智能控制技术（微课版）课件 项目3 智能控制系统与工程

项目3智能控制系统与工程章节目录12控制系统控制系统的应用目录3伺服系统与步进系统4网关在智能控制系统中的应用智能控制系统与工程是一种利用先进的计算机技术和人工智能算法来实现自动化控制的系统。它将传感器、执行器和控制器等硬件设备与软件算法相结合，通过对系统的实时监测和分析，实现对系统的智能化控制和优化。智能控制系统与工程广泛应用于各个领域，如工业生产、交通运输、能源管理、环境监测等。项目引入智能控制系统可以提高系统的效率和稳定性，减少人工干预，降低能源消耗和环境污染。智能控制系统与工程的发展前景广阔，随着人工智能技术的不断进步，它将在各个领域发挥越来越重要的作用，为人们的生活和工作带来更多的便利和效益。项目引入能根据网关的特点，完成网关与设备连接的建立。能根据网关与MES系统的功能，完成网关与MES系统连接的建立。学习目标掌握控制系统的基本知识。理解控制系统的性能指标。掌握控制的基本规律。了解典型控制系统的集成应用。了解视觉控制系统应用。了解伺服系统的特点。职业能力目标了解伺服系统的组成。理解伺服系统的性能要求。掌握伺服系统的调试方法。了解先进控制技术。理解先进控制技术的应用与发展。提高学生的独立思考能力。职业能力目标培养学生的团队协作能力。提高学生的动手操作能力。提高学生的问题解决能力。职业能力目标知识链接人工智能的发展推动了自动控制领域的进步，使其逐渐向智能控制这一最高阶段演变。智能控制代表着自动控制的最新发展阶段，同时也是应用人工智能实现人类脑力和体力劳动自动化的一个关键领域。知识链接自动控制在发展过程中既面临着严峻的挑战，也拥有良好的发展机遇。为了解决自动控制所面临的难题，我们需要从两个方面进行努力。首先，促进控制硬件、软件和智能技术的深度融合，实现控制系统的智能化，以便更好地应对复杂和多变的控制任务。知识链接其次，加强自动控制科学与人工智能、计算机科学、信息科学、系统科学和生命科学等领域的结合，为自动控制注入新的思想、方法和技术，从而推动智能控制这一交叉新学科的创立和发展。通过这些努力，我们可以进一步推动自动控制领域的进步，更好地应对当今社会的各种挑战和机遇。知识链接智能控制作为一门充满活力和广泛应用前景的新型自动控制科学技术，通过利用各种智能化技术来实现复杂系统以及其他系统的控制目标。从智能控制的发展历程以及已取得的成就来看，它的产生和发展准确地反映了当代自动控制的发展趋势，这是一种历史性的必然。知识链接模糊控制是智能控制领域的另一个活跃研究领域。扎德在1965年发表了他的著名论文，首次引入了模糊集合的概念，为模糊控制的发展开辟了新的领域。此后，国内外在模糊控制的理论探索和实际应用方面都进行了广泛的研究，并取得了一批引人注目的成果。知识链接模糊控制是一种基于模糊集合理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理的智能控制方法。它通过模仿人的模糊推理和决策过程，将操作人员或专家的经验转化为模糊规则。知识链接然后，将来自传感器的实时信号进行模糊化处理，并将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理过程。最终，将推理后得到的输出量加到执行器上，以实现对系统的控制。知识链接智能制造具体运用3.1控制系统3.1.1控制系统基本知识3.1.2控制系统性能指标3.1.3控制基本规律3.1控制系统1、组成：控制系统通过对系统输入进行调节，从而使系统输出达到预期目的。它由输入、输出、控制器和被控对象组成。输入是控制系统的指令或参考信号，输出是控制系统的实际输出结果。控制器根据输入和反馈信号进行计算，并输出控制信号给被控对象，被控对象根据控制信号进行相应的调节。3.1.1控制系统基本知识2、分类：按照输出是否受到反馈信号的影响，控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统的输出不受反馈信号的影响，而闭环控制系统的输出受到反馈信号的调节。3.1.1控制系统基本知识开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统，即需要控制的是被控对象的某一量，即被控量，而测量的只是给定信号，被控量对于控制作用没有任何影响的系统。3.1.1控制系统基本知识3.1.1控制系统基本知识开环控制系统的基本结构图与之相反的是，闭环控制是指有被控制量反馈的控制。从系统中信号流向看，该系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端，构成闭合通道，故称为闭环控制系统，或反馈控制系统。3.1.1控制系统基本知识3.1.1控制系统基本知识闭环控制系统的基本结构图3、调节方法：控制系统的调节方法包括比例控制、积分控制和微分控制等。比例控制根据误差的大小进行调节；积分控制根据误差的累积进行调节；微分控制根据误差的变化率进行调节。这些方法可以组合使用，形成PID控制器。3.1.1控制系统基本知识3、控制系统的建模是指将实际系统抽象为数学模型，以便进行分析和设计。控制系统的仿真是指通过计算机模拟控制系统的运行过程，以评估系统的性能和优化控制策略。3.1.1控制系统基本知识3.1.1控制系统基本知识某企业控制系统的网络图3.1.1控制系统基本知识3.1.2控制系统性能指标3.1.3控制基本规律3.1控制系统控制系统的性能指标是用来衡量控制系统的效果和性能的指标。控制系统性能指标分为动态性能指标和稳态性能指标两类。3.1.2控制系统性能指标系统的动态过程描述了系统的稳定性、响应速度和阻尼特性，这些性能通常由动态性能指标来描述。为了评估系统的动态性能，通常会在阶跃函数的作用下进行测定或计算。3.1.2控制系统性能指标3.1.2控制系统性能指标系统的单位阶跃相应上升时间：指响应从终值10%上升到终值90%所需要的时间。对于具有振荡特性的系统，响应从零第一次上升到终值所需的时间也可以定义为上升时间。上升时间是系统响应速度的一种度量。上升时间越短，响应速度越快。3.1.2控制系统性能指标峰值时间：指响应超过终值达到第一个峰值所需的时间。峰值时间是系统响应速度的另一种度量方式。3.1.2控制系统性能指标调节时间：指响应达到并保持在终值（或）内所需要的最短时间。调节时间是评价系统响应速度和阻尼程度的综合指标。3.1.2控制系统性能指标超调量：指响应的最大偏离量与终值之比的百分数，即3.1.2控制系统性能指标稳态过程：是指系统在典型输入信号的作用下，当时间趋于无穷时，系统的输出量会逐渐稳定并呈现出一种持续的状态，又称为稳态响应。稳态性能表征系统输出量最终能够多大程度上再现输入量，它提供了关于系统稳定状态准确性的信息。3.1.2控制系统性能指标稳态误差：是描述系统稳态性能的一种性能指标，通常在阶跃函数、斜坡函数或加速度函数作用下进行测定或计算，若时间区域无穷时，系统的输出量不等于输入量或者输入量的确定函数，则系统存在稳态误差。稳态误差是系统控制精度或抗扰动能力的一种度量。3.1.2控制系统性能指标常见的控制系统性能指标如下响应时间：指控制系统从接收到输入信号到产生输出响应的时间。较短的响应时间意味着控制系统能够快速地对输入信号做出反应。3.1.2控制系统性能指标稳定性：指控制系统在稳态下的行为。一个稳定的控制系统能够保持输出在一定范围内，不会出现震荡或不稳定的情况。3.1.2控制系统性能指标鲁棒性：指控制系统对于参数变化、干扰或噪声的抵抗能力。一个鲁棒性较好的控制系统能够在不同的工况下保持稳定性和性能。3.1.2控制系统性能指标控制误差：指控制系统输出与目标值之间的差异。较小的控制误差意味着控制系统能够更准确地跟踪目标值。3.1.2控制系统性能指标3.1.1控制系统基本知识3.1.2控制系统性能指标3.1.3控制基本规律3.1控制系统3.1.3控制基本规律控制基本规律是指通过遵循一定的原则和规则来管理和控制事物的发展和运行。以下是一些常见的控制基本规律。反馈控制：通过不断收集和分析反馈信息，对系统进行调整和修正，以达到预期的目标。3.1.3控制基本规律目标导向：设定明确的目标和指标，以便衡量和评估事物的发展和运行情况，并采取相应的措施来实现目标。分层控制：将事物的管理和控制分为不同的层次，每个层次负责不同的任务和职责，以确保整体的协调和高效运行。预防控制：通过预先识别和分析潜在的问题和风险，并采取相应的措施来预防和减少可能的损失。3.1.3控制基本规律连续改进：不断寻求改进和创新的机会，通过持续的学习和反思，提高事物的质量和效率。适应性控制：根据外部环境的变化和内部需求的变化，及时调整和改变控制策略和方法，以适应新的情况和要求。3.1.3控制基本规律控制器的控制规律就是指输出与输入之间的关系。控制器的规律来源于人对操作过程的感知和认知，并在模仿这种感知和认知的基础上逐渐发展起来。3.1.3控制基本规律生产过程中常用的基本控制规律有位式控制，比例控制、积分控制和微分控制以及它们的组合控制。PID控制，即比例-积分-微分控制（Proportional-Integral-DerivativeControl），是三种基本控制策略的组合。3.1.3控制基本规律比例控制（ProportionalControl，P控制）：通过比较期望输出与实际输出之间的误差来改变输入。这种控制策略只能在一定程度上减小误差，不能彻底消除误差。3.1.3控制基本规律积分控制（IntegralControl，I控制）：通过计算误差累积的总量来改变输入。这种控制策略可以在一定程度上减小误差，但需要一定的时间才能完全消除误差。3.1.3控制基本规律微分控制（DerivativeControl，D控制）：通过比较误差的变化率来改变输入。这种控制策略可以对误差的变化趋势做出反应，提前改变输入以减小误差。3.1.3控制基本规律将这三种基本控制策略组合起来，可以实现更精确、快速的控制，适用于各种不同的实际应用场景。不同组合方式都可笼统的称为PID控制律。采取这种控制规律的控制器称为PID控制器。3.1.3控制基本规律将这三种基本控制策略组合起来，可以实现更精确、快速的控制，适用于各种不同的实际应用场景。不同组合方式都可笼统的称为PID控制律。采取这种控制规律的控制器称为PID控制器。3.1.3控制基本规律比例（P）控制规律当反馈控制信号与系统误差成线性比例时，即这个结果称为比例反馈。其中，Kp称为P控制器增益。因此，控制信号与系统误差即时相关。P控制的控制器传递函数为，其中E(s)和U(s)是输入输出的拉普拉斯变换3.1.3控制基本规律P控制器实质上是一个增益可调的放大器。当Kp增大时，系统的开环增益也会变大，从而减小系统稳态误差，提高控制精度，但会降低系统稳定性。P控制器的原理框图如下所示。3.1.3控制基本规律P控制器3.1.3控制基本规律当Kp>1时，开环增益加大，稳态误差减小；幅值穿越频率增大，过渡过程时间缩短。但是系统稳定程度会变差。当Kp<1时，对系统性能的影响正好相反。3.1.3控制基本规律反馈控制的主要目的之一是抵抗干扰并减小系统的稳态误差。若仅采用开环控制，系统对开环增益的变动非常敏感，一旦开环增益发生变化，系统的稳态输出也会不稳定。因此，为了减小系统的稳态误差，应采用反馈控制。3.1.3控制基本规律比例-微分（PD）控制规律比例-微分控制规律，输出与输入的关系为其中微分控制能反应输入信号的变化趋势，生成有效的早期干预信号，以增加系统的阻尼系数，从而改善系统的稳定性。串联校正可增加一个的开环，使系统的相位裕度变大，有助于系统动态性能的改善。3.1.3控制基本规律微分控制具有预测特性。就是微分控制作用超前于比例控制作用效果的时间间隔。输入输出的曲线图如下所示。控制器的e(t)和u(t)时间曲线图3.1.3控制基本规律

