第6章 控制系统
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第6章(192)
变结构控制系统的不足之处是难于实施神经网络的在线训练。
第6章 神经控制系统
6.2.5 神经网络智能方法 神经网络的学习功能是一种智能行为，它与其它智能学
科有相同或相近的设计方式。将神经网络与模糊控制、人工 智能、专家系统相结合，可构成各具特色的模糊神经控制、 智能神经控制、专家神经系统等，它们形成了自己的设计方 法。一种典型的模糊神经控制系统的基本结构如图6-8所示。
第6章 神经控制系统
神经网络从根本上改变了上述设计思路，因为它不需要 被控制对象的数学模型。在控制系统中，神经网络是作为控 制器或辨识器起作用的。
控制器具有智能行为的系统，称为智能控制系统。在 智能控制系统中，有一类具有学习能力的系统，被称为学习 控制系统。学习的过程是一个训练并带有将训练结果记忆的 过程，人工神经网络控制系统就是一种学习控制系统。
第6章 神经控制系统
对于一些在控制过程中存在不确定性、存在非线性、存 在时变的被控对象，由于数学模型不明确，常规PID调节器 往往难以奏效，不能保证系统稳定性。目前能够想到的解决 办法有两个，两个办法都离不开神经网络。一个是对被控对 象使用系统辨识，PID调节器继续使用常规调节器，系统辨 识由神经网络承担；另一个是使用神经PID调节器。在系统 中引入神经网络，相应需要学习训练。
第6章 神经控制系统
由于神经控制器的设计与设计人员的素质、理解能力和 经验有关，因此设计出来的产品都可以成为设计者的成果， 这也是从事神经控制较容易出成果的原因之一。随着时间的 推移，对设计结果的评价体系终会诞生，优劣将更加清晰。
简单综合起来，神经控制器的设计方法大体有如下几种： 模型参考自适应方法、自校正方法、内模方法、常规控制方 法、神经网络智能方法和神经网络优化设计方法。
第6章 神经控制系统
6.2.5 神经网络智能方法 神经网络的学习功能是一种智能行为，它与其它智能学
科有相同或相近的设计方式。将神经网络与模糊控制、人工 智能、专家系统相结合，可构成各具特色的模糊神经控制、 智能神经控制、专家神经系统等，它们形成了自己的设计方 法。一种典型的模糊神经控制系统的基本结构如图6-8所示。
第6章 神经控制系统
神经网络从根本上改变了上述设计思路，因为它不需要 被控制对象的数学模型。在控制系统中，神经网络是作为控 制器或辨识器起作用的。
控制器具有智能行为的系统，称为智能控制系统。在 智能控制系统中，有一类具有学习能力的系统，被称为学习 控制系统。学习的过程是一个训练并带有将训练结果记忆的 过程，人工神经网络控制系统就是一种学习控制系统。
第6章 神经控制系统
对于一些在控制过程中存在不确定性、存在非线性、存 在时变的被控对象，由于数学模型不明确，常规PID调节器 往往难以奏效，不能保证系统稳定性。目前能够想到的解决 办法有两个，两个办法都离不开神经网络。一个是对被控对 象使用系统辨识，PID调节器继续使用常规调节器，系统辨 识由神经网络承担；另一个是使用神经PID调节器。在系统 中引入神经网络，相应需要学习训练。
第6章 神经控制系统
由于神经控制器的设计与设计人员的素质、理解能力和 经验有关，因此设计出来的产品都可以成为设计者的成果， 这也是从事神经控制较容易出成果的原因之一。随着时间的 推移，对设计结果的评价体系终会诞生，优劣将更加清晰。
简单综合起来，神经控制器的设计方法大体有如下几种： 模型参考自适应方法、自校正方法、内模方法、常规控制方 法、神经网络智能方法和神经网络优化设计方法。
第6章-串级控制系统讲解全文编辑修改
D1
烧成带 θ1
副测量变送器
