機(jī)械控制工程基礎(chǔ)教學(xué)課件

1、機(jī)械控制工程基礎(chǔ)JIXIE KONGZHI GONGCHENG JICHU 第一章 緒論1第一章 緒 論1.1 概述 11.2 基本概念 21.3 控制系統(tǒng)分類 31.4 控制系統(tǒng)的基本要求 41.5 控制系統(tǒng)的應(yīng)用 52隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，自動控制技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和國防、宇航等領(lǐng)域，并成為當(dāng)今被受重視的高技術(shù)之一。 現(xiàn)代生活之中同樣享受自動化技術(shù)。 現(xiàn)代自動化技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)是工程控制論的理論和方法，各種自動化元部件和計算機(jī)則是它的物質(zhì)基礎(chǔ)。 掌握和了解工程控制論的基本理論和方法，對各專業(yè)的科學(xué)技術(shù)人員都是十分必要的。 1.1 概 述引 言3當(dāng)前機(jī)械制造一個新

2、的發(fā)展方向，是運(yùn)用控制理論、微電子、計算機(jī)技術(shù)和機(jī)械工程等學(xué)科方面的理論和技術(shù)來提高生產(chǎn)效能、質(zhì)量并推出新產(chǎn)品。 “機(jī)械控制工程”是一門控制理論和機(jī)械工程結(jié)合的新興的技術(shù)科學(xué)，是一門邊緣學(xué)科，它是研究用控制理論的基本原理解決機(jī)械工程中的實(shí)際技術(shù)問題。 1.1 概 述研究對象和任務(wù)4 1.1 概 述研究對象和任務(wù)發(fā)動機(jī)高壓供油路噴油泵離心式飛球調(diào)速器5 1.1 概 述研究對象和任務(wù) 可見，控制工程實(shí)質(zhì)是研究工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題: 研究系統(tǒng)在外界條件作用下，從系統(tǒng)的一定初始狀態(tài)出發(fā)，所經(jīng)歷的由其內(nèi)部的固有特性所決定的整個動態(tài)歷程。 研究系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系。 本課程主要研

3、究當(dāng)系統(tǒng)已定，輸入已知時，求出系統(tǒng)的輸出，并通過輸出來研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問題，即系統(tǒng)分析。 6 1.1 概 述研究對象和任務(wù)例：水鐘（如右圖所示）7控制理論在工程技術(shù)領(lǐng)域中體現(xiàn)為工程控制論。 -工程控制論，錢學(xué)森，1954.學(xué)科背景：老“三論”（SCI論） 系統(tǒng)論 控制論 信息論 1.1 概 述工程控制論的學(xué)科背景8 系統(tǒng)論的創(chuàng)始人美籍奧地利生物學(xué)家貝塔朗菲。 系統(tǒng)論定義系統(tǒng)論要求把事物當(dāng)作一個整體或系統(tǒng)來研究，并用數(shù)字模型去描述和確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為。所謂系統(tǒng)，即由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合成的、具有特定功能的有機(jī)整體；而系統(tǒng)本身又是它所從屬的一個更大系統(tǒng)的組成部分。 1.1 概

4、述“系統(tǒng)論”簡介（1）9貝塔朗菲的系統(tǒng)論觀點(diǎn)認(rèn)為復(fù)雜事物功能遠(yuǎn)大于某組成因果鏈中各環(huán)節(jié)的簡單總和.一切生命都處于積極運(yùn)動狀態(tài),有機(jī)體作為一個系統(tǒng),保持動態(tài)穩(wěn)定是系統(tǒng)向環(huán)境充分開放，獲得物質(zhì)、信息、能量交換的結(jié)果。系統(tǒng)論三大基本特征系統(tǒng)論強(qiáng)調(diào)整體與局部、局部與局部、系統(tǒng)本身與外部環(huán)境之間互為依存、相互影響和制約的關(guān)系，具有目的性、動態(tài)性、有序性三大基本特征。系統(tǒng)論核心思想是尋找建立一定結(jié)構(gòu)形式聯(lián)結(jié)構(gòu)成的具有某種功能的有機(jī)整體。 1.1 概 述“系統(tǒng)論”簡介（2）10控制論的誕生1948年，美國數(shù)學(xué)家諾伯特.維納（Norbert Wiener） 發(fā)表了專著控制論（或關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通訊的科

