機械工程控制基礎課件-第一章

1、學時：學時：4040教師：譚心、鐘金豹、張文興、邢靜宜教師：譚心、鐘金豹、張文興、邢靜宜學院：機械工程學院學院：機械工程學院重要性：重要性： 為“機械設計制造及其自動化”專業(yè)必修課，是機械工程類專業(yè)，特別是機電工程類專業(yè)的重要理論基礎之一。 “方法論”：系統(tǒng)、動態(tài)、本身特性（內因）、外界輸入干擾（外因）。應用：應用： 數(shù)控機床：按預先排定的工藝程序幾何形狀 火炮自動瞄準：跟蹤雷達、指揮儀目標 人造地球衛(wèi)星：按預定軌道發(fā)射，并準確回收重要性及其應用重要性及其應用前期知識：前期知識：（復變函數(shù)、積分變換等）良好的數(shù)學、力學、（復變函數(shù)、積分變換等）良好的數(shù)學、力學、電學基礎，一定的機械工程方面的專

2、業(yè)知識。電學基礎，一定的機械工程方面的專業(yè)知識。目標：目標：用控制論解決機械工程問題用控制論解決機械工程問題如：機床工作臺低速運動出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，驅動工作臺移動的 物理模型？求解：輸入與輸出的關系數(shù)學模型： 科研：定性定性 定量定量 分析分析 規(guī)律規(guī)律000imxk xxcx性質：性質：側重原理，內容切合工程實際，是一門專業(yè)基礎課。 以控制論為理論基礎，研究機械工程中廣義系統(tǒng)的動 力學問題；同時，也是一種“方法論”。任務及目的：任務及目的：使學生能以動力學的觀點而不是靜態(tài)觀點去看待一個機械工程系統(tǒng)；從整個系統(tǒng)中的信息傳遞、轉換、反饋等角度來分析系統(tǒng)的動態(tài)行為；能結合工程實際，應用經典控制論的基本

3、概念和基本方法來分析、研究和解決其中的問題。課程的性質、任務及目的課程的性質、任務及目的主要的兩個問題：主要的兩個問題： 對機電系統(tǒng)中存在的問題能用控制論的觀點和思維方法進行科學分析，以找出問題的本質和有效的解決方法。 如何控制一個機電系統(tǒng)，使之按規(guī)定的規(guī)律運動，以達到預定的技術經濟指標，為實現(xiàn)最佳控制打下基礎。 1.對建立機電系統(tǒng)的數(shù)學模型，Laplace應用，傳函及框圖的求取、簡化，運算等，應概念清楚，熟練掌握。 2.對經典系統(tǒng)的時域和頻域特性，應用清楚的基本概念并能熟練掌握。 3.掌握判別線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念和常用判據。課程的課程的基本要求基本要求4040學時：學時： 第一章第一章

4、緒論緒論 2 2 第二章第二章 系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)的數(shù)學模型 1010 第三章第三章 時間響應與誤差分析時間響應與誤差分析 1010 第四章第四章 系統(tǒng)的頻率特性分析系統(tǒng)的頻率特性分析 1010 第五章第五章 系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性 8 8 考核方式：閉卷考試考核方式：閉卷考試 考試成績考試成績80%+80%+平時成績平時成績20%20%教學內容與學時分配教學內容與學時分配第一章第一章 緒論緒論教學內容：教學內容： 一一. .機械工程控制基礎的基本概念，研究對象和任務，機械工程控制基礎的基本概念，研究對象和任務， 學習本課程的目的和意義；學習本課程的目的和意義； 二二. .關于關于“系統(tǒng)系統(tǒng)

5、”、“信息傳遞信息傳遞”和反饋及和反饋及“反饋控反饋控 制制”的基本概念；的基本概念； 三三. .系統(tǒng)及其模型，控制系統(tǒng)的分類，反饋控制系統(tǒng)系統(tǒng)及其模型，控制系統(tǒng)的分類，反饋控制系統(tǒng) 的基本組成，對控制系統(tǒng)的基本要求，本課程的特點。的基本組成，對控制系統(tǒng)的基本要求，本課程的特點。自動控制：自動控制：在沒人直接參與的情況下，利用控制裝置自動地操縱機器設備或生產過程，使其具有希望的狀態(tài)或功能。自動控制系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)：能夠實現(xiàn)自動控制任務的系統(tǒng)。例如：電爐爐溫自動控制系統(tǒng) （比較人工控制）一一. .控制系統(tǒng)工作原理及組成控制系統(tǒng)工作原理及組成1.人工控制的恒溫箱測量：溫度計被控對象：恒溫箱被控量