主测量变送器 根据副控制器的“反”作用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将 被关小，燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的工作过程
(2)只存在一次干扰
θ1r
主控制器
副控制器 调节阀
D2 燃烧室 θ2
隔焰板
D1
烧成带 θ1
副测量变送器
主参数设定
－
主调 节器
－
副调 节器
调节 阀
二次扰动
副对象
一次扰动 主参数
主对象
副变送器
副参数
定值控 制系统
主变送器
主回路
图6-6 串级控制系统标准方框图
1) 在结构上，串级控制系统由两个闭环组成．副回路 起“粗调”作用，主回路起“细调”作用。
2) 每个闭环都有各自的调节对象，调节器和变送器 3) 调节阀由副调节器直接控制
－
－
Gm2(s)
Y2(s)
Gm1(s)
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ ＋
GGpo22
D2 y2
D2(s)
1 + Gc G 2Gv op22Gm2
y2,sp
Gc2GvGGop2
1 + Gc G 2Gv op22Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
Go2’(s)
6.2 串级控制系统的分析
6.2 串级控制系统的分析
串级控制特点总结：
1) 在系统结构上, 它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环 控制系统。其中主回路是定值控制，副回路是随动控制；
自动控制原理第6章习题解——邵世凡
习 题 66-1 设控制系统的开环传递函数为：()()()s s s s G 1.015.0110++= 绘出系统的Bode 图并求出相角裕量和幅值裕量。
若采用传递函数为(1+0.23s)/(1+0.023s)的串联校正装置，试求校正后系统的幅值和相角裕度，并讨论校正后系统的性能有何改进。
6—2设控制系统的开环频率特性为()()()()ωωωωωj j j j H j G 25.01625.011++= ①绘出系统的Bode 图，并确定系统的相角裕度和幅值裕度以及系统的稳定性； ②如引入传递函数()()()0125.025.005.0++=s s s G c 的相位滞后校正装置，试绘出校正后系统的Bode 图，并确定校正后系统的相角裕度和幅值裕度。
6 3设单位反馈系统的开环传递函数为()()()8210++=s s s s G 设计一校正装置，使静态速度误差系数K v =80，并使闭环主导极点位于s=-2±j23。
6-4设单位反馈系统的开环传递函数为()()()93++=s s s K s G ①如果要求系统在单位阶跃输入作用下的超凋量σ =20％，试确定K 值；②根据所确定的K 值，求出系统在单位阶跃输入下的调节时间t s 。
，以及静态速度误差系数； ③设计一串联校正装置，使系统K v ≥20，σ≤25％，t s 减少两倍以上。
6 5 已知单位反馈系统开环传递函数为()()()12.011.0++=s s s K s G 设计校正网络，使K v ≥30，γ≥40º，ωn ≥2.5，K g ≥8dB 。
6-6 由实验测得单位反馈二阶系统的单位阶跃响应如图6-38所示．要求①绘制系统的方框图，并标出参数值；②系统单位阶跃响应的超调量σ =20％，峰值时间t p =0.5s ，设计适当的校正环节并画出校正后系统的方框图。
6-7设原系统的开环传递函数为()()()15.012.010++=s s s s G 要求校正后系统的相角裕度γ=65º。
控制工程实验-第6章
定义静态位置误差系数为
Kpls i0m G (s)G (0)
用静态位置误差系数表示的单位阶跃输入
下的稳态误差为
1
ess 1 K p
