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文檔簡介

1、遼寧科技學(xué)院教案課程名稱:控制工程基礎(chǔ)任課教師:楊光開課系部:機(jī)械學(xué)院開課教研室:機(jī)制開課學(xué)期:20122013學(xué)年度 第1學(xué)期遼寧科技學(xué)院教案(參考樣式)課題名稱第一章緒論課次第(1)次課課時(shí)2課型理論(2);實(shí)驗(yàn)();實(shí)習(xí)();、實(shí)務(wù)();習(xí)題課();討論();其他()教學(xué)目標(biāo)了解機(jī)械工程的發(fā)展與控制理論的應(yīng)用;理解機(jī)械工程自動(dòng)控制系統(tǒng) 的基本組成及工作原理;掌握機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型及對自動(dòng)控制系統(tǒng) 的基本要求。重點(diǎn)、難點(diǎn)及 解決方法重點(diǎn):機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型及對自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求 難點(diǎn):無解決方法:通過具體講解相關(guān)例子使同學(xué)們明白有關(guān)自控系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識教學(xué)基本內(nèi)容 與教學(xué)設(shè)計(jì)本節(jié)

2、主要內(nèi)容:一、組織教學(xué),包括自我介紹及學(xué)生考勤(5分鐘)二、機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(wù)(20分鐘)三、控制理論的發(fā)展與應(yīng)用(20分鐘)四、 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及工作原理(20分鐘)1 機(jī)械工程自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成2 機(jī)械工程自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理五、 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求(20分鐘)1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求六、 本節(jié)教學(xué)內(nèi)容小節(jié)及思考題的布置(5分鐘)教學(xué)方法講授法教學(xué)手段無課外學(xué)習(xí)安排思考題、預(yù)習(xí)、輔導(dǎo)答疑參考資料控制工程基礎(chǔ) 王積偉主編;機(jī)械控制工程基礎(chǔ)董玉紅主編;學(xué)習(xí)效果評測課外學(xué)習(xí) 指導(dǎo)安排教學(xué)后記遼寧科技學(xué)院講稿(參考樣式)教學(xué)內(nèi)容

3、一、機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(wù)機(jī)械工程控制論研究機(jī)械工程中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題。1、系統(tǒng)(廣義系統(tǒng)):按一定的規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。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。例:彈簧一質(zhì)量一陽尼單自由度系統(tǒng)(系統(tǒng)的輸人或激勵(lì))mp + cp A- k 1與外界無關(guān))(+ * 2(0 = / tnp1 +cp+ k)y(f (c/r + AXv(r) 式中;P = i (撤分算于動(dòng)

4、力學(xué)方程*采統(tǒng)(a)系統(tǒng)(b)初始狀態(tài)=系軌的固有特性外界的作用 外畀作用方式一與外畀的久系z b cp-k系統(tǒng)對輸入的廂應(yīng)(系統(tǒng)的輸出)yfO上式中y(t)為微分方程的解,顯然它是由系統(tǒng)的初始條件,系統(tǒng)的固有特 性,系統(tǒng)的輸入及系統(tǒng)與輸入之間的關(guān)系決定。對上例,需要研究的問題可歸納為以下三類:第一類,系統(tǒng).輸入= 輸出第二類,系統(tǒng).輸出匸輸入第三類,輸入.輸出系統(tǒng)一般地,就系統(tǒng)、輸入、輸出三君之間的動(dòng)態(tài) 關(guān)系而言,需研究的問題包抵;已知祭統(tǒng)和輸入求系統(tǒng)的響應(yīng)(或輸出)*幷通過響應(yīng) 來砂究系統(tǒng)本q的問豐* 已處堿、粧址治入,便痰統(tǒng)的輸出滿足麋或= 已知輸入設(shè)計(jì)殺統(tǒng),便輸出滿足要求.4.濾波與加

5、測問題,確定系統(tǒng).釀根按輸舊識別愉人或愉入中的有關(guān)信息.5系統(tǒng)掰識問題: 已知愉入和輸出t識別系統(tǒng)的茫構(gòu)和參贈”建立系統(tǒng)的救 學(xué)模型。二、控制理論的發(fā)展與應(yīng)用控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。從1868年馬克斯威爾(J.C.Maxwell)提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里,自動(dòng)控制理論的發(fā)展可分為四個(gè)主要階段:第一階段:經(jīng)典控制理論(或古典控制理論)的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟;第二階段:現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展;第三階段:大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段; 第四階段:智能控制發(fā)展階段。經(jīng)典控制理論:控制理論的發(fā)展初期,是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理,主要用于工 業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間,為了設(shè)

