機電一體化技術(shù)與應(yīng)用 課件全套 -齊龍 第1-9章 機電一體化概述 -應(yīng)用實例

機電一體化技術(shù)與應(yīng)用第1章

機電一體化概述第2章

機電一體化系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模第3章

機電一體化系統(tǒng)自動控制技術(shù)第4章

機電一體化系統(tǒng)檢測技術(shù)第5章

機電一體化驅(qū)動系統(tǒng)第6章

機電一體化系統(tǒng)計算機控制技術(shù)第7章

機電一體化系統(tǒng)通信技術(shù)第8章

機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)第9章

機電一體化系統(tǒng)工程實例目

錄第1章

機電一體化概述1.1機電一體化的概念1.2機電一體化產(chǎn)品的分類1.3機電一體化系統(tǒng)的基本組成要素1.4機電一體化系統(tǒng)的接口1.5機電一體化系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)1.6機電一體化系統(tǒng)的特點1.7機電一體化技術(shù)的發(fā)展歷史和趨勢2024/10/9-3-1.1機電一體化的概念機電一體化：機電一體化是在機械的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引入微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機電一體化系統(tǒng)學(xué)科構(gòu)成：2024/10/9-4-1.2機電一體化產(chǎn)品的分類2024/10/9-5-數(shù)控機械類電子設(shè)備類機電結(jié)合類電液伺服類信息控制類等01大型成套設(shè)備數(shù)控機械儀器儀表辦公自動化系統(tǒng)等02工業(yè)生產(chǎn)類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類運輸包裝類儲存銷售類社會服務(wù)類家庭日用類科研儀器類國防武器類等03功能附加型功能替代型機電融合型等04功能原理系統(tǒng)化程度服務(wù)對象機、電技術(shù)結(jié)合程度1.3機電一體化系統(tǒng)的基本組成要素2024/10/9-6-一個完善的機電一體化系統(tǒng)，包含機械單元、執(zhí)行機構(gòu)單元、動力與驅(qū)動單元、控制及信息處理單元、檢測單元五個基本要素。機電一體化系統(tǒng)動力與驅(qū)動單元3能量形式轉(zhuǎn)換部件。機械單元1機電一體化系統(tǒng)的本體。執(zhí)行機構(gòu)單元2運動部件。檢測單元5各類傳感器、變送器等。4控制及信息處理單元包括微型計算機、邏輯電路、接口等，屬于核心部分。1.4機電一體化系統(tǒng)的接口2024/10/9-7-接口是控制及信息處理單元與外部設(shè)備的連接元件，是控制及信息處理單元與外部設(shè)備進行信息交換的中轉(zhuǎn)站。接口完成的工作有：執(zhí)行控制及信息處理單元的命令，返回外部設(shè)備的狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)緩沖、設(shè)備尋址、信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)寬度與格式轉(zhuǎn)換等。1.4機電一體化系統(tǒng)的接口2024/10/9-8-各組成要素和它們各自內(nèi)部各環(huán)節(jié)之間都遵循的四大原則：接口耦合、能量轉(zhuǎn)換、信息控制、運動傳遞。接口耦合能量轉(zhuǎn)換信息控制信息的變化、放大、耦合。運動傳遞不同類型能量的最優(yōu)轉(zhuǎn)換方法與原理。數(shù)據(jù)采集、分析、判斷、決策。不同類型運動的變換與傳輸以及以運動控制為目的的優(yōu)化機電一體化系統(tǒng)1.5機電一體化系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)2024/10/9-9-自動控制計算機與信息處理機械設(shè)計與制造伺服傳動通信接口機電一體化系統(tǒng)軟件傳感與檢測系統(tǒng)1.6機電一體化系統(tǒng)的特點2024/10/9-10-結(jié)構(gòu)簡單，操作方便速度快，精度高柔性好可靠性高1.7機電一體化技術(shù)的發(fā)展歷史和趨勢2024/10/9-11-0120世紀(jì)60年代以前萌芽階段20世紀(jì)70～80年代02蓬勃發(fā)展階段0320世紀(jì)90年代后期至今智能化階段發(fā)展歷史：1.7機電一體化技術(shù)的發(fā)展歷史和趨勢2024/10/9-12-發(fā)展趨勢：智能化、信息化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、個性化、微型化、輕量化、系統(tǒng)化、環(huán)保節(jié)能化、安全化、柔性化、生物智能化第2章機電一體化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)：本章要求掌握機電2.1建立數(shù)學(xué)模型的一般方法方法，傳送函數(shù)的定義、求解方法，熟悉典型系統(tǒng)的傳遞函數(shù)求取方法，系統(tǒng)框圖及其等效變化。能力目標(biāo)：為了更好地設(shè)計、分析控制系統(tǒng)，掌握其內(nèi)在變化規(guī)律，需用數(shù)學(xué)表達式來描述控制系統(tǒng)。由于分析和設(shè)計的控制系統(tǒng)不同，采用的方法不同，因此用來描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型也是多種多樣的。常用的數(shù)學(xué)模型有微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性、差分方程和狀態(tài)空間表達式等。通過本章學(xué)習(xí)，掌握線性定常系統(tǒng)微分方程的建立方法，形成系統(tǒng)建模概念體系。思政目標(biāo)：理解控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的重要基礎(chǔ)理論，提高我國控制系統(tǒng)設(shè)計制造核心競爭力。數(shù)學(xué)模型是認識世界，探索未知領(lǐng)域的途徑數(shù)學(xué)模型是理解世界并探索未知領(lǐng)域的重要工具，它通過系統(tǒng)動態(tài)特性的精確表示，幫助我們分析、設(shè)計、預(yù)測和控制實際系統(tǒng)。認識數(shù)學(xué)模型自動控制領(lǐng)域數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型的類型：常見的數(shù)學(xué)模型包括微分方程、代數(shù)方程和差分方程等，這些模型在不同領(lǐng)域的系統(tǒng)（如工程、生物醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟、社會等）中應(yīng)用廣泛。數(shù)學(xué)模型的用途：分析系統(tǒng)：在設(shè)計新系統(tǒng)時，通過數(shù)字仿真和物理仿真實驗來進行初步分析，建立數(shù)學(xué)模型是進行數(shù)字仿真的前提。預(yù)測物理量：某些無法直接測量的物理量可以通過數(shù)學(xué)模型進行預(yù)測，例如天氣、地震和人口趨勢等。設(shè)計控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的設(shè)計依賴于數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)模型設(shè)計控制器，以滿足不同的性能要求。認識控制理論控制系統(tǒng)分類：根據(jù)數(shù)學(xué)模型，控制系統(tǒng)可以分為線性與非線性、連續(xù)與離散、定常與時變系統(tǒng)。線性定常系統(tǒng)的分析特別重要，因為它不僅具有完整的研究方法，還能在一定條件下適用于非線性和時變系統(tǒng)。控制理論的發(fā)展：控制理論經(jīng)歷了經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制和智能控制的發(fā)展階段。經(jīng)典控制理論主要采用輸入/輸出的外部描述方法，通過時域、復(fù)數(shù)域和頻域進行分析，數(shù)學(xué)模型包括微分方程、差分方程、傳遞函數(shù)和動態(tài)結(jié)構(gòu)圖等。2.1建立數(shù)學(xué)模型的一般方法2.2線性微分方程的求解2.3傳遞函數(shù)2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.5機電一體化系統(tǒng)建模實例目

錄2.1建立數(shù)學(xué)模型的一般方法(1)根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，確定系統(tǒng)和各元部件的輸入、輸出量。(2)依據(jù)各元部件所遵循的物理或化學(xué)定律，如機械系統(tǒng)的牛頓運動定律，電學(xué)系統(tǒng)的基爾霍夫電流、電壓定律等，依次列寫出系統(tǒng)和各元件的動態(tài)微分方程。(3)消去中間變量，得到元部件或系統(tǒng)輸入、輸出變量之間的微分方程。(4)將微分方程標(biāo)準(zhǔn)化：輸入量放在等式的右端，輸出量放在等式的左端，各階導(dǎo)數(shù)按降冪排列。建立微分方程的一般步驟2.1建立數(shù)學(xué)模型的一般方法在機械系統(tǒng)中常采用牛頓運動定律建立數(shù)學(xué)模型2.1.1力學(xué)系統(tǒng)對于這種沒有外部輸入的系統(tǒng)，稱之為自由系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)總會受到給定輸入或外部干擾，稱作強迫的或受控系統(tǒng)，意味著狀態(tài)變化的速率會受輸入的影響。2.1建立數(shù)學(xué)模型的一般方法2.1.2電路系統(tǒng)電氣系統(tǒng)主要由電阻、電容和電感等基本元件組成依據(jù)基爾霍夫電壓和基爾霍夫電流定律，可得系統(tǒng)的微分方程：典型的RC電路2.1建立數(shù)學(xué)模型的一般方法2.1.3多學(xué)科建模建模是許多學(xué)科的基本組成部分，但各個學(xué)科的方法可能各不相同。需先將系統(tǒng)劃分成較小的子系統(tǒng)。將每個子系統(tǒng)表示成關(guān)于質(zhì)量、能量和動量的平衡方程，然后通過對互連的各個子系統(tǒng)變量的行為進行描述，掌握子系統(tǒng)接口處的行為。通過將子系統(tǒng)的描述以及接口的描述組合起來，得到完整的模型。2.1建立數(shù)學(xué)模型的一般方法2.2線性微分方程的求解2.3傳遞函數(shù)2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.5機電一體化系統(tǒng)建模實例目

