《智能控制技术》课件 3.1控制系统

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控制系统服务教育成就未来北京新大陆时代教育科技有限公司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