自动控制原理（上）-第7章-控制系统实例.pptx

第 7 章 控制系统设计案例分析,自动控制原理,Automatic Control Theory,机械工业出版社,第7章 控制系统设计案例分析,7.1 引言,7.2 一种电动比例蝶阀控制系统,7.3 智能车速度控制系统,7.4 汽车制动器性能测试的试验台控制系统,7.1 引言,3,本章通过介绍3个各具代表性的自动控制系统实例，使教材的知识体系更完整，希望能帮助读者正确理解学习自动控制原理课程能解决控制科学和技术的什么问题，并使读者了解为了更好更系统地掌握控制技术，还必须进一步学习后续课程同时希望拓展读者的视野，激发其学习和研究的兴趣7.2 一种电动比例蝶阀控制系统,4,蝶阀又叫翻板阀，是一种结构简单的调节阀，常用于低压管道介质的开关控制，如图7-1所示是蝶阀开关示意图图7-2所示是一种电动比例蝶阀的结构示意图，其控制系统采用了蝶阀开度的闭环反馈控制通过电位计检测蝶阀开度（阀芯旋转角度），输出与开度成正比的电压，该开度反馈电压与输入控制电压比较产生电压差，经放大处理驱动直流电动机旋转，直流电动机通过减速齿轮带动蝶阀阀芯和电位计旋转，通过反复调节，最终消除输入控制电压和开度反馈电压之偏差，使蝶阀开度与输入控制电压成正比。

7.2 一种电动比例蝶阀控制系统,根据电动比例蝶阀结构示意图，分析工作原理，可以画出电动比例蝶阀控制系统的原理方框图，如图7-3所示7.2 一种电动比例蝶阀控制系统,依据第2章由机理分析法绘制系统动态结构图的相关结论，可以得到电动比例阀控制系统方框图如图7-4所示图7-5电动比例蝶阀控制系统方框图2,满足设计要求用户按此要求选择合适的电压及功率放大器即可7.2 一种电动比例蝶阀控制系统,为了简化分析，假设电机空载时 =0这是一个无零点的型二阶系统，该系统要求蝶阀阀芯不同的位置准确快速对应给定输入控制电压值，属于定值控制系统，输入控制信号可用阶跃信号模拟，由理论分析知道，型系统在阶跃输入作用下能够消除稳态误差，那么系统设计主要需要考虑平稳性及快速性要求图7-6给出了K1=500，输入电压为1V时，蝶阀阀芯位置0的响曲线由理论分析及仿真验证知道，当放大系数K1=500时，满足设计要求用户按此要求选择合适的电压及功率放大器即可图7-6蝶阀阀芯位置o的响应曲线,7.2 一种电动比例蝶阀控制系统,7.3 智能车速度控制系统,9,大学本科生课外科技活动的全国“飞思卡尔”杯智能汽车比赛，是教育部自动化教学指导委员会组织的一项全国性比赛，旨在提高大学生的动手能力和创新能力。

该比赛要求在组委会指定的车模上进行创新设计，并动手制作，最后在规定的赛道上进行竞速比赛智能车速度控制系统是其中很重要的一个子系统，通过速度闭环控制可以克服新电池车速快，旧电池车速慢；上坡车速慢，下坡车速快；以及加速不快，制动不及时等问题，使智能车可以根据赛道的情况进行迅速加速和减速，以便智能车既不冲出赛道，又能尽快地跑到终点如图7-7所示是智能车速度控制系统结构示意图图7-7 智能车速度控制系统结构示意图,7.3 智能车速度控制系统,根据智能车速度控制系统结构示意图，可以画出智能车速度控制系统方框图，如图7-8所示7.3 智能车速度控制系统,依据第2章机理分析法绘制系统动态结构图的相关结论，可以得到智能车速度控制系统动态结构图如图7-9所示7.3 智能车速度控制系统,数字PI算法如式(7-1),,(7-1),AD采样周期为20ms，分辨率为10位Uc为8位数字量周期10ms的PWM输出PI参数的确定采用试凑法进行现场整定，该方法避免了对系统参数的精确了解，方法简单实用7.3 智能车速度控制系统,为了模拟智能车在实际运行时地面通过车轮给电机的阻力矩ML,，PI参数整定时在车轮轴加了一个恒定的摩擦力，然后给出阶跃的转速设定，观察转速输出曲线，依据第6章关于PID控制参数对输出影响的相关知识，反复调整PI参数，找到合适的数值。

7.3 智能车速度控制系统,首先只调整比例部分，将比例系数由小变大，并观察速度的阶跃响应曲线，直到得到响应快、超调小（要有超调）的响应曲线为止，由此确定比例系数，此时系统还是一个有差系统，还需要加入积分控制消除静差7.3 智能车速度控制系统,然后调整积分部分，先将已调整好的比例系数略微减小（如取原值的80%），然后由小变大逐渐加大积分系数，并根据转速响应曲线进一步调试比例系数和积分系数，直到既能消除静态误差，又能保持良好的动态响应为止,通过试凑法现场整定的PI控制参数为： KP=0.5，KI=0.17.4 汽车制动器性能测试台控制系统,汽车制动器性能质量关系到汽车安全运行，为了检验制动器设计质量的优劣，必须在汽车制动器设计制造过程中进行试验检测，目前常规的检测设备就是汽车惯性式制动器台架试验系统试验系统通过模拟汽车的制动过程，以模拟试验（台架试验）的方式来测试制动器的各项性能对试验台控制系统的性能要求是能实现恒气压、恒油压、恒扭矩及恒减速度的自动控制,7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,图7-11所示为惯性式制动器试验台控制系统原理图7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,1.系统的原理方框图表示,按照系统设计要求，需要分别进行恒气压控制、恒油压控制、恒制动力矩控制等3个变量的定值控制。

