课件-2.5-2.7-单回路-复杂与随动控制系统

第2章·自动控制理论综合应用单回路·复杂·随动控制系统2.5→2.6→2.7：从一个最简单的闭环，到两个回路相套，再到跟踪机械量的随动系统本节知识链单回路→设计方案→调试与整定→串级控制→三闭环→随动系统2.5单回路控制系统|2.6复杂控制系统|2.7随动控制系统机电系统控制原理及应用·数字教材配套授课课件本节导图2.5~2.7·内容与知识主线数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件02012.5单回路控制系统四个环节构成单变量负反馈；设计方案的三项基本要求与五项选择；控制器正反作用；调试的七个先后；PID参数整定的三种方法与4:1衰减曲线法公式022.5例2-15/例2-16单闭环直流调速系统的组成与控制过程；加热炉温度控制系统的三种整定方案与拓展算例032.6复杂控制系统串级控制基本原理与方框图；转速、电流双闭环串级调速系统；串级控制的设计要点；伺服电机位置—速度—电流三闭环控制结构042.7随动控制系统随动控制基本概念与六个应用示例；随动控制系统组成的五个关键技术要素；交流位置随动系统的PI/PID仿真对比05交互工具与课堂练习PID参数整定仿真工具、Ziegler-Nichols整定计算器；课堂小结与思考练习主线·知识链单回路↓设计与整定↓串级控制↓三闭环↓随动系统学习目标学完2.5~2.7，你将能够…数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件03知识目标①说出单回路系统的四个组成环节②说明单变量负反馈的含义③复述例2-15的组成与控制过程④说出设计方案的三项要求与五项选择⑤写出控制器正反作用的判定关系式⑥说出调试的七个先后顺序⑦说出PID整定的三种工程方法⑧会用4:1衰减曲线法公式算参数技能目标①能按环节说明单回路系统的组成②能判断控制器的正反作用方式③能按4:1衰减曲线法算出整定参数④能读懂串级与三闭环结构框图⑤能说明随动系统的五个关键技术要素素质目标①树立“先单元后系统”的调试思维②养成先安全后运行的操作规范意识③形成由内到外、逐环整定的系统观④体会从单回路到复杂系统的工程演进⑤建立以工艺要求为出发点的设计意识本节关键单回路是最基本的形式——四个环节构成一个负反馈闭环；复杂控制系统把两个回路相套成串级，随动控制系统则把被控量换成了位移、速度、加速度等机械变量。2.5单回路控制系统系统组成与原理·设计方案与正反作用·系统调试与运行四环节组成→例2-15→五项选择→正反作用→调试顺序→PID整定机电系统控制原理及应用·数字教材配套授课课件知识要点2.5.1系统组成与原理：四个环节构成单回路数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件05测量变送器测量被控量并输出反馈信号。例2-15：测速发电机及反馈电位器。→对应2.5.2“检测仪表的选择”控制器按偏差进行运算，输出控制信号。例2-15：放大器（或PID调节器）。→对应2.5.2“控制器的选择”执行器接受控制信号，改变操纵变量。例2-15：晶闸管整流触发装置或PWM电路。→对应2.5.2“执行器的选择”被控对象需要被控制的设备或过程。例2-15：直流电动机。→被控变量由它决定单变量负反馈控制系统单回路控制系统由一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控对象组成，构成单变量负反馈控制系统。“单回路”指只有一个闭环，“单变量”指只有一个被控量——结构最简单，所以它也是最常见、应用最广泛的调节系统之一。记忆测量变送器“看”、控制器“想”、执行器“做”、被控对象“被控制”；四者首尾相接成环，就是这个“单回路”。例题精讲例2-15单闭环直流调速系统（一）：系统组成数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件06【题目】单闭环直流调速系统——被控对象：直流电动机；输入：转速设定值；测量：测速发电机及反馈电位器；控制器：放大器（或PID调节器）；执行器：晶闸管整流触发装置或PWM电路。环节/要素本例中的具体部件被控对象直流电动机输入（给定）转速设定值测量测速发电机及反馈电位器控制器放大器（或PID调节器）执行器晶闸管整流触发装置或PWM电路读例要点把2.5.1的四个环节逐一“对号入座”，一个单回路系统就看清了：被控量是电动机转速，给定是转速设定值，反馈来自测速发电机。