6、：溫度控制器：調壓器，改變加熱電阻絲的電流觀察的溫度與要求的溫度進行比較偏差，當?shù)陀谒蟮腡時，向右移動觸頭，I 、T 。反之，左移。舉例舉例- -恒溫箱恒溫箱2.自動控制的恒溫箱舉例舉例- -恒溫箱恒溫箱 溫度計 熱電偶，增加了電氣、電機、減速器等。 熱電偶測出的電壓信號 ，與箱內溫度成正比例。 ，經電壓及功率放大后，來控制電機的旋轉速度及方向，又經傳動機構減速器使調壓器的觸頭移動，使I 或 ，直至T到達給定值。 ,電機停轉，完成任務。2V12VVV0V恒溫箱自動控制系統(tǒng)方框圖：將以上兩個系統(tǒng)對比： 人工 自控（1）測量 溫度計 眼睛 熱電偶（2）比較 頭腦 自動控制器（3）執(zhí)行 手 電機

7、等 2V人工控制人工控制自動控制自動控制例例. .控制實例控制實例- -液面控制液面控制測量測量比較比較執(zhí)行執(zhí)行A.A.自動控制系統(tǒng)的分類：自動控制系統(tǒng)的分類：（一）按有無反饋，可分為：1.1.開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 輸入、輸出間不存在反饋，輸出量對系統(tǒng)的控制作用無影響，精度取決于系統(tǒng)各部分的標準精度以及工作中元件和參數(shù)的穩(wěn)定程度。特點：特點：若不存在內外干擾，且元件參數(shù)穩(wěn)定，系統(tǒng)簡單，可保證足夠精度。如：導彈發(fā)射架控制系統(tǒng)二二. .自動控制系統(tǒng)的幾種分類及基本要求自動控制系統(tǒng)的幾種分類及基本要求2.2.閉環(huán)控制系統(tǒng)：閉環(huán)控制系統(tǒng)： 輸入、輸出間有反饋回路，輸出量對控制作用有直接影響。 產生

8、控制的關鍵 偏差?！皺z測偏差，用以消除之”導彈發(fā)射架控制系統(tǒng)3.3.閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較：閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較：穩(wěn)定性：開環(huán)（好）；閉環(huán)：參數(shù)若不當 振蕩 不穩(wěn)定 失控 開環(huán) 閉環(huán) 精度 成本 結構 簡單 復雜 穩(wěn)定性 若要求復雜且準確度 的控制任務，可將開、閉環(huán)控制結合一起應用 經濟、性能 的控制系統(tǒng)。 （二）按系統(tǒng)功能（輸出變化規(guī)律）可分為：（二）按系統(tǒng)功能（輸出變化規(guī)律）可分為：1.1.自動調節(jié)系統(tǒng)（恒值控制系統(tǒng)）自動調節(jié)系統(tǒng)（恒值控制系統(tǒng)）閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)在外界干擾作用下，系統(tǒng)的輸出仍能基本保持為常量。如：恒溫調節(jié)系統(tǒng)、電熱水器、穩(wěn)壓電源。2.2.隨動系統(tǒng)（伺服跟蹤系統(tǒng)）隨動系統(tǒng)（

9、伺服跟蹤系統(tǒng)）無章可循無章可循 系統(tǒng)的輸入量隨時間任意變化，輸出以要求的精度及時平穩(wěn)地復現(xiàn)輸入量。如：炮瞄雷達系統(tǒng)、液壓仿形刀架（配鑰匙）（飛機的位置輸入，高射炮的指向輸出，高射炮的指向隨飛機位置的變動而變動）3.3.程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)有章可循有章可循系統(tǒng)的輸出按規(guī)定程序變化的系統(tǒng)。如：數(shù)控機床進給系統(tǒng)。（三）按系統(tǒng)性能可分為：（三）按系統(tǒng)性能可分為：1.1.線性與非線性系統(tǒng)：線性與非線性系統(tǒng)： 線性定常 線性微分方程，系數(shù)為常數(shù)，滿足迭加原理。 非線性 不滿足迭加原理，線性化處理（Computer應用） 時變系統(tǒng) 例如：宇宙飛船控制系統(tǒng)2.2.連續(xù)與離散系統(tǒng)連續(xù)與離散系統(tǒng)Compute

10、r控制的系統(tǒng)離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)B.B.對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求: :穩(wěn):穩(wěn)定性; 快:快速性; 準:準確性（穩(wěn)態(tài)精度）典型二階系統(tǒng)階躍響應曲線穩(wěn)、快、準穩(wěn)、快、準1.穩(wěn)定性 動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復平衡狀態(tài)的能力。由于慣性，各參數(shù)配合不當 振蕩 失去工作能力。要求：輸出量偏離給定輸入量的初始值應隨時間增長漸趨于0。2.快速性 消除偏差過程的快慢程度。 指被控量達到穩(wěn)態(tài)值的95%（或98%）所需的時間。 表現(xiàn)響應速度輸入信號加入后，輸出量跟隨輸入量變化的迅速程度,主要取決于系統(tǒng)的慣量及阻力作用的強弱等。:st3.準確性 穩(wěn)態(tài)誤差（精度）：調整結束后， 要求：輸出

