1、第6章 控制系統設計機械結構和電氣硬件集成電路以后，由于自身的特性的局限和運動的不確定性，并不能實現特定功能的良好的運行。必須在功能和物理特性的約束的基礎上進行合理的控制系統設計。 26.1 對機電一體化系統的基本設置 。將機械技術與電子技術相結合則可以在重負載條件下實現微小運動和復雜運動，使機械具有柔性和智能。 3閉環控制系統往往存在對立的關系 系統精度和穩定性 :提高控制系統的精度，可以通過加快頻率響應，增大回路增益來實現。增大回路增益會引起自激振蕩 快速性和穩定性 :減小驅動輸出，這雖然可使發振停止 .但驅動力不足，使系統不能跟蹤快速變化的目標值，導致快速性及動態精度降低。 4解決方法

2、需要在機械和電子控制系統之間，找到某種平衡 56.11 伺服剛度伺服剛度定義 閉環系統這種類似彈簧的特性稱為伺服剛度K。伺服剛度越大，外力引起的位置控制誤差越小。(施加外力時，軸會回轉一定角度，但除去外力時，軸會回到原來的位置。) 電氣部分剛度如何理解6系統剛度關系驅動部分的伺服剛度系數為KS，機械部分的剛度系數為Kj,系統總剛度Ka為jsaKKK111機械部分剛度Kj驅動部分剛度KS，是使系統穩定的必要條件。 7設計要求 對于確定的機械系統，其剛度是一定的。一旦確定，是不容易改變的，必須在設計時就認真考慮并作出合理選擇。而對于驅動部分，可通過調整伺服放大器和驅動放大器的增益，其剛度可以容易地

3、改變。兩部分合理的關系應為機械部分的剛度大于或等于驅動部分的剛度的三倍,剛度比（K=Kj/Ks）越大,系統越趨向于穩定。6.1.2 固有振動頻率驅動部分和機械部分的固有頻率的相互關系是影響控制系統穩定性的重要因素。 9以位置控制系統為例 10以電壓為輸入、以角位移為輸出的驅動部分的傳遞函數G1(j) ),可近似地由下式表示2111221)(2)()(jjjKjG11與驅動馬達直接連接的機械部分的傳遞函數可以近似表示為222222)(2)()(jjjG12、 驅動部分、機械部分的固有角頻率,K驅動部分的固有頻率12 假設1)(jH（輸入為電壓，輸出為位移），則系統的開環傳遞函數為 )()()(2

4、10jGjGjG13結論 要想得到高速、高精度的位置控制，需要有較大的位置控制增益。在穩定范圍內，希望機械部分的固有頻率要比驅動部分的固有頻率大。對于數控機床及機器人的位置控制，機械部分的固有頻率要比驅動部分的固有頻率大3倍以上。6.1.3 啟動力矩應使機械部分的啟動力（力矩）盡量小一些，驅動部分的輸出盡量大一些。 15具體方法 （1）可以采用減速機來使折算到驅動軸上的負載力矩減小。 （2）要使負載保持高速度而不采用減速裝置時，可以通過增大開環增益來使低速域的驅動馬達輸出提高。將開環增益增大到原來的m倍，微小輸入電壓域的驅動馬達輸出速度就增大到原來的m倍。6.1.4 空動運動機構換向時，如果傳

5、動鏈中存在間隙，會使目標運動的反向滯后于指令信號。這種運動機構在某一從正方向進行控制和負方向進行控制時兩停止位置的差，被稱為空動，也稱反向間隙。 17在系統設計時，應采取以下措施消除齒輪傳動中的間隙。 （1）增大開環增益法 （2）局部反饋法 （3）機械結構消除法 (4）減小傳動鏈法62 機電一體化系統的控制需求和控制方法對象特性、數學模型與控制方案19物理層系統部件存在缺陷 系統的各個部件運行一般不具有同時性，各個部件有不同的動態反應。 尤其是驅動部件，往往具有參數不確定性。 許多部件也具有非線性。 干擾的廣泛存在和負載的變化使運行不穩定。 20解決辦法(結論) 1 需要考慮到各個部件的控制

6、2 這些控制要能統一起來 3 因此需要進行控制設計 4 最終形成一套控制結構2162.1 對象特性與數學模型 常用的數學模型(Mathematical process models)有基于拉普拉斯變換的傳遞函數模型和狀態空間模型。由于系統復雜性的提高、控制性能的需求和作為核心控制技術實現部件的微處理器的性能的增強，狀態空間模型得到了越來越廣泛的應用。22對象特性 傳動部件是可線性化的， 如果運動是單向的，則能夠線性化；對于雙向的運動，庫侖摩擦（Coulomb Friction）產生遲滯性（Hysteresis），導致非線性模式。然而，使用方向相關線性模型也是可能的。 電機和工作過程常具有非線性

