機械工程控制基礎(chp.1)

機械工程控制基礎課程簡介

課程性質：機械類的一門技術基礎課。先修課程：復變函數、機械動力學、交流電路理論等

后續(xù)課程：為專業(yè)基礎和專業(yè)課打下一定基礎。如：機械工程測試技術、機電傳動控制、數控機床等。

課程目的：本課程是數理基礎課與專業(yè)課程之間的橋梁。通過本課程學習，使學生逐步學會運用“系統(tǒng)”、“動態(tài)”的觀點，運用控制理論的方法，解決機械工程中的實際問題。

Chp.1緒論基本要求（1）了解機械工程控制論的基本含義和研究對象,學習本課程的目的和任務；掌握廣義系統(tǒng)動力學方程的含義。（2）了解系統(tǒng)、廣義系統(tǒng)的概念，了解系統(tǒng)的基本特性；了解系統(tǒng)動態(tài)模型和靜態(tài)模型之間的關系。（3）掌握反饋的含義，學會分析動態(tài)系統(tǒng)內信息流動的過程，掌握系統(tǒng)或過程中存在的反饋。（4）了解廣義系統(tǒng)的幾種分類方法；掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理、組成；學會繪制控制系統(tǒng)的方框圖。（5）了解控制系統(tǒng)中基本名詞和基本變量。（6）了解正反饋、負反饋、內反饋、外反饋的概念。（7）了解對控制系統(tǒng)的基本要求。重點與難點本章重點（1）學會用系統(tǒng)論、信息論的觀點分析廣義系統(tǒng)的動態(tài)特性、信息流，理解信息反饋的含義及其作用。（2）掌握控制系統(tǒng)的基本概念、基本變量、基本組成和工作原理；繪制控制系統(tǒng)方框圖。本章難點廣義系統(tǒng)的信息反饋及控制系統(tǒng)方框圖的繪制。二、控制系統(tǒng)的發(fā)展

控制論+工程技術→工程控制論控制論+機械工程→機械工程控制

1、控制系統(tǒng)發(fā)展自動控制成為一門科學是從1945發(fā)展起來的。開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動控制后來進入軍事領域：飛機自動駕駛、火炮自動跟蹤、導彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動控制目前滲透到更多領域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管理等

自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學。既是一門古老的、已臻成熟的學科，又是一門正在發(fā)展的、具有強大生命力的新興學科。從1868年馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據至今一百多年里，自動控制理論的發(fā)展可分為四個主要階段：第一階段：經典控制理論（或古典控制理論）的產生、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

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。1954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

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矩陣為數學模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應控制理論和方法以系統(tǒng)辨識和參數估計為基礎，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

是近年來新發(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、和專家控制等方法。

2、控制的定義:

控制:對對象施加某種操作，使其產生所期望的行為。例.[鋼鐵軋制]:軋出厚度一致的高精度鐵板

自動控制:在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（通稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。存在溫度控制,生鐵成分控制,厚度控制,張力控制,等等。控制無處不在工業(yè)控制國防應用家用電器消費類產品控制技術應用控制技術

應用舉例(1)工業(yè)控制電機控制機床控制生產過程自動化控制機器人控制......控制技術的應用CR-01型6000米水下無纜機器人1995年8月我國沈陽自動化所機器人中心研制的CR-01型6000米水下無纜機器人（上）和正在下水的情況（右）船用火力發(fā)電綜合控制系統(tǒng)

家用電器冰箱、洗衣機家庭影院微波爐......控制技術

應用舉例(2)消費類產品WalkManU盤、MP3手機應用產品......控制技術

應用舉例(3)32、64等合弦音MCU芯片智能樓宇的控制控制技術

應用舉例(4)可視對講、室內報警、遠程家電控制…….樓宇電梯的控制信號檢測供電系統(tǒng)電機(執(zhí)行機構)可編程序控制器ProgrammableLogicController電機控制器汽車電子汽車電子電源發(fā)動機控制行駛裝置報警與安全裝置旅居性儀表娛樂通訊收音機、汽車電話、業(yè)余電臺點火裝置、燃油噴射控制、發(fā)動機電子控制車速控制、間歇刮水、除霧裝置、車門緊鎖….安全帶、車燈未關報警、速度報警、安全氣囊….空調控制、動力窗控制里程表、數字式速度表、出租車用儀表….控制技術

應用舉例(5)例.典型控制系統(tǒng)：數控機床、機車、船舶及飛機自動駕駛、導彈制導等。例.控制實例-液面控制人工控制自動控制3、控制論:

定義：關于控制原理和控制方法的學科，研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律?？刂迫兀罕豢貙ο?、控制目標、控制裝置控制論強調：1)所研究的對象是一個系統(tǒng)；2)系統(tǒng)在不斷地運動（經歷動態(tài)歷程、包括內部狀態(tài)和外部行為）；3)產生運動的條件是外因（外界的作用：輸入、干擾）4)產生運動的根據是內因（系統(tǒng)的固有特性）控制論與其它學科結合，形成眾多的分支學科?？刂普摻洕鷮W社會學生物學工程技術經濟控制論社會控制論生物控制論工程控制論機械工程機械工程控制論共同的本質特點：通過信息的傳遞、處理與反饋進行控制。研究對象：研究廣義系統(tǒng)在一定外界條件下，從系統(tǒng)初始條件出發(fā)的整個動態(tài)過程，以及在這個歷程中和歷程結束后所表現(xiàn)出來的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。（1）

廣義系統(tǒng):

(a)可大可小，可繁可簡，可虛可實。（b）一般可建立數學模型：微分方程、傳遞函數、頻率響應函數等（c）系統(tǒng)具有固有特性，由結構和參數決定（2）外界條件：指對系統(tǒng)的輸入（激勵）包括人為激勵、控制輸入、干擾輸入等4、控制論研究對象與任務分析系統(tǒng)，就是分析x(t)、h(t)、y(t)三者關系（動態(tài)歷程）（3）初始條件：系統(tǒng)在x(0-)時的狀態(tài)。x(0-）視為一種特殊的輸入。（4）動態(tài)歷程：即系統(tǒng)的輸出y(t)隨t而變化的過程，或系統(tǒng)從一種穩(wěn)態(tài)到另一穩(wěn)態(tài)之間所經歷的過程。

動態(tài)特性：系統(tǒng)在過渡過程中，輸出響應的快速性和穩(wěn)定性

靜態(tài)特性：過渡過程結束后，系統(tǒng)工作的準確性（穩(wěn)態(tài)誤差）穩(wěn)定性、快速性、準確性是系統(tǒng)設計的三大指標要求。（5）系統(tǒng)研究類型：（a）h(t)已定，x(t)已知，求出y(t)，通過y(t)研究系統(tǒng)本身問題→系統(tǒng)分析

（b)h(t)已定，確定x(t)，使y(t)符合給定最佳要求→最優(yōu)控制（c）x(t)已知，確定h(t)，使y(t)符合給定最佳要求→最優(yōu)設計（d）x(t)已知，確定h(t)，以識別x(t)的有關信息→預測（e）x(t)、y(t)已知，確定h(t)的結構與參數（即建立數學模型）→系統(tǒng)識別或辯識

（6）系統(tǒng)數學模型例1，F(xiàn)ig.1.1.1質量m—阻尼c—彈簧k單自由度系統(tǒng)輸入：作用在m上的外力，輸出：質量塊m上的位移初始狀態(tài)：初始位置y(0)=y0，初始速度：即：（mp2+cp+k)y(t)=f(t)例2，F(xiàn)ig.1.1.2輸入：支座位移x(t)，輸出：質量塊位移y(t)支座位移通過彈簧和阻尼影響質量位移，即輸入（cp+k)x(t)

動力學方程：(mp2+cp+k)y(t)=（cp+k)x(t)左端算子:(mp2+cp+k)由系統(tǒng)本身結構與參數決定，固有特性，與外界無關。右端算子:（cp+k)反映系統(tǒng)與外界關系，與輸入有關。對一般線性系統(tǒng)，可建立微分方程：(anpn+an-1pn-1+…+a1p1+a0)y(t)=(bmpm+bm-1pm1+…+b1p1+b0)x(t)y(0)=y0y′(0)=y0′…yn-1(0)=y0(n-1)

三、反饋控制論的中心思想就是“反饋控制”1、定義：將系統(tǒng)輸出全部或部分返回到輸入端。2、從微分方程中體現(xiàn)反饋

3、反饋控制系統(tǒng)實例熱力系統(tǒng)的自動反饋控制4、說明（1）人為增加，（2）外反饋與內反饋（3）正反饋與負反饋（4）都引起信息傳輸與交換(2)內反饋與外反饋外反饋：在自動控制系統(tǒng)中，為達到某種控制目的而人為加入的反饋，稱為外反饋。

內反饋：在系統(tǒng)或過程中存在的各種自然形成的反饋，稱為內反饋。它是系統(tǒng)內部各個元素之間相互耦合的結果。內反饋是造成機械系統(tǒng)存在一定的動態(tài)特性的根本原因，紛繁復雜的內反饋的存在使得機械系統(tǒng)變得異常復雜。例：m-c-k系統(tǒng)顯然這是一個內反饋，因為沒有附加反饋控制裝置。內反饋是系統(tǒng)內部的信息交互，反映了系統(tǒng)的動態(tài)特性。四、系統(tǒng)分類