11、量盡量接近或復現(xiàn)輸入量，從一個穩(wěn)態(tài) 另一個穩(wěn)態(tài).對同一個系統(tǒng)，輸入信號變化規(guī)律不同，穩(wěn)態(tài)精度也不同。 CtCt期望實際差典型反饋控制系統(tǒng)一般組成三三. .反饋（反饋（feedbackfeedback）注：校正元件：參數(shù)或結構便于調整的元件，用于改善系統(tǒng)性能。主反饋一定是負反饋。局部反饋：主要是為對系統(tǒng)進行校正，補償或線性化而加入的。1.給定環(huán)節(jié)：給出輸入信號的環(huán)節(jié) 確定被控對象的“目標值”可用各種形式發(fā)出信號：如電量、數(shù)字量、模擬量等。2.測量環(huán)節(jié)： 用于測量被控變量，并將被控變量轉換為便于傳送的另一物理量（如：電量） 如用電位計將機械轉角 電壓信號，用測速電機將轉速 電壓信號，位移傳感器，熱

12、敏感元件等。3.比較環(huán)節(jié)： 輸入信號 與測量環(huán)節(jié)發(fā)來的 的反饋量 比較，得到的小功率偏差信號:偏差信號是比較環(huán)節(jié)的輸出。 如：幅值比較、相位比較、位移比較等。ibxxbxix0 x4.放大及運算環(huán)節(jié)： 為了實現(xiàn)控制，要將偏差信號作必要的校正，然后進行功率放大，以推動執(zhí)行環(huán)節(jié)。如：電流放大、電氣液壓放大等。5.執(zhí)行環(huán)節(jié)： 接受放大環(huán)節(jié)送來的控制信號，驅動被控對象按規(guī)定預期的規(guī)律運行，執(zhí)行環(huán)節(jié)一般是一個有源的功率放大裝置，工作中要進行能量轉換。 如：把電能通過直流電機轉換成機械能，驅動被控對象作機械運動，工作臺驅動裝置、調溫裝置等。 閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋的作用：“檢測偏差，用以糾正偏差” 力圖減少反

13、饋信息與輸入信息間的偏差，以期盡可能獲得希望的輸出（因為只要偏差存在，系統(tǒng)的輸出就要受到偏差的校正，偏差 ，校正作用 ；偏差 ，矯正作用 ， 直至趨向最小。） 工程控制論研究的是工程技術中的廣義系統(tǒng)在一定的外界條件（輸入或激勵：外加控制干擾）作用下，從系統(tǒng)的一定的初始出發(fā)，所經歷的由內部的固有特性（由系統(tǒng)的結構與參數(shù)決定的特性）所決定的整個動態(tài)歷程：四四. .機械控制工程的研究對象機械控制工程的研究對象經典控制理論：20世紀50年代前 復（頻）域 傳遞函數(shù) 單輸入單輸出 線性定常，穩(wěn)、快、準現(xiàn)代控制理論：20世紀50年代末 時域 狀態(tài)空間表達式（計算機技術成熟）多輸入多輸出 復雜、時變、最優(yōu)控

14、制 大系統(tǒng)理論： 20世紀70年代 規(guī)模龐大、結構復雜智能控制發(fā)展階段 近代 模型不確定性，高度非線性五五. .控制理論發(fā)展的簡單回顧控制理論發(fā)展的簡單回顧控制理論經典控制理論經典控制理論 控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎的自動調節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設計和制造飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進一步促進和完善了自動控制理論的發(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 。1895年，數(shù)學家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據，即Rou

15、th和Hurwitz判據。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應理論 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典控制理論。經典控制理論的基本特征經典控制理論的基本特征（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系，而忽視系統(tǒng)的內部狀態(tài)，是一種對系統(tǒng)的外部描述方法。 應該指出的是，反饋控制是一種最基本最重要的控制方式，引入反饋信號后，系統(tǒng)對來自內部和外部干

16、擾的響應變得十分遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。與此同時，反饋作用又帶來了系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，正是這個曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題激發(fā)了人們對反饋控制系統(tǒng)進行深入研究的熱情，推動了自動控制理論的發(fā)展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術的產生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來的。現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 由于經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)的內部狀態(tài)。因而在實際應用中有很大局限性。 隨著航天事業(yè)和計算機的發(fā)展，20世紀60年代初，在經典控制理論的基礎上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。 19

