)原則是分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)。集散控制比集中控制的優(yōu)點(diǎn)：1控制分散、信息集中2系統(tǒng)模塊化3數(shù)據(jù)通信能力較強(qiáng)4友好而

32、豐富的人機(jī)接口5可靠性高現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是新一代分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它采用工作站現(xiàn)場總線智能儀表的二層結(jié)構(gòu)模式。CIMS除了常見的過程直接控制、先進(jìn)控制等還有成產(chǎn)管理、收集經(jīng)濟(jì)信息、計(jì)劃調(diào)度和產(chǎn)品訂貨、銷售，運(yùn)輸?shù)确莻鹘y(tǒng)控制的功能，因次，它的最優(yōu)控制應(yīng)是一個車間、一個工廠一個公司、甚至一個區(qū)域的綜合最優(yōu)控制。其最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)包含了產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好、成本最低、可靠性最高等。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，被控制對象與控制器以及控制器與驅(qū)動器之間是通過一個公共的網(wǎng)絡(luò)平臺連接的。它是一種空間分布式系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)將分布于不同地理位置的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器連接起來，形成閉環(huán)的一種全分布式實(shí)時(shí)反饋的控制系統(tǒng)，

33、其典型結(jié)構(gòu)如圖所示。自動化控制系統(tǒng)的核心是控制器。 控制器的任務(wù)是按照一定的控制規(guī)律， 產(chǎn)生滿足工藝要求的控制信號， 以輸出驅(qū)動執(zhí)行器， 達(dá)到自動控制的目的。在傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)中， 控制器的控制規(guī)律或控制作用是由儀表或電子裝置的硬件電路完成的， 而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中， 除了計(jì)算機(jī)裝置以外， 更主要的體現(xiàn)在軟件算法上， 即數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)上。數(shù)字控制器一般采用兩種設(shè)計(jì)方法： 一種是在一定條件下，把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)近似地看成模擬系統(tǒng)，用連續(xù)系統(tǒng)的理論來進(jìn)行動態(tài)分析和設(shè)計(jì)，再將設(shè)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)變成數(shù)字計(jì)算機(jī)的控制算法，這種方法稱為模擬化的設(shè)計(jì)方法，也稱間接設(shè)計(jì)方法； 另 一種是把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖?/p>

34、換，變成純粹的離散系統(tǒng)，用數(shù)學(xué)變換等工具進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，直接設(shè)計(jì)出控制算法，這種方法稱為離散化設(shè)計(jì)方法，也稱直接設(shè)計(jì)方法數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)步驟n 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)是忽略控制回路中所有的零階保持器和采樣器，在 s域中按連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，求出連續(xù)控制器，然后通過某種近似，將連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器，并由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。步驟1. 求出模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)D(s)步驟2. 選擇合適的采樣周期Tn 1. 采樣過程要滿足采樣定理.n 2. 考慮系統(tǒng)的控制周期.n 3. 考慮計(jì)算機(jī)及其外設(shè)的處理能力.n 4. 考慮系統(tǒng)控制精度.步驟3. 把D(s) 離散化, 求出數(shù)字控制器步驟4. 檢驗(yàn)系統(tǒng)的

35、閉環(huán)特性是否滿足設(shè)計(jì)要求n 用過程辨識方法求出廣義被控對象的傳遞函數(shù)G(z), 運(yùn)用控制系統(tǒng)的仿真環(huán)境做系統(tǒng)仿真檢驗(yàn)步驟5. 把D(z) 寫成差分方程的形式, 并編程實(shí)現(xiàn)步驟6. 現(xiàn)場調(diào)試n 現(xiàn)場調(diào)試是關(guān)鍵環(huán)節(jié), 驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性,是改進(jìn)設(shè)計(jì)的依據(jù).PID調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)PID調(diào)節(jié)器之所以經(jīng)久不衰， 主要有以下優(yōu)點(diǎn)。1. 技術(shù)成熟2. 易被人們熟悉和掌握3. 不需要建立數(shù)學(xué)模型4. 控制效果好PID調(diào)節(jié)器的作用n 1. 比例調(diào)節(jié)器n 2. 比例積分調(diào)節(jié)器n 3. 比例微分調(diào)節(jié)器n 4. 比例積分微分調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器的微分方程為：y為調(diào)節(jié)器輸出； Kp為比例系數(shù)； e(t)為調(diào)節(jié)器輸入偏差