6、計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮 定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備,進(jìn)一步促進(jìn)和完善了自 動(dòng)控制理論的發(fā)展。?1868年,馬克斯威爾(J.C.Maxwell )提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。?1895年,數(shù)學(xué)家勞斯(Routh)和赫爾威茨(Hurwitz )分別獨(dú)立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù),即 Routh和Hurwitz判據(jù)。? 二戰(zhàn)期間(1938-1945年)奈奎斯特(H.Nyquist )提出了頻率響應(yīng)理 論1948年,伊萬斯(W.R.Evans)提出了根軌跡法。至此,控制理論發(fā)展的第 一階段基本完成,形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論的基

7、本特征:(1) 主要用于線性定常系統(tǒng)的研究,即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng) 的分析與綜合;(2) 只用于單輸入,單輸出的反饋控制系統(tǒng);(3) 只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系,而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài),是一種對系統(tǒng)的外部描述方法?,F(xiàn)代控制理論:由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng),只注重系統(tǒng) 的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。因而在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展,20世紀(jì)60年代初,在經(jīng)典控制理論的基 礎(chǔ)上,以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。1954年貝爾曼(R.Belman)提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金(L.S.Pontr

8、yagin )提出極大值原理1960年卡爾曼(R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論 在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息(輸出量 和輸入量),而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。它無論對線性系統(tǒng)或非線 性系統(tǒng),定常系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng),單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng),都是一種有效的分 析方法。當(dāng)今世界,控制技術(shù)無處不在,世界隨處可見控制與反控制。輸入信號控制信號線輸出信號 信號線控制技術(shù)融合了信息技術(shù)、工程技術(shù),是多種技術(shù)的融合。余用電聽擰制技術(shù)隔川消獲類嚴(yán)島、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及工作原理反饋:系統(tǒng)的輸出不斷地,直接或間接地、全部或部分地返回,并作用于系統(tǒng),其實(shí)質(zhì)就

9、是信息的傳遞與交互人丄應(yīng)制的吃洱葺補(bǔ)&計(jì)人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過程:1. 觀測恒溫箱內(nèi)的溫度(被控制量)。2. 與要求的溫度(給定值)進(jìn)行比較,得到溫度偏差的大小和方向。3. 根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器,控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回 復(fù)到要求值。人工控制過程的實(shí)質(zhì):檢測偏差再糾正偏差。期犁實(shí)阪人工拎制恒溫冇H初庫柝鬥恒溫箱自動(dòng)控制汞統(tǒng)恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理:1. 恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓u22. 恒溫箱期望溫度由電壓u1給定,并與實(shí)際溫度u2比較得到溫度偏差信 號 u= U1 U23.溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后,用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī),并通過傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫

10、度偏高時(shí),動(dòng)觸頭向減小電流的方向運(yùn)動(dòng),反之 加大電流,直到溫度達(dá)到給定值為止,此時(shí),偏差 u= 0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)I :擾動(dòng)1溫度潑桂T電壓功率放k器些控制匕電機(jī)減調(diào)理恒溫輸 速一壓T(控制 廃I I器I 對彖、IE H (控制從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見:1. 給定量位于系統(tǒng)輸入端,稱為系統(tǒng)輸入量或參考輸入量(信號)。2. 被控制量位于系統(tǒng)的輸出端,稱為系統(tǒng)輸出量。3. 輸出量(全部或一部分)通過測量裝置返回系統(tǒng)的輸入端,使之與輸入 量進(jìn)行比較,產(chǎn)生偏差(給定信號與返回的輸出信號之差)信號。輸出量的返 回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。綜上所述,控制系統(tǒng)的工作原理:1. 檢

11、測輸出量(被控制量)的實(shí)際值2. 將輸出量的實(shí)際值與給定值(輸入量)進(jìn)行比較得出偏差;3. 用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差,使得輸出量維持期望的輸出。由于存在輸出量反饋,上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下,自動(dòng)減 少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量(或者任意變化的希望的狀態(tài))之間的偏差,故 稱之為反饋控制。顯然:反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上,其控制方式是“檢測偏差再糾正偏 差”。這種基于反饋原理,能對輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較,并力圖保持兩者 之間既定關(guān)系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測量、比較和執(zhí) 行三個(gè)基本功能。注意:這種基于反饋原理,能對輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較,并力圖保 持兩者