K, 0型系统 Kpls i0m G (s)G (0) , I型或 I型 高系 于
ess11Kp
11K, 0,
0型系统 I型或高 I型于 系统
• 如果单位反馈控制系统前向通道中没有包 含积分环节，那么它对阶跃输入的响应中 包含稳态误差。
及稳态误差的方法。
6.2.1 误差传递函数与稳态误差
对于下图所示的单位反馈控制系统，
输入引起的系统误差传递函数为
e(s)X E i((ss))1G 1(s)1G c(s)
则
E(s) 1 1G(s)
Xi(s)
如果系统稳定，根据终值定理，可计
算稳态误差
1 e ss e( ) ls i0s m (E s) ls i0s m 1 G (s)X i(s)
本节的要点：
掌握有干扰时的稳态误差计算方法。
s1G 2 G (2 s()G s)1 H ssH sN s
根据终值定理，干扰引起的稳态偏差为
则干扰引起ss的lt稳 i 态m 误(t)差为ls i0s m (s)
ess
ss
H 0
干扰引起的稳态误差也可以这样来求：
由于干扰产生的输出全是系统误差，因此， 干扰引起的稳态误差等于干扰产生的稳态 输出乘以（-1）。
静态速度误差系数
系统对单位斜坡（速度）输入的稳态误差是
essls i0m s1G 1(s)s12s1 G (s)
定义静态速度误差系数为
Kv
limsG(s) s0
用静态速度误差系数表示的单位速度输入下
Kpls i0m G (s)G (0)
用静态位置误差系数表示的单位阶跃输入
下的稳态误差为
1
ess 1 K p
K, 0型系统 Kpls i0m G (s)G (0) , I型或 I型 高系 于
ess11Kp
11K, 0,
0型系统 I型或高 I型于 系统
• 如果单位反馈控制系统前向通道中没有包 含积分环节，那么它对阶跃输入的响应中 包含稳态误差。
及稳态误差的方法。
6.2.1 误差传递函数与稳态误差
对于下图所示的单位反馈控制系统，
输入引起的系统误差传递函数为
e(s)X E i((ss))1G 1(s)1G c(s)
则
E(s) 1 1G(s)
Xi(s)
如果系统稳定，根据终值定理，可计
算稳态误差
1 e ss e( ) ls i0s m (E s) ls i0s m 1 G (s)X i(s)
本节的要点：
掌握有干扰时的稳态误差计算方法。
s1G 2 G (2 s()G s)1 H ssH sN s
根据终值定理，干扰引起的稳态偏差为
则干扰引起ss的lt稳 i 态m 误(t)差为ls i0s m (s)
ess
ss
H 0
干扰引起的稳态误差也可以这样来求：
由于干扰产生的输出全是系统误差，因此， 干扰引起的稳态误差等于干扰产生的稳态 输出乘以（-1）。
静态速度误差系数
系统对单位斜坡（速度）输入的稳态误差是
essls i0m s1G 1(s)s12s1 G (s)
定义静态速度误差系数为
Kv
limsG(s) s0
用静态速度误差系数表示的单位速度输入下
自动控制原理第六章
G(s)
K0 K p (Ti s 1) Ti s2 (Ts 1)
表明：PI控制器提高系统的型号，可消除控制系统对斜 坡输入信号的稳态误差，改善准确性。
校正前系统闭环特征方程：Ts2+s+K0=0 系统总是稳定的
校正后系统闭环特征方程：TiTs3 Ti s2 K p K0Ti s K p K0 0
调节时间 谐振峰值
ts
3.5
n
Mr
2
1 ,
1 2
0.707
谐振频率 r n 1 2 2 , 0.707
带宽频率 b n 1 2 2 2 4 2 4 4 截止频率 c n 1 4 4 2 2
相角裕度
arctan
低频段：
开环增益充分大， 满足闭环系统的 稳态性能的要求。
中频段：
中频段幅频特性斜 率为 -20dB/dec， 而且有足够的频带 宽度，保证适当的 相角裕度。
