機(jī)電工程控制基礎(chǔ)緒論.ppt

,機(jī)電工程控制基礎(chǔ),河北工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 周雁冰,控制論,現(xiàn)代控制理論,“機(jī)電工程控制基礎(chǔ)”是控制論與機(jī)電工程技術(shù)理論之間的交叉學(xué)科，側(cè)重介紹機(jī)械工程的控制原理，同時(shí)密切結(jié)合工程實(shí)際，是一門技術(shù)基礎(chǔ)課程。,機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)明顯而重要的趨勢(shì)越來越廣泛而深入地引入了控制理論。,是科學(xué)方法論之一，強(qiáng)調(diào)用系統(tǒng)的、反饋的、控制的方法來分析研究工程實(shí)際問題。,經(jīng)典控制理論,數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)床動(dòng)態(tài)分析與測(cè)試、電氣液壓伺服系統(tǒng),大學(xué)物理,理論力學(xué),機(jī)械原理,該課程與其它課程的關(guān)系，如下圖所示：,機(jī)電工程控制基礎(chǔ),基礎(chǔ)知識(shí),工程應(yīng)用,分析方法,基本概念,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系,控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,時(shí)域分析,頻域分析,系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù),系統(tǒng)性能指標(biāo),系統(tǒng)校正,課堂教學(xué)內(nèi)容,1 緒論 2 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(除2.2、2.5) 3 系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)與快速性分析(除3.5) 4 穩(wěn)態(tài)誤差與準(zhǔn)確性分析 5 控制系統(tǒng)的頻域分析 6 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 7 系統(tǒng)的性能分析與校正,其它章節(jié)內(nèi)容為課外自學(xué)內(nèi)容,基礎(chǔ)知識(shí),教輔用書 自動(dòng)控制原理 胡壽松等編 國(guó)防工業(yè)出版社 機(jī)械工程控制基礎(chǔ) 楊叔子、楊克沖等編著 華中科技大學(xué)出版社,第一章 緒論,1.1 概述 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 1.3 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 1.4 自動(dòng)控制簡(jiǎn)史 1.5 控制工程實(shí)踐 1.6 本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法,自動(dòng)控制技術(shù)及理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、電子、電力、航空、航海、航天、核反應(yīng)堆等各個(gè)領(lǐng)域。 自動(dòng)控制理論是研究關(guān)于自動(dòng)控制系統(tǒng)組成、分析和設(shè)計(jì)的一般性理論，是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。 在機(jī)電工程問題上，機(jī)械、電氣、液壓和計(jì)算機(jī)被廣泛采用，而且常?；ハ酀B透、相互配合，這就需要結(jié)合機(jī)電液系統(tǒng)闡述工程上共同遵循的基本控制規(guī)律，即“機(jī)電工程控制基礎(chǔ)”。,控制論概述 控制論是關(guān)于控制原理與控制方法的學(xué)科，它研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律。 “控制論”的兩個(gè)核心是信息論和反饋控制。 首先創(chuàng)立控制論學(xué)科的是美國(guó)的數(shù)學(xué)家、信息理論家(Norbert Wiener)諾伯特維納，他于1948年發(fā)表了“控制論”。 1954年我國(guó)科學(xué)家錢學(xué)森出版專著工程控制論(英文版)，首先把控制論推廣到工程技術(shù)領(lǐng)域。,控制論與其它學(xué)科結(jié)合，形成眾多的分支學(xué)科。,（機(jī)電工程控制論）,自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于軍事、航天領(lǐng)域 火炮、雷達(dá)、跟蹤系統(tǒng)； 人造衛(wèi)星；宇宙飛船。 自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程 軋鋼；工業(yè)窯爐；石油化工；水泥建材；玻璃、造紙等 自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 自動(dòng)灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等。 自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域 生物：人口控制，藥物動(dòng)力學(xué) 金融：貨幣控制 家庭：電飯煲，洗衣機(jī)，空調(diào)，冰箱,例.鋼鐵軋制:軋出厚度一致的高精度鐵板存在溫度控制,生鐵成分控制,厚度控制,張力控制,等等。,舉例：智能樓宇的控制,可視對(duì)講、室內(nèi)報(bào)警、遠(yuǎn)程家電控制.,在日常生活中,道路交通的應(yīng)用車牌自動(dòng)識(shí)別,勇氣號(hào)火星探測(cè)器（美國(guó)）,機(jī)械工程控制論研究機(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題,研究的對(duì)象：系統(tǒng)（廣義系統(tǒng)） 研究的任務(wù)：動(dòng)力學(xué)問題 研究的領(lǐng)域：機(jī)械工程領(lǐng)域,1、系統(tǒng)按一定規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。,系統(tǒng)的要素,元素,元素之間的聯(lián)系,系統(tǒng)與外界的交互作用,外界對(duì)系統(tǒng)的作用,系統(tǒng)對(duì)外界的作用,輸入(激勵(lì))、 干擾(擾動(dòng)),輸出(響應(yīng)),機(jī)械工程中的廣義系統(tǒng)：元件、部件、儀器、設(shè)備；加工過程、操作設(shè)備、測(cè)量；車間、部門、工廠、企業(yè)、企業(yè)集團(tuán)、全球制造行業(yè)等,2、動(dòng)力學(xué)問題:,系統(tǒng)在外界作用（輸入或激勵(lì)、包括外加控制與外界干擾）下，從一定初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷由其內(nèi)部的固有特性（由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定）所決定的動(dòng)態(tài)歷程（輸出或響應(yīng)）。 