例题精讲例2-15单闭环直流调速系统（二）：控制过程数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件07【题目原文·控制过程】负载增加→转速下降→测速发电机检测→与设定值比较得偏差→控制器运算→输出控制信号→改变电机电压→转速回升→负反馈自动调整。①负载增加②转速下降③测速发电机检测④与设定值比较得偏差⑤控制器运算⑥输出控制信号⑦改变电机电压⑧转速回升⑨负反馈自动调整现象：转速先下降、再回升；原因：偏差出现→控制器输出改变电机电压→转速被拉回设定值。结论凡是“负载变化引起被控量偏离、又由负反馈自动拉回”的过程，都是同一个闭环在工作。知识要点2.5.2设计方案：三项基本要求与五项选择数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件08控制系统的设计遵循安全性、稳定性、经济性三个基本要求。设计方案主要包括下面五项选择。（1）被控变量的选择选择对产品质量、安全生产、经济运行具有决定性作用的直接或间接参数（2）操纵变量的选择选择对被控变量影响显著且可控性良好的输入变量（3）执行器的选择根据控制方式选择调节阀、电机等，需考虑结构形式、流量特性等（4）检测仪表的选择需考虑工作环境、测量精度、动态响应速度（5）控制器的选择包括控制规律选择（P/PI/PD/PID）和正反作用方式选择设计思路安全性回答“出故障时会不会伤人损机”，稳定性回答“能不能稳稳调住”，经济性回答“值不值得”——三项要求是前提，五项选择是落地。知识要点五项选择各自回答什么问题数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件09选择项回答的问题教材给出的考虑点被控变量的选择控制什么选择对产品质量、安全生产、经济运行具有决定性作用的直接或间接参数操纵变量的选择用什么去控制选择对被控变量影响显著且可控性良好的输入变量执行器的选择靠什么执行根据控制方式选择调节阀、电机等，需考虑结构形式、流量特性等检测仪表的选择怎么测出来需考虑工作环境、测量精度、动态响应速度控制器的选择怎么运算决策包括控制规律选择（P/PI/PD/PID）和正反作用方式选择顺序提示被控变量、操纵变量是“选对象与手段”，属于工艺问题；执行器、检测仪表、控制器是“选设备与算法”，属于仪表与控制问题。前者定不下来，后者无从谈起。记忆控制什么→用什么控制→靠什么执行→怎么测→怎么算：五问连成一条设计链。知识要点控制器正反作用方式的确定数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件10对于闭环负反馈控制系统，各环节放大系数的符号联乘必须为负：KC×KV×K0×Km<0下标C—控制器V—执行器0—被控对象m—测量变送器①先定执行器根据安全原则确定执行器的正反作用。安全优先。②再看被控过程按被控过程特性确定正反作用。看对象特性。③最后定控制器根据开环放大系数极性相乘为负的原则，确定控制器的正反作用。为什么要“联乘为负”负反馈的本质就是“被控量一升高，控制作用就把它压下去”。四个环节的符号连乘为负，闭环才真正是负反馈；否则偏差会被越放越大。顺序执行器（安全）→被控过程（特性）→控制器（用公式兜底）：先定两头，最后用公式把控制器定死。知识要点2.5.3调试基本顺序：七个“先…后…”数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件11①先单元→后系统②先控制电路→后主电路③先检验保护→后投入运行④先内环→后外环⑤先轻载→后重载⑥先低速→后高速⑦先稳态精度→后动态指标共同逻辑：先小后大、先局部后整体、先安全后运行、先静后动。为什么这样排每一步都让风险最小、让问题最早暴露：单元不通就不连系统，内环不稳就不调外环，低速轻载没问题再往高速重载加。知识要点PID参数整定：什么是整定、怎么做数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件12整定的含义整定就是根据被控过程的特性，确定PID调节器的比例度、积分时间、微分时间的大小，使控制器特性与被控对象特性相匹配。衰减曲线法（4:1衰减法）将积分时间置最大、微分置零；减小比例度，直到出现4:1衰减振荡；记录临界比例度δs和振荡周期Ts；查经验公式计算PID参数。经验凑试法按先比例、后积分、最后微分的顺序；反复试凑；观察过渡过程曲线，直到符合要求。自整定现代智能控制器提供PID参数自整定功能模块，极大方便整定工作。