控制技術(shù)與系統(tǒng)-第七章 控制系統(tǒng)的設(shè)計方法與實(shí)例

控制技術(shù)與系統(tǒng)controltechnologyandsystem

黨學(xué)明儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院第七章控制系統(tǒng)的設(shè)計方法與實(shí)例主要內(nèi)容：第一節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計思想—、設(shè)計思想二．設(shè)計方法第二節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)一、技術(shù)指標(biāo)二、控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的轉(zhuǎn)換第三節(jié)經(jīng)典理論設(shè)計控制系統(tǒng)的方法一、控制系統(tǒng)的特性設(shè)計一、校正方式三、串聯(lián)校正的基本方法第四節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)例第一節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計思想控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)就是根據(jù)控制對象特性、技術(shù)要求及工作環(huán)境，選擇設(shè)計元、部件及信號變換處理裝置，組成相應(yīng)形式的控制系統(tǒng)，完成給定的控制任務(wù)。從控制系統(tǒng)設(shè)計的角度出發(fā)，一般將控制系統(tǒng)分為：順序控制系統(tǒng)(或開環(huán)控制系統(tǒng))、反饋控制系統(tǒng)(或閉環(huán)控制系統(tǒng))、復(fù)合控制系統(tǒng)(由開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)合構(gòu)成)，對于不同的控制對象，系統(tǒng)的設(shè)計方案和具體的技術(shù)指標(biāo)是不同的，但控制系統(tǒng)的設(shè)計原則是相同的。這就是滿足工藝要求，可靠性高，操作性能好，實(shí)時性強(qiáng)，通用性好，經(jīng)濟(jì)效益高?！⒃O(shè)計思想(—)設(shè)計大綱的制定包含內(nèi)容：1)明確控制對象及其控制過程的工藝特點(diǎn)及要求2)限定控制系統(tǒng)的工作條件及環(huán)境。3)關(guān)于控制方案的特殊要求。4)控制系統(tǒng)的性能技術(shù)指標(biāo)。5)規(guī)定試驗(yàn)項(xiàng)目。(二)設(shè)計步驟1、建立控制對象的數(shù)學(xué)模型2．方案選擇3．建立系統(tǒng)框圖4．靜態(tài)計算5．動態(tài)特性分析及校正裝置的確定6．改變控制方式7．實(shí)驗(yàn)與仿真(三)基本設(shè)計

1．元件選擇2．建立確定系統(tǒng)組成元、部件的數(shù)學(xué)模型3．動態(tài)計算(四)工程化設(shè)計(五)測試調(diào)試控制系統(tǒng)的設(shè)計階段又分為總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計等幾個步驟。1．總體設(shè)計（1）確定系統(tǒng)任務(wù)與控制方案（2）確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式設(shè)計（3）選擇現(xiàn)場設(shè)備（4）確定控制算法（5）硬、軟件功能的劃分（6）其它方面的考慮2.硬件設(shè)計3．軟件設(shè)計4.仿真調(diào)試5.文檔準(zhǔn)備二．設(shè)計方法試探法解析法查克夏爾的配置零極點(diǎn)法最優(yōu)設(shè)計法經(jīng)驗(yàn)法第二節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)主要內(nèi)容：

