《控制系统框图》课件

控制系统框图引言自动化生产机器控制数据处理控制系统在现代工业中发挥着至关重要的从简单的机械到复杂的机器人系统，控制控制系统在数据处理领域也有广泛应用，作用，为自动化生产提供了基础系统赋予了机器智能，使其能够精准执行例如网络设备、数据中心等，确保信息高任务效传递控制系统组成输入端输出端执行机构控制系统接收来自外部世界的信号，例控制系统将信号发送到执行机构，例如执行机构根据控制信号执行动作，改变如温度、压力或位置电机、阀门或加热器被控对象的运行状态输入端参考输入实际输入这是控制系统期望的输入信号这是实际作用在系统上的输入信号扰动这是影响系统正常运行的外部干扰输出端显示系统状态、运行参数或控制结果传输控制信号至外部设备或系统记录系统运行数据，进行分析和评估执行机构接受控制信号驱动系统12将来自控制器的信号转换为物提供动力，例如电机、液压或理动作气动机械结构3用于执行特定的运动或操作，例如阀门、伺服电机等反馈测量误差反馈路径反馈的作用反馈信号与目标值之间的差异将输出信号传回控制器的路径减少系统误差，提高控制精度前馈预测未来输入变化的影响提前采取措施，减少扰动影响提高系统响应速度和精度开环控制系统123简单结构响应快成本低开环控制系统结构简单，无需反馈环由于没有反馈环节，开环控制系统响开环控制系统结构简单，成本较低，节，控制精度较低应速度快，适用于对控制精度要求不适合于一些简单的控制应用高的场合闭环控制系统反馈信号将输出信号与参考信号进行比较误差信号反馈信号与参考信号的差值控制器根据误差信号调整控制量执行机构根据控制量改变系统状态传感器温度传感器压力传感器光传感器测量温度，如温度计测量压力，如气压计测量光强度，如光电管放大器信号增强类型多样12放大器用于增强来自传感器的常见的放大器类型包括运算放微弱信号，使其足以驱动后续大器op-amp、功率放大器的控制器或执行器和仪表放大器参数重要3放大器的关键参数包括增益、带宽、噪声和失真，这些参数会影响控制系统的性能比较器信号比较阈值检测比较器用于比较两个输入信号的比较器可以用于检测输入信号是大小，并输出相应的结果否超过某个设定值，从而触发相应的控制动作误差放大比较器可以将输入信号之间的差异放大，以便于控制系统进行调节控制器功能类型控制器是控制系统的大脑，接收传感器反馈的信号，并根据预定控制器有多种类型，例如PID控制器，模糊控制器，神经网络控的控制策略生成控制信号，调整执行机构的动作，最终使系统达制器等，每种控制器都具有不同的控制策略，适用于不同的控制到预期目标系统执行器转换信号直接作用12执行器将控制信号转换为机械执行器直接作用于被控对象，动作执行控制命令种类繁多3常见的执行器包括电机、液压缸、气动缸等控制系统建模数学模型1描述系统动态特性的数学表达式传递函数2输入与输出之间的关系状态空间模型3用状态变量描述系统行为控制系统建模是将实际控制系统抽象成数学模型的过程，通过数学模型可以更深入地分析控制系统的特性，进而设计更有效的控制策略传递函数传递函数是描述线性定常系统输入与输出之间关系的数学模型，用于分析和设计控制系统单位步响应12定义分析当输入信号为单位阶跃函数时，系统通过分析单位步响应，可以了解系统的输出响应称为单位步响应的动态特性，例如稳定性、上升时间、调节时间等3应用广泛用于控制系统的设计和分析，帮助工程师评估和优化系统的性能单位冲激响应定义系统对单位冲激输入的输出响应重要性完全表征系统的动态特性应用系统分析、设计、仿真频率响应频率响应是指系统对不同频率输入信号的响应特性它以幅频特性和相频特性来描述系统的频率响应特性幅频特性描述了系统对不同频率信号的放大倍数，相频特性描述了系统对不同频率信号的相位变化稳定性分析系统稳定性稳定性分析方法稳定性指标稳定性是控制系统的重要指标，指系统在根轨迹法、频率响应法等可用于分析系统相位裕度、增益裕度等指标用于衡量系统受到扰动后能够恢复到平衡状态的稳定性的稳定性和鲁棒性根轨迹法系统稳定性1分析系统在不同参数下是否稳定根轨迹绘制2根据开环传递函数绘制根轨迹图参数优化3通过调整系统参数，优化闭环系统性能控制器PID比例控制积分控制根据偏差的大小调整控制量消除稳态误差，使系统更精确微分控制预测偏差变化趋势，提高系统的响应速度调节器参数设计比例系数积分系数Kp KiKp影响控制系统的响应速度和Ki影响控制系统的稳态误差消除稳态误差.能力.微分系数KdKd影响控制系统的抗扰动能力和超调.控制系统设计实例以工业机器人为例，控制系统设计需要考虑机器人手臂的运动轨迹、速度、精度和负载等因素设计过程中需要选择合适的传感器、执行器、控制器，并根据系统需求进行参数调整和优化控制系统分类开环控制系统闭环控制系统开环控制系统不使用反馈，控制信号闭环控制系统使用反馈，通过测量输直接作用于执行机构，如简单定时器出信号与设定值之间的偏差来调整控控制的电风扇制信号，如自动驾驶系统数字控制系统数字控制系统使用数字信号处理技术，通过计算机来实现控制功能，如工业机器人控制系统离散控制系统数字信号采样与保持数字控制器离散控制系统使用数字信号处理技术，系统通过采样器将连续信号转换为离散数字控制器使用数字信号处理器（DSP将连续的控制信号转换为离散的数字信信号，并使用保持器将离散信号保持一）或微处理器来实现控制算法，并根据号进行处理定时间，以便进行数字处理需要发出控制指令数字控制系统微处理器数字传感器数字执行器数字控制系统采用微处理器或微控制器，现代数字控制系统利用数字传感器，提供数字执行器通过数字信号控制，实现精准可以处理数字信号，并执行复杂的控制算高精度和抗噪声性能的控制效果法自适应控制系统动态调整学习能力12自适应控制系统可以根据环境它们能够从运行数据中学习，变化动态调整控制参数，以优并不断优化控制策略，适应不化系统性能同的工作条件鲁棒性3自适应控制系统对模型不确定性和干扰具有较强的鲁棒性，能够在复杂环境下保持稳定鲁棒控制系统抗扰性强适应性强鲁棒控制系统对参数变化和外部鲁棒控制系统能够适应不同的工扰动具有较强的抵抗能力，可以作条件，例如负载变化、环境温确保系统在不确定环境下仍然能度变化等，无需重新设计系统够稳定运行可靠性高鲁棒控制系统能够克服系统故障和噪声的影响，保持较高的可靠性结论控制系统框图是描述控制系统结构和功能的重要工具，它可以帮助我们理解系统的运作原理和设计控制策略。