机电一体化技术与系统 教学课件作者 周德卿 笫6章 机电一体化控制系统设计1

1、第6章 机电一体化系统与设计 ?机电一体化技术与系统?机械工业出版社主编 周德卿1 第6章 机电一体化系统与设计6.1 机电一体化控制系统构成 机电一体化控制系统是机电一体化产品中最重要的部份，主要实现内部和外部的各部份协调、控制及信息处理等。 应用于不同被控对象和控制目标的机电一体化控制系统，在控制装置、控制原理和控制结构上往往有很大差异，例如全自动洗衣机与机床数控系统是完全不同的。 全自动洗衣机控制系根本上是个定值系统，即根据衣服数量、品种、脏污程度，控制器进行定时清洗与脱水、定水量及定洗涤剂等控制，以最终自动实现洗净衣服的控制目标。 而机床数控系统控制系统那么是随动控制系统，即跟踪加工零

2、件轮廊编程数值位置给定值是按零件轮廊变化的，以实现机械零件自动加工。但是，它们根本构成那么是相同的，如6-1图所示。2图6-1 机电一体化控制系统的根本构成原理框图由图6-1可见，机电一体化控制系统是由传感器、控制器、执行机构包括电动机、传动机械、执行机械和被控对象所构成的整体。 被控对象-可以是一个过程，例如化工、冶金，纺织等生产过程；也可以是一台设备如机床、机器人或一条生产线如饮料自动灌装生产线、数控FMS柔性加工系统等。 e-是给定值与传感器检测反响的被控参数实际值之偏差 ，该给定值可以是定值也可以如零件轮廓程序那样是随时间变化的数值。 u-是控制器输出，经转换、放大如D/A转换、功率放

3、大器，驱动执行机构，控制或调节被控对象的位置、速度、力矩、物理或化学参数等，从而实现控制的目标。 是控制器对偏差e的比例、积分、微分校正算法。3 6.2 机电一体化控制系统分类1.顺序控制和反响控制按在机电一体化控制系统控制器中是否存在被控对象状态函数分有： 顺序控制依据时间、行程、其它逻辑条件等决定被控对象运行步骤，例如组合机床、各种自动生产流水线等。 反响控制依据被控对象运行状态、位置、物理参数等来决定被控对象的变化趋势，一般有传感器进行反响的是闭环控制系统，如变频空调的温度控制。 当空调房间受到人数的变化、散热条件变化等外界干扰时，房间实际温度值与设定值(例如25Co)有偏差时，空调微机

4、控制器就自动调节供给制冷压缩机电源的频率，使压缩机运转速度发生变化，也就改变了制冷量。此时装于吹风机上的温度传感器测量并将房间温度变化反响至微机控制器，再与设定温度值比较。当温度偏差值到达允许的范围内时，微机控制器保持压缩机供电电源频率不变，也就保持压缩机速度不变，制冷量也维持不变，整个控制系统处于一个新的平衡状态。42.定值系统、随动系统和程控系统按系统输出变化规律分类的，类型有：定值系统-在外界干扰下，系统输出仍根本保持常量。例如加热炉温度定值自动调节系统如图6-2a所示， 图6-2a是原理框图。 随动系统-系统输出能适应输入在较大范围内按任意规律变化，例如数控机床伺服系统、坦克火控系统等

5、，图6-3 示出了有位置反响能随动跟踪零件轮廓的数控系统。 程序控制系统-系统输出按既定程序变化，而不管外界条件是如何变化。例如由可编程控制器控制的数控冲床、高层电梯、交通指挥灯等，图6-4所示的就是一个程序控制系统控制的机械零件装配机器人。 5 图6-2 加热炉炉温定值自动调节系统a)加热炉温度定值自动调节系统 b加热炉温度定值自动调节系统原理框图6 图6-3 有位置反响的随动跟踪零件轮廊数控系统图6-4 机器人装配机械零件程序控制系统7 3.连续控制系统和离散控制系统这是按系统中所处理信号的形式来分类的，类型有：连续控制系统-信号是以模拟量形式被处理和传输的，控制器采用硬件模拟电路来实现。