一、技術(shù)指標(biāo)二、控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的轉(zhuǎn)換一、技術(shù)指標(biāo)(一)順序控制系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)順序控制系統(tǒng)，一般是控制機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)、停止，生產(chǎn)過程中的加工、運(yùn)輸、檢驗(yàn)等階段性動作。控制過程是不連續(xù)的，是根據(jù)一定的順序或條件變化的。順序控制系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)是：①自動化范圍及水平；②操作過程的順序、轉(zhuǎn)移條件要求；②工作環(huán)境。至于轉(zhuǎn)移過程的精度及靜態(tài)精度均由所選定的元、部件確定。(二)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)設(shè)計時應(yīng)同時給出靜態(tài)及動態(tài)特性要求。設(shè)計反饋控制系統(tǒng)可以用時域設(shè)計方法，也可用頻域設(shè)計方法。應(yīng)用不同方法時，設(shè)計技術(shù)指標(biāo)是以不同形式給出的。通常在設(shè)計控制系統(tǒng)中，主要的設(shè)計指標(biāo)有：穩(wěn)定性要求、靜態(tài)特性指標(biāo)、動態(tài)特性指標(biāo)等。1．穩(wěn)定性要求主要指標(biāo)：相角裕度γ幅值裕度h系統(tǒng)開環(huán)頻率特性上幅值為1時所對應(yīng)的角頻率稱為幅值穿越頻率或截止頻率，記為ωc，即定義相位裕度為相角裕度γ的含義是，對于閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)，如果系統(tǒng)開環(huán)相頻特性再滯后

γ度，則系統(tǒng)將處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

幅值裕度h

系統(tǒng)開環(huán)頻率特性上相位等于-1800時所對應(yīng)的角頻率稱為相位穿越頻率，記為ωx，即定義幅值裕度為幅值裕度h的含義是，對于閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)，如果系統(tǒng)開環(huán)幅頻特性再增大h倍，則系統(tǒng)將處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，復(fù)平面中

γ和h的表示如下張圖所示。對數(shù)坐標(biāo)下，幅值裕度按下式定義：

2.靜態(tài)特性指標(biāo)一般有兩種方式給定：一是對應(yīng)于一定的輸入信號的穩(wěn)態(tài)誤差要求二是對應(yīng)于—定輸入信號的誤差系數(shù)要求。3動態(tài)特性指標(biāo)過渡過程指標(biāo)1)超調(diào)量σ2)延遲時間td，3)調(diào)節(jié)時間ts，又稱過渡過程時間，4)閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)位置，即控制系統(tǒng)的阻尼比ξ及自然頻率ωn。頻域法指標(biāo)1)諧振峰值MP，表示系統(tǒng)輸出的超調(diào)量大小。2)峰值諧振頻率ωp3)截止頻率4)帶寬ωb，表示系統(tǒng)動態(tài)過程的快速性帶寬定義：1、閉環(huán)時，幅值下降為0.707時對應(yīng)的頻率2、二階系統(tǒng)以自然頻率ωn為帶寬3、波特圖設(shè)計，以0db線的穿越頻率（剪切頻率）ωc控制系統(tǒng)常用指標(biāo)σtrωb對于反饋控制系統(tǒng)，不僅要求快速性,也要求對干擾和噪聲有效抑制,而快速性與精度相矛盾,帶寬越大,快速性越好,靜態(tài)指標(biāo)越好,但是噪聲與抑制干擾的能力下降,一般情況快速性滿足基本要求即可.二、控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的轉(zhuǎn)換1.精確度與誤差系數(shù)Kp,Kv,Ka轉(zhuǎn)換2.二階系統(tǒng)γ與ξ之間的轉(zhuǎn)換典型二階系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為當(dāng)所以

由于ξ在0.4—0.8時，系統(tǒng)超調(diào)量較小．并且穩(wěn)定時間也較短，所以在設(shè)計系統(tǒng)時，由圖看出，對應(yīng)γ值一般取y＝43°-70°較合適。3.γ與Mp的關(guān)系

開環(huán)傳遞函數(shù)

