机电一体化系统设计课件第6章控制系统设计

第6章控制系统设计,机械结构和电气硬件集成电路以后，由于自身的特性的局限和运动的不确定性，并不能实现特定功能的良好的运行。必须在功能和物理特性的约束的基础上进行合理的控制系统设计。,2,6.1对机电一体化系统的基本设置,。将机械技术与电子技术相结合则可以在重负载条件下实现微小运动和复杂运动，使机械具有柔性和智能。,3,闭环控制系统往往存在对立的关系,系统精度和稳定性:提高控制系统的精度，可以通过加快频率响应，增大回路增益来实现。增大回路增益会引起自激振荡快速性和稳定性:减小驱动输出，这虽然可使发振停止.但驱动力不足，使系统不能跟踪快速变化的目标值，导致快速性及动态精度降低。,4,解决方法,需要在机械和电子控制系统之间，找到某种平衡,5,6.11伺服刚度伺服刚度定义,闭环系统这种类似弹簧的特性称为伺服刚度K。伺服刚度越大，外力引起的位置控制误差越小。(施加外力时，轴会回转一定角度，但除去外力时，轴会回到原来的位置。)电气部分刚度如何理解,6,系统刚度关系,驱动部分的伺服刚度系数为KS，机械部分的刚度系数为Kj,系统总刚度Ka为,机械部分刚度Kj驱动部分刚度KS，是使系统稳定的必要条件。,7,设计要求,对于确定的机械系统，其刚度是一定的。一旦确定，是不容易改变的，必须在设计时就认真考虑并作出合理选择。而对于驱动部分，可通过调整伺服放大器和驱动放大器的增益，其刚度可以容易地改变。两部分合理的关系应为机械部分的刚度大于或等于驱动部分的刚度的三倍,刚度比（K=Kj/Ks）越大,系统越趋向于稳定。,6.1.2固有振动频率,驱动部分和机械部分的固有频率的相互关系是影响控制系统稳定性的重要因素。,9,以位置控制系统为例,10,以电压为输入、以角位移为输出的驱动部分的传递函数G1(j),可近似地由下式表示,11,与驱动马达直接连接的机械部分的传递函数可以近似表示为,、,、,驱动部分、机械部分的固有角频率,K驱动部分的固有频率,12,假设,（输入为电压，输出为位移），则系统的开环传递函数为,13,结论,要想得到高速、高精度的位置控制，需要有较大的位置控制增益。在稳定范围内，希望机械部分的固有频率要比驱动部分的固有频率大。对于数控机床及机器人的位置控制，机械部分的固有频率要比驱动部分的固有频率大3倍以上。,6.1.3启动力矩,应使机械部分的启动力（力矩）尽量小一些，驱动部分的输出尽量大一些。,15,具体方法,（1）可以采用减速机来使折算到驱动轴上的负载力矩减小。（2）要使负载保持高速度而不采用减速装置时，可以通过增大开环增益来使低速域的驱动马达输出提高。将开环增益增大到原来的m倍，微小输入电压域的驱动马达输出速度就增大到原来的m倍。,6.1.4空动,运动机构换向时，如果传动链中存在间隙，会使目标运动的反向滞后于指令信号。这种运动机构在某一从正方向进行控制和负方向进行控制时两停止位置的差，被称为空动，也称反向间隙。,17,在系统设计时，应采取以下措施消除齿轮传动中的间隙。,（1）增大开环增益法（2）局部反馈法（3）机械结构消除法(4）减小传动链法,62机电一体化系统的控制需求和控制方法,对象特性、数学模型与控制方案,19,物理层系统部件存在缺陷,系统的各个部件运行一般不具有同时性，各个部件有不同的动态反应。尤其是驱动部件，往往具有参数不确定性。许多部件也具有非线性。干扰的广泛存在和负载的变化使运行不稳定。,20,解决办法(结论),1需要考虑到各个部件的控制2这些控制要能统一起来3因此需要进行控制设计4最终形成一套控制结构,21,62.1对象特性与数学模型,常用的数学模型(Mathematicalprocessmodels)有基于拉普拉斯变换的传递函数模型和状态空间模型。由于系统复杂性的提高、控制性能的需求和作为核心控制技术实现部件的微处理器的性能的增强，状态空间模型得到了越来越广泛的应用。,22,对象特性,传动部件是可线性化的，如果运动是单向的，则能够线性化；对于双向的运动，库仑摩擦（CoulombFriction）产生迟滞性（Hysteresis），导致非线性模式。然而，使用方向相关线性模型也是可能的。电机和工作过程常具有非线性些参数，如质量和刚度是已知的，其它的参数，如阻尼和摩擦系数，负载参数，是未知的和时变的，模型阶N在3到20之间，因此，建模和计算机代数的软件工具应该使用，也需要模型精减技术,23,补充说明,其中特性最复杂的部分是交流异步电动机非线性、时变、高阶、参数未知,24,622参数和状态估计,机电一体化系统常使用的非线性模型是：非线性静态多项式、线性动态特性的或者是参数线性化的非线性动态特性的滞后曲线。