錄2.2線性微分方程的求解拉普拉斯變換，簡稱拉氏變換，是求解線性微分方程的一種簡便運算方法，是利用頻率法分析控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。利用拉普拉斯變換求解微分方程，可以將時間函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，變成復(fù)變量s的乘積，將時間t表示的微分方程，變成以s表示的代數(shù)方程，大大簡化求解過程。2.2線性微分方程的求解(1)拉普拉斯變換2.2.1.拉普拉斯變換及拉普拉斯反變換的定義特別說明：2.2線性微分方程的求解2.2線性微分方程的求解(2)拉普拉斯反變換2.2線性微分方程的求解(1)單位階躍函數(shù)的拉氏變換2.2.2.典型時間函數(shù)的拉普拉斯變換2.2線性微分方程的求解(2)單位斜坡函數(shù)的拉氏變換2.2線性微分方程的求解(3)單位加速度函數(shù)2.2線性微分方程的求解(4)指數(shù)函數(shù)的拉氏變換2.2線性微分方程的求解(5)正弦函數(shù)的拉氏變換2.2線性微分方程的求解(5)正弦函數(shù)的拉氏變換2.2線性微分方程的求解(6)單位脈沖函數(shù)的拉氏變換2.2線性微分方程的求解拉氏變換對照表2.2線性微分方程的求解拉氏變換對照表2.2線性微分方程的求解1.線性定理2.2.3拉普拉斯變換基本定理2.2線性微分方程的求解2.實數(shù)域的平移定理2.2線性微分方程的求解3.復(fù)數(shù)域的平移定理證明：2.2線性微分方程的求解4.微分定理2.2線性微分方程的求解證明：根據(jù)拉氏變換的定義，有2.2線性微分方程的求解注意：運用微分定理可將函數(shù)的求導(dǎo)運算轉(zhuǎn)化為代數(shù)運算2.2線性微分方程的求解5.積分定理2.2線性微分方程的求解2.2線性微分方程的求解6.初值定理2.2線性微分方程的求解7.終值定理2.2線性微分方程的求解拉普拉斯反變換是求解控制系統(tǒng)時間響應(yīng)的重要手段。常采用部分分式展開法將復(fù)雜的象函數(shù)化簡成簡單的部分分式之和，然后對照拉氏變換表求取原函數(shù)。2.2.4拉普拉斯反變換2.2線性微分方程的求解在控制系統(tǒng)中，象函數(shù)?？蓪懗扇缦碌挠欣矸质叫问剑海?1)象函數(shù)F(s)的極點為各不相同的實數(shù)2.2線性微分方程的求解2.2線性微分方程的求解(2)象函數(shù)F(s)的極點中有共軛復(fù)數(shù)極點2.2線性微分方程的求解令等式兩邊的實部和虛部分別相等，聯(lián)立求解方程，則可求得k1、k2的值則將共軛復(fù)數(shù)極點部分配成上面的格式，利用線性定理，即可求出系統(tǒng)的原函數(shù)。2.2線性微分方程的求解(3)象函數(shù)F(s)的極點中有重極點特別說明：2.2線性微分方程的求解2.2線性微分方程的求解解：由拉氏變換定義及線性定理可知：2.2.5例題2.2線性微分方程的求解【例2.2】求所示三角波的拉氏變換。解：三角波可表達為：利用實數(shù)域的平移定理，對上式求拉氏變換，得：2.2線性微分方程的求解解：由正弦函數(shù)的拉氏變換可知運用復(fù)數(shù)域的平移定理，有2.2線性微分方程的求解解：象函數(shù)中極點均為不相同的實數(shù)，可展開為2.2線性微分方程的求解解：2.2線性微分方程的求解解：2.1建立數(shù)學(xué)模型的一般方法2.2線性微分方程的求解2.3傳遞函數(shù)2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.5機電一體化系統(tǒng)建模實例目

錄2.3傳遞函數(shù)為了方便地求解系統(tǒng)的微分方程，分析系統(tǒng)的動態(tài)特性，常需借助于拉普拉斯變換，將時域中復(fù)雜的微分方程轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)數(shù)域簡單的代數(shù)方程。傳遞函數(shù)就是在建立在拉氏變換基礎(chǔ)上的，用來分析和設(shè)計零初始條件下控制系統(tǒng)的有力工具。2.3傳遞函數(shù)2.3.1.傳遞函數(shù)的定義線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：在零初始條件下(初始輸入量和輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)均為零)，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。2.3傳遞函數(shù)設(shè)線性定常系統(tǒng)輸入與輸出間的n階微分方程一般表達式為：當(dāng)初始條件全為零時，對上式進行拉氏變換可得系統(tǒng)傳遞函數(shù)的一般形式：2.3傳遞函數(shù)在實際中，控制系統(tǒng)都是由許多物理元部件構(gòu)成的。但不同物理特性的元部件卻可能具有相同的傳遞函數(shù)形式。為了更方便地分析和設(shè)計系統(tǒng)，常將具有某種確定信息傳遞關(guān)系的元部件稱為環(huán)節(jié)。一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)總可看作是由一些典型環(huán)節(jié)所組成。常用的典型環(huán)節(jié)有：比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)和延遲環(huán)節(jié)等。2.3.2.典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)2.3傳遞函數(shù)(1)比例環(huán)節(jié)2.3傳遞函數(shù)2.慣性環(huán)節(jié)(2)慣性環(huán)節(jié)2.3傳遞函數(shù)2.3傳遞函數(shù)(3)積分環(huán)節(jié)2.3傳遞函數(shù)(4)微分環(huán)節(jié)2.3傳遞函數(shù)(4)微分環(huán)節(jié)說明：理想微分環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)為幅值為無窮大而時間寬度為0的脈沖函數(shù)，這實際上是不可能的，因此微分環(huán)節(jié)必須與其它環(huán)節(jié)同時存在。2.3傳遞函數(shù)(5)振蕩環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型為二階線性常微分方程的環(huán)節(jié)2.3傳遞函數(shù)2.3傳遞函數(shù)

傳遞函數(shù)的主要特點傳遞函數(shù)表征了系統(tǒng)本身的固有特性，只與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)。傳遞函數(shù)的概念只適用于單輸入單輸出系統(tǒng)；傳遞函數(shù)本身不反映任何系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)。即不同的物理系統(tǒng)可能具有同類型的傳遞函數(shù)；2.3傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)的主要特點傳遞函數(shù)只適用于零初始條件下的情況，原則上不適用于非零初始條件。2.1建立數(shù)學(xué)模型的一般方法2.2線性微分方程的求解2.3傳遞函數(shù)2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.5機電一體化系統(tǒng)建模實例目

錄2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖為了更清楚地說明控制系統(tǒng)中各元件的物理功能及相互關(guān)系，常用框圖來分析系統(tǒng)和元件的特性框圖也稱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖/方框圖，是一種圖解形式的數(shù)學(xué)模型根據(jù)各元件間信號的傳遞關(guān)系，將各元件聯(lián)接起來，主要由方框、信號線、相加點和分支點組成2.4.1.結(jié)構(gòu)圖的組成2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.4.1.結(jié)構(gòu)圖的組成方框信號線相加點相加點運算分支點2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.4.2繪制結(jié)構(gòu)圖的步驟寫出每一個元件的微分方程，注意輸人量與輸出量的確定。由微分方程求出各元件的傳遞函數(shù)，并繪出相應(yīng)的框圖。依據(jù)信號在系統(tǒng)中的傳遞關(guān)系，將各元件的框圖連接起來，輸人量置于左端，輸出量置于右端，便構(gòu)成了系統(tǒng)的框圖。2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖框圖的基本聯(lián)接方式主要有串聯(lián)、并聯(lián)和反饋聯(lián)接三種。串聯(lián)聯(lián)接就是將各環(huán)節(jié)的方框首尾聯(lián)接起來，前一環(huán)節(jié)的輸出量就是后一環(huán)節(jié)的輸入量2.4.3框圖的基本聯(lián)接方式(1)串聯(lián)聯(lián)接2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖(2)并聯(lián)聯(lián)接并聯(lián)聯(lián)接就是幾個環(huán)節(jié)具有相同的輸入量，而輸出量為各環(huán)節(jié)輸出的代數(shù)和(或差)2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖輸出量經(jīng)反饋通道作為反饋信號與輸入量相比較，并以偏差信號作為系統(tǒng)的控制量。(3)反饋聯(lián)接2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖為了分析和研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，得到輸入量與輸出量之間的傳遞函數(shù)，常需對系統(tǒng)的框圖進行必要的簡化?？驁D的簡化應(yīng)符合等效原則，即在變換過程中，應(yīng)保證變換前、后輸入量和輸出量之間的關(guān)系保持不變。對于復(fù)雜的框圖，由于存在交錯聯(lián)接的現(xiàn)象，僅采用前面介紹的三種聯(lián)接方式往往不能解決框圖化簡的問題，需要通過相加點或分支點的移動來消除各種聯(lián)接方式之間的交叉，然后再進行等效變換。2.2.4框圖的簡化2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.1建立數(shù)學(xué)模型的一般方法2.2線性微分方程的求解2.3傳遞函數(shù)2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.5機電一體化系統(tǒng)建模實例目

錄2.5機電一體化系統(tǒng)建模實例1.汽車支撐系統(tǒng)2.5機電一體化系統(tǒng)建模實例1.汽車支撐系統(tǒng)2.5機電一體化系統(tǒng)建模實例1.汽車支撐系統(tǒng)2.5機電一體化系統(tǒng)建模實例2.同步齒形帶驅(qū)動系統(tǒng)2.5機電一體化系統(tǒng)建模實例2.同步齒形帶驅(qū)動系統(tǒng)2.5機電一體化系統(tǒng)建模實例3.電樞控制式直流電機2.5機電一體化系統(tǒng)建模實例3.電樞控制式直流電機2.5機電一體化系統(tǒng)建模實例3.電樞控制式直流電機2.5機電一體化系統(tǒng)建模實例3.電樞控制式直流電機第3章常見自動控制技術(shù)知識目標(biāo)：1）建立自動控制系統(tǒng)的一般概念和基本框架；2）了解自動控制系統(tǒng)的基本組成、基本要求和性能指標(biāo)；3）了解常見PID控制方法、復(fù)雜控制方法、先進控制方法的原理、特點和應(yīng)用場景。能力目標(biāo)：

1）掌握自動控制系統(tǒng)的基本組成、基本要求和性能指標(biāo)；2）掌握PID控制器的設(shè)計方法；3）理解復(fù)雜控制方法和先進控制方法的組成、工作原理和其優(yōu)缺點。

思政目標(biāo)：使學(xué)生了解自動控制技術(shù)在我國各行各業(yè)的應(yīng)用，增強對我國科技實力的自信和對科技創(chuàng)新的熱情，培養(yǎng)學(xué)生對自動控制技術(shù)的創(chuàng)新意識和應(yīng)用意識。第六章常見自動控制技術(shù)本章要點4.1自動控制系統(tǒng)的基本組成4.2控制系統(tǒng)的基本要求4.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)4.4PID控制4.5復(fù)雜控制4.6先進控制

4.1自動控制系統(tǒng)的基本組成自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱為被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制系統(tǒng)的基本組成：給定裝置、反饋（檢測）裝置、比較裝置、放大裝置、執(zhí)行裝置、校正裝置和被控對象，一般可歸結(jié)為穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個方面：

穩(wěn)定性：指系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能否恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。由于系統(tǒng)存在著慣性，當(dāng)系統(tǒng)的各個參數(shù)匹配不當(dāng)時，將會引起系統(tǒng)的振蕩、甚至使系統(tǒng)失去工作能力。通常，一個能夠?qū)嶋H運行的控制系統(tǒng)，必須是穩(wěn)定的系統(tǒng)，因此，穩(wěn)定性是系統(tǒng)工作的首要條件。

快速性：指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與輸生入量之間產(chǎn)偏差時，消除偏差過程的快慢程度，一般要求響應(yīng)速度快，超調(diào)小。

準(zhǔn)確性：指系統(tǒng)在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量和輸入量之間的偏差，或稱為靜態(tài)精度。

同一系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的

自動控制理論除了分析系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性之外，主要還要研究使系統(tǒng)符合給定穩(wěn)、快、準(zhǔn)某一或某些要求的控制規(guī)律。4.2控制系統(tǒng)的基本要求在典型輸入信號作用下，任何一個控制系統(tǒng)的時域響應(yīng)都由動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程兩部分組成。4.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)過程是指系統(tǒng)在典型信號作用下，當(dāng)時間t趨于∞時，系統(tǒng)輸出量的表現(xiàn)形式，當(dāng)時間t趨于∞時，系統(tǒng)的輸出量不等于輸入量或輸入量的確定函數(shù)，則系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)控制精度或抗擾動能力的一種度量。為表征控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，常用上升時間tr來評價系統(tǒng)的響應(yīng)速度，用超調(diào)量來評價系統(tǒng)的阻尼程度，用響應(yīng)時間ts來綜合反映響應(yīng)速度和阻尼程度。

上升時間tr

：指輸出值從零開始第一次上升到其終值所需時間（有振蕩系統(tǒng)），或輸出值從其終值的10%變到終值的90%所需的時間（無振蕩系統(tǒng)）。

響應(yīng)時間ts

：指從輸入量開始起作用到輸出值進入其終值的2%或5%誤差內(nèi)所需要的最短時間。

超調(diào)量：指輸出第一次達到終值后又超出終值而出現(xiàn)的最大偏差與終值的百分比。

4.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)一般可歸結(jié)為穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個方面：

穩(wěn)定性：指系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能否恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。由于系統(tǒng)存在著慣性，當(dāng)系統(tǒng)的各個參數(shù)匹配不當(dāng)時，將會引起系統(tǒng)的振蕩、甚至使系統(tǒng)失去工作能力。通常，一個能夠?qū)嶋H運行的控制系統(tǒng)，必須是穩(wěn)定的系統(tǒng)，因此，穩(wěn)定性是系統(tǒng)工作的首要條件。

快速性：指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與輸生入量之間產(chǎn)偏差時，消除偏差過程的快慢程度，一般要求響應(yīng)速度快，超調(diào)小。

準(zhǔn)確性：指系統(tǒng)在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量和輸入量之間的偏差，或稱為靜態(tài)精度。

同一系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的

自動控制理論除了分析系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性之外，主要還要研究使系統(tǒng)符合給定穩(wěn)、快、準(zhǔn)某一或某些要求的控制規(guī)律。4.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)4.4PID控制本章要點4.4.1PID控制4.4.2PID控制器參數(shù)整定方法4.4.3采樣周期的選取

4.4.1PID控制模擬PID控制

常規(guī)的模擬PID控制系統(tǒng)主要由模擬PID控制器和被控對象、反饋元件組成。

PID控制是指比例（P）、積分（I）、微分（D）控制，是以系統(tǒng)的偏差e(t)為輸入量，通過對其進行比例運算、積分運算、微分運算，綜合計算出控制量u(t)。4.4.1PID控制模擬PID控制

系統(tǒng)偏差與控制量之間的關(guān)系可以表示為

對應(yīng)的模擬PID控制器的傳遞函數(shù)為

4.4.1PID控制模擬PID控制

比例（P）部分

：

比例控制是一種最簡單的控制方式，偏差一且產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使被控量朝著減小偏差的方向變化，越大，偏差減小得越快，且增大值，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，使系統(tǒng)動、靜態(tài)特性變差。

比例控制是一種有差控制，無法消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。

4.4.1PID控制模擬PID控制

積分（I）部分

：

從積分部分的數(shù)學(xué)表達式可以看出，只要存在偏差，它的控制作用就會不斷積累。當(dāng)輸入e(t)消失后，輸出信號的積分部分仍有可能是一個不為零的常數(shù)。積分部分的作用是消除系統(tǒng)的偏差。但積分作用需要一個累積的過程，所以它的動態(tài)響應(yīng)相對比較慢，積分時間常數(shù)越小，積分作用越強，消除靜差的時間會越短，但過小的積分時間常數(shù)會引起系統(tǒng)振蕩，甚至不穩(wěn)定。因此，在控制系統(tǒng)的設(shè)計中，通常不宜采用單一的積分控制器。通常將積分控制和比例控制結(jié)合起來，既利用比例控制的快速性，又發(fā)揮積分控制消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用，形成PI控制。

4.4.1PID控制模擬PID控制

微分（D）部分

：

微分環(huán)節(jié)是根據(jù)偏差的變化趨勢（變化速度）進行控制的，具有超前控制作用。偏差變化得越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，加快響應(yīng)速度，從而改善動態(tài)性能。但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感，對那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對輸入信號進行濾波。適當(dāng)?shù)剡x擇微分常數(shù)，可以使微分的作用達到最優(yōu)。

4.4.1PID控制數(shù)字PID控制

將模擬PID控制算法離散化

位置式PID控制算法表達式為

為比例系數(shù)；

為積分系數(shù)。

4.4.1PID控制數(shù)字PID控制

增量式PID控制算法

增量式PID控制算法與位置式PID控制算法相比，只輸出增量，計算量小得多，而且不會產(chǎn)生積分失控，因此在實際中得到廣泛的應(yīng)用。

4.4.1PID控制數(shù)字PID控制

增量式PID算法與位置式PID算法相比，有下列優(yōu)點：

（1）增量式算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，計算誤差或計算精度對控制量的計算影響較??；而位置式PID算法要用到過去所有誤差的累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差。

（2）增量式算法得出的是控制量的增量，例如閥門控制中，只輸出閥門開度的變化部分，誤動作影響小，必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作；而位置式算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動作影響大。

