工业机器人

二、自动控制理论
（一）定义：以自动控制系统为研究对象，用动力学的方法在运动 和发展中考察系统，揭示出所有类型或某些类型系统所共有的普遍 规律，并在此基础上指出将理论用于工程的途径。 （二）任务：采用数学方法对自动控制系统进行分析和综合。 分析：在给出数学模型的基础上确定系统的性能。 综合：在对系统性能提出要求的基础上，确定一个满足要求的系 统模型。
图1.4 反馈控制系统组成
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（一）各组成元件的作用 1.输入变换元件：（也称控制元件）用于产生参考输入信号（控制信 号），是进行物理量大小和性质变换的元件； 2.反馈元件：是测量元件，用于测量被控制量的实际值，同时起着物理 量大小和性质变换的作用，也叫检测变换元件； 3.比较元件：是用来比较参考输入信号和主反馈信号，并产生反映两者 偏差的信号； 4.放大变换元件：把误差信号放大并进行能量形式转换，使之达到足够 幅值和功率的元件； 5.执行元件：根据控制信号直接对控制对象进行操纵的元件，如调节阀； 6.被控对象：是控制系统所要操纵的对象，其输出量即为系统的被控制 量。 7.校正元件：是为改善系统的控制性能而加入系统的元件，可分为串联 校正元件和并联校正元件。 （1）串联校正元件：是串联在系统前向通道内的校正装置； （2）并联校正元件：是与系统部分元件接成局部反馈形式的校正装置。
R为恒值，

为单位加速度函数。
r(t)
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0
t
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４.脉冲函数
其数学表达式为：
式中h为脉冲高度，一般工程要求h<0.1T，Ｔ为系统时间常数；Ａ为恒值。
当Ａ＝１，
,时，称理想单位脉冲，其表达式为：
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单位脉冲函数可以看作单位阶跃函数对时间t的导数，u(t)只有在 t=0时有突跳，故u(t)在t=0时的导数为 ，而在其它处为０。
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第一章
自动控制基本理论知识
本章主要介绍微机自动控制系统中自动控制系统、 自动控制理论的基本概念及连续控制系统的数学模型。
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1.1微机自动控制系统的基本概念
一、自动控制系统
（一）自动控制
控制系统的控制分人工控制和自动控制。 自动控制是指在没有人直接参与下，利用控制器（如机械装置、 电子装置或电子计算机）使生产过程或被控对象的某一物理量（温 度、压力、液面、流量、速度、位移、成分等）准确地按照规定的 规律运行，使其具有所希望的状态和性能。 能够实现这种自动控制的装置称为控制器。
R为恒值； u(t)为单位阶跃函数，即 R=1； 则表示一个经延滞时间的
其数学表达式为：
单位阶跃函数，
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r(t) R 0 阶跃输入函数 t
r(t) 1
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0 t
t
带延滞的单位阶跃函数
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2.斜坡（速度）函数（Ramp input function）
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（三）其它分类方法
1. 按系统内部的信号类型分：连续系统和离散系统；
2. 按系统的元部件特性分：线性系统和非线性系统；
3. 按执行机构类型分：直流系统和交流系统； 机电、液压和气动系统；
4. 按执行机构的输出功率分：大功率系统和小功率系统。
三、
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（二）分类
1.静态模型：在静态条件下（即变量的各阶导数为0），描述各变量 间关系的数学方程； 2. 动态模型：在动态条件下，用微分方程描述的各变量在动态过程 中的关系。
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（三）表示形式
1. 图形表示：信号流图、方块图及频率特性图等； 2. 数学表示：
(1) 微分方程（差分）：最基本的形式，但求解困难；
西南科技大学网络教育系列课程
计算机工业控制
主讲：周红燕
邮箱：zhousonghy@
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内容简介
本课程的主要内容包括三部分：第一部分主要介绍微机自动
控制基础知识、微机控制系统分类及发展简介、微机接口技术等，
包含1、2、3章；第二部分是主要的控制技术，包含第四章的数字 PID控制技术和第五章的开环控制；第三部分是微机控制系统的设
(2) 传递函数或频率特性：适用于单输入-单输出系统； (3) 状态变量表达式：用于多变量系统及最优控制问题较方便。
3. 数字计算机上的程序综合
（四）建立数学模型的原则
1. 分清主次，合理简化，建立适当的数学模型；
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r(t) A/h 0 h ５.正弦函数
数学表达式为：
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t
式中Ａ为振幅；
为相位移；
为振荡角频率。