7、 些參數，如質量和剛度是已知的，其它的參數，如阻尼和摩擦系數，負載參數，是未知的和時變的， 模型階N在3到20之間，因此，建模和計算機代數的軟件工具應該使用，也需要模型精減技術 23補充說明 其中特性最復雜的部分是交流異步電動機 非線性、時變、高階、參數未知24622 參數和狀態估計 機電一體化系統常使用的非線性模型是：非線性靜態多項式、線性動態特性的或者是參數線性化的非線性動態特性的滯后曲線。 測量輸入和輸出信號的因果關系（Causal relations）可用于獲得內部過程行為的信息。即參數和狀態估計。 參數和狀態估計(Parameter and state estimation)方法是對

8、于自適應控制、自適應阻尼或故障檢測模型是基礎。256.2.3 反饋與前饋控制 為了穩定被控量和所要求的運動，主要應采用閉環控制，也就是反饋控制。所應用的前饋和反饋控制算法依賴于電氣的、機械的、液壓的、氣動的和熱力的過程的個體性質。可以把反饋控制應用于更低或更高的水平的控制器、參考值產生單元和控制參數自適應中。26具體應用較低層反饋的目標是提供一定的動態特性（即增加阻尼），以補償象摩擦這樣的非線性，減少參數的敏感性，使系統穩定。 27實例一 高頻振蕩阻尼(Damping of high-frequent oscillations)：弱阻尼振蕩出現在多質點驅動鏈或氣動和液壓執行器的情況。通過對輸出

9、的濾波和使用狀態變量或比例微分反饋一般可以改善阻尼過程 28實例二 非線性靜態特性補償(Compensation of nonlinear static characteristics)：非線性靜態特性出現在機電任務的許多子系統中。假定非線性靜態特性為FD=f(U),則可以使用U=f-1(U)這樣的逆特性加以補償，這樣FD=f(U)的I/O特性就變為近似線性。然后就可以使用線性PID控制器進行控制。29實例三 摩擦補償(Friction compensation)：對許多機械系統來說，全局摩擦可以近似表示為其中fFC是庫侖摩擦，fFV是依賴于運動干擾抵抗的也就是來自于負載變化線性粘性摩擦系數。

10、 這個高層次控制器可以用PID型的或者是內模控制器型的參數優化控制器來實現，也可以用帶有或不帶狀態觀測器的狀態控制器來實現。)()()(tYftYsignftFFVFCF30前饋控制如果沒有有效地測量被控變量的適當的傳感器的話，就要使用前饋控制。 31應用實例 可以用象靜態非線性u=f(y)或非線性散轉表u=f(y)這樣的簡單比例環節或PD算法來是實現。 最后的情況用于內燃機控制的場合，這時轉矩和放射傳感器不好使，所有情況的穩定性問題都要避免。32順序控制 對于重復操作（機床，印刷機）、起停（發動機）或自動齒輪這樣的任務，可觀部分的機電一體化系統的自動控制是由順序控制完成的。33滑模控制器 非

11、線性執行器的位置控制的一個替代方法 它由反饋線性化的正規部分和補償模型不定性的附加反饋組成。 包含開關函數的結果振動產生一個高頻抖動信號。 34穩定性(Stabilization) 控制 象磁支撐、磁懸浮列車或軌道車這樣的不穩定機電一體化系統，可以通過適當的反饋規律在較低的控制層進行穩定。 穩定反饋通常包括微分項，在磁力執行器的情況下，包括非線性補償項。35開關執行器控制(Switching actuator control) ：PWM 線圈（solenoid）或氣膜型（pneumatic membrane-type）的低成本執行器通常由高頻脈寬調制輸入信號控制 使得較低頻段的位置控制或液體壓

12、力控制顯現線性特性。36進一步控制討論 較低層控制的控制方案可以通過針對負載或與機械任務耦合的工作任務附加反饋控制器進行擴展，導致多重串級控制系統。 先進控制算法應用的先決條件（prerequisite）是使用良好適應的任務模型。這導出自校正或自適應控制系統。 37624 參數自適應控制 在常規控制中，大多數的過程以確定的方式改變參數。在整個工作范圍內和整個使用期內可以通過自適應控制來獲得改進的性能。 參數估計已經被證明是機械過程的自適應控制的基礎。這個機械過程包括：非線性，庫侖摩擦，象質量、剛度和阻尼這樣的未知參數。38參數調度(parameter scheduling)： 基于變化運行條件