三种方法的分工衰减曲线法有经验公式可查，靠“做实验+查表”得到参数；经验凑试法靠观察过渡过程曲线反复试凑；自整定由智能控制器自动完成。三条路殊途同归：都是为了让控制器特性与被控对象特性相匹配。知识要点4:1衰减曲线法整定计算公式数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件13控制规律比例度δ积分时间Ti微分时间Td比例（P）δs——比例积分（PI）1.2δs0.5Ts—比例积分微分（PID）0.8δs0.3Ts0.1Ts表中两个符号δs——出现4:1衰减振荡时的临界比例度；Ts——该状态下的振荡周期。先用实验测出δs与Ts，再按所选控制规律查表计算。表的用法P只需δ；PI需要δ与Ti；PID需要δ、Ti、Td——控制规律越复杂，要整定的参数越多，系统性能通常也越好。记住δ反映比例作用强弱，Ti管消除余差，Td管超前预测：三者分别对应“现在、过去、将来”。例题精讲例2-16加热炉温度控制系统参数整定数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件14【题目】某加热炉温度控制系统采用4:1衰减曲线法整定，实测得δs=20%，Ts=10min。求：比例控制、比例积分控制、比例积分微分控制三种方案的整定参数。控制方案比例度δ积分时间Ti微分时间Td比例控制20%——比例积分控制24%5min—比例积分微分控制16%3min1min三种方案怎么读同一台加热炉、同一组δs与Ts，选不同控制规律就得到不同的一组参数：δ从20%→24%→16%，同时增加了Ti与Td。对照把这三组数字与上一页的4:1衰减曲线法计算公式一一对应，就能看出它们“从哪来”——下一页用公式复核一遍。例题精讲拓展算例：由δs、Ts用公式反推三种方案数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件15【拓展·已知】4:1衰减曲线法实测δs=20%，Ts=10min。【拓展·求】按教材表给出的经验公式，分别计算P、PI、PID三种控制规律的比例度、积分时间与微分时间。比例（P）δ=δs=20%只有一个参数需要整定。比例积分（PI）δ=1.2×20%=24%Ti=0.5×10=5min比例积分微分（PID）δ=0.8×20%=16%Ti=0.3×10=3minTd=0.1×10=1min结论P：δ=20%；PI：δ=24%，Ti=5min；PID：δ=16%，Ti=3min，Td=1min——与例2-16给出的三种方案完全一致。拓展说明本算例只把例2-16的结果按教材公式复核一遍：公式、δs、Ts全部取自教材，未引入教材之外的数据。交互工具配套交互工具：动手调一调PID数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件16PID参数整定仿真工具文件：分章节AI生课件与教案讲稿/交互工具/pid_tuner.html作用：可交互式调整PID参数，观察系统响应。用法：一边改参数、一边看响应曲线，直观体会比例度、积分时间、微分时间对过渡过程的影响。Ziegler-Nichols整定计算器文件：分章节AI生课件与教案讲稿/交互工具/zn_tuning_calculator.html作用：辅助完成参数整定。用法：输入整定实验得到的数据，由计算器算出对应的PID参数。怎么配合本节内容用先按2.5.3的衰减曲线法在仿真工具上做出4:1衰减振荡，读出δs与Ts；再用整定计算器算出PI或PID参数；最后回到仿真工具里验证效果。本页只做工具介绍，不嵌入网页内容——请用浏览器打开上面的html文件使用。提示整定没有“一算就完”的公式解：经验公式给的是起点，最终参数还要在设备上按现象微调。2.6复杂控制系统串级控制基本原理与结构·设计要点·伺服三闭环控制串级结构→双闭环调速→设计要点→三闭环机电系统控制原理及应用·数字教材配套授课课件知识要点2.6.1串级控制基本原理与结构数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件18什么情况下要上串级对象的滞后较大、干扰比较剧烈且频繁时，单回路控制系统满足不了工艺要求，可考虑采用串级控制系统。特点一：两个控制器相串接系统中有主、副两个控制器，串接在同一个闭环里。特点二：主调节器的输出作为副控制器的输入主调节器的输出不再直接去驱动执行器，而是充当副控制器的给定值。回路关系（教材图注）主回路（外环）与副回路（内环）相套构成负反馈闭环——这是串级控制系统最基本的结构特征。