PD控制器中的微分控制规律能够预测输入信号的变化趋势，并产生有效的早期修正信号，从而增加系统的阻尼。当进行串联校正时，微分控制规律相当于增加了零点，从而提高系统的相角裕度。PD控制通过引入微分作用改善了系统的动态性能。3.1.3控制基本规律高频段增益上升可能导致执行元件输出饱和，并且降低了系统抗干扰的能力。相位裕量增加，稳定性提高。截止频率增大，快速性提高。当时，系统的稳态性能没有变化。微分控制仅仅在系统的瞬态过程中起作用，一般不单独使用。3.1.3控制基本规律积分（I）控制规律积分控制规律的输出与输入的关系为通过控制器的积分作用，当输入信号e(t)消失时，输出信号u(t)可能会保持一个非零的常量值。3.1.3控制基本规律串联校正中，采用I控制器可以提高系统的型别，有利于系统稳态性提高，但积分控制使系统增加一个位于原点的开环极点，使得信号产生90°的相角滞后，不利于系统稳定。3.1.3控制基本规律比例-积分（PI）控制规律

比例积分控制规律的输出与输入的关系为当积分常数Ti足够大时，PI控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱。在控制工程实践中，PI控制器主要用来改善系统的稳态性能。PI控制器的原理框图如下所示。3.1.3控制基本规律PI控制器3.1.3控制基本规律

PI控制器因为存在积分控制，所以具有记忆功能，即前面的积分值对后面也会造成影响。输入输出的曲线图如下所示。PI控制器的e(t)和u(t)时间曲线图3.1.3控制基本规律