36、。由上式可以看出， 調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差成正比。 因此， 只要偏差出現(xiàn)， 就能及時(shí)地產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用， 具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)。 比例調(diào)節(jié)器的特性曲線.比例積分調(diào)節(jié)器n 所謂積分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差的積分成比例的作用。比例積分微分調(diào)節(jié)器n 為了進(jìn)一步改善調(diào)節(jié)品質(zhì)， 往往把比例、積分、 微分三種作用組合起來， 形成PID調(diào)節(jié)器。增量式PID算法只需保持當(dāng)前時(shí)刻以前三個時(shí)刻的誤差即可。它與位置式PID相比， 有下列優(yōu)點(diǎn)：n （ 1） 位置式PID算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)， 計(jì)算式中要用到過去誤差的累加值， 因此， 容易產(chǎn)生較大的累積計(jì)算誤差。 而增量式PID只需計(jì)算增量， 計(jì)

37、算誤差或精度不足時(shí)對控制量的計(jì)算影響較小。n （ 2） 控制從手動切換到自動時(shí)， 位置式PID算法必須先將計(jì)算機(jī)的輸出值置為原始閥門開時(shí)， 才能保證無沖擊切換。若采用增量算法， 與原始值無關(guān)， 易于實(shí)現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。PID控制器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響(1)比例系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響（ a）對動態(tài)特性的影響比例系數(shù)加大，會使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快。但偏大時(shí)，振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長。當(dāng)太大時(shí)，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。 （ b）對穩(wěn)態(tài)特性的影加大比例系數(shù)，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但需要注意的是加大只是減少穩(wěn)態(tài)誤差，不可能完全消除。積分時(shí)

38、間常數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 a）對動態(tài)特性的影響太小時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，偏小，則系統(tǒng)振蕩次數(shù)較多。太大，對系統(tǒng)性能的影響減少。當(dāng)合適時(shí)，過渡過程的特性則比較理想。 （ b）對穩(wěn)態(tài)誤差的影響積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是，當(dāng)偏大時(shí)，積分作用會減弱，以致于不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。(3)微分時(shí)間常數(shù)對系統(tǒng)性能的影響微分控制可以改善動態(tài)特性，減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。 當(dāng)偏大或偏小時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長，只有合適時(shí)，才可以得到比較滿意的過渡過程。數(shù)字PID的積分問題常用改進(jìn)算法： 積分分離算法 抗積分飽和算法積分分離算法現(xiàn)象： 一般

39、PID,當(dāng)有較大的擾動或大幅度改變設(shè)定值時(shí)，由于短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大的偏差，加上系統(tǒng)本身具有的慣性和滯后，在積分的作用下，將引起系統(tǒng)過量的超調(diào)和長時(shí)間的波動。 積分的主要作用： 在控制的后期消除穩(wěn)態(tài)偏差普通分離算法：大偏差時(shí)不積分抗積分飽和措施現(xiàn)象： 由于控制輸出與被控量不是一一對應(yīng)的，控制輸出可能達(dá)到限幅值，持續(xù)的積分作用可能使輸出進(jìn)一步超限，此時(shí)系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，當(dāng)需要控制量返回正常值時(shí)，無法及時(shí)“回頭”，使控制品質(zhì)變差 。 抗積分飽和算法： 輸出限幅，輸出超限時(shí)不積分當(dāng) 時(shí)， 采用 PD控制 當(dāng) 時(shí)，采用 PD控制 其他情況，正常的PID控制參數(shù)整定的基本概念 通過調(diào)整控制臺參數(shù)（Kc、 Ti