13、測量的參數調度是處理已知和近似時不變過程非線性的有效方法。 設有與過程變化相關的可測輔助變量V，控制器參數的適應性作為V的函數（參數調度）實現。39參數自適應控制系統(Parameter-adaptive control systems)： 參數自適應控制系統以使用參數過程模型用的參數辨識為特征。 如果能夠滿足設計和收斂性的假定，數字自適應控制可以很好工作。 這包括過程動態性能的的適當的激勵，也包括適當的結構。 對于違反假定的情況，可以采取適當行動的監控層是必要的。406.2.5 智能控制 機電一體化系統中的控制可以在簡單的控制功能到智能控制（intelligent control）之間。智能

14、控制包括模糊控制、專家系統、神經元網絡和遺傳算法等。41模糊邏輯控制(Fuzzy control) 模糊邏輯提供了處理不明確的變量和知識的系統框架 42應用場合 傳感器產生了不準確的輸出 過程行為只是定性的掌握 自動功能不能用方程或布爾代數來表示 43為專家系統 包括以下內容：多層控制功能（執行功能），知識庫，推理機制（inference mechanisms）,通信接口。 4462.6 監控和故障診斷 智能系統的一個重要特點就是部件的自動監控和故障診斷。 45應用場合 外部故障通常是由電源、污染和碰撞引起 內部故障通常是由磨損、缺少潤滑或執行器、傳感器故障引起。 46輸出變量可測情況 如果故

15、障直接影響可測輸出變量，它可以通過適當的信號評估檢測出來。 如果測量的量相對于正常值的容差進行檢測，超過容差就觸發報警，相應的功能叫做監測（monitoring） 在超過限定值顯示危險狀態的情況下，適當的操作就自動地運行。這叫做自動保護（automatic protection）。47全局監測 幾個重要的測量變量的限定值檢測的經典方法適用的于全局監測。然而，進行中的部件錯誤只能在相當晚的狀態下檢測出來，可用信息不容許進行故障診斷。 使用過程模型可以進行與正規的測量變量相關的早期的故障檢測。象狀態變量和參數這類不可測量可以被估計。 如果同樣的模型可以既用于（適應的）控制器設計，又用于故障檢測，那

16、就有更好的結果。如果故障檢測基于參數估計或等價方程，更傾向于使用連續時間模型。對于狀態估計的故障檢測，還是使用等價方程離散時間模型。 627 一般控制結構對象的一般性和控制方法的通用性形成了相對穩定的控制結構。通常的控制系統結構以多層方式構成，如圖6-2所示。 495063 控制系統設計 就可以針對控制要素進行概念設計。最后，應進行必要的仿真研究和論證。51631 控制要素控制要素 數學模型的確定 (包括參數辨識)(物理層) 控制算法的選擇(前述) ,控制算法的應用組合方式(環路) 控制結構52632 控制系統的概念設計方法 針對控制系統設計中所涉及的控制要素，可以采用第四章的概念設計方法進行

17、控制設計，既進行概念方案的形態分析和概念方案的選擇。 53633 控制系統的仿真研究54應用實例 進行一個可聯網的單回路調節器55功能結構電能電能/熱/聲A/DD/A輸入控制輸出控制Profibus-DPProfibus-DP接口微處理器電源56硬件設計:總體布局57硬件設計:方案產生 電源:三端穩壓器/開關電源 微處理器:51兼容/DSP/ARM 總線接口: 人機界面58硬件設計:方案確定59控制設計:方案產生 對象:大慣性/帶未建模/ 算法:PID/PID串模糊/PID并模糊/TD模糊 環路:單環/雙環/其它60控制設計:方案確定 大慣性+非線性+未建模 TD模糊 雙環結構616.4 控制

18、結構與硬件結構 控制結構通過系統結構實現,涉及控制器、連接和給定要求。 上面介紹都是單元集成式的。還有其它形式 上位-下位結構：算法、界面在上位，執行和輸出在下位，有線通訊連接 分布式結構DCS 現場總線式結構FCS62 網絡式控制結構：互聯網或以太網 無線式控制結構：ZIGBEE、WI-FI、藍牙、射頻63MECHATRONIC TOOLS FOR THE MODELING ANDDESIGN OF SERVO MOTOR ACTUATED BELTDRIVEN MOTION SYSTEMS64656667MODELING AND ANALYSIS Frequency Response Analysis68697071727374The brushed DC motor75767778798081828384The belt drive85868788899091929394959697REAL TIME CONTROL They were then implemented using a member of the C2000 familyformally de