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1.2 连续控制系统的数学模型
一、控制系统的数学模型 （一） 定义
控制系统的数学模型是对实际物理系统的一种数学抽象。 狭义：是一种描述系统各变量之间关系的数学表达式； 广义：一切揭示控制系统各变量内在联系及关系的解析式或图形表示。
反馈控制系统的基本组成
反馈控制系统的组成如图1.4所示：
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控 制 指 令
参 输 数 入 输 变 入
比 较 元 件
误 差 信 号
换 元 件
+ 主 反 馈 信 号
串 联 校 正
+ -
放 大 变 换 元 件
扰 动 执 行 元 件 控 输出信号 制 对 象
并联校正
反馈元件
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（二）各种信号 1. 输入信号：（输入量、控制量、给定量）广义上指输入到系 统中的各种信号，包括扰动信号，一般指控制输出量变化规律的信 号； 2. 输出信号：（输出量、被控制量、被调节量）是其变化规律 要加以控制的信号，应与输入给定信号保持一定的函数关系。
3. 反馈信号：输出端反馈到输入端的信号，可分为正、负反馈 两种。
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（二）选取原则 1. 选取测试信号的典型形式应大致反应系统的实际工作情况； 2. 要从系统工作最不利的情况出发来选取测试信号； 3. 选取的测试信号应尽可能简单。
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（三）典型测试信号 1.阶跃输入函数（Step input function）
该函数表示参考输入量的一种瞬变。其数学表达式为：
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图1.2 闭环炉温控制系统
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图1.3 炉温控制系统原理框图
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（3）特点
①：由负反馈构成闭环，利用偏差信号进行控制； ②：对于外界扰动和系统内部参数的变化等引起的误差能自动纠 正； ③：系统元件参数配合不当，容易产生振荡，使系统不能正常工 作，存在稳定性问题。
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五、
控制系统常用的典型测试信号
（一）使用典型测试信号的原因 1. 实际系统的输入信号常具有随机性质，而且其瞬时函数关系往 往不能以解析法表示； 2. 分析和设计控制系统需要有一个对各种系统性能进行比较的基 础； 3. 系统对典型信号的响应特性与对实际输入信号的响应之间存在 一定的关系，实际输入信号往往是一种或多种典型测试信号的组合； 4. 典型测试信号是简单的时间函数，便于对控制系统进行数学处 理和实验分析。
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（1）定义：系统的被控制量对系统的控制量没有影响，即被 控制量只能受控于控制量，而对控制量无反作用，也称为前馈控 制系统。如图1.1所示。
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图1.1 炉温控制系统
（2）方框图：
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控制量Leabharlann 控制器被控对象被控制量
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（3） 特点
①：作用信号由输出单方向传递，不对输出量进行检测，或虽进行 检测但不对系统工作起控制作用； ②：外部条件和系统内部参数保持不变时，对于一个确定的输入量， 总存在一个与之对应的输出量； ③：控制精度取决于控制器及被控对象的参数稳定性，易受干扰影 响，缺乏精确性和适应性。
2.闭环控制系统（反馈控制系统）
（1）反馈：输出量通过适当的测量装置将检测信号的全部或一部分 返回输入端，使之与输入量进行比较。
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（2）反馈控制系统 在负反馈（输入量与反馈量相减）的基础上，用“检测偏差以纠 正偏差”的这一控制原理组成的系统，因为此类系统信息的传递途径 有一个自动的闭合环路，所以也称闭环控制系统。
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（三）分类 1. 经典控制理论：以传递函数为基础，研究单输入—单输出控 制系统的分析和设计。
2. 现代控制理论：以状态空间法为基础，研究多输入—多输出、 变系数、非线性等控制系统的分析和综合。
三、 自动控制系统的分类
（一）按信号的传递路径分类（按控制系统有无反馈来分） 1.开环控制系统
该函数表示一匀速信号，该信号对时间t的变化率是一常数。 斜坡函数等于阶跃函数对t的积分。 其数学表达式为：
R为恒值，
为单位速度函数。
r(t) Rt
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tgφ =R
0
斜坡函数
t
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３.抛物线（加速度）函数（Ｐarabolic input function）
该函数表示匀加速信号，由等速函数对t积分而得。其数学表达式为：
计，包含硬件和软件设计，其中第八章对一般工业微机控制系统