40、、 Td,）， 使控制器的特性與被控過程的特性相匹配, 以滿足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)。 n 數(shù)字PID的參數(shù)整定 除了Kc、 Ti、 Td 外，還需要確定系統(tǒng)的采樣周期（控制周期） T采樣周期選擇的原則(1). 必須滿足采樣定理的要求。 (2). 從控制系統(tǒng)的隨動和抗干擾性能來看，則小些好。干擾頻率越高，則采樣頻率最好也愈高，以便實(shí)現(xiàn)快速跟隨和快速抑制干擾。 (3). 根據(jù)被控對象的特性來選擇，快速系統(tǒng)的應(yīng)取小些，反之，可取大些。 (4). 根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型來選擇，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作慣性大時(shí)，可取大些，否則，執(zhí)行機(jī)構(gòu)來不及反應(yīng)控制器輸出值的變化。 (5). 從計(jì)算機(jī)能否精確執(zhí)行控制算式來

41、選擇，應(yīng)取大些。因?yàn)橛?jì)算機(jī)字長有限，過小，偏差值可能很小，甚至為 0，調(diào)節(jié)作用微弱，微分、積分作用不明顯?？刂埔?guī)律的選擇：1、對于一階慣性環(huán)節(jié)，負(fù)荷變換不大，工藝要求不高，可采用比例控制。例如，壓力、液位控制。2、對于一階慣性環(huán)節(jié)與純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)的對象，負(fù)荷變化不大，控制精度要求高，可采用比例積分控制3、對于純滯后較大，負(fù)荷變化較大，控制要求高的場合，可采用比例微分控制，如蒸汽溫度控制， PH值控制4、當(dāng)對象為高階又有滯后特性時(shí)，控制要求高，則采用PID控制，并運(yùn)用多種控制級聯(lián)手段。第六章伺服系統(tǒng)是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進(jìn)行動作， 從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動控制及驅(qū)動系統(tǒng)， 也

42、叫隨動系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的一類， 它的輸出變量通常是機(jī)械或位置的運(yùn)動， 它的根本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對給定指令的準(zhǔn)確跟蹤， 即實(shí)現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動、 連續(xù)、 精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律。伺服系統(tǒng)的分類 按系統(tǒng)組成元件劃分： 電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)電氣液壓伺服系統(tǒng)、電氣氣動伺服系統(tǒng)等。 按系統(tǒng)輸出量的物理性質(zhì)劃分： 速度伺服系統(tǒng)、加速度伺服系統(tǒng) 和 位置伺服系統(tǒng)等。 按系統(tǒng)中所包含的元件特性和信號作用特點(diǎn)劃分：模擬式伺服系統(tǒng) 和 數(shù)字式伺服系統(tǒng)。 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)劃分： 單回路伺服系統(tǒng)、多回路伺服系統(tǒng) 和 開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)組成盡管伺服

43、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型很多，但它與一般的反饋控制系統(tǒng)一樣，也是由控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分組成。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)本身特性決定的，即取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù)(如慣性、剛度、阻尼、增益等) ，與外界作用信號(包括指令信號和擾動信號) 的性質(zhì)或形式無關(guān)。對于位置伺服系統(tǒng)，當(dāng)運(yùn)動速度很低時(shí)，往往會出現(xiàn)一種由摩擦特性所引起的、被稱為“爬行”的現(xiàn)象，快速響應(yīng)性： 快速響應(yīng)性是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的另一項(xiàng)重要指標(biāo)?？焖夙憫?yīng)性有兩方面含義， 一是指動態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的迅速程度；二是指動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度。伺服系統(tǒng)對輸入指令信號的響應(yīng)速度常由系統(tǒng)

44、的上升時(shí)間來表征，它主要取決于系統(tǒng)的阻尼比。阻尼比小則響應(yīng)快，但阻尼比太小會導(dǎo)致最大超調(diào)量增大和調(diào)整時(shí)間加長，使系統(tǒng)相對穩(wěn)定性降低。伺服系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度用系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間來描述，并取決于系統(tǒng)的阻尼比和無阻尼固有頻率。當(dāng)阻尼比一定時(shí)，提高固有頻率值可以縮短響應(yīng)過程的持續(xù)時(shí)間。伺服系統(tǒng)的快速響應(yīng)性、穩(wěn)定性和精度三項(xiàng)基本性能要求是相互關(guān)聯(lián)的，在進(jìn)行伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的原則是： 必須首先滿足穩(wěn)定性要求，然后在滿足精度要求的前提下盡量提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性。除以上對一般伺服系統(tǒng)的基本性能要求之外，對機(jī)電一體化產(chǎn)品中常用的位置伺服系統(tǒng)，還有調(diào)速范圍、負(fù)載能力、可靠性、體積、質(zhì)量以及成本等方面的要求，