5、學(xué)），標(biāo)志著控制論這一學(xué)科的誕生。 控制論的基點(diǎn)就是把控制系統(tǒng)當(dāng)作一種信息系統(tǒng)。 “控制論”簡介（1） 1.1 概 述11維納定義“控制論”是關(guān)于動物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)。普通定義控制論是研究系統(tǒng)的狀態(tài)、功能、行為方式及變動趨勢，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，揭示包括機(jī)器、生物、社會在內(nèi)的各種不同系統(tǒng)的共同的控制規(guī)律，使系統(tǒng)按預(yù)定目標(biāo)運(yùn)行的技術(shù)科學(xué)?！翱刂普摗焙喗椋?） 1.1 概 述12來源于社會實(shí)踐活動，有它產(chǎn)生的實(shí)踐和理論基礎(chǔ)人類很早就有“風(fēng)磨漏斗”、“蒸汽機(jī)的調(diào)節(jié)器”。19世紀(jì)以來，出現(xiàn)了以電信號傳遞信息為主的控制過程，如：數(shù)控機(jī)床、控制煉鋼等等。第二次世界大戰(zhàn)以前，在美國，一些不同學(xué)科的科學(xué)家

6、自發(fā)地建立組織討論會，研究各學(xué)科之間的交叉資料問題。維納參加了這樣的討論，得到了啟迪，形成了控制論的思想基礎(chǔ)?？刂萍夹g(shù)與人類進(jìn)步 控制論產(chǎn)生的基礎(chǔ) 1.1 概 述13 以維納的控制論為標(biāo)志，1948年正式形成。 三個時期：第一個時期 ：經(jīng)典控制理論時期 40年代末到50年代 單機(jī)自動化 局部自動化 單變量控制 自動調(diào)節(jié)器 伺服系統(tǒng) 第二個時期 ：現(xiàn)代控制理論時期 60年代 多變量控制 最優(yōu)控制 多種變化因素 航天系統(tǒng) 導(dǎo)彈系統(tǒng) 人造衛(wèi)星 第三個時期 ：大系統(tǒng)理論時期 70年代 規(guī)模龐大 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 變量參數(shù)多 目標(biāo)不單一 生物系統(tǒng) 社會系統(tǒng) 機(jī)器人 1.1 概 述控制論的發(fā)展及現(xiàn)狀（1）14發(fā)展

7、前景：向大系統(tǒng)理論發(fā)展: 規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、因數(shù)眾多向智能控制系統(tǒng)發(fā)展：自組織、自學(xué)習(xí)、自修復(fù)、自繁殖以理論控制論為中心的四大分支（也有不同分法）：工程控制論 （技術(shù)系統(tǒng)、工程系統(tǒng)）生物控制論 （生物系統(tǒng)）社會控制論 （社會系統(tǒng)）智能控制論 （思維系統(tǒng)） 1.1 概 述控制論的發(fā)展及現(xiàn)狀（2）15定義作為一種研究方法，就是運(yùn)用信息論觀點(diǎn)，把系統(tǒng)看作是借助于信息的獲取、加工、處理、傳遞而實(shí)現(xiàn)其目的的運(yùn)動過程。1948年申農(nóng)發(fā)表的代表作被視為信息論的奠基之作。 研究范圍主要研究一切與信息有關(guān)的概念、理論及信息傳播的各種要素與效果問題。 1.1 概 述“信息論”簡介（1）16信息要素在信

8、息論中，信息被視為客觀世界的第三大要素。它與第一大要素物質(zhì)，第二大要素能量相并列。就是說，世界由物質(zhì),能量和信息三者構(gòu)成。 1.1 概 述“信息論”簡介（2）17古典控制理論 用頻域法、時域法解決單輸入、單輸出線性定常系統(tǒng)的問題。 時域法在時間域內(nèi)解決問題 頻域法在頻率域內(nèi)解決問題現(xiàn)代控制理論 用時域法（狀態(tài)空間法）解決多輸入、多輸出的線性及非線性時變系統(tǒng)的問題及最優(yōu)控制問題。 1.1 概 述控制理論分類18課程范圍課程以反饋控制理論為核心，突出基本概念和基本方法，介紹控制系統(tǒng)建模方法，線性系統(tǒng)的時域、頻域和根軌跡的分析與設(shè)計方法，介紹基于MATLAB的控制系統(tǒng)分析、設(shè)計和仿真。課程意義控制工