PI控制器增加一个积分环节，提高系统的稳态精度。并且PI控制器有一个开环零点可以补偿积分环节对系统稳定性的不利影响。下面分析不同P控制器增益Kp对系统的影响。当Kp=1时，系统型次提高，稳态性能改善；但是相位裕量减小，系统的稳定性也会受到影响。当Kp<1时，系统会从不稳定状态变为稳定状态；截止频率减小，快速性变差。3.1.3控制基本规律引入PI控制器后，系统的相位滞后增加。因此，若要通过PI控制器改善系统的稳定性，必须有Kp<1，以降低系统的幅值穿越频率。PI控制器通过引入积分控制环节，以增强系统的稳定性；同时利用比例控制环节来调节积分环节所导致的相角滞后现象，从而改善对系统稳定性造成不利影响。3.1.3控制基本规律比例-积分-微分（PID）控制规律比例积分控制规律的输出与输入的关系为PID控制器的各个组成部分的参数选择，最终是在系统现场调试过程中确定的。一般而言，应该让I部分位于系统频率特性的低频段，以提高系统的稳态性能；而让D部分位于系统频率特性的高频段，以改善系统的动态性能。3.1.3控制基本规律PID控制器3.1.3控制基本规律输入输出的曲线图如下所示PID控制器的e(t)和u(t)时间曲线图3.1.3控制基本规律通常情况下，PID控制器中。在低频段，PID控制器通过积分控制作用，改善系统的稳定性；在中频段，PID控制器通过微分作用，有效提高系统的动态性能。PID控制器的控制函数拉普拉斯变换如下所示3.1.3控制基本规律因此，控制函数有两个零点和一个极点。与其他控制器相比，PID控制器增加了一个极点，提高系统性别，改善系统的稳态性能。PID控制器有两个负实零点，动态性能比PI控制器更优越。感谢大家的聆听！3.2控制系统的应用3.2.1典型控制系统的集成应用3.2.2视觉控制系统应用3.2控制系统的应用典型控制系统的集成应用包括工业自动化、智能建筑、交通系统、智能家居、智能医疗设备等方面。工业自动化控制系统在工业生产中的应用非常广泛，包括生产线的自动化控制、机器人控制、仪表和传感器的集成等。通过集成控制系统，可以实现生产过程的自动化、提高生产效率和质量。3.2.1典型控制系统的集成应用智能建筑控制系统在智能建筑中的应用可以实现对建筑内部的照明、空调、安防等设备的集中控制和管理。通过集成控制系统，可以实现能源的节约、提高建筑的舒适性和安全性。智能建筑的总体架构如下图所示，分别由感知层、传输层和控制层组成。3.2.1典型控制系统的集成应用3.2.1典型控制系统的集成应用智能建筑的总体架构感知层主要包括智能传感器，这些传感器具有视觉、听觉、触觉、味觉等功能。这些智能传感器不仅具有自组织、自学习、自诊断和自补偿等能力，还具有复合感知等特性，同时精度高、成本低、功能全面、自动化程度强。3.2.1典型控制系统的集成应用3d视觉传感器传输层通常采用由边缘计算、云计算、雾计算、5G通信以及现场总线所组成的综合技术体系。控制系统主要作用于控制决策层，该层是由控制、决策、执行和管理等集群构成。3.2.1典型控制系统的集成应用交通系统控制系统在交通系统中的应用可以实现对交通信号灯、道路监控、交通流量控制等的集中控制和管理。通过集成控制系统，可以实现交通拥堵的缓解、交通安全的提升和交通效率的提高。3.2.1典型控制系统的集成应用车辆控制是指一套辅助或替代驾驶员来驾驶汽车的系统。该系统依靠安装在汽车前部和侧面的雷达或红外探测仪，来精确判断汽车与障碍物之间的距离。当遇到紧急情况时，车载电脑能够及时发出警告或自动刹车避让，并根据路况自我调节行车速度，因此也被称为“智能汽车”。3.2.1典型控制系统的集成应用智能汽车交通监控系统就如同机场中的航空控制器，能够迅速建立起道路、车辆和驾驶员之间的通信联系。一旦发生交通事故，或是交通拥堵，甚至是哪条路最为畅通，该系统都能够以最快的速度为驾驶员和交通管理人员提供相应的信息。3.2.1典型控制系统的集成应用交通监控系统运营车辆管理系统通过车辆上的车载电脑、高度管理中心计算机以及全球定位系统卫星之间的联网，实现了驾驶员与调度管理中心之间的双向通信。这个系统可以提升商业车辆、公共汽车以及出租汽车的运营效率。其通信能力非常强大，能够控制全国乃至更大范围内的车辆。3.2.1典型控制系统的集成应用运营车辆管理系统3.2.1典型控制系统的集成应用交通控制各子系统构成智能家居控制系统在智能家居中的应用可以实现对家庭设备的远程控制和管理，如智能家电、安防系统、家庭娱乐系统等。通过集成控制系统，可以实现家居设备的智能化、提高生活的便利性和舒适性。3.2.1典型控制系统的集成应用3.2.1典型控制系统的集成应用智能门禁控制系统医疗设备控制系统在医疗设备中的应用可以实现对医疗设备的精确控制和监测，如手术机器人、医疗影像设备等。通过集成控制系统，可以提高医疗设备的精确性和安全性，提高医疗效果。3.2.1典型控制系统的集成应用手术机器人的产业链主要分为原材料，核心零部件，机身组装和系统集成等环节。根据OFweek机器人网的数据，机器人成本构成中，伺服电机、减速器和控制器是所有环节中壁垒最高的三大核心零部件，其成本占比分别为35%、20%和15%，合计占比高达70%。3.2.1典型控制系统的集成应用3.2.1典型控制系统的集成应用手术机器人产业链伺服系统是为主机机器人提供动力的核心组件，包括伺服电机、伺服驱动和编码器。"伺服"的含义是跟随，这意味着伺服系统能够按照指令信号对机器人的位置、速度或转矩进行跟随控制。3.2.1典型控制系统的集成应用伺服电机主要安装在机器人关节处，手术机器人以直流电机为主。