高频段：
高频段增益尽 快减小，尽可 能地削弱噪声 的影响。
常用的校正装置设计方法 -均仅适用最小相位系统
1.分析法(试探法)
特点：直观，物理上易于实 现，但要求设计者有一定的 设计经验，设计过程带有试 探性，目前工程上多采用的 方法。
列劳思表：
s3 TiT
K p K0Ti
s2 Ti
K pK0
s1 K p K0 (Ti T )
s0 K p K0
若想使系统稳定，需要Ti>T。如果 Ti 太小，可能造成系 统的不稳定。
5.比例-积分-微分(PID)控制规律
R( s )
E(s)
C(s)
K
p (1
第六章控制系统参数优化及仿真
6.1 参数优化与函数优化
数学中的变分法，拉格朗日乘子法和最大值原理，动态规划等都是解析法，所以也都是间接寻优法。由于在大部分控制系统中目标函数J一般很难写出解析式，而只能在计算动态相应过程中计算出来，所以仿真中一般较少采用间接寻优方法。 (2) 直接寻优法 直接寻优法就是直接在变量空间搜索一组最佳控制变量(又称决策变量，设计变量)。这是一种数值方法，具体办法是，利用目标函数在一局部区域初始状态的性质和已知数值，来确定下一步计算的点，这样一步步搜索逼近，最后接近最优点。
6.1 参数优化与函数优化
优化技术是系统设计中带有普遍意义的一项技术,本节首先讨论优化技术中的一些基本定义和问题. 一、优化问题数学模型的建立 用优化方法解决实际问题一般分三步进行： (1) 提出优化问题，建立问题的数学模型。 (2)分析模型，选择合适的求解方法。 (3)用计算机求解，并对算法，误差，结果进行 评价。 显然，提出问题，确定目标函数的数学表达式是优化问题的第一步，在某种意义上讲也是最困难的一步。以下分别说明变量，约束和目标函数的确定。
第六章 控制系统参数优化及仿真
仿真是将已知系统在计算机上进行复现，它是分析，设计系统的一种重要实验手段。怎样才能使设计出来的系统在满足一定的约束条件下，使某个指标函数达到极值，这就需要优化的仿真实验。所以仿真技术与优化技术两者关系十分密切。
第六章 控制系统参数优化及仿真
优化技术包括内容很多，本章主要介绍与系统最优化技术有关的参数优化技术方法。 第一节首先对控制系统常用的优化技术做一概括性的叙述。 第二节介绍单变量技术的分割法和插值法。 第三节为多变量寻优技术，介绍工程中常用的最速下降法，共轭梯法和单纯形法。 第四节为随机寻优法。 第五节简单介绍具有约束条件的寻优方法。 第六节介绍含函数寻优的基本方法。 最后向读者介绍了Matlab优化工具箱的使用方法。
数学中的变分法，拉格朗日乘子法和最大值原理，动态规划等都是解析法，所以也都是间接寻优法。由于在大部分控制系统中目标函数J一般很难写出解析式，而只能在计算动态相应过程中计算出来，所以仿真中一般较少采用间接寻优方法。 (2) 直接寻优法 直接寻优法就是直接在变量空间搜索一组最佳控制变量(又称决策变量，设计变量)。这是一种数值方法，具体办法是，利用目标函数在一局部区域初始状态的性质和已知数值，来确定下一步计算的点，这样一步步搜索逼近，最后接近最优点。
6.1 参数优化与函数优化
优化技术是系统设计中带有普遍意义的一项技术,本节首先讨论优化技术中的一些基本定义和问题. 一、优化问题数学模型的建立 用优化方法解决实际问题一般分三步进行： (1) 提出优化问题，建立问题的数学模型。 (2)分析模型，选择合适的求解方法。 (3)用计算机求解，并对算法，误差，结果进行 评价。 显然，提出问题，确定目标函数的数学表达式是优化问题的第一步，在某种意义上讲也是最困难的一步。以下分别说明变量，约束和目标函数的确定。
第六章 控制系统参数优化及仿真
仿真是将已知系统在计算机上进行复现，它是分析，设计系统的一种重要实验手段。怎样才能使设计出来的系统在满足一定的约束条件下，使某个指标函数达到极值，这就需要优化的仿真实验。所以仿真技术与优化技术两者关系十分密切。