17、54年貝爾曼（R.Belman)提出動態(tài)規(guī)劃理論 1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）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)學工具、理論基礎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。大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論 20世紀70年代開始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法 以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應控制理

18、論和方法 以系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計為基礎，在實時辨識基礎上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法 在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎上，設計不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學模型的不確定性。 隨著控制理論應用范圍的擴大，從個別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個相互關聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領域推廣到包括經濟管理、生物工程、能源、運輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會科學領域。 大系統(tǒng)理論是過程控制與信息處理相結合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結構復雜、功能綜合、目標多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開創(chuàng)性階段。 智能控制智能控制 是近年

19、來新發(fā)展起來的一種控制技術，是人工智能在控制上的應用。智能控制的概念和原理主要是針對被控對象、環(huán)境、控制目標或任務的復雜性提出來的，它的指導思想是依據人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復雜的控制問題。被控對象的復雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動態(tài)突變，多時間標度，復雜的信息模式，龐大的數(shù)據量，以及嚴格的特性指標等。智能控制是驅動智能機器自主地實現(xiàn)其目標的過程，對自主機器人的控制就是典型的例子而環(huán)境的復雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識。 智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。一般認為，其方法包括學習控制、模糊控制、神經元網絡控制、和

20、專家控制等方法。 myfcykymycykyf 2mscsk Y SF S高階微分方程經典：圖力學模型： 21Y SG SF SmscskY Sy t 實際問題：圖組合機床動力滑臺銑平面時的情況，當切削力 變化時，滑臺可能產生振動，從而降低被加工工件的切削表面質量，為了分析這個系統(tǒng)，首先將動力滑臺連同銑刀抽象圖力學模型。 ift圖圖現(xiàn)代：令12,yy yy 12212yykcfyyymmm 11220101yyfkcyymmm本課程主要講解經典控制理論的其中兩個方面（五方面P4頁）1.控制系統(tǒng)分析：系統(tǒng)已定，輸入已知 系統(tǒng)的輸出 研究系統(tǒng)本身的有關問題 對已知系統(tǒng)及靜、動態(tài)性能（穩(wěn)、快、準）進

21、行分析，看是否滿足要求，提出改進措施。2.系統(tǒng)辨識：輸入、輸出已知，工程中只能用實驗方法獲得。系統(tǒng)的輸入、輸出 建模 研究專業(yè)技術工程實踐 六六. .學習方法學習方法結合物理概念的明晰與數(shù)學結論的準確性“方法論”。不必追求數(shù)學論證上的嚴密性七七. .生活中的幾個實例生活中的幾個實例分析方法：將控制系統(tǒng)簡化成數(shù)學模型分析方法：將控制系統(tǒng)簡化成數(shù)學模型放大器放大器電動機電動機門門u u2 2u u1 1反饋反饋開開關關絞盤絞盤1.1.大門自動控制系統(tǒng)大門自動控制系統(tǒng)開、關開、關門位置門位置電位器電位器放大器放大器電動機電動機絞盤絞盤大門大門實際實際位置位置分析： 當合上開門開關時， u1u2，電位

22、器橋式測量電路產生偏差電壓，經放大器放大后，驅動電機帶動絞盤轉動，使大門向上提起。與此同時，與大門連在一起的電位器滑動觸頭上移，直至橋路達到平衡（ u1u2），電機停止轉動，大門開啟。反之，合上關門開關時，電機反向轉動，帶動絞盤使大門關閉；節(jié)流閥節(jié)流閥節(jié)流閥節(jié)流閥H H( (t t) )放大器放大器+E+E+E+E. .電動機電動機減速器減速器給定給定液位液位杠桿杠桿電位器電位器放大器放大器電動機電動機減速器減速器閥門閥門水箱水箱實際實際液位液位浮子浮子2.2.液位自動控制系統(tǒng)液位自動控制系統(tǒng)分析： 1、電位器滑動觸點位于中間位置，電動機停轉，閥門保持原有開度，水箱中流入水量與流出水量相等，液面保持在希望的高度。 2、若系統(tǒng)受到擾動使液面升高，則浮子相應升高，通過杠桿作用使電位器滑動觸點下移，給電動機提供一定的控制電壓，驅動電動機通過減速器減小閥門開度，使輸入流量減小，液位下降，直到電位器滑動觸點回到中間位置，液面恢復給定高度； 3、若系統(tǒng)受到擾動使液面下降，則系統(tǒng)會自動加大閥門開度，使輸入流量增加，液面恢復到給定高度。3.3.電熱水器控制系統(tǒng)電