测量输入和输出信号的因果关系（Causalrelations）可用于获得内部过程行为的信息。即参数和状态估计。参数和状态估计(Parameterandstateestimation)方法是对于自适应控制、自适应阻尼或故障检测模型是基础。,25,6.2.3反馈与前馈控制,为了稳定被控量和所要求的运动，主要应采用闭环控制，也就是反馈控制。所应用的前馈和反馈控制算法依赖于电气的、机械的、液压的、气动的和热力的过程的个体性质。可以把反馈控制应用于更低或更高的水平的控制器、参考值产生单元和控制参数自适应中。,26,具体应用,较低层反馈的目标是提供一定的动态特性（即增加阻尼），以补偿象摩擦这样的非线性，减少参数的敏感性，使系统稳定。,27,实例一,高频振荡阻尼(Dampingofhigh-frequentoscillations)：弱阻尼振荡出现在多质点驱动链或气动和液压执行器的情况。通过对输出的滤波和使用状态变量或比例微分反馈一般可以改善阻尼过程,28,实例二,非线性静态特性补偿(Compensationofnonlinearstaticcharacteristics)：非线性静态特性出现在机电任务的许多子系统中。假定非线性静态特性为FD=f(U),则可以使用U=f-1(U)这样的逆特性加以补偿，这样FD=f(U)的I/O特性就变为近似线性。然后就可以使用线性PID控制器进行控制。,29,实例三,摩擦补偿(Frictioncompensation)：对许多机械系统来说，全局摩擦可以近似表示为其中fFC是库仑摩擦，fFV是依赖于运动干扰抵抗的也就是来自于负载变化线性粘性摩擦系数。这个高层次控制器可以用PID型的或者是内模控制器型的参数优化控制器来实现，也可以用带有或不带状态观测器的状态控制器来实现。,30,前馈控制,如果没有有效地测量被控变量的适当的传感器的话，就要使用前馈控制。,31,应用实例,可以用象静态非线性u=f(y)或非线性散转表u=f(y)这样的简单比例环节或PD算法来是实现。最后的情况用于内燃机控制的场合，这时转矩和放射传感器不好使，所有情况的稳定性问题都要避免。,32,顺序控制,对于重复操作（机床，印刷机）、起停（发动机）或自动齿轮这样的任务，可观部分的机电一体化系统的自动控制是由顺序控制完成的。,33,滑模控制器,非线性执行器的位置控制的一个替代方法它由反馈线性化的正规部分和补偿模型不定性的附加反馈组成。包含开关函数的结果振动产生一个高频抖动信号。,34,稳定性(Stabilization)控制,象磁支撑、磁悬浮列车或轨道车这样的不稳定机电一体化系统，可以通过适当的反馈规律在较低的控制层进行稳定。稳定反馈通常包括微分项，在磁力执行器的情况下，包括非线性补偿项。,35,开关执行器控制(Switchingactuatorcontrol)：PWM,线圈（solenoid）或气膜型（pneumaticmembrane-type）的低成本执行器通常由高频脉宽调制输入信号控制使得较低频段的位置控制或液体压力控制显现线性特性。,36,进一步控制讨论,较低层控制的控制方案可以通过针对负载或与机械任务耦合的工作任务附加反馈控制器进行扩展，导致多重串级控制系统。先进控制算法应用的先决条件（prerequisite）是使用良好适应的任务模型。这导出自校正或自适应控制系统。,37,624参数自适应控制,在常规控制中，大多数的过程以确定的方式改变参数。在整个工作范围内和整个使用期内可以通过自适应控制来获得改进的性能。参数估计已经被证明是机械过程的自适应控制的基础。这个机械过程包括：非线性，库仑摩擦，象质量、刚度和阻尼这样的未知参数。,38,参数调度(parameterscheduling)：,基于变化运行条件测量的参数调度是处理已知和近似时不变过程非线性的有效方法。设有与过程变化相关的可测辅助变量V，控制器参数的适应性作为V的函数（参数调度）实现。,39,参数自适应控制系统(Parameter-adaptivecontrolsystems)：,参数自适应控制系统以使用参数过程模型用的参数辨识为特征。如果能够满足设计和收敛性的假定，数字自适应控制可以很好工作。