這一過程中，系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系即為系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題。,系統(tǒng)的輸入與系統(tǒng)的固有特性已知，如何影響輸出？ 2. 系統(tǒng)確定并已知時(shí)，對(duì)系統(tǒng)施加何種輸入，能使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng)（即輸出y(t)）？ 3. 對(duì)于確定的輸入輸出，系統(tǒng)應(yīng)具有什么特性， 才能使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng)？,求輸出,求輸入,求系統(tǒng)(結(jié)構(gòu)參數(shù)),基本的動(dòng)力學(xué)問題,3、（數(shù)學(xué)）模型 定義：研究系統(tǒng)、認(rèn)識(shí)系統(tǒng)、描述系統(tǒng)與分析系統(tǒng)的一種工具。 種類：實(shí)物模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型等。,動(dòng)態(tài)模型,用于研究系統(tǒng)在迅變載荷作用下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性；,在一定條件下，動(dòng)態(tài)模型可以轉(zhuǎn)換為靜態(tài)模型。,微分方程或差分方程來描述,動(dòng)態(tài)模型是描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)歷程的，機(jī)械工程控制論研究的是機(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題，所以往往需要采用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，即需要建立微分方程或差分方程來描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。,靜態(tài)模型,反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性；,代數(shù)公式描述,控制：對(duì)對(duì)象施加某種操作，使其產(chǎn)生所預(yù)期的行為。 自動(dòng)控制：該操作由控制裝置自動(dòng)完成，無須人直接參與。即，在人不直接參與的情況下，通過控制器使被控對(duì)象（如機(jī)器設(shè)備、生產(chǎn)過程）的某些物理量（或工作狀態(tài)）能自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。 學(xué)習(xí)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)要解決兩個(gè)問題：1、如何分析某個(gè)給定控制系統(tǒng)的工作原理、穩(wěn)定性、過渡品質(zhì)；2、如何根據(jù)實(shí)際需要來進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并用機(jī)電液光等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)系統(tǒng)。,例 手動(dòng)控制： 觀測(cè)實(shí)際水位，將實(shí)際水位與要求的水位值相比較，得出兩者偏差。 根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，即當(dāng)實(shí)際水位高于要求值時(shí)，關(guān)小進(jìn)水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進(jìn)水量，從而改變水箱水位，使之與要求值保持一致。,被控對(duì)象？ 被控量？,例 改進(jìn)自動(dòng)控制： Q2變大 H減小，浮子下降 杠桿傾斜 閥門開大 Q1變大 Q1=Q2，液面重新穩(wěn)定。 Q2變小 H變大，浮子上升 杠桿傾斜 閥門關(guān)小 Q1變小 Q1=Q2，液面重新穩(wěn)定。,缺點(diǎn)：出水量越多，水位就越低， 偏離期望值就越遠(yuǎn)，誤差越大?？?制的結(jié)果，總存在著一定的誤差值。,例 再改進(jìn)自動(dòng)控制： 當(dāng)實(shí)際水位低于要求水位時(shí)，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實(shí)際水位與水位要求值的差值，放大器輸出信號(hào)將有正的變化，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器使閥門開度增加，直到實(shí)際水位重新與水位要求值相等時(shí)為止。,當(dāng)實(shí)際水位高于 要求水位呢？,該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，無論何種干擾引起水位的偏差，系統(tǒng)都要 進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終總是使實(shí)際水位等于期望值，大大提高了控 制精度。,控制原理： 如果負(fù)載變化使增大， 離心機(jī)構(gòu)滑套上移 液壓滑閥上移，動(dòng)力活塞下移，油門關(guān)小， 減小 直到滑閥回復(fù)到中位，回到設(shè)定值,通過離心機(jī)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，反過來作用于系統(tǒng)，形成反饋，進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出。,發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖,例：發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng),反饋,反饋是機(jī)械工程控制論中一個(gè)最基本、最重要的概念,反饋的定義：系統(tǒng)的輸出通過適當(dāng)?shù)臏y(cè)量裝置全部或部分地返回到輸入端，并與輸入共同作用于系統(tǒng)的過程。,反饋量與輸入量的比較結(jié)果叫偏差。,基于反饋基礎(chǔ)上的“檢測(cè)偏差用以糾正偏差”的原理又稱為反饋控制原理。,利用此原理組成的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)。它具備測(cè)量、比較和執(zhí)行三個(gè)基本功能。 反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的最基本的方法。