9、程基礎(chǔ)講授各類控制系統(tǒng)共性的技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)知識，具有科學(xué)方法論的鮮明特點(diǎn)，研究的問題帶有普遍性，對工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義，為培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用控制原理的方法，分析和解決各種工程問題奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。 課程簡介 1.1 概 述19 1.2 基 本 概 念工程控制論研究工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)的控制規(guī)律。 圖1 離心調(diào)速器的工作原理 方框1為原動機(jī)；方框2為工作機(jī)；框5內(nèi)是由兩個對稱的搖桿滑塊機(jī)構(gòu)組成的調(diào)速器本體 20 1.2 基 本 概 念離心調(diào)速動畫21系統(tǒng) 1.2 基 本 概 念指相互作用的兩個或兩個以上的元素構(gòu)成的整體。系統(tǒng)是相互作用的多個要素的整體abcdn1.整體的性質(zhì)不是要素具備的2.要素

10、的性質(zhì)影響整體3.要素性質(zhì)之間相互影響。22 1.2 基 本 概 念系統(tǒng)任何事物都是一個整體，大至宇宙、世界、國家、復(fù)雜的工業(yè)過程，小至一個單位、人、一個器件。結(jié)構(gòu)是多個聯(lián)系的形式?？傮w來看，系統(tǒng)內(nèi)部的基本聯(lián)系可以分為兩種基本類型：一類是由“單向作用”聯(lián)系形成的簡單系統(tǒng)，一類是由“相互作用”聯(lián)系形成的復(fù)雜系統(tǒng)。A BA B單向作用相互作用23 1.2 基 本 概 念系統(tǒng)A BA B由單向作用構(gòu)成的系統(tǒng)其行為表現(xiàn)出機(jī)械性（簡單性、被動性和線性作用）。由相互作用構(gòu)成的系統(tǒng)其行為表現(xiàn)出有機(jī)性和自組織性 （復(fù)雜性、非線性作用、自動性、自調(diào)節(jié)、自復(fù)制、自創(chuàng)生）。24系統(tǒng)框圖輸入：外界對系統(tǒng)的激勵/作用，

11、包括外加控制與外加干擾。輸出：系統(tǒng)對輸入的響應(yīng)。固有特性：由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的系統(tǒng)特性，決定信息在系統(tǒng)內(nèi)部的傳遞與交互。輸入 系 統(tǒng)輸出圖2 系統(tǒng)的框圖 系統(tǒng)模型：數(shù)學(xué)模型動力學(xué)方程 1.2 基 本 概 念系統(tǒng)25 1.2 基 本 概 念控制控制：按照主體的意愿使事物向期望的目標(biāo) 發(fā)展?？刂?是一種普遍現(xiàn)象，存在與一切事物之中。一個國家有法律、行政、經(jīng)濟(jì)、輿論等手段 人有大腦自動機(jī)有內(nèi)部控制系統(tǒng)。如：離心調(diào)速器。 控制部分+受控部分=控制系統(tǒng)控制部分以某種方式給予受控部分以影響受控部分就按照影響變化自己的行為 。26 1.2 基 本 概 念 簡單的“控制”的意義和“控制論”中“控制”的概

12、念 是有區(qū)別的。 控制發(fā)展時期人類初期第一次解放（體力勞動的解放） 第二次解放（腦力勞動的解放） 系統(tǒng)人工具人機(jī)器自動化控制實(shí)現(xiàn)（系統(tǒng)之間的聯(lián)系形式）物質(zhì)能量信息27 1.2 基 本 概 念控制加熱電阻絲溫度計 調(diào)壓器220V恒溫箱人工控制系統(tǒng)28 1.2 基 本 概 念控制u2u1電熱偶加熱電阻絲給定信號電壓放大器功率放大器執(zhí)行電動機(jī)減速器調(diào)壓器u220V比較恒溫箱自動控制系統(tǒng)29 1.2 基 本 概 念控制輸入信號：電流 i(t) （時間的函數(shù)） 輸出信號：爐溫 T被控對象：爐子檢測元件：熱電偶執(zhí)行元件：電機(jī)齒輪裝置比較環(huán)節(jié)：由電路實(shí)現(xiàn)（熱電偶-可將溫度信號變?yōu)殡娦盘?，由些金屬冷端和熱端?/p>

13、間有壓差，不同的金屬壓差不同）控制過程：檢測 比較 調(diào)整 （熱電偶） （電路）（電機(jī)齒輪、調(diào)壓器）30 1.2 基 本 概 念控制不管是人工控制還是自動控制，控制具有以下三個步驟：檢測被控制量，將所測得的被控制量與給定值比較，得出偏差，用偏差產(chǎn)生的調(diào)節(jié)作用來消除偏差?！皺z測偏差，消除偏差”，前四個字是手段，后四個字是目的。這一過程周而復(fù)始。31 1.2 基 本 概 念信息什么是信息？唐朝李中碧云集中，有“夢斷美人沉信息，日穿長路倚樓臺”之句。其中“信息”可理解為“消息”。哲學(xué)家：信息是人類認(rèn)識論的基礎(chǔ)，是物質(zhì)的基本屬性之一。物理學(xué)家：信息是負(fù)熵?？刂普搶W(xué)者：信息是系統(tǒng)之間普遍聯(lián)系的一種普遍的特

14、殊形式。借助信息，可以了解和改變系統(tǒng)的狀態(tài)。信息并非事物本身，而是表征事物，并由事物發(fā)出的消息、情報、指令、數(shù)據(jù)和信號中所包含的內(nèi)容。32 1.2 基 本 概 念信息的流通、交換 （控制論的三大要素之二）信息在控制中的作用 要使控制行為得以實(shí)現(xiàn)，就要求控制部分以某種方式給予受控部分以影響，受控部分就按照影響變化自己的行為，這種聯(lián)系和影響是什么？如：電、力、風(fēng)、生物電脈沖等。共同點(diǎn)：控制內(nèi)容的消息-信息，正是控制部分和受控部分之間發(fā)生了這種信息的聯(lián)系、信息的運(yùn)動，控制過程才得以實(shí)現(xiàn)?？刂七^程就是系統(tǒng)中信息運(yùn)動的過程。控制的過程就是借助不同形式、不同載體的信息運(yùn)動去指揮各種物質(zhì)運(yùn)動和能量轉(zhuǎn)換。 3

15、3 1.2 基 本 概 念控制機(jī)工作，實(shí)際上就是以某種方式向機(jī)器發(fā)出信號，機(jī)器接受信息的地方叫輸入端。機(jī)器接受到控制信息產(chǎn)生一系列動作，去完成指定工作，產(chǎn)生這些運(yùn)動的地方叫執(zhí)行機(jī)構(gòu)或控制機(jī)構(gòu)。機(jī)器完成了指定的工作，產(chǎn)生出工作效果的地方叫輸出端。如：信息的流通、交換（控制論的三大要素之二）開汽車用手取物方向盤手臂神經(jīng)輸入端轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu) 手臂、肌肉、大腦執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制機(jī)構(gòu)）車輪手指輸出端力生物電信息34 1.2 基 本 概 念反饋控制理論中稱信息的雙向運(yùn)動為“反饋聯(lián)系”。聯(lián)系的實(shí)質(zhì)是信息的傳輸與交換。“反饋”是指：控制系統(tǒng)把信息傳輸出去后，又將信息的作用返回到控制系統(tǒng)，并對控制系統(tǒng)的再輸出產(chǎn)生影響。如

16、：司機(jī)開汽車，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，電冰箱的自動調(diào)節(jié)35 1.2 基 本 概 念電冰箱實(shí)例工作系統(tǒng) 輸入(電源)信息反饋 輸出(降溫)+-18C36 1.2 基 本 概 念反饋的兩種方式正反饋凡是后輸出的信息與原輸出的信息起著相同的作用，使總的輸出增大的反饋調(diào)節(jié)。負(fù)反饋凡是后輸出的信息與原輸出的信息起著相反的作用，使總的輸出減小的反饋調(diào)節(jié)。37 1.2 基 本 概 念正反饋與負(fù)反饋的結(jié)構(gòu)正反饋基本結(jié)構(gòu)負(fù)反饋基本結(jié)構(gòu)38 1.2 基 本 概 念正反饋是一種自推動性循環(huán)口碑良好顧客滿意銷售企業(yè)士氣正反饋機(jī)制能夠自主地推動系統(tǒng)加速度地離開原初狀態(tài)，自動地走向新的狀態(tài)，其速度是出人意料的。39 1.2 基

17、本 概 念敵軍首級自由土地40 1.2 基 本 概 念負(fù)反饋是一種自穩(wěn)定性循環(huán)高低調(diào)控系統(tǒng)偏差初態(tài)自動恢復(fù)初態(tài)負(fù)反饋機(jī)制能夠抗拒干擾，減弱偏差，使系統(tǒng)自動恢復(fù)原初狀態(tài)，表現(xiàn)出有目的的行為。溫度差距出汗打戰(zhàn)期望溫度41 1.2 基 本 概 念 控制的反饋機(jī)制（控制論的三大要素之三）反饋是如何調(diào)節(jié)控制行為的呢？反饋調(diào)節(jié)完全可以看成是一種原因與結(jié)果不斷相互作用的關(guān)系。反饋的兩種作用方式是控制論中要研究的主要問題。信息在這種循環(huán)往返的過程中，不斷改變內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)控制，這就是控制論所揭示的反饋機(jī)制。42 1.2 基 本 概 念系統(tǒng)的延滯、波動與控制決策實(shí)際問題調(diào)整行動波動:波動因子水波、股市波動、經(jīng)濟(jì)漲落