第六章 控制系统参数优化及仿真
优化技术包括内容很多，本章主要介绍与系统最优化技术有关的参数优化技术方法。 第一节首先对控制系统常用的优化技术做一概括性的叙述。 第二节介绍单变量技术的分割法和插值法。 第三节为多变量寻优技术，介绍工程中常用的最速下降法，共轭梯法和单纯形法。 第四节为随机寻优法。 第五节简单介绍具有约束条件的寻优方法。 第六节介绍含函数寻优的基本方法。 最后向读者介绍了Matlab优化工具箱的使用方法。
自动控制原理第6章
二、带宽的确定
Mr
( j 0) 0.707Φ( j 0)
( j )
b的选择要兼顾跟 踪输入信号的能力 和抗干扰的能力。 若输入信号的带宽 为 0～ M，扰动信 号带宽为 1～ 2， 则b＝(5~10) M， 且使 1～ 2 置于b 之外。
0
r b
输入信号
R( jw)
结束
6-2 PID控制器及其控制规律
• 注明：讲课顺序调整，本节内容在教材 P246～ P248和P254～P257
比例－积分－微分（PID）控制器 是串联校正 中常用的有源校正装置。 PID （Proportional Integral Derivative）是实 际工业控制过程中应用最广泛、最成功的一种控 制规律。 PID ：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运 算变换后形成的一种控制规律。
系统的闭环零点改变 系统的闭环极点未改变 增加系统抑制干扰的能力 稳定性未受影响
u0
+
ug
+
△u 电压
+
u1 功率
+
+ ua
R
n
SM 负 载
放大
放大
电压 放大
i
+
un
TG
图1-8 电动机速度复合控制系统
说明：
串联校正和反馈校正都属于主反馈回路之内的校
正。 前馈补偿和扰动补偿则属于主反馈回路之外的校 正。 对系统校正可采取以上几种方式中任何一种，也 可采用某几种方式的组合。
给定 元件
比较 元件
-
串联 校正元件
-
放大 元件
执行 元件
第6章过程控制系统
图6.9 贮罐液位控制系统
4
第6章 机器人控制系统
2020/2/27
图6.10 过程控制系统框图
5
第6章 机器人控制系统
2020/2/27
❖我国高科技的重要组成部分，在工业生产和国民 经济各行业发挥着重要的作用。自动化水平已成为 衡量各行各业现代化水平高低的一个重要标志。
❖自动化技术的发展首先从工业生产领域开始，而 工业自动化的发展又与工业生产过程本身的发展有 着密切的联系。随着生产从简单到复杂，从局部到 全局，从低级到智能的发展，工业生产自动化也经 历了一个不断发展的过程。
2020/2/27
工业机器人基础
1
第6章 主要内容
6.1 机器人控制系统概述 6.2 伺服控制系统 6.3 过程控制系统 6.4 机器人控制系统结构
2020/2/27
2
第6章 机器人控制系统
2020/2/27
6.3过程控制系统
❖过程控制是指在没有人直接参与的情况下，利用 外加的设备或装置（称为自动化仪表或装置），使 被控对象的工作状态或参数（压力、物位、流量、 温度、PH值等）自动地按照预定的规律运行。
1.安全性
❖安全性指的是在生产的整个过程中，确保人身安 全和设备的安全，这是最重要的要求。
2.经济性
❖经济性旨在使过程控制系统在生产相同质量和产 量的条件下，所消耗的能源和材料最少，做到生产 成本低、生产效率高。
11
第6章 机器人控制系统
2020/2/27
3.稳定性
❖稳定性即要求系统具有抑制外部干扰，保持生产 过程长期稳定运行的能力。
❖自动控制技术是生产过程高效运行的技术保障， 对企业生产过程起着明显的提升作用,有助于提高生 产效率；保证产品质量；减少生产过程的原材料、 能源损耗；提高生产过程的安全性。