系統(tǒng)開環(huán)相頻特性可表示為即角度相對與-180度偏移，當(dāng)ω=ωc時，γ即為相角裕量所以開環(huán)頻率特性可表示為閉環(huán)幅頻特性一般，在的極大值附近，變化較小，且使為極值的諧振頻率常在附近，即有當(dāng)時，為極值，諧振峰值為較小時，上式的近似程度較高。4、二階系統(tǒng)頻域指標(biāo)與時域指標(biāo)的關(guān)系諧振峰值諧振頻率帶寬頻率截止頻率相角裕度超調(diào)量調(diào)節(jié)時間應(yīng)用以上公式估算高階系統(tǒng)時域指標(biāo)，一般偏保守，實(shí)際性能比估算的結(jié)果要好。但在初步設(shè)計時，應(yīng)用這組公式便于留有一定余地。5、高階系統(tǒng)頻域指標(biāo)與時域指標(biāo)的關(guān)系諧振峰值超調(diào)量調(diào)節(jié)時間第三節(jié)經(jīng)典理論設(shè)計控制系統(tǒng)的方法一、控制系統(tǒng)的特性設(shè)計

對于控制理論而言，控制系統(tǒng)特性設(shè)計是指設(shè)計一個能滿足給定性能(穩(wěn)定性、響應(yīng)快速性、穩(wěn)態(tài)精度等)指標(biāo)要求，且在物理上能實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型。

控制系統(tǒng)一般由基本部分和輔助部分兩大部分組成?；静糠职▓?zhí)行元件、測量元件及放大器等組成。在這部分中，除放大增益可以調(diào)節(jié)外，其他部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)都是不能改變的。如果系統(tǒng)的性能要求不高，有時調(diào)節(jié)放大器增益，就可以滿足系統(tǒng)性能要求。但在多數(shù)情況下，在控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，通常引入輔助裝置，稱為系統(tǒng)的校正裝置，來改善系統(tǒng)的性能。當(dāng)系統(tǒng)中基本元件、部件選定以后，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有一部分已經(jīng)確定因此控制系統(tǒng)統(tǒng)的特性設(shè)計實(shí)質(zhì)上就是確定系統(tǒng)放大器增益和校正裝置的數(shù)學(xué)模型。二、校正方式常用的校正方式有兩種：串聯(lián)校正和并聯(lián)校正。校正裝置串聯(lián)在系統(tǒng)的前向通路中稱為串聯(lián)校正，串聯(lián)校正了減小功率損失，串聯(lián)校正裝置一般故在前向通道的前端，即低功率部分。按校正環(huán)節(jié)的性質(zhì)劃分，串聯(lián)校正分為相位超前校正相位滯后校正相位滯后校正。并聯(lián)校正：反饋校正和順饋校正三、串聯(lián)校正的基本方法略見自動控制原理第四節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)例要求：設(shè)計一原子力顯微鏡，掃描速度大于1Hz（1024*1024）分辨率優(yōu)于1nmXY掃描尺寸100um并行原子力顯微鏡（AFM）設(shè)計基本原理應(yīng)用總體設(shè)計探針陣列及其變形檢測系統(tǒng)—機(jī)械、光學(xué)電子控制及反饋回路–電路、器件壓電陶瓷掃描器及其控制回路---檢測技術(shù)軟件控制、數(shù)據(jù)采集及圖像顯示—計算機(jī)技術(shù)其它輔助系統(tǒng)(如樣品-針尖逼近，輔助觀測定位裝置等)—輔助機(jī)械、光學(xué)等總體設(shè)計可分三部分：主體部分電子控制系統(tǒng)計算機(jī)采集、控制、顯示系統(tǒng)主體設(shè)計針尖與樣品之間逼近調(diào)整針尖平面與樣品的水平調(diào)節(jié)針尖與樣品的距離使探針進(jìn)入工作范圍探針懸臂梁變形檢測樣品掃描針尖與樣品之間逼近三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)直流電機(jī)-千分尺頭減速裝置樣品的最大尺寸為：圓形直徑42mm，方形：寬度30mm長度不限1ms步進(jìn)距離:0.5mm×1/1000×3/60=0.25×10-4mm=25nm

探針懸臂梁變形檢測常用變形檢測法:激光光點(diǎn)偏轉(zhuǎn)法STM法電容法光學(xué)干涉法自感應(yīng)式: