【正文】 ? 脈沖功率放大器或電流放大器 ? 三、數(shù)字信號(hào) ? TTL電平、 CMOS電平（ I/O卡） ? 等各種電平與驅(qū)動(dòng)能力匹配。電壓放大器或功率放大器。 AD轉(zhuǎn)換 DO DI DA轉(zhuǎn)換 機(jī)電一體化系統(tǒng)的典型微機(jī)控制系統(tǒng)組成 ? 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)： （ 1）系統(tǒng)控制方法 （ 2）校正形式 （ 3）設(shè)計(jì)校正器 ? 目標(biāo)：使系統(tǒng)滿足動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求而成為穩(wěn)定系統(tǒng)。 ? 上升時(shí)間 ? 延滯時(shí)間 ? 調(diào)整時(shí)間 ? 超調(diào)量 ? 比例調(diào)節(jié)器 ? 積分調(diào)節(jié)器 ? 比例 積分調(diào)節(jié)器 ? 比例 積分 微分調(diào)節(jié)器 1 PID調(diào)節(jié)器 2典型信號(hào)響應(yīng) 3系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 ? 一階系統(tǒng)特性 ? 二階系統(tǒng)特性 ? N階系統(tǒng)特性 as1)s(U)s(Y)s(G???)t(u)t(yadt )t(dyadt )t(yd 2122 ???212 aSaS1)S(U)S(Y)s(G????2nn22n2S)s( ????????Mn TK??MKT21??? ωn 系統(tǒng)無(wú)阻尼固有頻率 ? ξ 系統(tǒng)阻尼比 ? K 系統(tǒng)各傳遞系數(shù) （ 比例系數(shù) 、 放大倍數(shù) ）之積 ? TM 系統(tǒng)時(shí)間常數(shù) ? 注： ? [1] ξ1 （ 過(guò)阻尼 ） 系統(tǒng)穩(wěn)定 ? [2] ξ=1 （ 臨界阻尼 ） 臨界狀態(tài) ? [3] 0ξ1 （ 欠阻尼 ） 衰減阻尼 ,系統(tǒng)穩(wěn)定 ,有超調(diào) 。 ξ小響應(yīng)速度快 ， 但超調(diào)量大 ， 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)的平穩(wěn)性差 。 ? [4] ξ=0 （ 無(wú)阻尼 ） 系統(tǒng)處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定的臨界狀態(tài) ， 單位階躍函數(shù)的響應(yīng)為等幅振動(dòng) ， 共振頻率為 ωn。 ? 一般超調(diào)量 ~25% ξ取 ~ 5 1S 2nn2,1 ????????n2,1S ????1jS 2nn2,1 ????????n2,1 jS ???? 傳遞函數(shù)分子多項(xiàng)式的根稱為零點(diǎn)；Zi(I=1,2,… m) ? 傳遞函數(shù)分母多項(xiàng)式的根稱為極點(diǎn)；Pi(I=1,2,… n) ? 則傳遞函數(shù)寫(xiě)為： ? 分母多項(xiàng)式 =0 ? 稱為系統(tǒng)的特征方程 ， 其根稱為特征根 ， 與上述極點(diǎn)是一致的 ， 反映了系統(tǒng)的共振點(diǎn) 。 ? 注：為簡(jiǎn)化系統(tǒng) ， 一般將高階系統(tǒng)簡(jiǎn)化成二階系統(tǒng) ， 來(lái)近似討論或估計(jì)系統(tǒng)的性能 。 )PS()PS)(PS()ZS()ZS)(ZS(0b)s(Gn21m21????????? 機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)和安全性設(shè)計(jì) ? ? 在 規(guī)定條件 下、 規(guī)定時(shí)間 內(nèi)完成 規(guī)定功能 的能力。 ? 任何材料、載荷都是 隨機(jī)變量 ，都有可能 失效。 ? 用 概率理 論 定量分析 產(chǎn)品在工作中的 可靠程度 。 ? ? 失效率 ? 可靠度 ? 平均壽命 ? 3提高可靠性措施 ? （ 1）元、器件嚴(yán)格篩選 ? （ 2）抗干擾措施 ? （ 3）自診斷和自糾錯(cuò)技術(shù) ? （ 4）容錯(cuò)和冗余技術(shù) ? （ 5）軟件可靠性技術(shù) 二 安全性設(shè)計(jì) （ 1）元、器件嚴(yán)格篩選 （ 2）抗干擾措施 （ 3）自診斷和自糾錯(cuò)技術(shù) （ 4）容錯(cuò)和冗余技術(shù) （ 5）軟件可靠性技術(shù) ? 數(shù)字 PID ? 模糊控制 ? 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 . 數(shù)字 PID控制算法 ?PID控制算法的優(yōu)越性： ，易于掌握； 、 I、 D三個(gè)參數(shù)的優(yōu)化配置， 兼顧了動(dòng)態(tài)過(guò)程的現(xiàn)在、過(guò)去 與將來(lái)的信息，使動(dòng)態(tài)過(guò)程快速、 平穩(wěn)和準(zhǔn)確； ，魯棒性強(qiáng)； 理想 PID控制算法 pd 0i1 d ( )( ) ( ) ( )dt etu t K e t e t d t TTt??? ? ??????pdi( ) 1( ) 1()UsG s K T sE s T s??? ? ? ?????連續(xù)形式 離散等效：以求和替代積分，向后差分替代微分 0 0( ) ( )ktie t d t T e i?? ?? ( ) ( ) ( 1 )d e t e k e kd t T???0( ) ( 1 )( ) ( ) ( )kpdiiT e k e ku k K e k e i TTT??? ??? ? ??????? ?0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )kp i diu k K e k K e i K e k e k?? ? ? ? ??位置算式 理想 PID的遞推算式 向后差分法離散化 1( 1 ) /()( ) ( )() s z TUzG z G sEz ?????11( 1 )1( 1 )dpiT T zKT z T???? ?? ? ??????1 1 211 ( 1 ) ( 1 )1dpiTTK z zz T T?????? ? ? ? ???? ??1211 ( 1 ) ( 1 2 )1d d dpiT T T TK z zz T T T T?????? ? ? ? ? ???? ??1 1 2( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 1 2 ) ( )d d dpiT T T Tz U z K z z E zT T T T? ? ???? ? ? ? ? ? ????? 理想 PID的增量差分形式 0 1 2( ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u k q e k q e k q e k? ? ? ? ? ?( ) ( 1 ) ( )u k u k u k? ? ? ?012( 1 )2( 1 )dpidpdpTTqKTTTqKTTqKT?? ? ????? ? ? ??????其中 實(shí)際微分 PID控制算法 pdi( ) 1 1( ) 1( ) 1 fUsG s K T sE s T s T s??? ? ? ???? ??實(shí)際微分 PID的一種連續(xù)形式 理想微分 PID的不足： （ 1）干擾作用下機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁 （ 2）微分輸出常越限 ,不能充分發(fā)揮作用 增量式PID控制算法 實(shí)際微分的離散化 1( 1 ) /()( ) ( )() s z TUzG z G sEz ?????1111 ( 1 )11 ( 1 ) / ( 1 )dpfiT T zKT z T T z T????? ?? ? ???? ? ???12111 ( 1 ) ( 1 2 )( 1 ) ( )p d d df f iKT T T T Tzzz T T T z T T T T??????? ? ? ? ? ???? ? ? ??1 1 2( ) ( ) ( 1 ) ( 1 2 ) ( )d d df f piT T T TT T T z U z K T z z E zT T T T? ? ????? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????? 差分形式 1 2 3 4( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 2 )( ) ( 1 ) ( )u k C u k C e k C e k C e ku k u k u k? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ??1ffTCTT? ?2 ( 1 )p dfiKT TTCT T T T? ? ??3 ( 1 2 )p dfKT TCT T T? ? ??4pdfKTCTT?? 理想微分 PID與實(shí)際微分 PID階躍響應(yīng)對(duì)比 u( k) u( k)321321微分項(xiàng)積分項(xiàng)比例項(xiàng)微分項(xiàng)積分項(xiàng)比例項(xiàng)kTkkTk0 0(a ) 理想微分 PI D (b ) 實(shí)際微分 PI D圖9 2 兩種 微分 PI D 控制作用的階躍響應(yīng)實(shí)際微分 PID與理想微分 PID對(duì)比 （ 1） 理想微分 PID算法的微分作用僅局限于一個(gè)采樣周期有一個(gè)大幅度的輸出 ， 在實(shí)際使用這會(huì)產(chǎn)生兩方面的問(wèn)題 。 一是控制輸出可能超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或 D/A轉(zhuǎn)換的上下限 ， 二是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度可能跟不上 ， 無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)跟蹤這種較大的微分輸出 。 