（3）采用增量式算法，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。但增量式PID也有其不足之處，如積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大。PID控制器的設(shè)計一般分為兩個步驟：首先是確定PID控制器的結(jié)構(gòu)，然后確定控制器的參數(shù)。通常，對于具有自平衡性的被控對象，應(yīng)采用含有積分環(huán)節(jié)的控制器，如PI、PID。對于無自平衡性的被控對象，則應(yīng)采用不包含積分環(huán)節(jié)的控制器，如P、PD。對具有滯后性質(zhì)的被控對象，往往應(yīng)加入微分環(huán)節(jié)。此外，還可以根據(jù)被控對象的特性和控制性能指標(biāo)的要求，采用一些改進的PID算法。4.4.2PID控制器參數(shù)整定方法確定好PID控制器的結(jié)構(gòu)以后，就要進行PID參數(shù)整定。PID參數(shù)整定方法可以分為理論計算法和工程整定法兩種。工程整定法是基于實驗和經(jīng)驗的方法，簡單易行，是工程實際經(jīng)常采用的方法。常用的工程整定法有經(jīng)驗湊試法、穩(wěn)定邊界法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法等。4.4.2PID控制器參數(shù)整定方法試湊法湊試法是通過模擬或在線閉環(huán)運行（穩(wěn)定時），反復(fù)湊試參數(shù)，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線直至達到滿意為止。一般而言，增大比例系數(shù)將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，有利于減小靜差。但過大，會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分時間將減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但將減慢系統(tǒng)靜差的消除。增大微分時間將加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但減弱系統(tǒng)抑制擾動的能力。4.4.2PID控制器參數(shù)整定方法1）只加入比例部分，將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到系統(tǒng)性能指標(biāo)滿足要求為止；2）若靜差不能滿足要求，則加入積分環(huán)節(jié)。首先取較大的Ti值，略降低KP（如為原值的0.8倍），然后反復(fù)調(diào)整Ti和KP，逐步減小Ti，直到系統(tǒng)有良好的動態(tài)性能，且靜差消除為止；3）若經(jīng)反復(fù)調(diào)整，系統(tǒng)動態(tài)性能仍不滿意，可加入微分環(huán)節(jié)，首先設(shè)置Td=0，逐步增大Td，同時也反復(fù)改變KP和Ti，三個參數(shù)反復(fù)調(diào)整，最后得到一組滿意參數(shù)。實際中，PID整定得到的參數(shù)并不唯一。因為比例、積分、微分三部分產(chǎn)生的控制作用，互相可以調(diào)節(jié)補償。因此，不同的一組參數(shù)，可以達到同樣的控制效果。4.4.2PID控制器參數(shù)整定方法下表給出了一些常見被控量的PID參數(shù)推薦值為了減少試湊次數(shù)，可以參照現(xiàn)成經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上，再試湊。被調(diào)量特點KPTi/minTd/min流量對象時間常數(shù)小，并有噪聲，因此KP較小，Ti較短，不用微分1-2.50.1-1溫度對象為多容系統(tǒng)，有較大滯后，常用微分1.6-53-100.5-3壓力對象為大容量系統(tǒng)，滯后一般不大，不用微分1.4-3.50.4-3液位在允許有靜差時，不必用積分，不用微分1.25-54.4.2PID控制器參數(shù)整定方法穩(wěn)定邊界法:1）選用純比例控制，比例系數(shù)為Kp；2）令給定值為階躍信號，觀察輸出，從比較小的Kp開始，逐漸加大Kp，直到被控量出現(xiàn)臨界穩(wěn)定（等幅）振蕩(如圖)為止，記下臨界振蕩周期Tu，以及此時的臨界比例系數(shù)Kp,這個臨界Kp的倒數(shù)稱為臨界比例帶δu，3）按照下表推薦的經(jīng)驗公式計算出控制器的參數(shù)Kp,Ti,Td需要指出的是，采用這種方法整定控制器的參數(shù)時會受到一定的限制，如有些控制系統(tǒng)不允許進行反復(fù)振蕩實驗，像鍋爐給水系統(tǒng)和燃燒控制系統(tǒng)等，就不能應(yīng)用此法。再如某些時間常數(shù)較大的單容過程，采用比例調(diào)節(jié)時根本不可能出現(xiàn)等幅振蕩，也就不能應(yīng)用此法。Tu4.4.2PID控制器參數(shù)整定方法衰減曲線法：實驗步驟與穩(wěn)定邊界法類似1）選用純比例控制，2）令給定值為階躍信號，從比較小的Kp開始，逐漸加大Kp，直到被控量出現(xiàn)如下所示的4:1衰減過程為止，記下此時的比例帶δu和兩相鄰波峰間的時間Tu，3）然后按照下表推薦的經(jīng)驗公式計算出Kp、Ti、Td。 0.1Tu0.3

Tu0.8δuPID

——0.5

Tu1.2δuPI————δuPTdTi

1/Kp整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律衰減曲線對多數(shù)過程都適用，該方法的缺點是較難確定4：1（或10：1）的衰減程度。4.4.2PID控制器參數(shù)整定方法響應(yīng)曲線法上述兩種方法直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行參數(shù)整定，而動態(tài)特性法卻是在系統(tǒng)處于開環(huán)情況下，即不加控制作用，獲取被控對象的階躍響應(yīng)曲線。如圖：此方法在不加控制作用的狀態(tài)下進行，對不允許工藝失控的生產(chǎn)過程不能使用。4.4.2PID控制器參數(shù)整定方法?

采用周期的選取從系統(tǒng)控制品質(zhì)來看，希望采樣周期小一些，這樣更接近于連續(xù)控制，不僅控制效果好，還可以采用模擬PID控制參數(shù)的整定方法；從執(zhí)行機構(gòu)的特性來看，因過程控制中通常采用電動或氣動調(diào)節(jié)閥，它們的響應(yīng)速度低，如果采用周期過小，執(zhí)行結(jié)構(gòu)來不及響應(yīng)，達不到控制目的；從控制系統(tǒng)抗干擾和快速響應(yīng)角度，希望T小一些；從計算工作量來看，希望T大一些，這樣可以控制更多的回路，保證每個回路有足夠的時間來完成必須的運算；從計算機的成本考慮，也希望T大一些，這樣計算機的運算速度和采集數(shù)據(jù)的速度可以降低，從而降低硬件成本。4.4.2PID控制器參數(shù)整定方法

采樣周期的選取綜合考慮各種因素：采樣周期應(yīng)遠小于對象的擾動信號周期；采樣周期應(yīng)比對象的時間常數(shù)小得多，否則采樣信號無法反映瞬變過程；考慮執(zhí)行器的響應(yīng)速度，如果執(zhí)行器的響應(yīng)速度比較慢，則過短的采樣周期將失去意義；對象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì)。在計算機運算速度允許的情況下，采樣周期短，調(diào)節(jié)品質(zhì)好。性能價格比。從控制性能來考慮，希望采樣周期短，但計算機運算速度，A/D和D/A轉(zhuǎn)換速度要求也相應(yīng)提高，導(dǎo)致硬件費用增加；計算機所承擔(dān)的工作量。若控制回路數(shù)多，計算量大，則采樣周期要加長。4.4.2PID控制器參數(shù)整定方法下表給出的是采樣周期的下限，隨著計算機技術(shù)的進步和成本的降低，可選取更短的采樣周期，使得數(shù)字控制系統(tǒng)近似連續(xù)控制系統(tǒng)。被控量采樣周期/s流量1-2壓力3-5液位6-8溫度10-15成分15-204.4.2PID控制器參數(shù)整定方法下表給出的是采樣周期的下限，隨著計算機技術(shù)的進步和成本的降低，可選取更短的采樣周期，使得數(shù)字控制系統(tǒng)近似連續(xù)控制系統(tǒng)。被控量采樣周期/s流量1-2壓力3-5液位6-8溫度10-15成分15-204.4.2PID控制器參數(shù)整定方法4.5復(fù)雜控制本章要點4.5.1串級控制4.5.2前饋控制4.5.3純滯后補償控制4.5.4多變量解耦控制