,例：發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng),被控對(duì)象：,發(fā)動(dòng)機(jī),被控量：,轉(zhuǎn)速,控制信息傳遞與反饋：,轉(zhuǎn)速,離心機(jī)構(gòu) (檢測(cè)或感知）,偏差,杠桿,液壓比例控制器,油門,表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理的物理框圖：,離心調(diào)速系統(tǒng)控制方框圖,比較,控制器,檢測(cè),被控對(duì)象,執(zhí)行,運(yùn)算放大,控制部分,被控部分,反饋控制方式的優(yōu)點(diǎn)：可以自動(dòng)調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化而引起的變動(dòng)。,計(jì)算比較,執(zhí)行,被控對(duì)象,測(cè)量,反饋回來的信號(hào)與給定值相減，即根據(jù)偏差進(jìn)行控制，稱為負(fù)反饋，反之稱為正反饋。,自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般組成形式,輸入信號(hào) 輸出信號(hào) 反饋信號(hào) 偏差信號(hào) 誤差信號(hào) 擾動(dòng)信號(hào),輸入信號(hào): （輸入量、控制量、給定量）是指控制輸出量 變化規(guī)律的信號(hào)； 輸出信號(hào)：（輸出量、被控制量、被調(diào)節(jié)量）輸出是輸入 的結(jié)果，它的變化規(guī)律通過控制應(yīng)與輸入信號(hào) 之間保持有確定的關(guān)系； 反饋信號(hào)：輸出信號(hào)經(jīng)反饋元件變換后加到輸入端的信號(hào)稱 反饋信號(hào)； 偏差信號(hào)：輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之差； 誤差信號(hào)：輸出量實(shí)際值與希望值之差； 擾動(dòng)信號(hào)：偶然的無法加以人為控制的信號(hào)；,控制系統(tǒng)的幾種分類： 1. 按反饋情況分 開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng),:系統(tǒng)沒有反饋回路。輸出對(duì)系統(tǒng)沒有控制作。,:系統(tǒng)有反饋回路。輸出對(duì)系統(tǒng)有控制作用。,開環(huán)系統(tǒng),閉環(huán)系統(tǒng),優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低。,缺點(diǎn)：無抗干擾能力，不能自動(dòng)糾偏，控制精度較低。,優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)精度高，動(dòng)態(tài)精度好。,缺點(diǎn)：構(gòu)造復(fù)雜，設(shè)計(jì)與制造較困難，成本較高。,如：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床,開環(huán)控制系統(tǒng),、普通洗衣機(jī),、微波爐,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床原理圖,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖,如：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床、離心調(diào)速系統(tǒng)、恒溫箱(冰箱、空調(diào)),伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床原理圖,伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖,閉環(huán)控制系統(tǒng),如全自動(dòng)洗衣機(jī)，既有開環(huán)控制，有用閉環(huán)控制。,2. 按給定量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分,如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。,程序控制系統(tǒng) 輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對(duì)象按照指令程序的要求而運(yùn)動(dòng)。 如：數(shù)控加工系統(tǒng)。,隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)） 輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律。,恒值控制系統(tǒng) 系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿?wù)是保證在任何擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。,如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。,3、按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì),連續(xù)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)為隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。,離散（數(shù)字）控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中某一處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。,4、按數(shù)學(xué)模型分,線性系統(tǒng),由線性元件組成，輸入輸出間具有疊加性和均勻性性質(zhì)，以線性微分方程來表述。,非線性系統(tǒng),系統(tǒng)中有非線性元件，輸入輸出間不具有疊加性和均勻性性質(zhì)。用非線性微分方程來表述。,4.按時(shí)間概念分： 5.按控制量分：,定常系統(tǒng) 時(shí)變系統(tǒng),位移控制系統(tǒng) 溫度控制系統(tǒng) 速度控制系統(tǒng),對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求：,穩(wěn)、快、準(zhǔn),控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo),系統(tǒng)的穩(wěn)定性：,系統(tǒng)的快速性：,系統(tǒng)的準(zhǔn)確性：,指動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。這是系統(tǒng)正常工作的首要條件。,在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快速程度。,調(diào)整過程結(jié)束后，輸出量與給定的輸入量之間的偏差。,以電梯為例說明,不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對(duì)穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性的要求各有