这包括过程动态性能的的适当的激励，也包括适当的结构。对于违反假定的情况，可以采取适当行动的监控层是必要的。,40,6.2.5智能控制,机电一体化系统中的控制可以在简单的控制功能到智能控制（intelligentcontrol）之间。智能控制包括模糊控制、专家系统、神经元网络和遗传算法等。,41,模糊逻辑控制(Fuzzycontrol),模糊逻辑提供了处理不明确的变量和知识的系统框架,42,应用场合,传感器产生了不准确的输出过程行为只是定性的掌握自动功能不能用方程或布尔代数来表示,43,为专家系统,包括以下内容：多层控制功能（执行功能），知识库，推理机制（inferencemechanisms）,通信接口。,44,62.6监控和故障诊断,智能系统的一个重要特点就是部件的自动监控和故障诊断。,45,应用场合,外部故障通常是由电源、污染和碰撞引起内部故障通常是由磨损、缺少润滑或执行器、传感器故障引起。,46,输出变量可测情况,如果故障直接影响可测输出变量，它可以通过适当的信号评估检测出来。如果测量的量相对于正常值的容差进行检测，超过容差就触发报警，相应的功能叫做监测（monitoring）在超过限定值显示危险状态的情况下，适当的操作就自动地运行。这叫做自动保护（automaticprotection）。,47,全局监测,几个重要的测量变量的限定值检测的经典方法适用的于全局监测。然而，进行中的部件错误只能在相当晚的状态下检测出来，可用信息不容许进行故障诊断。使用过程模型可以进行与正规的测量变量相关的早期的故障检测。象状态变量和参数这类不可测量可以被估计。如果同样的模型可以既用于（适应的）控制器设计，又用于故障检测，那就有更好的结果。如果故障检测基于参数估计或等价方程，更倾向于使用连续时间模型。对于状态估计的故障检测，还是使用等价方程离散时间模型。,627一般控制结构,对象的一般性和控制方法的通用性形成了相对稳定的控制结构。通常的控制系统结构以多层方式构成，如图6-2所示。,49,50,63控制系统设计,就可以针对控制要素进行概念设计。最后，应进行必要的仿真研究和论证。,51,631控制要素,数学模型的确定(包括参数辨识)(物理层)控制算法的选择(前述),控制算法的应用组合方式(环路)控制结构,52,632控制系统的概念设计方法,针对控制系统设计中所涉及的控制要素，可以采用第四章的概念设计方法进行控制设计，既进行概念方案的形态分析和概念方案的选择。,53,633控制系统的仿真研究,54,应用实例,进行一个可联网的单回路调节器,55,功能结构,电能,电能/热/声,A/D,D/A,输入控制,输出控制,Profibus-DP,Profibus-DP,接口,微处理器,电源,56,硬件设计:总体布局,57,硬件设计:方案产生,电源:三端稳压器/开关电源微处理器:51兼容/DSP/ARM总线接口:人机界面,58,硬件设计:方案确定,59,控制设计:方案产生,对象:大惯性/带未建模/算法:PID/PID串模糊/PID并模糊/TD模糊环路:单环/双环/其它,60,控制设计:方案确定,大惯性+非线性+未建模TD模糊双环结构,61,6.4控制结构与硬件结构,控制结构通过系统结构实现,涉及控制器、连接和给定要求。上面介绍都是单元集成式的。还有其它形式上位-下位结构：算法、界面在上位，执行和输出在下位，有线通讯连接分布式结构DCS现场总线式结构FCS,62,网络式控制结构：互联网或以太网无线式控制结构：ZIGBEE、WI-FI、蓝牙、射频,63,MECHATRONICTOOLSFORTHEMODELINGANDDESIGNOFSERVOMOTORACTUATEDBELTDRIVENMOTIONSYSTEMS,64,65,66,67,MODELINGANDANALYSIS,FrequencyResponseAnalysis,68,69,70,71,72,73,74,ThebrushedDCmotor,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,Thebeltdrive,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94,95,96,97,REALTIMECONTROL,Theywerethenimplementedusingamemberofthe