4.5.1串級控制當(dāng)被控對象滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。原料氣加熱爐是煉油廠常用設(shè)備；其工作要求是原料氣通入爐內(nèi)，經(jīng)燃料加熱后，其出口的溫度保持恒定。對實際系統(tǒng)分析，其擾動主要有：燃料油的壓力、原料氣的流量。溫度調(diào)節(jié)器和壓力調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的，因此稱為串級控制。串級控制系統(tǒng)分為主控回路和副控回路，與之對應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)器和壓力調(diào)節(jié)器分別稱為主控調(diào)節(jié)器和副控調(diào)節(jié)器；溫度對象和壓力對象分別稱為主控對象和副控對象。溫度-壓力串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)：就是由兩個調(diào)節(jié)器（控制器）串聯(lián)在一起，控制一個執(zhí)行閥的控制系統(tǒng)。4.5.1串級控制溫度-壓力串級控制系統(tǒng)的方框圖如下：串級控制系統(tǒng)分為主控回路和副控回路，與之對應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)器和壓力調(diào)節(jié)器稱為主控調(diào)節(jié)器和副控調(diào)節(jié)器，溫度對象和壓力對象稱為主控對象和副控對象，作用在主、副對象上的干擾分別為一、二次干擾。4.5.1串級控制串級控制可用于抑制系統(tǒng)的擾動；克服對象的純滯后；減小對象的非線性影響。設(shè)計時，將主要擾動包含在副控回路中，利用副控回路動作速度快、抑制擾動能力強的特點。4.5.1串級控制溫度-壓力串級控制系統(tǒng)的方框圖：對實際系統(tǒng)分析，其擾動主要有：燃料油的壓力、原料氣的流量。存在擾動的系統(tǒng)，如果擾動可測量，則可以將其測量后，通過前饋控制器，根據(jù)擾動量的大小直接調(diào)整控制量，以抵消擾動對被控量的影響，這種方式稱前饋控制。對于有前饋控制的系統(tǒng)，一旦擾動出現(xiàn)，因系統(tǒng)本身的慣性和純滯后，當(dāng)擾動作用還來不及使被控量發(fā)生變化時，前饋控制就及時進行了控制。若控制作用恰到好處，可以使被控量不會因擾動作用而產(chǎn)生偏差。4.5.2前饋控制顯然，在擾動N(s)作用下，只要合理設(shè)計Df(s)，使得C1(s)+C2(s)=0前饋控制就能完全消除擾動引起的誤差。擾動通道傳函控制通道傳函（含執(zhí)行器）4.5.2前饋控制前饋、反饋比較：前饋屬于開環(huán)控制，反饋屬于閉環(huán)控制；前饋基于干擾控制，反饋基于偏差控制；對于抑制已知干擾，前饋比反饋要及時；前饋控制使用的是與實施對象特性而定的專用控制器，反饋控制器采用通用PID控制器。前饋只能控制一個干擾，反饋只用一個控制器就可以克服多個干擾滿足這個式子的前饋控制系統(tǒng)，稱為被控量c(t)對擾動量n(t)不靈敏系統(tǒng)。4.5.2前饋控制可以將反饋和前饋的優(yōu)點結(jié)合，揚長避短。對主要且可測擾動進行前饋控制，對其他干擾采用反饋控制，可以提高控制效果。前饋-反饋控制系統(tǒng)4.5.2前饋控制前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①

在反饋控制的基礎(chǔ)上，針對主要干擾進行前饋補償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。②

反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器的精度要求，有利于簡化前饋控制器的設(shè)計和實現(xiàn)。③

在系統(tǒng)負荷變化時，模型特性會發(fā)生變化，可由反饋系統(tǒng)加以補償，因此系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。4.5.2前饋控制前饋-串級控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)的主要擾動多于一個時：這樣的前饋-串級控制系統(tǒng)能夠及時克服進入前饋回路和串級副控回路的擾動對被控量的影響，可以獲得很高的控制精度。4.5.2前饋控制前饋控制系統(tǒng)應(yīng)用原則系統(tǒng)中存在著可測、不可控、變化頻率頻繁、幅值大且對被控變量有顯著影響的干擾，采用前饋控制系統(tǒng)可大大提高控制品質(zhì)。對象的滯后或純滯后（控制通道）較大，反饋控制難以滿足工藝要求，可以采用前饋控制對主要干擾進行補償，構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中主要干擾比較多，且對執(zhí)行器要求嚴(yán)格，可采用前饋-串級控制系統(tǒng)提高控制效果。對于無自平衡能力的生產(chǎn)過程，不單獨使用前饋控制。4.5.2前饋控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控對象往往不同程度的存在著純延遲，也就是純滯后，比如一個系統(tǒng)中，被控對象的傳遞函數(shù)為其中為純滯后環(huán)節(jié)，為傳函中不包含純滯后特性的部分；衡量純滯后的大小通常通過純滯后時間τ和慣性時間常數(shù)T之比τ/T：τ/T<0.3時，稱生產(chǎn)過程具有一般純滯后的過程；τ/T>0.3時，稱生產(chǎn)過程為具有大純滯后的過程。一般的純滯后過程可以通過常規(guī)控制系統(tǒng)得到較好的控制效果。而當(dāng)純滯后較大時，則用常規(guī)控制系統(tǒng)較難奏效。目前克服大純滯后的方法主要有史密斯預(yù)估補償控制，自適應(yīng)史密斯預(yù)估補償控制、觀測補償器控制、內(nèi)部模型控制等。4.5.3純滯后補償控制純滯后補償控制在工程應(yīng)用中，采用純滯后補償控制解決較大純滯后對象的控制問題，使用很廣泛。系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:從系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程可以看出，由于的存在，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。這時，采用常規(guī)調(diào)節(jié)器D（s）很難達到滿意的控制效果。4.5.3純滯后補償控制采用純滯后補償控制的常用方法是加入補償器Dτ(s)，使得等效對象的傳遞函數(shù)不含有純滯后特性，如下圖所示。我們增加補償環(huán)節(jié)后被控對象傳遞函數(shù)等于沒有純滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，于是就可以計算出補償器的數(shù)學(xué)模型。4.5.3純滯后補償控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為虛線部分為純滯后補償控制的調(diào)節(jié)器4.5.3純滯后補償控制這種方式存在的主要問題是需要知道被控對象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型雖然也有一些改進的純滯后補償控制方法，但由于仍然沒有脫離對被控對象模型依賴的本質(zhì)，因此使用仍然受限。由系統(tǒng)特征方程，可以看出，不再出現(xiàn)純滯后環(huán)節(jié)。所以說，對象的純滯后特性不再影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4.5.3純滯后補償控制一個復(fù)雜的生產(chǎn)過程往往有多個控制回路，當(dāng)各個控制回路之間發(fā)生相互耦合或相互影響時，就構(gòu)成了多輸入多輸出耦合系統(tǒng)。發(fā)電廠的鍋爐中，有兩個系統(tǒng)。液位系統(tǒng)的液位是被控量，給水量是控制變量；蒸汽壓力系統(tǒng)的蒸汽壓力是被控量，燃料是控制變量。這兩個系統(tǒng)之間存在耦合關(guān)系。4.5.4多變量解耦控制對這兩個系統(tǒng)進行控制，其耦合關(guān)系如圖所示。D1(s),D2(s)分別為兩個系統(tǒng)控制器的傳遞函數(shù)，G(s)為被控對象（耦合系統(tǒng)）的傳遞函數(shù)。由圖可見，兩個系統(tǒng)的耦合關(guān)系，實際上是通過被控對象中G21(s)，G12(s)相互影響的。為解除兩個系統(tǒng)之間的耦合，需設(shè)計一個解耦裝置F(s)。被控耦合系統(tǒng)G(s)耦合通道4.5.4多變量解耦控制解耦補償控制器F(s)被控耦合系統(tǒng)G(s)系統(tǒng)控制器D(s)F(s)由F11(s),F12(s),F21(s),F22(s)構(gòu)成，F(xiàn)21(s):消除U1(s)對C2(s)的影響；F12(s):消除U2(s)對C1(s)的影響。這樣就能達到解耦的目的。經(jīng)過解耦以后的系統(tǒng)便分成了兩個完全獨立的自治系統(tǒng)。4.5.4多變量解耦控制在工業(yè)應(yīng)用中，解耦裝置的設(shè)計方法主要有：對角矩陣解耦法單位矩陣解耦法前饋補償解耦法目標(biāo)就是通過解耦環(huán)節(jié)，使存在耦合的多變量控制系統(tǒng)變?yōu)橄嗷オ毩⒌亩鄠€單變量控制系統(tǒng)。4.5.4多變量解耦控制對角矩陣解耦法為便于表達，多變量解耦控制表示為下圖：圖中，R(s)為輸入向量；C(s)為輸出向量；E(s)=R(s)-C(s)為偏差向量，D(s)為控制矩陣，G(s)為對象的傳遞矩陣，F(xiàn)(s)為解耦矩陣?？梢酝茖?dǎo)出系統(tǒng)的開環(huán)傳遞矩陣：系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞矩陣為I為單位矩陣4.5.4多變量解耦控制要實現(xiàn)解耦控制，要求多輸入-多輸出系統(tǒng)的各個控制回路相互獨立，則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣必須是對角線矩陣，即

是對角線矩陣，則也會是對角線矩陣。因此

也一定是對角線矩陣。4.5.4多變量解耦控制因

，通常，控制系統(tǒng)各個回路的控制器是相互獨立的，D(s)必為對角線矩陣。所以，只要G(s)F(s)為對角線矩陣，便可以滿足各個控制回路相互獨立的要求。因此，多變量解耦控制的設(shè)計要求歸結(jié)為：根據(jù)對象的傳遞矩陣G(s)，設(shè)計一個解耦裝置F(s)，使得G(s)F(s)為對角線矩陣。4.5.4多變量解耦控制G11(s)C1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)D2(s)D1(s)C2(s)R1(s)R2(s)+-+++++-F11(s)F21(s)F12(s)F22(s)++++針對前述系統(tǒng)，也就是要求：因為4.5.4多變量解耦控制所以得到于是這個耦合系統(tǒng)最終的輸入輸出關(guān)系就變?yōu)?.5.4多變量解耦控制可以看出，經(jīng)過解耦控制以后的系統(tǒng)，控制變量U1(s)對C2(s)沒有影響，U2(s)對C1(s)沒有影響。即，經(jīng)過對角線矩陣解耦后，兩個控制回路相互獨立。4.5.4多變量解耦控制單位矩陣解耦法單位矩陣解耦法是對角矩陣解耦法的一種特例----使被控過程的傳函矩陣G(s)與解耦環(huán)節(jié)的傳函矩陣F(s)的乘積所構(gòu)成的廣義對象矩陣為單位矩陣。1C1(s)U1(s)1U2(s)D2(s)D1(s)R1+-+-R2C2(s)4.5.4多變量解耦控制可以看出，如果采用單位矩陣法解耦，不但消除了原耦合系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)，同時改變了等效被控對象的特性，將對象特性等效為1，因此極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是單位矩陣法解耦也有缺點，即其解耦網(wǎng)絡(luò)模型實現(xiàn)困難。4.5.4多變量解耦控制前饋補償解耦法前饋補償解耦是把控制回路之間的耦合看成一種擾動，利用前饋控制原理實現(xiàn)解耦。