直流电机的优点在于输出功率更高。编码器被安装于电机输出轴上，与电机同步旋转。当编码器检测到旋转时，它会将信号传输到驱动器。3.2.1典型控制系统的集成应用驱动器会根据这些信号判断伺服电机的旋转方向、速度和位置是否正确，然后进行修正和调整。驱动器根据指令发出相应的控制电流。目前，应用于手术机器人的伺服电机仍以外国品牌为主。相比之下，中国的伺服电机技术与国际品牌存在一定的差距。主要表现在缺乏大功率产品、不够小型化、信号接插件不够稳定、编码器精度不足等方面。3.2.1典型控制系统的集成应用控制器作为手术机器人的核心组件，就如同机器人的“大脑”，负责接收各组成部分的信号，并发出和传递动作指令。控制器由硬件和软件两部分组成：硬件指的是运动控制卡，包括主控单元和信号处理部分；软件则主要包括控制算法和二次开发等内容。3.2.1典型控制系统的集成应用手术机器人的自由度取决于可移动关节的数量，一般来说，自由度越高，对控制器的性能要求也越高。为了保证机器人的稳定性和技术体系，手术机器人厂商通常会自行开发控制器。3.2.1典型控制系统的集成应用3.2.1典型控制系统的集成应用3.2.2视觉控制系统应用3.2控制系统的应用视觉控制系统是一种利用计算机视觉技术来实现自动控制的系统。它通过摄像头或其他视觉传感器获取环境中的图像信息，并通过图像处理和分析算法来识别和跟踪目标，从而实现对目标的控制和操作。3.2.2视觉控制系统应用视觉控制系统组成部分有光源、镜头、CCD照相机、图像处理单元或图像采集卡、图像处理软件、监视器、通信/输入输出单元等。3.2.2视觉控制系统应用视觉系统的输出不是单纯的图像视频信号，而是经过运算处理后得到的检测结果。如PC和PLC等上位机实时获取检测结果后，可以指挥运动系统或输入输出系统执行相应的控制动作，例如定位和分选。3.2.2视觉控制系统应用3.2.2视觉控制系统应用视觉控制系统基本结构根据运行环境的不同，目前机器视觉系统可分为PC-BASED系统和PLC-BASED系统。利用PC为基础的系统得益于其开放的特性，高度的编程灵活性以及优质的Windows用户界面。该系统包含高性能图像采集功能，通常可以连接多个镜头。3.2.2视觉控制系统应用在基于PLC的系统中，机器视觉的功能更像是一个智能化的传感器，其图像处理单元是独立于整个系统的，它通过串行总线和输入/输出（I/O）设备与PLC进行数据交换。3.2.2视觉控制系统应用该系统的硬件通常利用高速专用的应用特定集成电路（ASIC）或嵌入式计算机来进行图像处理，系统的软件则存储在图像处理器内。基于PLC的系统具有高可靠性、高度集成化、小型化、以及高速化的特点。3.2.2视觉控制系统应用视觉控制可以根据不同的方法分为基于位置、基于图像和混合视觉控制三类。基于位置的视觉控制。该方法主要通过图像处理得出工件的图像信息，然后在笛卡尔坐标系下对目标工件的位姿进行估计，以目标工件位姿和机器人当前位姿之差作为系统输入，从而控制机器人进行轨迹规划，实现工件的识别和抓取。这种方法原理简单，易于实现，但在处理复杂图像或动态场景时可能效果不佳。3.2.2视觉控制系统应用基于图像的视觉控制。这种方法以图像特征的误差信号作为输入，以此作为控制量，驱动机器人运动，完成相关动作。这种方式的优点是对于相机标定误差及空间模型不敏感，但是需要计算图像的特征误差函数及雅克比矩阵，计算过程较为复杂，且在控制中存在奇异点干扰的情况。3.2.2视觉控制系统应用混合视觉控制。混合视觉控制是以上两种方法的结合，通过结合基于位置和基于图像的优点，能够实现更高效和准确的视觉控制。这种方法通常需要复杂的算法和计算资源，但可以提供更强大的功能和适应性。3.2.2视觉控制系统应用视觉控制系统在许多领域都有广泛的应用，包括但不限于工业自动化、机器人导航、无人驾驶、安防监控、医疗影像等。1、工业自动化视觉控制系统可以用于自动化生产线上的质量检测、零件定位和装配等任务。通过对产品进行图像分析，可以实现自动判定产品是否合格，并进行相应的控制和调整。3.2.2视觉控制系统应用2、机器人导航视觉控制系统可以用于机器人的导航和路径规划。通过对环境中的图像进行分析，机器人可以实时感知和识别障碍物，并根据识别结果进行路径规划和避障。3.2.2视觉控制系统应用3、无人驾驶视觉控制系统是实现无人驾驶的关键技术之一。通过对道路和交通标志的图像进行分析，无人驾驶车辆可以实时感知和识别道路状况和交通情况，并做出相应的驾驶决策。3.2.2视觉控制系统应用4、安防监控视觉控制系统可以用于安防监控系统中的人脸识别、行为分析和异常检测等任务。通过对监控视频进行实时分析，可以及时发现和报警异常情况。3.2.2视觉控制系统应用5、医疗影像视觉控制系统可以用于医疗影像的分析和诊断。通过对医学影像进行图像处理和分析，可以辅助医生进行疾病的诊断和治疗。总之，视觉控制系统在许多领域都有广泛的应用，可以提高生产效率、降低成本、提升安全性和准确性。随着计算机视觉技术的不断发展和进步，视觉控制系统的应用前景将更加广阔。3.2.2视觉控制系统应用感谢大家的聆听！3.3伺服系统与步进系统3.3.1伺服系统的特点3.3.2伺服系统的组成3.3.3伺服系统的性能要求3.3.4伺服系统的调试方法3.3.5伺服系统与步进系统的区别3.3伺服系统与步进系统伺服系统是一种控制系统，用于精确控制机械或电子设备的位置、速度和加速度。伺服系统是自动控制系统中的一类。它是伴随电的应用而发展起来的，最早出现于上世纪初。3.3.1伺服系统的特点