45、這些要求都應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)給予綜合考慮。氣壓系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的比較l 空氣可以從大氣中取之不竭且不易堵塞；將用過的氣體排入大氣，無需回氣管路處理方便；泄漏不會嚴(yán)重的影響工作，不污染環(huán)境。l 空氣粘性很小，在管路中的沿程壓力損失為液壓系統(tǒng)的干分之一，易于遠(yuǎn)距離控制。l 工作壓力低可降低對氣動元件的材料和制造精度要求。l 對開環(huán)控制系統(tǒng)，它相對液壓傳動具有動作迅速、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。l 維護(hù)簡便，使用安全，沒有防火、防爆問題；適用于石油、化工、農(nóng)藥及礦山機(jī)械的特殊要求。對于無油的氣動控制系統(tǒng)則特別適用于無線電元器件生產(chǎn)過程，也適用于食品和醫(yī)藥的生產(chǎn)過程。雙桿活塞缸的速度推力特性當(dāng)兩活塞桿直徑相同，供油壓力和流

46、量不變時(shí)， 活塞式液壓缸在左右兩個方向上的運(yùn)動速度和推力都相等。差動連接： 單桿活塞缸兩腔同時(shí)通入流體， 利用兩端面積差進(jìn)行工作的連接形式。差動連接的缸只能一個方向運(yùn)動。差動連接是在不增加液壓泵容量和功率的條件下，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動的好辦法。差動連接比簡單連接：液壓缸的推力小，速度高， 柱塞式液壓缸特點(diǎn)l 它是一種單作用式液壓缸，靠液壓力只能實(shí)現(xiàn)一個方向的運(yùn)動，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；l 柱塞只靠缸套支承而不與缸套接觸，這樣缸套極易加工，故適于做長行程液壓缸；l 工作時(shí)柱塞總受壓，因而它必須有足夠的剛度；l 柱塞重量往往較大，水平放置時(shí)容易因自重而下垂，造成密封件和導(dǎo)向單邊磨損，故其垂直使

47、用更有利。各種類型液壓缸的選擇機(jī)器的往復(fù)直線運(yùn)動直接采用液壓缸來實(shí)現(xiàn)是最簡單方便的。l 要求往返運(yùn)動速度和承受負(fù)載相同，采用 雙活塞桿式液壓缸；l 要求單向負(fù)載較大的工進(jìn)、另一方負(fù)載較小的快速退回，則宜用單活塞桿式液壓缸，并可考慮用 差動連接。l 行程較長時(shí)，可采用柱塞缸，以減少加工的困難；l 系統(tǒng)的壓力比較低，局部需要較大的壓力，可用 增壓缸；l 往復(fù)擺動運(yùn)動可用直線式液壓缸加連桿機(jī)構(gòu)或齒輪齒條機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，也可用擺動式液壓缸。液壓泵液壓泵是液壓系統(tǒng)的動力元件，其作用是將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，向系統(tǒng)提供一壓力和流量的液流 原理： 組成：偏心輪、柱塞、彈簧、缸體、兩個單向閥等。柱塞與缸體孔

48、之間形成密閉容積。泵是靠密封工作腔的容積變化進(jìn)行工作的液壓泵的主要性能參數(shù)（ 1） 壓力：液壓泵的壓力通常指泵的排液口排出液體所具有的相對壓力值，常用單位為帕(Pa或MPa)。在液壓泵中，常提到的壓力有額定壓力、最高壓力和實(shí)際壓力三種形式。額定壓力 -是指根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，液壓泵在正常工作條件下所允許的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的最大壓力，即液壓泵銘牌標(biāo)注的壓力值(亦稱公稱壓力) ，通常用 pH最高壓力是指根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，液壓泵超過額定壓力后所允許的短暫運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的最大壓力值，常用 pk表示。顯然，同一臺泵的pHpk 。液壓泵的最高壓力通常要受強(qiáng)度和密封條件的限制。實(shí)際工作壓力是指液壓泵在實(shí)際工作條件下

49、，排液口所具有的具體壓力值，簡稱為工作壓力。通常所提液壓泵的壓力就是指實(shí)際工作壓力。（ 2） 排量和流量 排量qB（ mL/r或L/r）在不考慮泄漏的情況下，液壓泵每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所排出的液體體積。它只與液壓泵的工作容積的幾何尺寸有關(guān)。（ 3） 效率液壓泵的效率是表征液壓泵在能量轉(zhuǎn)換過程中功率損耗的一個系數(shù)，可用 B 表示。液壓泵的效率包括容積效率(記為 Bv ) 和機(jī)械效率(記為 Bm ) 。液壓泵的容積效率是指實(shí)際流量QB與理論流量QBt的比值，液壓泵的機(jī)械效率Bm是指理論功率與實(shí)際輸入功率之比值，輸入功率NBi輸入功率是指在考慮泵機(jī)械損失前提下，泵所輸入的實(shí)際機(jī)械功率內(nèi)嚙合齒輪泵 分類漸開線齒形

50、內(nèi)嚙合齒輪泵、擺線齒形內(nèi)嚙合齒輪泵 特點(diǎn)：尺寸小、重量輕、運(yùn)動平穩(wěn)、噪音低；在高速時(shí) v高；在低速高壓下， 壓力脈動大， v低；一般用于中低壓系統(tǒng)。葉片泵優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，工作壓力較高，流量脈動小，工作平穩(wěn)，噪聲小，壽命較長。缺點(diǎn)：吸油特性不太好，對油液的污染也比較敏感，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝要求比較高。一般葉片泵工作壓力為7.0MPa，高壓葉片泵可達(dá)14.0MPa、 28MPa。按其排量是否可變分為定量泵和變量泵。 l 按作用次數(shù)的不同分為單作用泵和雙作用泵。驅(qū)動元件的特點(diǎn) 位置控制精度高、調(diào)速范圍寬，低速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性好，振動噪聲小。 具有很好的負(fù)載特性，即使在低速時(shí)，也應(yīng)有足夠的負(fù)載能力； 快速

51、性好，即加速轉(zhuǎn)矩大，具有快速響應(yīng)性； 能夠頻繁啟動、停轉(zhuǎn)和換向的工作要求； 成本低、可靠性好，壽命長，便于安裝和維修步進(jìn)電動機(jī)能將脈沖信號直接轉(zhuǎn)換成角位移(或直線位移) ，這在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中特別方便，使用它可省去數(shù)模轉(zhuǎn)換接口。最大缺點(diǎn)是容易失步，特別是在大負(fù)載和速度較高的情況下，失步更容易發(fā)生步進(jìn)電動機(jī)的分類按運(yùn)動方式分：有旋轉(zhuǎn)式、直線運(yùn)動式、平面運(yùn)動式和滾動運(yùn)動式。按工作原理分：有反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式、永磁式、永磁感應(yīng)式（混合式）。按使用場合分：有功率步進(jìn)電機(jī)和控制步進(jìn)電機(jī)。按電機(jī)結(jié)構(gòu)分：有單段式（徑向式）、多段式（軸向式）、印刷繞組式。按工作相數(shù)分：有三相、四相、五相等。按使用頻率分

52、：有高頻步進(jìn)電機(jī)和低頻步進(jìn)電機(jī)。數(shù)控機(jī)床中使用較多的是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)走一步所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角步距誤差是指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子每一步實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度與理論步距角之差值。空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動，并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率運(yùn)行頻率是指步進(jìn)電動機(jī)起動后，當(dāng)控制脈沖頻率連續(xù)上升時(shí)，步進(jìn)電動機(jī)能不失步的最高頻率如果在電機(jī)軸上外加一個負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個角度 ，角度 稱為失調(diào)角。步進(jìn)電動機(jī)性能參數(shù) 步距角與步距誤差 啟動頻率和運(yùn)行頻率 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩、失調(diào)角與矩角特性有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個靜態(tài)轉(zhuǎn)