前饋補償解耦系統(tǒng)框圖G11(s)C1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)D2(s)D1(s)C2(s)R1(s)R2(s)+-+++++-Df2(s)Df1(s)++++圖中Df1(s)、Df2(s)為前饋補償解耦器的傳函，前饋補償解耦的基本思想是將U1(s)對C2(s)的影響，U2(s)對C1(s)的影響視為擾動，并按前饋補償?shù)姆椒ㄏ龜_動影響。前饋補償解耦器4.5.4多變量解耦控制擾

動U1(s)對被控參數(shù)C2(s)的影響為：C2(s)=U1(s)G21(s)+U1(s)Df2(s)G22(s)=U1(s)(G21(s)+Df2(s)G22(s))如果要求U1(s)對被控參數(shù)C2(s)沒有影響，則需G21(s)+Df2(s)G22(s)=0即解耦環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型為同理可求另一個解耦環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型為G11(s)C1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)D2(s)D1(s)C2(s)R1(s)R2(s)+-+++++-Df2(s)Df1(s)++++4.5.4多變量解耦控制小結(jié)：

學(xué)習(xí)內(nèi)容解耦裝置的設(shè)計方法主要有：對角矩陣解耦法單位矩陣解耦法前饋補償解耦法目標(biāo)：通過解耦環(huán)節(jié)，使存在耦合的被控過程的每個控制變量的變化只影響與其配對的被控參數(shù)，而不影響其他控制回路的被控參數(shù)。即把多變量耦合控制系統(tǒng)分解為若干相互獨立的單變量控制系統(tǒng)。4.5.4多變量解耦控制4.6先進控制本章要點4.6.1自適應(yīng)控制4.6.2預(yù)測控制4.6.3專家控制4.6.4模糊控制4.6.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

4.6.1自適應(yīng)控制能根據(jù)被控對象特性變化情況，自動改變控制器的控制規(guī)律和參數(shù)，使生產(chǎn)過程始終在最佳狀況下進行的控制系統(tǒng)稱為自適應(yīng)控制（AdaptiveControl）自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本功能：1）能在線辨識被控對象特性變化，更新被控對象的數(shù)學(xué)模型，或確定控制系統(tǒng)當(dāng)前的實際性能指標(biāo)；2）能根據(jù)生產(chǎn)條件變化和辨識結(jié)果，選擇合適的控制策略或控制規(guī)律，并能自動修正控制器參數(shù)，保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)，使生產(chǎn)過程始終在最佳狀況下進行。根據(jù)設(shè)計原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，自適應(yīng)控制系統(tǒng)可分為兩種基本類型，即自校正控制系統(tǒng)和模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)。自校正控制系統(tǒng)根據(jù)具體生產(chǎn)過程的特點，采用不同的辨識算法、控制規(guī)律（策略）以及參數(shù)計算方法，可設(shè)計出各種類型的自整定控制器和自校正控制系統(tǒng)。4.6.1自適應(yīng)控制模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)這種系統(tǒng)不需要專門的在線辨識裝置，調(diào)整控制系統(tǒng)控制規(guī)律和參數(shù)的依據(jù)是被控對象輸出y(t)相對于理想模型輸出ym(t)的偏差e(t)。通過調(diào)整控制規(guī)律和參數(shù)，使系統(tǒng)的實際輸出y(t)盡可能與參考模型輸出ym(t)一致。模型參考自適應(yīng)控制要研究的主要問題是怎樣設(shè)計一個穩(wěn)定的、具有較高性能的自適應(yīng)機構(gòu)（有效算法）4.6.1自適應(yīng)控制4.6.2預(yù)測控制比較有代表性的有：模型算法控制（MAC，ModelAlgorithmicControl）動態(tài)矩陣控制（DMC，DynamicMatrixControl）廣義預(yù)測控制（GPC，GeneralizedPredictiveControl）內(nèi)部模型控制（IMC，InternalModelControl）4.6.2預(yù)測控制-模型算法控制模型算法控制（MAC，ModelAlgorithmicControl）模型算法控制的結(jié)構(gòu)包括內(nèi)部模型、反饋校正（閉環(huán)預(yù)測輸出）、滾動優(yōu)化（優(yōu)化算法）、參考軌跡四個環(huán)節(jié)。1）內(nèi)部模型4.6.2預(yù)測控制-模型算法控制2）反饋校正在預(yù)測控制中通常采用第k步的實際輸出測量值與預(yù)測輸出值之間的誤差對模型的預(yù)測輸出進行修正，就可得到閉環(huán)預(yù)測模型。這就是閉環(huán)預(yù)測模型的由來。修正后的預(yù)測值：用修正后的預(yù)測值作為計算最優(yōu)性能指標(biāo)的依據(jù)，實際上是對測量值的一種負反饋，故稱反饋校正。如果對象特性發(fā)生了某種變化，使內(nèi)部模型不能準(zhǔn)確反映實際過程的變化，預(yù)測輸出就不準(zhǔn)確。由于存在反饋環(huán)節(jié)，經(jīng)過反饋校正，控制系統(tǒng)的魯棒性得到很大提高，這也是預(yù)測控制得到廣泛應(yīng)用的重要原因。4.6.2預(yù)測控制-模型算法控制3）參考軌跡模型算法控制的目的是使輸出沿著一條事先規(guī)定好的曲線逐漸達到給定值，這條指定曲線稱為參考軌跡。通常參考軌跡采用從現(xiàn)在時刻k對象實際輸出值出發(fā)的一階指數(shù)曲線。在未來時刻的數(shù)值為采用這種參考軌跡，將會減小過量的控制作用，使系統(tǒng)輸出能平滑地到達設(shè)定值；參考軌跡的時間常數(shù)越大，值也越大，越平滑，系統(tǒng)的柔性越好，魯棒性也越強，但控制快速性會降低。在實際系統(tǒng)設(shè)計時，需要兼顧快速性和魯棒性兩個指標(biāo)。4.6.2預(yù)測控制-模型算法控制4.6.2預(yù)測控制-模型算法控制4）滾動優(yōu)化預(yù)測控制是一種最優(yōu)控制策略，其目標(biāo)函數(shù)是使某項性能指標(biāo)最小。最常用的是二次型目標(biāo)函數(shù)：根據(jù)目標(biāo)函數(shù)求極小值，可得到M個控制作用序列但在實際執(zhí)行控制作用時，只執(zhí)行當(dāng)前一步，下一時刻的控制量則需重新計算，即遞推一步，重復(fù)上述過程。這種方法采用滾動式的有限時域優(yōu)化算法，優(yōu)化過程是在線反復(fù)計算，對模型時變、干擾和失配等影響能及時補償，因而稱為滾動優(yōu)化算法。4.6.2預(yù)測控制-模型算法控制這種算法的基本思想是首先預(yù)測被控對象未來的輸出，再確定當(dāng)前時刻的控制，是先預(yù)測后控制，明顯優(yōu)于先有輸出反饋、再產(chǎn)生控制作用的經(jīng)典PID控制系統(tǒng)。只要針對具體對象，選擇合適的加權(quán)系數(shù)和預(yù)測長度P、控制（時域）長度M以及平滑因子，就可獲得很好的控制效果。4.6.2預(yù)測控制-模型算法控制動態(tài)矩陣控制也包括內(nèi)部模型、反饋校正（閉環(huán)預(yù)測輸出）、滾動優(yōu)化（優(yōu)化算法）、參考軌跡四個環(huán)節(jié)4.6.2預(yù)測控制-動態(tài)矩陣控制1）內(nèi)部模型DMC的內(nèi)部模型為單位階躍響應(yīng)曲線單位階躍響應(yīng)曲線同單位脈沖響應(yīng)曲線一樣可以表示對象的動態(tài)特性，二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：由前式得：該式可表示為4.6.2預(yù)測控制-動態(tài)矩陣控制如果定義矢量和矩陣：4.6.2預(yù)測控制-動態(tài)矩陣控制則前式可表示為：4.6.2預(yù)測控制-動態(tài)矩陣控制2）反饋校正由于非線性、隨機干擾等因素，模型預(yù)測值與實際輸出可能存在差異，為了減少這種差異的影響，用對象實際輸出和預(yù)測模型輸出的偏差，對模型預(yù)測值進行修正：如果定義矢量：則前式可表示為：其他部分與模型算法控制（MAC）相同。4.6.2預(yù)測控制-廣義預(yù)測控制與內(nèi)部模型控制廣義預(yù)測控制前面討論的預(yù)測控制，如果預(yù)測模型與真實模型失配嚴(yán)重，會導(dǎo)致系統(tǒng)的動態(tài)特性和控制質(zhì)量變壞，甚至不穩(wěn)定而無法正常運行。Clarke于1985年提出的廣義預(yù)測控制（GPC），在保留MAC、DMC算法特點的基礎(chǔ)上，采用受控自回歸積分滑動平均模型（CARIMA，ControlAuto-RegressiveIntegratedMovingAverage）或受控自回歸滑動平均模型（CARMA，ControlAuto-RegressiveMovingAverage）作為內(nèi)部模型（替代單位脈沖響應(yīng)模型或單位階躍響應(yīng)模型），吸收了自適應(yīng)和在線辨識的優(yōu)點，對模型失配、模型參數(shù)誤差的魯棒性有所提高。4.6.2預(yù)測控制-廣義預(yù)測控制與內(nèi)部模型控制內(nèi)部模型控制內(nèi)部模型控制（IMC）是Garcia和Morari于1982年提出來的一種控制算法，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。引人內(nèi)部模型后，反饋量已由原來的輸出量反饋變?yōu)楦蓴_量反饋，控制器設(shè)計較為容易。當(dāng)模型與對象失配時，反饋信息還含有模型失配的誤差信息，從而有利于控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計，增強系統(tǒng)的魯棒性。1）專家控制系統(tǒng)的類型（1）直接型專家控制系統(tǒng)：具有模擬（或延伸、擴展）操作工人智能的功能，能夠取代常規(guī)PID控制，實現(xiàn)在線實時控制。它的知識表達和知識庫均較簡單，由幾十條產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)成，便于修改，其推理和控制策略簡單，控制決策效率較高。（2）間接型專家控制系統(tǒng)：和常規(guī)PID控制器相結(jié)合，對生產(chǎn)過程實現(xiàn)間接智能控制，具有模擬（或延伸、擴展）控制工程師智能的功能，可實現(xiàn)優(yōu)化、適應(yīng)、協(xié)調(diào)、組織等高層決策。按其高層決策功能，可分為優(yōu)化型、適應(yīng)型、協(xié)調(diào)型和組織型專家控制系統(tǒng)（器）。4.6.3專家控制2）專家控制系統(tǒng)基本組成不同類型專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可能有很大差別，但都包含算法庫、知識基系統(tǒng)、人-機接口等基本組成部分。算法庫主要進行數(shù)值計算：

