控制系统设计导论

  控制系统的设计就是根据受控过程的动态特性和控制要求确定控制器与受控过程的连接形式与结构以及控制器本身的结构与参数。

  所谓设计是一个变革系统的机构、部件和细节以达到某种特定目的的复杂过程。为特定控制工程的控制系统设计是控制工程师经常要面临的中心工作，它是创造活动与分析活动共存的复杂过程。 

 设计过程中常含有这样的特征：全面综合、权衡利弊、认识差距、评估风险。

     

设计过程可简单地分为四个步骤：

1）根据需求制定技术指标；

2）根据技术指标设计若干解决方案；

3）根据验证试验结果选择解决方案；

4）对所选择方案做细节设计。

仔细地分为9个步骤：

   控制系统的设计步骤 

第1个步骤是理解被控过程并确定控制性能指标。常见的控制系统性能指标有三类：

时域的（阶跃响应）

频域的（开环系统频域特性）

复域的（零极点）

第2个步骤是根据被控过程的特点和控制品质要求进行控制系统的整体设计。

设计的焦点是采用什么样的控制系统结构才能最恰当地满足控制要求。

第3个步骤是选择传感器

选择传感器需要考虑六方面的因素：

1）数量和位置（选择变量和测点）；

2）传感原理（电、磁、机械、机电、光电等）；

3）动态特性（线性度、误差、带宽、分辨率、信噪比等）；

4）物理特性（重量、尺寸、强度）；

5）品质（可靠性、耐用性、可维护性）；

6）成本（购置、运输、安装、维修费用）。

第4个步骤是选择执行器。

也需要考虑六方面的因素：

1）数量和位置；

2）执行原理（电动、液动、气动、磁动等）；

3）动态特性（允许力矩、线性度、允许速度、功率、效率）；

4）物理特性；

5）品质；

6）成本。 

第5个步骤是为被控过程、传感器和执行器建立数学模型。

 被控过程、传感器和执行器可组成广义的控制对象子系统。传感器的输出为该子系统的输出变量，执行器的输入为该子系统的输入变量。分别建立这三个环节的数学模型，再把它们组合起来就得到了广义控制对象的数学模型，这个数学模型可转化为计算机仿真模型。从而可用来做控制器设计研究的仿真试验平台。 

第6个步骤是进行控制器本身的结构设计和初始参数的计算。

控制器的结构设计也就是控制规律的选择。例如选择PID控制器就是选择了PID控制律或控制器结构。

确定控制器的参数。常被称为控制器参数的整定。整定工作常分为三个步骤。后两步骤在第7步进行。

第一步是初步计算或凭经验设定。

第二步是重复多次仿真试验调整控制参数。

第三个步骤是进行实际控制试验来调整控制参数。实际试验则由受控过程的动态过程的实际时间决定每次试验的时间花费。

第7个步骤控制参数仿真试验整定。

1）建立包括控制器在内的仿真模型系统。

2）设计仿真试验整定方案

3）仿真试验

4）结果分析与方案改进，再试验

5）总结

第8个步骤是制作包含传感器、执行器和控制器的控制样机装置，并安装和连接在受控设备上，进行实际控制试验。

在参数整定完成后全面测试控制性能。 

第9个步骤是全面分析和评价所设计并试验测试的样机系统。

若已满足需要，则设计过程可以结束，若不能满足所预定的控制目标，则进行进一步的专题分析，找些关键性的设计缺陷或不足进行改进。根据实际改进内容返回上述任一步骤，进入又一轮的设计过程。

例如，分析表明是传感器选择的不合适，则返回步骤3进行重新设计。