6、如化工生产过程中各种流量、压力、温度、液位等自动化仪表进行自动测量与自动调节控制。离散控系统-采用计算机对数字信号进行处理，控制器是以软件算法为主的数字调节器。如前述的机床数控系统。 4.其它系统按机电一体化控制系统被控对象自身特性和控制算法来分类，可将控制系统分为线性系统与非线性系统；确定系统与随机系统；时变系统与时不变系统；以及自适应、自学习、神经元网络控制系统等。如图6-5所示的火箭发射飞行姿态控制就是一种时变与自适应控制系统，因为在火箭离开地球飞向太空过程中，其所受到地心引力、空气阻力、火箭燃料重量等参数随时间在不断变化，所以控制参数也要自动调节以自动适应外界条件的这种变化，从而使火箭

7、飞行按预定的姿态飞行。8图6-5 火箭发射飞行姿态控制 的时变与自适应控制系统9 6.3 机电一体化控制系统数学模型的建立 利用经典控制论或现代控制论知识和分析工具，建立控制系统数学模型.以单关节机械手为例： 1.数学模型的建立 图6-7所示是简单的机械手控制系统模型，关节直接与直流电机连接，其转角用光电编码器来检测。以下推导表达从控制电机的输入电压 u 到关节转角的动态状态方程式。 解:设臂杆绕旋转中心P的转动惯量为Jp: Jp=JzmL2 式中:Jz为旋转轴方向上绕重心的转动惯量，L为从P点到重心的距离 设:直流电机本身的惯性力矩为Tm，由第2章执行装置与传动机械知识,可得单关节旋转方程式

8、：图 6-7 单关节机械手控制系统dm-关节旋轴承上的粘性磨擦系数， -单关节角加速度. -单关节角速度， Tm-电机驱动惯性转矩，Tm=kTi （6-2）(6-1)10 又：根据直流电机控制电路知，驱动电流 i与控制输入电压 u 有以下关系电压平衡方程式: 式中: L-电机绕阻电感，R-电机绕阻电阻，de-反电动势常数。 假设 ：在式6-1、6-3中消去电机转矩Tm，以u为输入变量，那么关于、 、i为输出量其中X1=,X2= ，X3=i)的状态方程式,可以表示为:(6-5)(6-4)式中：(6-3)(6-6)此外，如果利用旋转编码器检测到的单关节机械手角速度信号, 那么表示输出量y的方程式为

9、：Y=Cx C=0 1 0 (6-7)在现代控制论中，式(6-4)被称为单关节机械手的线性状态方程，而式(6-7)那么被称为观测方程。根据这两个方程式可以研究单关节机械手控制系统的特性.112.从控制数学模型来研究系统特性 从以上单关节机器人数学模型看出，这是一个关于输入单关节机器人给定旋转角度值与控制器输出直流电机旋转电压值 u 的二阶微分方程。从测量电机实际旋转角速度值 ,与给定角速度值 的偏差值 e ，经过控制器对偏差 e 进行校正调节的运算处理后，输出自动调节直流电机转速与转角的电压值 u见图6-7,显然该电压值 u 要得到确当的增益，才能使单关节机器人以稳、准、快即以高品质的调节特性

10、来到达单关节机器人的运动控制目标。1.传递函数根本概念 在经典控制论中，为运算和分析的方便,将式(6-4)方程式进行拉普拉斯氏函数变换，即将原以时间“t 域变化的被控对象的输出、输入微积分方程进行拉氏变换并相除，变为以复变函数 “S 域变化的多项式方程就象用对数变换将乘、除化为加、减一样-传递函数，以方便研究单关节机器人的运动控制的特性,。121被控对象的输入/输出方程 设: 对结构比较复杂的控制对象，要象单关节机械手那样得到精确的状态描述方程式是困难的，往往采取实验方法。设:一个被控对象Gt包含控制系统各环节和被控对象本身，为简化研究可以把系统控制对象整体看为一个黑盒子，输入一个特定的信号，

11、然后看输出信号是怎么变化的，就可间接推知被控对象特性是什么。信号传递过程如图6-8所示，输入输出n阶微分方程如式(6-8)。 图 6-8 被控对象输入输出函数图 显然，通过求解这样高阶次微分方程，来获得系统输出信号函数的动态特性是困难的。在经典控制理论中一直被广泛使用的系统动态响应分析设计方法-频率法和根规迹法，并不直接求解微分方程，而是采用与微分方程有关的另一种数学模型-传递函数，间接地分析系统结构参数对响应的影响。为此，就需要首先对式6-8式微分方程进行拉普拉斯变换。(6-8)(mn)13有6-96-102拉普拉斯变换 微积分方程代数多项式方程 设以t变化的时域函数为ft以复数S变化的复域

12、函数为F(S当t0时，ft=0；s为复变量S=+j，L为拉氏变换的运算符号，那么定义函数ft的拉普拉斯变换式为:按此定义，对一个n阶微分方程进行拉氏变换可得到式6-8结果： 当将式6-8两边的输入n阶和输出m阶微分方程进行拉氏变换并对结果整理后，得到以下代数多项式6-10：14 当将式6-8式两边的输入n阶和输出m阶微分方程进行拉氏变换并对结果整理后，得到以下代数多项式6-11： 式(6-11)就是被控对象的传递函数。即线性定常系统在零初始条件下: 被控对象的传递函数=输出量的拉氏变换式与输入量的拉氏变换式之比可见，传递函数描述了被控制对象的输出量对输入量的动态变化规律，用该函数可研究机电一体

13、化系统的动态特性。 (6-11)152.从传递函数研究被控对象特性的方法 根轨迹法-多项式分子的零点与分母的极点在S平面上的分布，来研究系统的稳定性； 频率特性法-以 代换多项式中 S，即得频率恃性方程式，通过绘制伯特图看被控对象幅频特性输出量相对于偏差的增益幅度、相频特性系统输入偏差量与输出量的相位差，来判断负反响控制需以怎样的规律去控制其增益幅度与相位差，才使系统到达既响应快跟踪、纠正偏差快、又稳定控制增益的大小，以不发生振荡、控制精度又高。 如图6-9及图6-10,就是单关节机械手在对象输入端施加一定频率和一定幅值函数如正弦波函数或阶跃函数瞬间施加对象一个突变值时，系统对象输出端幅频与相

14、频特性曲线及系统瞬态响应特性曲线。16图6-9 单关节机械手控制系统Bode图 (KP=0为开环控制，KP=5，10为输出反响PID控制的情况) 17由单关节机器人幅频特性与相频特性见图6-9、输出反响响应曲线，见图6-10，显然看出当比例度Kp=5的闭环系统，符合以上对调节特性的要求，因为不过调很快进入新的稳态值，过渡过程时间约，不振荡，也不因过阻尼而使纠正偏差的调节时间过长而当K=0的开环控制系统，显然振荡大，过调大，过渡过程时间即到达新的隐态值时间也长。图6-10 单关节机械手控制系统输出反响的响应曲线18 6.3.3 自动调节系统的控制算法 1.控制算法的作用控制算法-按被控对象的控制

15、目标要求，控制器对闭环反响控制系统产生的偏差，进行 P.I.D 即比例、积分、微分综合运算的校正处理。 例如；给定单关节机械手一个运动的角度和角速度值 (, )此值与由光电编码盘测量得到的反响值(、 进行比较得到偏差值e如图，该偏差输入到控制器，然后控制器对此偏差通过某种最正确方式来运算处理，从而使控制器输出电压值u能稳、准、快驱动直流电机到达新的位置目标。-这就是控制系统的自动调节。对定值系统来说(如加热炉温自动调节系统) ，控制器的 P.I.D.自动校正调节作用是：“当系统受到鼓励时，能快速回到原来稳定状态 。而对随动跟踪系统来说如数控系统的机械加工另件轮廓控制，控制器的 P.I.D.自动

16、校正调节作用那么是要求“在所要求的精度范围内系统能精确稳定的跟踪目标运动规迹。要到达这些目标，必须在对象数学模型根底上设计控制算法，同时要设计闭环控制系统，并且选择好调节参数，以使自动调节系统控制稳定。192.控制算法简介 对常见工业过程自动控制如流量、压力、温度等的定值调节，或如数控机床伺服进给系统的位置控制(零件轮廓跟踪随动控制)，常用 P.I.D. 即 比例、积分，微分控制算法，并且根据被控对象不同的要求与特性，可以采取不同组合算法，例如；P、PI、PD、PID。 P-比例调节： 控制器输出电压 u 与偏差大小et成比例，系统反响快速，但有静差。显然，控制系统增益太大会产生振荡。 I-积

17、分调节： 控制器输出电压u与偏差et随时间的积累而增长即与偏差对时间的积分成正比。偏差e不管其大小，只要存在的时间愈长,输出电压u就会愈来愈大，控制器调节作用愈强。显然,控制系统可以做到无偏差调节。 D-微分调节： 控制器输出电压 u 与偏差et的变化率成正比。偏差e变化愈快，调节作用愈强。并且只要编差e有变化趋势，控制器就会进行调节。显然，控制系统有超前控制作用。(6-6)(6-7)(6-8)20举例:图6-11所示是一个直流电动机驱动的齿轮-滚珠丝杠-工作台伺服进给位置控制机械传动示意图。图6-12所示的是其PID控制系统框图。 设：零件轮廓程序目标角度为ct，为使工作台产生一定量的线性位

18、移而要使滚珠纶杠实际产生转角为(t)，那么要控制工作台位置误差，就是要控制滚珠丝杠的转动角度误差： rt=c(t)-(t) (t)是电机带动滚诛丝杠实际转角, 由传感器反响,角速度传感器，传递函数为1/s(t)与设定值Qc(t)比较的偏差r(t),送计算机控制系统进行偏差的比例、积分、微分增益叠加运算。输出调节电压U，通过伺服放大器与电机组成的执行装置来控制对象。该控制对象是一阶惯性系统，传递函数G(t)见图中框内式子，(t)是电机角速度。控制了电机的角速度，就控制了滚珠丝杠的角速度，也就控制了工作台线性移动的速率。伺服放大器输出电压u为：只要选择适当的Kp、kD、KI增益系数，就可使该位置控

19、制系统到达快、准、稳的要求。图6-11 伺服电动机驱动的齿轮-丝杠-工作台进给位置控制系统图6-12 闭环PID调节的位置 控制模型框图216.3.4 模拟自动调节系统 图6-13所示的是一个加热器温度自动调节系统，它是通过蒸汽热交换器来控制冷流体的温度。其输入、输出量是随时间连续变化的模拟量，多采用模拟式工业自动化仪表，构成过程参数控制的自动调节系统。例如DDZ-型自动化仪表系统，它包括各种传感器、执行机构电动调节伐、气动调节伐、液动马达等、显示记录仪及各种控制调节器等。为适应多种对象工况，自动调节器多设计成具有模拟综合调节作用的模式： 根据现场试验的输出反响特性曲线，可适时调整的比例度KP

20、、积分时间Ti、微分时间TD。如果某项系数为零，那么无该项调节。图中：T为被加热介质的出口温度，是被调参数，要控制在某定值如 80。TT-温度传感器，TC-温度调节器，气动调节伐是执行器，换热器是被控对象。(6-9)图6-14 换热器温度控制原理方框图226.3.5 离散型采样数字控制系统 1.离散型采样数字控制系统定义 随着计算机技术和现代控制论的开展，目前自动调节系统多采用数字计算机控制器，甚至执行电动机、传感器都采用了数字运行方式。图6-14就是一个典型的数字采样控制系统原理框图。 如图6-14所示rt为设定值，它与被控对象输出的反响量bt通过比较器而产生的偏差值为et，这是模拟量。经计

21、算机控制采样开关K1以周期T=t开启与闭合，将模拟量et转换为离散的数字脉冲序列e(t，然后经数字控制器的离散型采样控制算法进行运算处理后，再经保持器开关K2这因为断续调节在不采样时，输出要以某种规律保持上次采样控制的输出输出信号mht到执行机构，以控制被控对象。图6-15、图6-16和图6-17分别示出了数字采样控制系统原理图以及数字采样过程及数字采样保持器作用的波形图。 23图6-15 数字采样控制系统原理方框图图6-16 数字采样过程 图6-17 数字采样保持器作用的原理图 24 2.离散采样控制系统 P.I.D.控制算法 离散采样控制系统 P.I.D.控制算法公式如下： 式中：en-第

22、n次采样偏差值； en-1-上次采样偏差值； Cn-第n次采样输出控制； t-采样周期； Kp-比例度， TI-积分时间常数； TD-微分时间常数。 比照前述模拟量 P.I.D.控制算法公式，很容易理介离散采样控制算法公式(6-10) ： 式中第一项为哪一项偏差比例计算；中间项是对偏差采样条小矩形面积求和，即偏差积分计算见图6-17，第三项是递推求偏差当前值与前次采样值的变化率即是偏差微分计算。 显然有了以上公式，用C语言编制算法程序是不困难的。(6-10)256.4 机电一体化系统设计简述6.4.1 机电一体化系统设计过程 由上述各章对机电一体化系统中各单元系统的论述，可知机电一体化产品是利

23、用机械传动、传感器检测、计算机控制、伺服驱动、网络通信等单元技术的相互交叉、融会和综合设计的结果。因此，机电化一体化系统设计是一项多级别、多单元技术有机的结合，要用系统的设计思想综合运用各学科知识、技术和经验，在系统分析的根底上通过总体方案论证、制造设计与设计质量评价等环节，开发出满足市场需求与设计目标的机电一体化产品。 概括的的说，机电一体化系统的“设计就是综合，根据一个对象、一个工程的具体控制要求和要到达的目标，用机电一体化与控制理论等专业知识与经验，结合行业和国家有关法律法规进行“综合，这个过程称做机电一体化系统设计。 机电一体化 系统设计流程可分为如图6-18所示的四个阶段：准备阶段、

24、理论设计阶段、设计实施阶段、设计定型阶段。26 机电一体化系统设计可分为四个阶段：准备阶段、理论设计阶段、设计实施阶段、设计定型所段。1准备阶段 在市场调研和分析的根底上进行需求抽象，确定产品种规格、性能指标，然后拟定总体方案，分解功能要素和子单元模块，进行方案可行性论证，确定最正确总体方案，划分各单元子模块的目标和设计责任人。2理论设计阶段 根据设计总目标、功能要素和功能模块，画出总时序流程图和机械传动原理简图；通过建立数学模型或经验分析判断，对系统进行定性和定量的分析，例如对于过程控制系统，应建立控制系统的数学模型和控制算法；设计各功能模块之间接口参数；编制软件系统框图；对控制系统各部份硬

25、件进行选型、组配、设计；最后对系统设计所能到达性能指标与经济指标进行综合评价性能价格比并进行优化，以期选出综合性能最优的设计。273产品设计实施阶段(制造设计阶段) 根据确定的总体方案和划分的各功能单元子模块的技术要求，进行机械、电气、软件等器件与单元组件选型、进行产品制造设计、采购及样机制造等工作，然后首先进行各子单元装配调试，再进行系统整合装配调试，测试整机性能指标，验证产品样机是否到达可使用性、可生产性、可维护性、平安性、可靠性、经济性等各项经济技术指标要求。4设计定型阶段 对试制成功的样机进行现场试用、考该，并投入小批量试制，交付用户试用。经过一段时间再综合验证、评价是否到达原设计目标

26、，否那么要改进设计，再次进行以上阶段的循环，直到到达产品开发的目标。最后整理产品制造图纸资料、审定产品标准、编制工艺文件，进行设计定型和批量投产。28图6-18 机电一体化产品设计流程29 机电一体化产品是对各项技术进行综合的产品，其系统的总体设计方案阶段就成为关键设计环节。应包含以下内容：(1)技术资料准备 搜集要开发产品的国内外有关技术资料，包括现有同类产品资料、相关理论研究成果和先进的技术资料等，通过分折比较了解该产品现在的技术开展水平与未来的开展趋势。 了解所设计产品的使用要求：包括功能、性能/价格比等方面要求。此外还应了解产品极限工作环境、对用户操作技术素质和维修能力要求等。这是确定产品技术指标的主要依据。 了解生产单位的现有设备条件、工艺手段及生产根底等，作为研究具体结构方案的重要依据，以缩短