控制算法根據(jù)知識基系統(tǒng)的控制配置命令和對象的測量信號，按選定的控制策略或最小方差等算法計算控制操作信號。辨識算法和監(jiān)控算法是從數(shù)值信號流中抽取特征信息，只有當(dāng)系統(tǒng)運行狀況發(fā)生某種變化時，才將運算結(jié)果送入知識基系統(tǒng)，增加或更新知識。4.6.3專家控制2）專家控制系統(tǒng)基本組成不同類型專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可能有很大差別，但都包含算法庫、知識基系統(tǒng)、人-機接口等基本組成部分。知識基系統(tǒng)儲存控制系統(tǒng)的知識信息，包括數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫。在穩(wěn)態(tài)運行期間，知識基系統(tǒng)是閑置的，整個系統(tǒng)按傳統(tǒng)控制方式運行。知識基系統(tǒng)具有定性的啟發(fā)式知識，進行符號推理，按專家系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范編碼，通過算法庫與對象相連。4.6.3專家控制2）專家控制系統(tǒng)基本組成不同類型專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可能有很大差別，但都包含算法庫、知識基系統(tǒng)、人-機接口等基本組成部分。人機接口作為人機界面，把用戶輸入的信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)規(guī)范化的表示形式，然后交給相應(yīng)模塊去處理；把系統(tǒng)輸出的信息轉(zhuǎn)換成用戶易于理解的外部表示形式顯示給用戶，實現(xiàn)與知識基系統(tǒng)的直接交互聯(lián)系，與算法庫間接聯(lián)系。4.6.3專家控制2）專家控制系統(tǒng)基本組成不同類型專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可能有很大差別，但都包含算法庫、知識基系統(tǒng)、人-機接口等基本組成部分。人機接口作為人機界面，把用戶輸入的信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)規(guī)范化的表示形式，然后交給相應(yīng)模塊去處理；把系統(tǒng)輸出的信息轉(zhuǎn)換成用戶易于理解的外部表示形式顯示給用戶，實現(xiàn)與知識基系統(tǒng)的直接交互聯(lián)系，與算法庫間接聯(lián)系。4.6.3專家控制模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模糊控制系統(tǒng)將變送器測得的數(shù)據(jù)（被控參數(shù)）與給定值進行比較后得到的偏差和偏差變化率輸入到模糊控制器，模糊控制器通過計算得出控制量，通過對被控對象進行控制。4.6.4模糊控制模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模糊控制器的輸入、輸出量都是精確的數(shù)值，模糊控制器采用模糊語言變量，用模糊邏輯進行推理，因此必須將輸入數(shù)據(jù)變換成模糊語言變量，這個過程稱為精確量的模糊化（Fuzzification）；然后進行推理、形成控制策略（變量）；最后將控制策略轉(zhuǎn)換成一個精確的控制變量MV，即去模糊化（Defuzzification，亦稱清晰化），并輸出控制變量MV進行控制操作。4.6.4模糊控制1）模糊化4.6.4模糊控制模糊化是將偏差e及其變化率的精確量轉(zhuǎn)換為模糊語言變量，即根據(jù)輸入變量模糊子集的隸屬函數(shù)找出相應(yīng)的隸屬度，將e及其變化率變換成模糊語言變量