一句话串级就是“再套一层环”：外环负责最终指标，内环先把主要干扰就地压住。教材图示串级控制系统方框图数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件19串级控制系统方框图——主调节器输出作为副调节器给定值，主回路（外环）与副回路（内环）相套构成负反馈闭环读图R(s)为设定值，经主调节器Gc1·ASR得到U1(s)（副给定）；再由副调节器Gc2·ACR、副对象Gp2、主对象Gp1得到输出C(s)；紫色支路分别为主反馈（外环H1）与副反馈（内环H2）。知识要点转速、电流双闭环串级调速系统数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件20来自教材的工程实例在直流调速系统中，增设电流负反馈与转速负反馈分别施加到两个调节器上，形成转速、电流双闭环串级调速系统。结构：主回路（外环）——转速环稳定转速，完成细调。转速是最终要保证的被控量，由外层环负责。结构：副回路（内环）——电流环快速调节，属粗调。电流变化快，由内层环先把它稳住。电流调节器ACR稳定电流。速度调节器ASR保持转速稳定并消除静差。读法“主环输出作为副环给定、逐级嵌套”——这句话在下一小节的三闭环伺服系统里会再次出现。知识要点2.6.2串级控制的设计要点数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件21主控器：一般选PI或PID要求无余差。主回路决定最终指标，所以必须带积分作用。副控制器：一般选P允许有余差。副回路的任务是快速把干扰压住，不追求无差。主、副回路都要是负反馈确保主、副回路均构成负反馈系统，否则偏差会被越放越大。与双闭环结构对照着理解与2.6.1的双闭环结构对照：主回路（外环）完成细调，要求无余差，所以主控器选PI或PID；副回路（内环）属快速调节、粗调，允许有余差，所以副控制器选P即可。三句话记住设计要点①主控器求“准”——PI或PID，无余差；②副控制器求“快”——P规律，允许余差；③两条回路都必须构成负反馈。知识要点2.6.3伺服电机的位置、速度、电流三闭环控制数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件22串级思想的延续2.6.1的转速、电流双闭环串级调速系统是直流调速领域的典型结构。这一“主环输出作为副环给定、逐级嵌套”的串级思想同样贯穿于现代交流伺服系统：伺服驱动器内部由外到内依次为位置环、速度环、电流环三个闭环，外层环的调节器输出作为内层环的给定值，三者相套构成三闭环串级控制结构。由外到内：位置环（最外层）→速度环（中间层）→电流环（最内层）与2.6.1的一致性双闭环是“转速环套电流环”，三闭环是“位置环套速度环、速度环再套电流环”——回路个数不同，嵌套思想完全相同。延伸阅读关于各环控制规律（P/PI/PID）、带宽配置与刚性值的详细讨论，详见第4章4.2.3节。一句话串级不是直流调速的专利，交流伺服的三闭环就是同一个思想的现代版本。教材图示伺服电机位置-速度-电流三闭环控制结构框图数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件23伺服电机位置-速度-电流三闭环控制结构框图——位置环（外环）→速度环（中间环）→电流环（内环）逐级串接读图θ*(s)为位置给定，位置调节器APR(P)输出ω*(s)作为速度环给定；速度调节器ASR(PI)输出i*(s)作为电流环给定；电流调节器ACR(PI)经逆变器与伺服电机输出θ(s)；紫线为位置、速度、电流三条反馈通道。知识要点三环分工、带宽与整定原则数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件24位置环（最外层）·APR完成定位与轨迹跟踪。决定“走到哪里、怎么走”。速度环（中间层）·ASR稳定转速并消除静差。决定“走得多快、稳不稳”。电流环（最内层）·ACR实现转矩快速响应。决定“出多大力、快不快”。带宽与整定原则电流环带宽最高，速度环次之，位置环最低；调试时遵循“由内到外、逐环整定”的原则——内环稳定是外环调节的前提，这正是串级控制副回路先行的思想。延伸阅读各环的控制规律（P/PI/PID）、带宽配置与刚性值设置，详见第4章4.2.3节。记忆由外到内是“要什么”，由内到外是“调什么”：三环相套，内环先行。