1934年第一次提出了伺服机构（Servomechanism）这个词，随着自动控制理论的发展，到上世纪中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术更是如虎添翼突飞猛进。3.3.1伺服系统的特点伺服系统通常由一个伺服电机、传感器和控制器组成。其中，伺服电机是一种特殊的电动机，具有高精度和高响应性能，可以根据控制信号精确地控制转动角度或线性位置。3.3.1伺服系统的特点伺服电机传感器用于测量机械或电子设备的位置、速度和加速度；常见的传感器包括编码器、光电传感器和加速度计。3.3.1伺服系统的特点绝对值编码器光电传感器三轴速度加速器控制器是伺服系统的大脑，接收传感器的反馈信号，并根据预设的控制算法计算出控制信号，以控制伺服电机的运动。3.3.1伺服系统的特点高精度伺服控制器伺服系统配备有检测装置，负责对输入信号和系统输出进行监控和检测。此外，还设置有放大装置和执行部件，以确保各部件之间的有效配合，并优化系统的工作性能。3.3.1伺服系统的特点为了进一步增强系统的稳定性和精度，通常还需添加信号转换线路和补偿装置。这仅指信息在系统中传递所必经的各个部分此外，以上各部分都离不开相应的能源设备、相应的保护装置、控制设备和其他辅助设备。3.3.1伺服系统的特点3.3.1伺服系统的特点伺服系统组成框图伺服系统的输出可以是各种不同的物理量，如速度（包括角速度）控制、位置（包括转角）控制和运动轨迹控制。伺服系统广泛应用于工业自动化、机器人、航空航天、医疗设备等领域，可以实现高精度、高速度和高稳定性的运动控制。3.3.1伺服系统的特点伺服系统在数控机床中扮演着重要的角色，其性能的优劣直接影响着机床的加工精度和效率。伺服系统具有高精度、高稳定性、高可靠性、高灵活性、高效能、可编程性等特点。3.3.1伺服系统的特点高精度：伺服系统需要具备精确的检测装置，以实现位置和速度的闭环控制。3.3.1伺服系统的特点高精度伺服系统高稳定性：伺服系统需要具有良好的稳定性，能够在负载变化、环境干扰等情况下保持稳定的运动性能。3.3.1伺服系统的特点交流伺服系统高可靠性：伺服系统需要采用多种反馈比较原理与方法，如脉冲比较、相位比较和幅值比较，以实现信息的准确反馈。3.3.1伺服系统的特点交流伺服驱动器高效能：伺服系统需要配备高性能的伺服电机，以产生足够大的加速或制动力矩，并在低速时保持稳定运转。3.3.1伺服系统的特点一体化伺服电机高灵活性：伺服系统需要具备宽调速范围的速度调节系统，以实现精确的位置控制和高性能的调速性能。3.3.1伺服系统的特点伺服液压系统可编程性：伺服系统通常为具有可编程的控制器，可以通过编程实现复杂的运动轨迹和控制逻辑。3.3.1伺服系统的特点可编程控制器3.3.1伺服系统的特点3.3.2伺服系统的组成3.3.3伺服系统的性能要求3.3.4伺服系统的调试方法3.3.5伺服系统与步进系统的区别3.3伺服系统与步进系统伺服系统是一种能够根据给定值和实际运行值之间的差异来调节控制量的系统。它由控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机组成。3.3.2伺服系统的组成伺服系统的组成1、控制器伺服系统的控制器根据数控系统给定的值和通过反馈装置检测到的实际运行值之间的差异，来调节控制量。用于控制伺服驱动装置和电机运动的设备，接收来自上位机或其他控制设备的指令，并通过对驱动装置的控制信号进行调整，实现对电机的位置、速度和力矩等参数的精确控制。3.3.2伺服系统的组成