53、矩（也稱為電磁轉(zhuǎn)矩），這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系叫矩角特性 最大啟動轉(zhuǎn)矩Mq 保持轉(zhuǎn)矩 矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電動機(jī)的控制原理步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電動機(jī)。位移量的控制：向步進(jìn)電動機(jī)送一個控制脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個角度或移動一個直線位移，稱為一步；脈沖數(shù)增加，角位移(或線位移) 隨之增加，即脈沖數(shù)決定位移量。進(jìn)給速度的控制：脈沖頻率高，則步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就高，反之則低，即脈沖頻率決定進(jìn)給速度。運(yùn)動方向的控制：改變分配脈沖的相序，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，從而改變運(yùn)動方向。驅(qū)動電源由脈沖分配器、功率放大器組成。直流伺服電機(jī)與交流伺服

54、電機(jī)性能的比較： 低速平穩(wěn)； 轉(zhuǎn)速高； 容易控制； 成本低。 電機(jī)壽命與電刷壽命有關(guān)直流電機(jī)的缺點(diǎn)：電刷和換向器易磨損，有時(shí)產(chǎn)生火花；換向器的制作工藝復(fù)雜；電機(jī)的最高速度受到限制；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高近年來交流電機(jī)飛速發(fā)展，克服了直流電機(jī)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了 堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠、動態(tài)響應(yīng)好，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。因此，在某些場合，交流伺服電機(jī)已逐漸取代直流伺服電機(jī)。自動控制系統(tǒng)對交流伺服電動機(jī)的要求主要有以下幾點(diǎn)：1、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向應(yīng)方便地受控制信號的控制，調(diào)速范圍要大；2、整個運(yùn)行范圍內(nèi)的特性應(yīng)接近線性關(guān)系，保證運(yùn)行的穩(wěn)定性；當(dāng)控制信號消除時(shí)，伺服電動機(jī)應(yīng)立即停轉(zhuǎn)，即電動機(jī)無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象；4、控制功

55、率要小，啟動力矩應(yīng)大；5、機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小，啟動電壓要低。當(dāng)控制信號變化時(shí)，反應(yīng)應(yīng)快速靈敏。磁帶式和反應(yīng)式同步電機(jī)存在效率低、 功率因數(shù)差、 制造容量不大等缺點(diǎn)在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的交流電機(jī)一般都為三相永磁式同步電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、效率高；缺點(diǎn)：體積大、啟動特性欠佳；與直流電機(jī)相比：外形尺寸、重量、轉(zhuǎn)子慣量大幅減小與異步交流伺服電機(jī)相比：效率高、體積小 因此，在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)中多數(shù)采用永磁式交流同步電機(jī)。異步交流伺服電機(jī)與同容量的直流電機(jī)相比的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：重量輕、價(jià)格便宜；缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)速受負(fù)載的變化影響較大，不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速； 相當(dāng)于感應(yīng)式交流異步電機(jī)，一般用在主軸驅(qū)

56、動系統(tǒng)中。永磁交流同步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件組成。電壓技術(shù)數(shù)據(jù)表中的勵磁電壓和控制電壓都是額定值。勵磁繞組的額定電壓一般允許上下變動范圍為5%。 頻率控制電機(jī)常用的頻率分低頻和中頻兩大類，低頻為50HZ（或60HZ）。中頻為400HZ（或500HZ）。在使用不同頻率電機(jī)時(shí)要用相應(yīng)頻率的電源。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，堵轉(zhuǎn)電流定子兩相繞組加上額定電壓，轉(zhuǎn)速等于0時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。此時(shí)流經(jīng)勵磁繞組和控制繞組的電流分別為堵轉(zhuǎn)勵磁電流和堵轉(zhuǎn)控制電流。 空載轉(zhuǎn)速定子兩相繞組加上額定電壓，電機(jī)不帶任何負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速為空載轉(zhuǎn)速。 額定輸出功率在電機(jī)對稱運(yùn)行時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近空載轉(zhuǎn)速一半時(shí)，此時(shí)輸出功率最大，此功率為額定功率，此點(diǎn)為額定狀態(tài)點(diǎn)。方案設(shè)計(jì)在進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮以下方面的問題：1系統(tǒng)閉環(huán)與否的確定2執(zhí)行元件的選擇3傳動機(jī)構(gòu)方案的選擇運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動的傳動機(jī)構(gòu)主要有齒輪齒條控制系