機(jī)械控制工程學(xué)緒論

1、機(jī)械控制工程學(xué)緒論本課程安排教材 機(jī)械工程控制基礎(chǔ) 楊叔子等編著 本課主要內(nèi)容自動(dòng)控制的一般概念 （第一章）控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 （第二章）線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法 （第三章）線性系統(tǒng)的頻域分析法 （第四章）線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 （第五章）線性系統(tǒng)的校正方法 （第六章）1.0 控制理論應(yīng)用(Application of Control Theofy) 應(yīng)用實(shí)例1.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域自動(dòng)灌溉系統(tǒng)植物溫室溫度和濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)2、軍事、航天領(lǐng)域 火炮跟蹤系統(tǒng)我國(guó)神舟載人宇宙飛船人造衛(wèi)星雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)3、工業(yè)領(lǐng)域 產(chǎn)品加工和物流調(diào)配的自動(dòng)控制；石油化工生產(chǎn)過(guò)程、造紙、工業(yè)窯爐、軋鋼過(guò)程的自動(dòng)控制等。 寶鋼冷軋帶鋼

2、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)機(jī)械手4、商業(yè)領(lǐng)域商業(yè)設(shè)備、倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備與系統(tǒng)、物流監(jiān)控管理。自動(dòng)送貨車(chē) 5、日常生活機(jī)器狗電冰箱空調(diào)6、交通車(chē)速如何保持不變？汽車(chē)巡航定速手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的比較人工控制方式測(cè)量實(shí)際液面的高度-用眼實(shí)際液面高度與希望液面高度相比較-用腦按比較的結(jié)果，即液面高度偏差的正負(fù)去決定控制動(dòng)作-用手液位控制系統(tǒng)手動(dòng)控制靠人的觀測(cè)與操作1.0.2 應(yīng)用實(shí)例分析圖1-1水池液面控制系統(tǒng)圖1-2 液面人工控制系統(tǒng)的方框圖自動(dòng)控制人工控制中有三種職能作用：測(cè)量、比較和執(zhí)行，而在自動(dòng)控制系統(tǒng)中也必須有這三種。自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)水位與控制閥門(mén)自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷程1 、 經(jīng)典控制理論（ 4050年代形

3、成）主要研究對(duì)象：?jiǎn)屋斎雴屋敵鼍€性定常系統(tǒng)主要分析方法: 傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器 (頻域)主要數(shù)學(xué)工具：常微分方程和復(fù)變函數(shù)。自動(dòng)控制是一門(mén)年輕的學(xué)科,它在20世紀(jì)40年代末才形成。經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論、現(xiàn)代控制理論（ 6070年代形成）主要研究對(duì)象：多輸入多輸出系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)主要分析方法:狀態(tài)空間分析法，最優(yōu)控制所用數(shù)學(xué)工具：微分方程、線性代數(shù)及數(shù)值計(jì)算。3 、智能控制技術(shù)（ 90年代開(kāi)始發(fā)展） 智能控制方法在較深層次上模擬人類(lèi)大腦的思維判斷過(guò)程，通過(guò)模擬人類(lèi)思維判斷的各種算法實(shí)現(xiàn)控制。主要有模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專(zhuān)家控制等。三種理論應(yīng)用情況經(jīng)典理論：接近90現(xiàn)

4、代理論：10智能理論：以?xún)?nèi)由此可見(jiàn)，經(jīng)典控制理論是基礎(chǔ)，它非常有成效地解決單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，是解決一般工程問(wèn)題的基本方法。一、工程控制論研究的是當(dāng)系統(tǒng)與輸入已知時(shí)，求系統(tǒng)的輸出，并通過(guò)輸出來(lái)研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問(wèn)題，研究這一系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。課程研究對(duì)象與任務(wù)例1 小車(chē)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)mp2+cp+k 為方程左邊的算子，它由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定，反映了與外界無(wú)關(guān)的系統(tǒng)本身的固有特性。1為方程的右邊的算子，反映了系統(tǒng)與外界的關(guān)系。 令p=d/dt 則m-c-k系統(tǒng)f(t)y(t)二、機(jī)械工程控制的具體方法，已知系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和輸入，分析系統(tǒng)的輸出，并根據(jù)分析計(jì)

5、算結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，以期達(dá)到較理想的輸出狀態(tài)。三、本課是一門(mén)理論分析課，主要研究線性控制系統(tǒng)，所用數(shù)學(xué)工具主要是線性微分方程和Laplace變換及Foruier變換，前期的基礎(chǔ)知識(shí)主要是工程力學(xué)和電工學(xué)。1.3 反饋工作臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制命令移動(dòng)量（輸入）（輸出）絲杠工作臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制命令移動(dòng)量（輸入）（輸出）絲杠放大器工作臺(tái)無(wú)反饋控制原理圖工作臺(tái)有反饋控制原理圖例：數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)反饋:將檢測(cè)出來(lái)的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入 信號(hào)比較的過(guò)程，稱(chēng)為反饋。 內(nèi)反饋:在系統(tǒng)中存在的各種自然形成的反饋，稱(chēng)為內(nèi)反饋。外反饋:在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為達(dá)到某種控制目的而人為加 入