控制器具有高精度、高稳定性和高可靠性的特点，能够实现对电机的精确控制，广泛应用于机械加工、自动化生产和机器人等领域。伺服系统的控制器通常由控制芯片、接口电路、信号处理器和控制算法等组成。3.3.2伺服系统的组成控制芯片：控制器的核心部分，负责接收和处理来自上位机或其他控制设备的指令，并生成相应的控制信号，常见的控制芯片有数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）和高级RISC机器（ARM）等。3.3.2伺服系统的组成接口电路：用于将控制信号从控制芯片传递给伺服驱动装置的设备，通常包括模拟信号输出、数字信号输出和通信接口等，可以根据不同的驱动装置和控制要求选择合适的接口电路。3.3.2伺服系统的组成信号处理器：用于对传感器信号进行处理和滤波的设备，可以接收来自位置传感器、速度传感器和力矩传感器等的反馈信号，并将其转换为数字信号，供控制芯片进行处理和控制。3.3.2伺服系统的组成控制算法：控制器的关键部分，根据控制要求和反馈信号，通过运算和调整控制信号，实现对电机的精确控制。常见的控制算法有位置控制、速度控制和力矩控制等，可以根据具体应用需求选择合适的控制算法。3.3.2伺服系统的组成2、功率驱动装置伺服系统的功率驱动装置作为系统的主回路，将电网中的电能转化为电动机所需的交流电或直流电，并调节电动机的转矩大小。用于提供电机所需的电力和控制信号的装置，负责将输入的电源电压转换为适合电机工作的电流和电压，并根据控制信号调整输出的功率。3.3.2伺服系统的组成伺服系统功率驱动装置的选择应根据电机的功率、控制要求和应用环境等因素进行，常见的功率驱动装置包括直流伺服驱动器、交流伺服驱动器和步进伺服驱动器等。这些驱动装置具有高效、稳定和可靠的特点，能够实现精确的位置和速度控制。3.3.2伺服系统的组成电源模块：负责将输入的电源电压进行滤波和稳压，提供稳定的电源给功率放大器和电机。3.3.2伺服系统的组成功率接收器：伺服系统功率驱动装置的核心部分，用于接收控制信号，并将其转换为适合电机工作的电流或电压输出。3.3.2伺服系统的组成功率放大器：通常采用功率晶体管、功率MOS管或功率集成电路等器件，能够提供足够的功率和电流给电机。3.3.2伺服系统的组成保护电路：为了保护伺服系统和电机的安全而设计的，可以监测电流、电压和温度等参数，当超过设定的阈值时，会触发保护机制，如过流保护、过压保护和过温保护等，以防止电机和驱动装置的损坏。3.3.2伺服系统的组成3、反馈装置伺服系统的反馈装置是用于实时监测电机转速和位置的装置。反馈装置的作用是提供准确的位置和速度反馈信号，使控制器能够实时调整电机的输出，实现精确的运动控制。常用的反馈装置包括编码器、光电开关和霍尔传感器等。3.3.2伺服系统的组成编码器：是一种能够将转动角度或线性位移转换为数字信号的装置，通过与电机轴或负载连接，可以提供精确的位置反馈。3.3.2伺服系统的组成编码器光电开关：是一种利用光电效应实现位置检测的装置，通过光电传感器和反射板的配合，可以实现高速、高精度的位置检测。3.3.2伺服系统的组成光电开关霍尔传感器：是一种基于霍尔效应原理工作的装置，通过检测磁场变化来实现位置和速度的反馈，具有快速响应和抗干扰能力强的特点。3.3.2伺服系统的组成霍尔电流传感器4、电动机伺服系统的电动机是伺服系统的核心部件，负责将电能转换为机械能，驱动机械系统进行精确的位置、速度和力矩控制。具有高精度、高响应和高可靠性的特点，广泛应用于机械加工、自动化生产和机器人等领域。根据具体应用需求和控制要求，可以选择合适的电动机类型和规格。电动机根据供电大小来驱动机械运转。3.3.2伺服系统的组成伺服系统的电动机通常采用直流电动机（DCmotor）、交流电动机（ACmotor）或步进电动机（Steppermotor）作为驱动源。根据不同的应用需求和控制要求，可以选择不同类型的电动机。3.3.2伺服系统的组成直流电动机：具有良好的速度和力矩响应特性，可以实现较高的控制精度。直流电动机通常由电枢、永磁体和换向器组成，通过调整电枢电流和永磁体磁场，可以实现对电机速度和力矩的精确控制。3.3.2伺服系统的组成直流电动机交流电动机：具有结构简单、维护方便的特点。交流电动机通常分为感应电动机和永磁同步电动机两种类型。3.3.2伺服系统的组成交流电动机分类其中，感应电动机通过调整电源频率和电压，可以实现对电机速度的控制；永磁同步电动机通过调整电源频率和电压以及永磁体磁场，可以实现对电机速度和力矩的控制。3.3.2伺服系统的组成交流电动机步进电动机：常用于伺服系统，通过控制电流脉冲的频率和方向，可以实现对电机的精确位置控制，具有结构简单、控制精度高的特点，适用于一些对位置控制要求较高的应用。3.3.2伺服系统的组成步进电动机1、稳定性好稳定性好是指伺服系统在受到扰动后能够迅速恢复到稳定状态，或者在输入指令信号作用下能够达到新的稳定运行状态。系统应能够在给定输入或外界干扰作用下，在短暂的调节过程后到达新的平衡状态。3.3.3伺服系统的性能要求2、精度高精度高是指伺服系统的输出量能够精确地跟随输入量的变化。对于精密加工的数控机床等应用，要求的定位精度或轮廓加工精度通常较高，允许的偏差一般在0.01～0.001mm之间。3.3.3伺服系统的性能要求3、快速响应好快速响应性好有两个含义。一是指伺服系统在动态响应过程中，输出量能够迅速跟随输入指令信号的变化。这要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至更短。二是指动态响应过程结束的迅速程度，即要求过渡过程的前沿陡峭，上升率要大。3.3.3伺服系统的性能要求4、节能高效节能高效是指伺服系统能够根据实际需要快速调整供给，从而提高能源利用效率。例如，在注塑机中，伺服系统能够根据需要快速调整供给，实现高效节能。3.3.3伺服系统的性能要求1、参数调整法通过调整伺服系统的参数，如增益、速度限制等，来优化系统的性能。可以根据试验和观察系统的响应来逐步调整参数，以达到稳定和精确的运动控制。3.3.4伺服系统的调试方法2、反馈信号检查法检查伺服系统的反馈信号，如编码器或其他位置反馈装置的输出信号，确保其正常工作。可以使用示波器或其他测试设备来检测信号的幅值、频率等。3.3.4伺服系统的调试方法3、控制信号检查法检查控制信号是否正确发送到伺服驱动器。可以使用示波器或逻辑分析仪来检测信号的波形和时序，确保控制信号的正确性。3.3.4伺服系统的调试方法4、运动控制算法调试法如果伺服系统使用了运动控制算法，可以通过调试算法的代码或参数来优化系统的性能。可以使用仿真工具或实际测试来验证算法的效果。3.3.4伺服系统的调试方法5、性能监测法在调试过程中，使用监测工具实时监测伺服系统的性能，如位置误差、速度响应等。根据监测结果，可以进一步调整参数或算法，以提高系统的性能。3.3.4伺服系统的调试方法6、负载测试法通过对伺服系统施加不同负载，如不同负载力矩或速度，来测试系统的稳定性和响应性。可以根据测试结果来调整参数或算法，以满足设计要求。3.3.4伺服系统的调试方法伺服系统主要通过脉冲进行位置控制。可以理解为，伺服电机每接收到一个脉冲，就会转动一个与该脉冲对应的角度，从而实现位置移动。同时，伺服电机本身具备脉冲发生器。3.3.5伺服系统与步进系统的区别因此每当电机转动一个角度，就会发出相应数量的脉冲，形成与接收到的脉冲相对应的闭环。通过这种方式，系统能够精确控制电机转动并实现高精度的定位，达到0.001mm级别。3.3.5伺服系统与步进系统的区别步进电机作为开环控制系统中一种，与现代数字控制技术有着密切联系。在国内数字控制系统中，步进电机应用非常广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机逐渐应用于数字控制系统中。3.3.5伺服系统与步进系统的区别为了适应数字控制的发展趋势，运动中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号)，但在使用性能和应用场合上存在较大差异。下面就二者使用性能进行比较。3.3.5伺服系统与步进系统的区别3.3.5伺服系统与步进系统的区别步进电机1、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。3.3.5伺服系统与步进系统的区别