其系统方框图分别如图7-12(a)(b)(c)(d)所示7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,2.系统的模型构造,汽车制动器台架试验系统是一个复杂而不确定的电、气、液系统，具有大惯性及滞后特性以及控制系统中被控对象动力学特性的内部不确定性和外部环境扰动的不确定性等特点，难于用数学、物理等方法来推导传递函数，建立精确的数学模型，然后用传统的系统校正方法设计控制器虽然精确的数学模型难于建立，但通过理论分析及一定的简化，或用实验的方法得到系统各环节的动态特性，得出近似的传递函数，获得系统的近似数学模型是可行的7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,实际中按表7-1参数取值的建立该汽车制动器台架试验的对象模型7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,1）恒气压控制的对象模型,气压传感变送器的惯性及非线性相对比例方向控制阀忽略不计，因此，恒气压控制对象模型可以用一阶系统近似7-2),7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,2）恒油压控制的对象模型,油传感变送器的惯性及非线性相对比例方向控制阀、控制气缸、制动主缸可忽略不计 由于气、液传动介质的可压缩性，特别是气体的可压缩性，加上油的粘性，气缸、液缸的输入输出特性都包函惯性和滞后等特性，忽略相对小的惯性时间常数及纯迟后，恒油压控制对象模型可以用以下二阶模型近似。

7-3),7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,3）恒制动扭矩控制的对象模型,,(7-4),气压传感变送器的惯性及非线性相对比例方向控制阀忽略不计，因此，恒制动扭矩控制的对象模型可以用以下二阶降阶模型近似7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,4）恒减速度控制的对象模型,,(7-5),,对于减速传感变送器的惯性及非线性相对比例方向控制阀、控制主缸、制动主缸、制动轮缸、制动器、试验台可忽略不计，由此可见，经近似处理后恒减速度控制系统仍是一个复杂的高阶系统，可以用以下三阶降阶模型近似7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,3.控制器的设计,惯性式制动器试验台试验范围大，从摩托车到重型大卡，构成系统的惯量大，且其模型不易确定该试验台采用一个气压阀通过控制系统压力的变化，从而实现不同制动参数的恒值控制例如，若要检测系统的制动力矩为某一设定值，则通过力矩传感器采集到的系统瞬时制动力矩值与设定值相比较的差值作为控制信号，通过控制器控制气压阀，自动地调节系统的气压值，从而增加（或降低）了制动的强度，使制动力矩向设定值靠近1）恒气压控制器设计,7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,以式(7-2)绘制的恒气压对象在比例控制KP=1时的阶跃响应仿真曲线，如图7-14中曲线b所示。

图7-14 恒气压控制输出曲线,7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,从曲线7-14及理分析知道，这是一个0型系统，比例控制存在稳态误差，减小稳态误差就需要增大Kp，要保证稳态精度，Kp会很大物理结构不易实现该系统需要设计成型系统，即增加一个PI控制器该系统的开环传递函数变为,,(7-6),7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,图7-13 恒气压控制系统方框图,图7-13给出了恒气压控制系统动态结构图图7-14的曲线a是其输出响应曲线，可见满足恒压力0.3MPa7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,2）根轨迹法设计的恒油压控制器,恒油压控制系统方图如图7-15所示，其中控制器先按稳态要求设计成型，然后将构成广义对象式(7-6)，控制器Gc(s)按照根轨法串联超前校正设计，以满足动态响应时间快速要求图7-15恒油压控制系统方框图,7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,图7-15所示为系统在给定电压为5V，对应制动主缸的管路油压稳态输出应为10MPa图7-16 恒油压控制输出曲线,7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,3）频域法设计的恒制动扭矩控制器,恒制动力矩控制系统方图如图7-17所示，其中控制器先按稳态要求设计成型，然后将构成广义对象式(7-7)，控制器Gc(s)按照频域法串联超前校正设计，以满足动态响应时间快速性及平稳性要求。

图7-17 恒制动扭矩控制系统方框图,7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,图7-18所示为系统在给定电压为6V，对应制动扭矩稳态输出应为3000N.m图7-18 恒制动扭矩控制输出曲线,7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,4）恒制动减速度控制的PID控制器设计,恒制动减速度系统方框图如图7-19所示，按PID控制规律设计控制器，由于PID带有一个积分器，不需要先按稳态要求将系统设计成型 ，其中，,图7-19恒减速度控制系统方框图,7.4 汽车制动器性能测试台控制系统,图7-20 恒制动减速度控制输出曲线,如图7-20所示为系统在定电压为5V，汽车以恒减速度0.4g从45Km/h减小到0Km/h的减速度输出曲线本章小结,35,控制系统设计的任务是选择合适的控制方案与系统结构，计算参数和选择元部件，通过仿真及实验研究，建立能满足技术指标要求的实际系统这是一项复杂的工作，既要考虑技术要求，也要考虑经济性、可靠性、安装工艺、实验维护等多方面的要求，本章就这一问题从应用实例的角度去展现了设计过程Thank you,本章结束,36,。