。在實際控制過程中，把一個實際物理量劃分為“正大”“正中”“正小”“零”“負小”“負中”“負大”七級，分別以英文字母PB、PM、PS、ZE、NS、NM、NB表示。每一個語言變量值都對應(yīng)一個模糊子集。首先要確定這些模糊子集的隸屬度函數(shù)（MembershipFunction），才能進模糊化。在設(shè)定一個語言變量的隸屬度函數(shù)時，要考慮隸屬度函數(shù)的個數(shù)、形狀、位置分布和相互重疊程度等。要特別注意，語言變量的級數(shù)設(shè)置一定要合適，如果級數(shù)過多，則運算量大，控制不及時；如果級數(shù)過少，則控制精度低。2）模糊規(guī)則推理4.6.4模糊控制在進行模糊控制器設(shè)計時，首先要確定模糊語言變量的控制規(guī)則。語言控制規(guī)則來自于操作者和專家的經(jīng)驗知識，并通過試驗和實際使用效果不斷進行修正和完善。規(guī)則的形式為：IF...THEN...其中IF部分的“XisAandYisB”稱為前件部，THEN部分的“ZisC”稱為后件部，X、Y是輸入變量，Z是推理結(jié)論。在模糊推理中，X、Y、Z都是模糊變量，而現(xiàn)實系統(tǒng)中的輸入、輸出量都是確定量，所以在實際模糊控制實現(xiàn)中，輸入變量X、Y要進行模糊化，Z要進行清晰化。A、B、C是模糊集，在實際系統(tǒng)中用隸屬度函數(shù)表示，一個模糊控制器是由若干條這樣的規(guī)則組成的，輸入、輸出變量可以有多個。模糊控制推理中較為常用的模糊關(guān)系合成運算有最大-最小合成運算（MAX-MIN-Operation）和最大-乘積合成運算（MAX-PROD-Operation），常用的推理方法有Mamdani推理（MamdaniInference）、Larsong推理（LarsongInference）等。推理規(guī)則對于控制系統(tǒng)的品質(zhì)起著關(guān)鍵作用，確定合適的規(guī)則數(shù)量和正確的規(guī)則形式；同時給每條規(guī)則賦予適當(dāng)?shù)臋?quán)值或置信因子，置信因子可根據(jù)經(jīng)驗或模擬實驗確定，并根據(jù)使用效果進行修正與完善。3）清晰化4.6.4模糊控制清晰化就是將模糊語言變量轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)值，即根據(jù)輸出模糊子集的隸屬度計算出確定的輸出數(shù)值。清晰化有各種方法，其中最簡單的一種是最大隸屬度方法。在控制技術(shù)中最常用的清晰化方法則是面積重心法（COG，CenterofGravity），其計算式為：此外，還有一些可供選擇的清晰化計算方法，如最大值平均（MOM，MenofMaximum、左取大（LM，LeftMaximum）、右取大（RM，RightMaximum）、乘積和重心法（PSG，Product-Sum-Gravity）等。在選擇清晰化方法時，應(yīng)考慮隸屬度函數(shù)的形狀、所選擇的推理方法等因素。4）知識庫4.6.4模糊控制知識庫包含了有關(guān)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用領(lǐng)域的知識、要達到的控制目標(biāo)等，由數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫組成。數(shù)據(jù)庫主要包括各語言變量的隸屬度函數(shù)、尺度變換因子以及模糊空間的分級數(shù)等；規(guī)則庫包括用模糊語言變量表示的一系列控制規(guī)則，它們反映了控制專家的經(jīng)驗和知識。神經(jīng)元模型4.6.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制1）生物神經(jīng)元模型人的大腦是由大量神經(jīng)細胞組合而成的，它們之間互相連接。每個腦神經(jīng)細胞（也稱神經(jīng)元）由細胞體、樹突和軸突構(gòu)成。細胞體是神經(jīng)元的中心，它又由細胞核、細胞膜等組成。樹突是神經(jīng)元的主要接受器。軸突的作用是傳導(dǎo)信息，從軸突起點傳到軸突末梢，軸突末梢與另一個神經(jīng)元的樹突或細胞體構(gòu)成一種突觸機構(gòu)，通過突觸實現(xiàn)神經(jīng)元之間的信息傳遞。神經(jīng)元模型4.6.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制2）人工神經(jīng)元模型人工神經(jīng)元是利用物理器件來模擬生物神經(jīng)元的某些結(jié)構(gòu)和功能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型將多個人工神經(jīng)元模型按一定方式連接而成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，稱為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以技術(shù)手段來模擬人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)特征的系統(tǒng)，如學(xué)習(xí)、識別和控制等功能，是生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬和近似。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有并行性、冗余性、容錯性、本質(zhì)非線性及自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，已經(jīng)成功地應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域。4.6.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型誤差反向傳播網(wǎng)絡(luò)簡稱BP網(wǎng)絡(luò)是一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)，BP網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層（可以有多個隱含層）和輸出層構(gòu)成，可以實現(xiàn)從輸入到輸出的任意非線性映射。連接權(quán)系數(shù)的調(diào)整采用誤差修正反向傳播的學(xué)習(xí)算法，也稱監(jiān)督學(xué)習(xí)。BP算法首先需要一批正確的輸入、輸出數(shù)據(jù)（稱訓(xùn)練樣本）。將一組輸入數(shù)據(jù)樣本加載到網(wǎng)絡(luò)輸入端后，得到一組網(wǎng)絡(luò)實際響應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)；將輸出數(shù)據(jù)與正確的輸出數(shù)據(jù)樣本相比較，得到誤差值；然后根據(jù)誤差的情況修改各連接權(quán)系數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)的輸出響應(yīng)能夠朝著輸出數(shù)據(jù)樣本的方向不斷改進，直到實際的輸出響應(yīng)與已知的輸出數(shù)據(jù)樣本之差在允許范圍之內(nèi)。BP算法屬于全局逼近方法，有較好的泛化能力。缺點是訓(xùn)練時間長，易陷入局部極小，隱含層數(shù)和隱含節(jié)點數(shù)難以確定。BP網(wǎng)絡(luò)在建模和控制中應(yīng)用較多，在實際應(yīng)用中需選擇網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、每層的節(jié)點數(shù)、初始權(quán)值、閾值、學(xué)習(xí)算法、權(quán)值修改步長等。一般是先選擇一個隱含層，用較少隱節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，并測試網(wǎng)絡(luò)的逼近誤差，逐漸增加隱節(jié)點數(shù)，直至測試誤差不再有明顯下降為止；最后再用一組檢驗樣本測試，若誤差太大，則需要重新訓(xùn)練。4.6.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制中的應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是指在控制系統(tǒng)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對難以精確描述的復(fù)雜非線性對象進行建模、特征識別，或作為優(yōu)化計算、推理的有效工具。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他控制方法結(jié)合，構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等，其在控制領(lǐng)域的應(yīng)用可簡單歸納為以下幾個方面：（1）在基于精確模型的各種控制結(jié)構(gòu)中作為被控對象的模型。（2）在反饋控制系統(tǒng)中直接承擔(dān)控制器的作用。（3）在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中實現(xiàn)優(yōu)化計算。（4）在與其他智能控制方法，如模糊控制、專家控制等相融合，為其提供非參數(shù)化對象模型、優(yōu)化參數(shù)、推理模型和故障診斷等?；趥鹘y(tǒng)控制理論的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制有很多種，如神經(jīng)逆動態(tài)控制、神經(jīng)自適應(yīng)控制、神經(jīng)自校正控制、神經(jīng)內(nèi)模控制、神經(jīng)預(yù)測控制、神經(jīng)最優(yōu)決策控制等?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接反饋控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑?？刂频取?.6.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制第4章機電一體化檢測技術(shù)4.1概述4.2傳感器測量誤差4.3傳感器一般特性4.4常用傳感器介紹4.5新型傳感器4.6傳感器的選型4.7傳感器的信號調(diào)理4.8數(shù)字濾波技術(shù)4.9傳感器非線性補償處理2024/10/9-193-4.1概述2024/10/9-194-4.1.1檢測技術(shù)的基本概念4.1.2檢測系統(tǒng)的組成4.1.3傳感器的概念和定義4.1.4傳感器的分類4.1.1檢測技術(shù)的基本概念2024/10/9-195-含義檢測技術(shù)是指利用一定的測量手段和檢測裝置，對物質(zhì)或物體的某些特征進行分析、判斷、測試和監(jiān)測的技術(shù)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和工業(yè)化進程的推進，檢測技術(shù)在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)制造、航空航天、醫(yī)療保健、環(huán)保安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等。作用與應(yīng)用4.1.1檢測技術(shù)的基本概念2024/10/9-196-檢測技術(shù)的作用（1）保證產(chǎn)品質(zhì)量：在制造過程中，對產(chǎn)品的各項參數(shù)進行檢測和監(jiān)控。（2）提高生產(chǎn)效率：通過檢測技術(shù)，可以實現(xiàn)自動化和智能化生產(chǎn)。（3）保障人民健康：檢測技術(shù)可以對食品、藥品、化妝品等進行質(zhì)量檢測，保障人民健康和生命安全。（4）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境保護：檢測技術(shù)可以對大氣、水質(zhì)、土壤等環(huán)境因素進行監(jiān)測和檢測，及時發(fā)現(xiàn)和解決環(huán)境問題，保護生態(tài)環(huán)境和人民健康。4.1.2檢測系統(tǒng)的組成2024/10/9-197-含義與組成

檢測系統(tǒng)是一種利用檢測技術(shù)和相關(guān)設(shè)備、軟件等組成的系統(tǒng)，可以對某種物理量、化學(xué)量以及生物量等進行測量和分析，從而得到對應(yīng)檢測量的相關(guān)信息，以便掌握或控制工業(yè)生產(chǎn)、實驗室研究、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的過程和結(jié)果。

一個完整的檢測系統(tǒng)通常由傳感器、信號處理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、控制器以及輸出設(shè)備組成，如下圖所示。4.1.2檢測系統(tǒng)的組成2024/10/9-198-

傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個組成部分，它的主要作用是檢測物理量（如溫度、濕度、壓力、光照等）并轉(zhuǎn)換為電信號。

信號處理電路主要用于對傳感器輸出的電信號進行放大、濾波和數(shù)字化處理。

數(shù)據(jù)采集模塊用于負責(zé)采集信號處理電路輸出的數(shù)字信號,并將其存儲到計算機中，數(shù)據(jù)采集模塊通常包括A/D轉(zhuǎn)換器（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）和數(shù)據(jù)存儲器等部件。

控制器主要作用是對整個系統(tǒng)進行控制和協(xié)調(diào)。通過程序命令或手動操作控制各組成部分的工作狀態(tài)，同時根據(jù)預(yù)設(shè)的算法對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析。

輸出設(shè)備是檢測系統(tǒng)的最后一個組成部分，它的主要作用是將處理后的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶或輸出到其他設(shè)備上，可以是顯示屏、打印機、數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)等。4.1.3傳感器的概念和定義2024/10/9-199-傳感器是一種能夠?qū)⒎请妼W(xué)量（例如溫度、壓力、流量、質(zhì)量等）轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號的裝置，通常由敏感元件、信號處理電路和輸出電路三部分組成，如圖所示。敏感元件是它最核心的部分，是將感受到的非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。常用的敏感元件有電阻、電容、電感、半導(dǎo)體、光電元件等。信號處理電路負責(zé)將感受元件產(chǎn)生的微小電信號放大、濾波和處理，以便更好地提取出被測量的信號。輸出電路則負責(zé)將處理后的信號轉(zhuǎn)換成用戶能夠讀取的形式，例如模擬電壓（電流）信號、數(shù)字信號、脈沖信號等。4.1.3傳感器的概念和定義2024/10/9-200-根據(jù)GB/T7665-2005《傳感器通用術(shù)語》傳感器的定義

能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器作用

將需要檢測的物理量轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過放大、濾波、調(diào)理等處理后，輸出給測量儀表或自動控制系統(tǒng)進行處理、顯示、記錄、控制等。4.1.4傳感器的分類2024/10/9-201-（1）按傳感器的輸入量進行分類

如溫敏傳感器、光敏傳感器、力敏傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器等。（2）按輸出量形式進行分類分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器兩類。模擬傳感器：傳感器的輸出電信號為連續(xù)形式的模擬量

數(shù)字傳感器：傳感器的輸出電信號為離散形式的數(shù)字量（3）按工作原理進行分類

如電參式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、氣電式傳感器、熱電式傳感器等。4.1.4傳感器的分類