三洋公司生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。3.3.5伺服系统与步进系统的区别2、低频特性不同步进电机在低速时容易出现低频振动现象。这种振动频率与负载情况和驱动器性能有关，通常认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对机器的正常运转产生非常不利的影响。3.3.5伺服系统与步进系统的区别

因此，当步进电机工作在低速时，通常应采用阻尼技术以减小低频振动现象，如在电机上加装阻尼器或者在驱动器上采用细分技术等。3.3.5伺服系统与步进系统的区别交流伺服电机运行非常平稳，即使在低速时也不会发生振动。交流伺服系统具有共振抑制功能，可以弥补机械刚性的不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可以检测出共振点，方便系统调整。3.3.5伺服系统与步进系统的区别3、矩频特性不同步进电机的输出扭矩随着转速的升高而降低，并在较高转速时出现急剧下降，因此其最高工作转速通常在300～600转/分钟。3.3.5伺服系统与步进系统的区别

交流伺服电机具有恒定的扭矩输出，即在其额定转速（通常为2000转/分钟或3000转/分钟）内，都可以输出额定扭矩。在额定转速以上时，交流伺服电机表现为恒定功率输出。3.3.5伺服系统与步进系统的区别4、过载能力不同步进电机通常不具备过载能力。相比之下，交流伺服电机具有显著的过载能力。以三洋交流伺服电机为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩可以达到额定转矩的两到三倍，这使得它能够有效地克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。3.3.5伺服系统与步进系统的区别

因为步进电机缺乏这种过载能力，为了在选型时克服这种惯性力矩，常常需要选择具有较大转矩的电机。然而，机器在正常工作期间并不需要那么大的转矩，这就导致了转矩浪费的现象出现。3.3.5伺服系统与步进系统的区别5、运行性能不同步进电机的控制属于开环控制，这意味着对其的控制并未包含对输出结果的反馈。因此，如果启动频率过高或负载过大，步进电机容易出现步进丢失或堵转的现象。此外，当停止时转速过高，还可能出现过冲的现象。3.3.5伺服系统与步进系统的区别