2.7随动控制系统随动控制基本概念·应用示例·系统组成与仿真分析基本概念→应用示例→关键技术要素→仿真分析机电系统控制原理及应用·数字教材配套授课课件知识要点2.7.1随动控制基本概念数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件26定义随动控制系统（伺服系统）是被控量为位移、速度或加速度等机械变量的反馈控制系统。被控量位移、速度或加速度等机械变量。系统类型反馈控制系统（闭环），而不是开环驱动。别称又叫伺服系统，工程上两者常混用。主要任务按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能得到精确方便的控制。一句话随动系统要同时管住三件事：输出的转矩、速度、位置——都要“精确”且“方便”。知识要点随动控制系统的应用示例数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件27冶金轧制轧钢机压下装置的控制机械加工数控机床的加工轨迹控制和仿形机床的跟踪控制船舶航行轮船上的自动操舵装置目标跟踪火炮群跟踪雷达天线或电子望远镜以瞄准目标国防制导国防上的导弹制导工业机器人工业机器人的动作控制六个例子的共同点被控量都是位移、速度或加速度等机械变量，都要求驱动装置输出的转矩、速度与位置得到精确控制；只不过负载从钢坯、刀架、舵叶一直换到天线、导弹和机械臂。归纳冶金、加工、船舶、国防、机器人——凡是要“让某个机械量跟着指令走”的场合，都是随动系统的用武之地。知识要点2.7.2随动控制系统组成数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件28要素说明常见类型/实例执行电机将电信号转换为机械运动直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机电机驱动器为电机提供所需工作电源和控制信号DSP核心数字驱动器、智能功率模块位置传感器检测位移/角位移实现反馈光电编码器、自整角机、旋转变压器运动控制器核心控制单元，完成逻辑/数学运算PLC、专用运动控制器、多轴计算机辅助控制器传动机构传递运动和力谐波齿轮传动、滚珠丝杠读表方法五个要素正好对应“控制—驱动—执行—传动—反馈”五个环节；其中位置传感器是随动系统区别于一般驱动装置的关键——没有它就没有反馈。提示表中每一行都给出了常见类型，选型时可以按“执行电机→驱动器→传感器→控制器→传动机构”逐项落实。知识要点五个关键技术要素如何串成一个随动系统数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件29运动控制器→电机驱动器→执行电机→传动机构→负载位置传感器（光电编码器/自整角机/旋转变压器）检测位移或角位移，把结果反馈给运动控制器→闭环形成前向通道运动控制器：完成逻辑/数学运算；电机驱动器：提供工作电源和控制信号；执行电机：把电信号转换为机械运动。传动通道传动机构：传递运动和力；常见形式有谐波齿轮传动、滚珠丝杠；把执行电机的运动送到负载上。反馈通道位置传感器：检测位移/角位移；把检测结果送回运动控制器；使系统成为反馈控制系统。为什么必须有反馈随动控制系统是反馈控制系统：只有位置传感器把实际位移/角位移送回来，运动控制器才能拿它与指令比较、把偏差消掉。上页五个要素，缺任何一个都构不成闭环随动系统。例题精讲例2-17交流位置随动系统的仿真分析数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件30【题目】某交流位置随动系统的动态结构图含多个环节。用MATLAB/Simulink构建系统仿真模型，比较PI控制与PID控制的性能。控制方式仿真参数仿真结果PI控制TI=1，TD=0，Kp=3超调量很大，不能满足要求PID控制TI=1，TD=0.5，Kp=3无超调，快速性优于PI控制结论与对照思考结论：PID参数合适时，稳、准、快的性能优于PI控制。两组参数的差别只在一处——TD由0变为0.5，即由PI变为PID：加入微分作用后，系统提前“看到”偏差变化的趋势，超调被压掉，快速性反而更好。提示仿真不需要真实设备，是整定PID参数最安全的手段：先在Simulink里试出趋势，再到设备上微调。课堂小结2.5~2.7知识链串讲数字教材第2章·2.5~2.7单回路/复杂/随动控制系统配套授课课件31①单回路组成测量变送器、控制器、执行器、被控对象——构成单变量负反馈控制系统。②例2-15单闭环直流调速：被控对象是直流电动机，测量用测速发电机及反馈电位器，执行器是晶闸管整流触发装置或PWM电路。③设计方案三项基本要求：安全性、稳定性、经济性；五项选择：被控变量、操纵变量、