12、之間既定關(guān)系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測量、比 較和執(zhí)行三個(gè)基本功能。四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求1. 開環(huán)控制與閉環(huán)控制實(shí)際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋?zhàn)饔每煞譃槿悾篴. 開環(huán)控制系統(tǒng)b. 閉環(huán)控制系統(tǒng)c. 半閉環(huán)控制系統(tǒng)(反饋信號通過系統(tǒng)內(nèi)部的中間信號獲得。)系統(tǒng)僅受輸入量和擾動(dòng)量控制;輸出端和輸入端之間不存在反饋回路;輸 出量在整個(gè)控制過程中對系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響。a.開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)僅受輸入量和擾動(dòng)量控制;輸出端和輸入端之間不存在反饋回路;輸 出量在整個(gè)控制過程中對系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響。It控機(jī)味的幵環(huán)揑制丟魏國優(yōu)點(diǎn):簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元

13、件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定,且 外界干擾較小,開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn):精度通常較低、無自動(dòng)糾偏能力控制器* 對象或過程 J】二壬b.閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn):輸出端和輸入端之間存在反饋回路,輸出量對控制過程有直接影響 閉環(huán)的作用:應(yīng)用反饋,減少偏差。優(yōu)點(diǎn):精度高,對外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感。缺點(diǎn):存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題,系統(tǒng)性能分析和設(shè)計(jì)麻煩閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成 給定元件:產(chǎn)生給定信號或輸入信號。 反饋元件:測量被控制量(輸出量),產(chǎn)生反饋信號。為便于傳輸,反饋 信號通常為電信號。 比較元件:對給定信號和反饋信號進(jìn)行比較,產(chǎn)生偏差信號。 放大元件:對偏差信號進(jìn)行放大,使之有足夠的能量驅(qū)動(dòng)執(zhí)

14、行元件實(shí)現(xiàn) 控制功能。 執(zhí)行元件:直接對受控對象進(jìn)行操縱的元件;如電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等; 校正元件:用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。校正兀件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種??刂葡到y(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用, 統(tǒng)稱為控制器。實(shí)際的控制系統(tǒng)中,擾動(dòng)總是不可避免的,擾動(dòng)分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng), 但在控制系統(tǒng)中,擾動(dòng)集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上,因此,可以將控 制系統(tǒng)的擾動(dòng)等效為對控制對象的干擾。C.半閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn):反饋信號通過系統(tǒng)內(nèi)部的中間信號獲得。如何選用開環(huán)控制或閉環(huán)控制?應(yīng)當(dāng)注意以下幾個(gè)方面:當(dāng)系統(tǒng)的輸入量能預(yù)先知道,并且不存在任何擾動(dòng)時(shí),采用開環(huán)控制比較 合適。當(dāng)輸出量

15、難于測量,或者要測量輸出量在經(jīng)濟(jì)上不允許時(shí), 采用開環(huán)系統(tǒng)比 較合適。從成本、功率的角度出發(fā),為了減少系統(tǒng)所需要的成本、功率,在可能情 況下應(yīng)當(dāng)采用開環(huán)控制。將開環(huán)控制與閉環(huán)控制適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合在一起,通常比較經(jīng)濟(jì),并且能夠獲得 滿意的綜合性能。2、輸出變化規(guī)律分類(1) 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。(2) 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,使被控對象按照指令程序的要求而運(yùn)動(dòng)。如數(shù)控加工系 統(tǒng)。(3) 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

16、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)輸入信號的變化規(guī)律。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)中傳遞信號的性質(zhì)分類(1) 連續(xù)控制系統(tǒng):系統(tǒng)中各部分傳遞的信號為隨時(shí)間連續(xù)變化的信號。連 續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。(2) 離散(數(shù)字)控制系統(tǒng):系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數(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、按線性和非線性分類線性系統(tǒng):由線性元件組成,輸入輸出問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。*廠/iy05. 按元件類型:機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。6. 按系統(tǒng)功能:溫度、壓力、位置、速度7. 按輸入、輸出信號的數(shù)目:單輸入-單輸出系統(tǒng)與多輸入-多輸出系統(tǒng) 對控制系統(tǒng)的基本要求:1、穩(wěn)定性:系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定的系統(tǒng)當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)

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