因此，为了确保步进电机的控制精度，必须妥善处理升速和降速问题。相比之下，交流伺服驱动系统采用闭环控制，这意味着其包含对电机反馈信号的采样，并形成内部的位置环和速度环。这种结构使得交流伺服电机一般不会出现步进电机所面临的丢步和过冲问题，从而使其控制性能更加可靠。3.3.5伺服系统与步进系统的区别6、速度响应性能不同步进电机从静止状态加速到工作转速（通常每分钟几百转）需要200～400毫秒。然而，交流伺服系统的加速性能较好。以山洋400W交流伺服电机为例，从静止状态加速到其额定转速3000转/分钟仅需几毫秒。因此，交流伺服电机可用于那些要求快速启停的控制场合。3.3.5伺服系统与步进系统的区别7、运动控制方式不同步进电动机与伺服电动机不同的运动控制方式。标准的步进系统（开回路）流程图如下所示。3.3.5伺服系统与步进系统的区别步进系统脉波命令式伺服系统（半闭回路）流程图如下所示。电压命令式伺服系统（全闭回路）流程图如下所示。3.3.5伺服系统与步进系统的区别脉波命令式伺服系统电压命令式伺服系统综上所述，交流伺服系统在诸多性能指标上优于步进电机，然而，在一些要求不高的应用场景中，步进电机常被用作执行电机。因此，在控制系统设计过程中，需要综合考虑控制要求、成本等多方面因素，以选用适当的控制电机。3.3.5伺服系统与步进系统的区别感谢大家的聆听！3.4 网关在智能控制系统中的应用

任务情境：

工具：

准备材料：3.4 网关在智能控制系统中的应用某制药公司在生产药品时，为了更好地实现生产线的智能控制，要求将生产线上的设备及重要数据通过网关上传到MES系统，因此，需对网关进行相应的配置，使其实现与设备、与MES系统的连接。工业通讯网关、485型温湿度变送器、计算机、“AdvantechEdgeLinkStudio”软件网线、导线、一字螺丝刀3.4.1建立网关与设备的连接3.4.2建立网关与MES系统的连接3.4网关在智能控制系统中的应用1、“AdvantechEdgeLinkStudio”软件安装为了建立网关与设备的连接，需在网关的配套软件上对网关进行相应的配置。因此，首先需要在计算机上安装网关的配套软件“AdvantechEdgeLinkStudio”。软件的安装步骤如下：3.4.1建立网关与设备的连接双击运行“SetupEdgeLinkStudio_2.8.2.1028_Release_22102810_v2.8.2”应用程序，如下图所示，开始“AdvantechEdgeLinkStudio”软件的安装。“SetupEdgeLinkStudio_2.8.2.1028_Release_22102810_v2.8.2”应用程序3.4.1建立网关与设备的连接1在“许可协议”界面选择“我同意此协议”，单击下一步，如下图所示。同意许可协议3.4.1建立网关与设备的连接2在“选择目标位置”界面选择软件安装位置，单击“下一步”，如图所示。同意许可协议3.4.1建立网关与设备的连接3在“选择开始菜单文件夹”界面选择在相应开始菜单文件夹中创建程序的快捷方式，单击“下一步”，如图所示。选择开始菜单文件夹3.4.1建立网关与设备的连接4在“选择附加任务”界面勾选“创建桌面快捷方式”，单击“下一步”，如图所示。选择附加任务3.4.1建立网关与设备的连接5在“准备安装”界面核对上述设置，如无误则单击“安装”，如图所示。准备安装3.4.1建立网关与设备的连接6待安装完成后，界面将提示“AdvantechEdgeLinkStudioStandardEdition2.8.2.1028Release安装完成”，单击“完成”退出安装程序，如图所示。安装完成3.4.1建立网关与设备的连接72、设备接线工业通讯网关具备实现RS-485数据与TCP数据转换的能力，其COM1口可实现RS-485数据的采集与传输，Ethernet口可实现TCP数据的传输。因此，作为数据连接的“交通枢纽”，工业通讯网关各端口接线如下表1所示。3.4.1建立网关与设备的连接1表1工业通讯网关各端口接线3.4.1建立网关与设备的连接工业通讯网关端口连接设备连接端口+Vs电源正极（12V+）GND电源负极（12V-）Ethernet计算机（PC）EthernetT1485型温湿度变送器485A（黄）R1485型温湿度变送器485B（蓝）根据上表，完成计算机（PC）、工业通讯网关与485型温湿度变送器三台设备的接线，如图所示。设备接线3.4.1建立网关与设备的连接23、网关搜索双击图标打开网关配置软件“AdvantechEdgeLinkStudio”，如图所示。网关配置软件“AdvantechEdgeLinkStudio”3.4.1建立网关与设备的连接1单击软件界面左下方的“在线设备”图标，切换至在线设备界面，单击界面上方“搜索设备”，如图所示。搜索设备3.4.1建立网关与设备的连接2搜索完成后，可在界面左侧看到工业通讯网关ECU-1251，如图所示。在线设备搜索结果3.4.1建立网关与设备的连接34、网关参数配置为了方便后续设备的集成应用，网关的IP地址应于路由器、服务器等设备处于同一局域网中，为网关IP地址的分配如表2所示。3.4.1建立网关与设备的连接1表2相机的IP地址分配表3.4.1建立网关与设备的连接设备IP地址子网掩码工业通讯网关192.168.200.253255.255.0.0计算机192.168.200.222255.255.0.0单击软件界面左下方的“工程管理”图标，切换至工程管理界面。3.4.1建立网关与设备的连接2单击界面上方“打开工程”，打开配套工程“网关-工业互联网集成应用平台.acproj”，在软件中显示为“瓶盖”。单击“瓶盖”查看其基本信息，如图所示。3.4.1建立网关与设备的连接3工程基本信息3.4.1建立网关与设备的连接在左侧工程管理菜单中，单击“系统设置”，再单击“网络和Internet”，在下拉菜单中选择“网络设置”，将LAN1的“IP地址”设置为192.168.200.253、“子网掩码”设置为255.255.0.0，如图所示。3.4.1建立网关与设备的连接4设置网关的IP地址3.4.1建立网关与设备的连接将计算机的IP地址设置为192.168.200.222,、子网掩码设置为255.255.0.0，下图所示。3.4.1建立网关与设备的连接5设置计算机IP地址3.4.1建立网关与设备的连接在网关配置软件上重新搜索在线设备，使其与网关连接。连接成功后打开工程。单击“瓶盖”工程下的“数据中心”，单击“I/O点”，单击“COM1”打开该串口。勾选“