這樣在大的干擾作用情況下 ， 一方面會(huì)使算法中的微分不能充分發(fā)揮作用 ， 另一方面也會(huì)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)大的沖擊作用 。 相反地 ， 實(shí)際微分 PID算法由于慣性濾波的存在 ， 使微分作用可持續(xù)多個(gè)采樣周期 ， 有效地避免了上述問(wèn)題的產(chǎn)生 ，因而具有更好的控制性能 。 （ 2） 由于微分對(duì)高頻信號(hào)具有放大作用，采用理想微分容易在系統(tǒng)中引入高頻的干擾，引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻繁動(dòng)作，降低機(jī)構(gòu)的使用壽命。而實(shí)際微分 PID算法中包含有一階慣性環(huán)節(jié)，具有低通濾波的能力，抗干擾能力較強(qiáng)。 其它形式的實(shí)際微分 PID ( ) 1 1( ) 1() 1dpd idU s T sG s KTE s T ssK???? ? ??????( ) 1( ) 1()1dpdidU s T sG s KTE s T ssK????? ? ? ??? ???手動(dòng) /自動(dòng)跟蹤與無(wú)擾動(dòng)切換 （ 1）自動(dòng)到手動(dòng) 主要由手動(dòng)操作器的硬件實(shí)現(xiàn) 手動(dòng)操作器：自動(dòng)狀態(tài)下 跟隨器 切換過(guò)程中 保持器 手動(dòng)狀態(tài)下 操作器 （ 2）手動(dòng)到自動(dòng) 起主要作用的是計(jì)算機(jī) PID算法的軟件 需硬件支持，采樣手動(dòng)器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的所謂閥位值 ，即獲得 ( 1)uk?手動(dòng) /自動(dòng)跟蹤與無(wú)擾動(dòng)切換 （續(xù)） （ 2）手動(dòng)到自動(dòng) 目的：使 ( ) 0uk??手動(dòng)狀態(tài)下：使算法中 ( 1 ) ( 2 ) ( 1 )e k e k u k? ? ? ?、 、等歷史狀態(tài)清零 切換過(guò)程中：目的使 ( ) 0ek ?1） SP跟蹤 PV：完全無(wú)擾，缺點(diǎn) SP須重新設(shè)定 2） SP不跟蹤 PV ：無(wú)須重設(shè) SP,切自動(dòng)時(shí)偏差不能過(guò)大，以利減小切換擾動(dòng) 數(shù)字 PID算法的改進(jìn) 常用改進(jìn)算法： ? 積分分離算法 ? 抗積分飽和算法 ? 微分項(xiàng)改進(jìn) ? 帶死區(qū)的算法 積分分離算法 現(xiàn)象 ： 一般 PID,當(dāng)有較大的擾動(dòng)或大幅度改變?cè)O(shè)定值時(shí)，由于短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大的偏差，加上系統(tǒng)本身具有的慣性和滯后，在積分的作用下，將引起系統(tǒng)過(guò)量的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。 積分的主要作用 ： 在控制的后期消除穩(wěn)態(tài)偏差 普通分離算法：大偏差時(shí)不積分 當(dāng) 時(shí) ， 采用 PID控制 當(dāng) 時(shí)，采用 PD控制 ()ek ??()ek ?? 積分分離值的確定原則 abcytPDPDP I D??圖 93 不同積分分離值下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線 變速積分 ( ) [ ( ) ] ( )iiu k f e k K e k??? ?1 ( )()( ) ( )0 ( )e k BA e k Bf e k B e k A BAe k A B??????? ? ? ???????0 B A+B B AB e(k) t PID 變速積分 變速積分 PD PD 抗積分飽和措施 現(xiàn)象 ： 由于控制輸出與被控量不是一一對(duì)應(yīng)的，控制輸出可能達(dá)到限幅值，持續(xù)的積分作用可能使輸出進(jìn)一步超限，此時(shí)系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，當(dāng)需要控制量返回正常值時(shí)，無(wú)法及時(shí)“回頭”，使控制品質(zhì)變差 。 抗積分飽和算法： 輸出限幅，輸出超限時(shí)不積分 ?當(dāng) 時(shí) ， 采用 PD控制 ?當(dāng) 時(shí)，采用 PD控制 ?其他情況，正常的 PID控制 m a x()u k u?m in()u k u?? 串級(jí)系統(tǒng)抗積分飽和 副調(diào)節(jié)器輸出 達(dá)到限幅值時(shí)，主調(diào)節(jié)器輸出可能處于正常狀態(tài)，此時(shí)仍存在積分飽和現(xiàn)象 。 串級(jí)抗積分飽和 ：主調(diào)節(jié)器抗飽和根據(jù)副調(diào)節(jié)器輸出是否越限。 ? 抗積分飽和與積分分離的對(duì)比 ※ 相同 ： 某種狀態(tài)下，切除積分作用。 ※ 不同：抗積分飽和根據(jù)最后的控