開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)復合控制系統(tǒng)1.實際的控制系統(tǒng)根據有無反饋作用可分為三類：

開環(huán)控制系統(tǒng)特點：系統(tǒng)僅受輸入量和擾動量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個控制過程中對系統(tǒng)的控制不產生任何影響。

輸入裝置指令系統(tǒng)輸入控制裝置伺服驅動裝置工作臺工作臺位置系統(tǒng)輸出數控機床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖優(yōu)點：簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數值比較穩(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：精度通常較低、無自動糾偏能力控制器對象或過程輸入量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)框圖

閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：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：應用反饋，減少偏差。優(yōu)點：精度高，對外部擾動和系統(tǒng)參數變化不敏感缺點：存在穩(wěn)定、振蕩、超調等問題，系統(tǒng)性能分析和設計麻煩?？刂破鲗ο蠡蜻^程輸入量輸出量測量元件閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量特點：開環(huán)與閉環(huán)組合組成，也叫前饋-反饋控制系統(tǒng)。如圖1-6.復合控制系統(tǒng)2、按輸出變化：

自動調節(jié)系統(tǒng)（恒值系統(tǒng)）：在外界干擾下，系統(tǒng)輸出基本保持為常量（給定量為恒值）。

隨動系統(tǒng)：輸出相應于輸入按任意規(guī)律變化（給定量為變量）。如導彈目標自動跟隨系統(tǒng)，火炮自動瞄準系統(tǒng)。仿形機床-配鑰匙。

程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)輸出按預定程序變化。數控等離子切割機，數控機床等五、控制系統(tǒng)基本組成環(huán)節(jié)系統(tǒng)中的環(huán)節(jié)：1、控制環(huán)節(jié)（給定環(huán)節(jié)）：產生控制信號或輸入信號，可各種形式。2、測量環(huán)節(jié)：測量被控參量，起反饋作用，一般為非電量電測。3、比較環(huán)節(jié)：比較輸入和反饋量，產生偏差信號。ε=xi—xb（同一種量）4、放大環(huán)節(jié)：用以推動執(zhí)行元件工作。5、校正元件：改善系統(tǒng)性能的調節(jié)元件。6、執(zhí)行元件：對被控對象直接操作。圖1-7典型負反饋控制系統(tǒng)結構框圖

1、

輸出量（被控量、被控參量）x0：最終控制的目標值。2、控制量（給定量）xi：根據設計要求與輸出量相適應的預先給定信號。3、干擾量（擾動量）：引起輸出變化的各種外部和內部條件，屬于一種偶然的無法人為控制的隨機輸入信號。4、

輸入量：控制量與干擾量的總稱，一般多指控制量。5、

反饋量：由輸出端引回到輸入端的量。6、

偏差量：控制量與反饋量之差。7、

誤差量：實際輸出量與希望輸出量之差值。e(t)=x0(t)—x0*(t)控制系統(tǒng)中的量六、控制系統(tǒng)的基本要求“穩(wěn)、快、準”1、穩(wěn)定性：系統(tǒng)xo(t)對給定目標值xo*(t)的偏離，應隨t增長逐漸趨近于零。絕對為零不可能→給出一定的穩(wěn)定裕度若系統(tǒng)不穩(wěn)定，xo波動較大或發(fā)散，則不能正常工作。不同受控對象對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求不同。2、快速性：指xo達到給定目標值的快速性兩種指標衡量：①

瞬態(tài)響應時間ts(過渡過程時間，調整時間)即：︱xo(t)—xo（∞）︱≤△·xo(∞)的時間t≥ts△

為可靠度指標。一般△取0.02或0.05②

超調量Mp：欠阻尼下一般有振蕩衰減，產生MpMp較小，過渡過程平穩(wěn)，Mp過大，系統(tǒng)過渡過程長。無振蕩則無Mp，但較大ts。3、

準確性（穩(wěn)態(tài)精度）：

過渡過程結束后，x0與給定輸入量的偏差。1、系統(tǒng)方框圖及其組成

系統(tǒng)方框圖由許多對信號（量）進行單向傳遞的元件方框和一些連線組成，表征了系統(tǒng)各元件之間及系統(tǒng)與外界之間進行信息交換的過程。它包括三個基本的單元，即：

1)引出點（分支點）：表示信號的引出或信號的分支，箭頭表示信號的傳遞方向，線上標記信號的名稱。七、控制系統(tǒng)方框圖的畫法比較點（相加點）：表示兩個或兩個以上的信號進行相加或相減運算?！?”表示信號相加；“-”表示信號相減。

元件方框：方框中寫入元、部件的名稱，進入箭頭表示其輸