18、、初學(xué)汽車“畫龍” 系統(tǒng)波動的原因是一個有延滯的負(fù)反饋43 1.2 基 本 概 念學(xué)習(xí)駕駛偏差右調(diào)整右左左延滯44反饋控制和反饋控制系統(tǒng)反饋控制 基于反饋基礎(chǔ)上的“檢測偏差、糾正偏差”的控制原理。反饋控制系統(tǒng)利用反饋原理組成的系統(tǒng)，也稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 1.2 基 本 概 念45 1.3 自動控制系統(tǒng)及控制方式自動控制系統(tǒng)自動控制自動控制指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象（如：機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的某一物理量（或工作狀態(tài)）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行（或變化）。自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)是指能夠?qū)Ρ豢刂茖ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行自動控制的系統(tǒng)。46自動控制系統(tǒng)的組成基本組成被控對象：要求實(shí)

19、現(xiàn)自動控制的機(jī)器、設(shè)備和生產(chǎn)過程控制裝置：對被控對象起控制作用的設(shè)備的總體。 圖1.3 反饋控制系統(tǒng)組成 1.3 自動控制系統(tǒng)及控制方式47 1.3 自動控制系統(tǒng)及控制方式自動控制系統(tǒng)的基本控制方式兩種：開環(huán)控制、閉環(huán)控制開環(huán)控制是指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。特點(diǎn)：信號流動的單向性、無反饋。開環(huán)系統(tǒng)是指具有開環(huán)控制方式的控制系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制發(fā)生作用。輸入信號 控制裝置 被控對象輸出信號 圖1.4 開環(huán)系統(tǒng)48 1.3 自動控制系統(tǒng)及控制方式開環(huán)控制實(shí)例例1：電加熱爐 輸入信號：電流i(t) 被控對象：爐子控制裝置：開關(guān)k，電阻絲 輸出信號：爐溫

20、T 圖1.5 電加熱爐49 1.3 自動控制系統(tǒng)及控制方式自動控制系統(tǒng)的基本控制方式閉環(huán)控制閉環(huán)控制是指控制裝置與被控對象之間既有順向作用，又有反向聯(lián)系的控制。特點(diǎn)：信號流動的雙向性、有反饋。閉環(huán)系統(tǒng)是指具有閉環(huán)控制方式的控制系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制發(fā)生作用，它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而又準(zhǔn)確的控制。輸入信號輸出信號 檢測裝置 控制裝置 被控對象 圖1.6 閉環(huán)系統(tǒng)50 1.3 自動控制系統(tǒng)及控制方式自動控制系統(tǒng)的分類常用的分類：按時間概念分 定常系統(tǒng) 時變系統(tǒng)按信號的性質(zhì)分 連續(xù)系統(tǒng) 離散系統(tǒng)按數(shù)學(xué)模型分 線性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng)按控制方式分 開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)按輸入輸出信號的數(shù)量分 單輸入單輸出系統(tǒng) 多輸入系多輸出系統(tǒng)按系統(tǒng)功用分類 溫度控制系統(tǒng) 位置控制統(tǒng)按系統(tǒng)參數(shù)分布特征分 集中參數(shù)系統(tǒng) 分布參數(shù)統(tǒng)按元件類型分類 機(jī)電系統(tǒng) 氣動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng) 生物系統(tǒng)51 1.3 自動控制系統(tǒng)及控制方式自動控制系統(tǒng)注意事項(xiàng)在工程控制系統(tǒng)中以下幾點(diǎn)要注意：嚴(yán)格地講，任何的實(shí)際系統(tǒng)都是非線性的，只是形式不同、程度不同。非線性系統(tǒng)分為：本質(zhì)非線性 不能線性化處理，用特殊的研究方法非本質(zhì)非線性 線性化處理后，用線性系統(tǒng)的理論研究嚴(yán)格地講，任何實(shí)際系統(tǒng)都是時變的，系統(tǒng)的參數(shù)總會隨時間的變化。 嚴(yán)格地講，任何實(shí)際系統(tǒng)都存在隨機(jī)性。一般地，為了全面的反映自動控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，常常將上述各類分類