6、的反饋，稱(chēng)為外反饋。正反饋:反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相加，使偏差信號(hào)增大的反饋。負(fù)反饋:反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相減，使偏差信號(hào)減小的反饋。1、按反饋情況分開(kāi)環(huán)系統(tǒng)：一個(gè)系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而沒(méi)有反饋回路。、系統(tǒng)的幾種分類(lèi)系統(tǒng)分類(lèi)及基本要求開(kāi)環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用元器件少； 系統(tǒng)沒(méi)有抗擾動(dòng)功能，精度低，因而大限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。輸入裝置電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)：一個(gè)系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而存在反饋回路。閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)： 設(shè)計(jì)不合理時(shí)，將出現(xiàn)不穩(wěn)定。在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中不存在同樣的問(wèn)題。由此帶來(lái)的問(wèn)題：抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好等。電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2、 按輸出變化規(guī)律分自動(dòng)調(diào)節(jié)

7、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的系統(tǒng)。隨動(dòng)（伺服）系統(tǒng)：在外界條件作用下，系統(tǒng)的輸出能相應(yīng)于輸入在廣闊范圍內(nèi)按任意規(guī)律變化的系統(tǒng)。（高射炮跟蹤敵機(jī)系統(tǒng)） 程序控制系統(tǒng)：在外界條件作用下，系統(tǒng)的輸出按預(yù)定的程序變化的系統(tǒng)。（數(shù)控機(jī)床） 3、閉環(huán)控制系統(tǒng)組成 輸入環(huán)節(jié)：它是給出輸入信號(hào) 的環(huán)節(jié)，用于確定被控對(duì)象的“目標(biāo)值”。反饋環(huán)節(jié)：它用于測(cè)量被控變量，并將其轉(zhuǎn)換為便于傳送的另一物理量。比較環(huán)節(jié)：輸入信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào) 控制環(huán)節(jié)：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大運(yùn)算，給出控制信號(hào)。 執(zhí)行環(huán)節(jié)：接受控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn): 利用輸入信

8、號(hào)與反饋信號(hào)的偏差對(duì)系統(tǒng)的輸出進(jìn)行控制，使被控對(duì)象按一定的規(guī)律運(yùn)行。 抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好等。由此帶來(lái)的問(wèn)題： 設(shè)計(jì)不合理時(shí)，將出現(xiàn)不穩(wěn)定。在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中不存在同樣的問(wèn)題。閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程：1.測(cè)量被控制量的實(shí)際值；2.將實(shí)際值與給定值進(jìn)行比較，求出偏差的大小與方向；3.根據(jù)偏差的大小與方向進(jìn)行控制以糾正偏差。1.5 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求工程上常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)。 穩(wěn)： 指動(dòng)態(tài)過(guò)程的平穩(wěn)性。 快： 指動(dòng)態(tài)過(guò)程的快速性。 準(zhǔn)： 指動(dòng)態(tài)過(guò)程的最終精度。1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性：是控制系統(tǒng)正常工作的首要條件，且是重要條件。穩(wěn)定性是指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平

9、衡狀態(tài)的能力。系統(tǒng)在輸入作用下，期望輸出與輸入一致。曲線逐漸接近輸入，系統(tǒng)是穩(wěn)定的；反之如曲線，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。2、響應(yīng)的快速性：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)，消除這種偏差的快慢程度?？焖傩约磩?dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)短。過(guò)程時(shí)間越短，說(shuō)明系統(tǒng)快速性越好，如曲線 ；反之說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，如曲線。3、響應(yīng)的準(zhǔn)確性：在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量的偏差，稱(chēng)為靜態(tài)偏差或穩(wěn)定精度 。以上分析的穩(wěn)、快、準(zhǔn)三方面的性能指標(biāo)往往由于被控對(duì)象的具體情況不同，各系統(tǒng)要求也有所側(cè)重，而且同一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求是相互制約的。穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度高。Matlab知識(shí)體系(a)圖工作原理：出水量與進(jìn)水量一致，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，液位高度保持在給定值值。當(dāng)出水量大于進(jìn)水量，液位降低，浮子下沉，通過(guò)連桿使閥門(mén)開(kāi)大，使得進(jìn)水量增大，液位逐漸回升；當(dāng)出水量小于進(jìn)水量，液位升高，浮子上升，通過(guò)連桿使閥門(mén)關(guān)小，液位逐漸降低。若將(a)改為(b)圖，系統(tǒng)變成了