機(jī)械控制工程之緒論

控制理論基礎(chǔ)

教材：

楊叔子等,機(jī)械工程控制基礎(chǔ),華中科技大學(xué)出版社,(第六版),2011參考文獻(xiàn)：1.胡壽松等,自動控制原理,國防工業(yè)出版社,(第三版),1994.2.李友善.自動控制原理,國防工業(yè)出版社,19803.陳康寧.機(jī)械工程控制基礎(chǔ).西安交通大學(xué)出版社.1997.4.Matlab使用手冊第一章緒論什么是控制？為什么要學(xué)控制論？

1.機(jī)電一體化產(chǎn)品的出現(xiàn)與逐漸普及

“機(jī)”+“電”?“信息傳遞與交換”控制論、系統(tǒng)論、信息論、微電子技術(shù)（計算機(jī)技術(shù)）相結(jié)合的產(chǎn)品2.機(jī)械系統(tǒng)朝高速、高負(fù)載、超精密、超大型或超微型等方向發(fā)展。（設(shè)計、制造、使用、維護(hù)）“動態(tài)”設(shè)計:動態(tài)設(shè)計制造:關(guān)注制造過程的動態(tài)特性.使用:系統(tǒng)的動態(tài)特性(安全、性能)維護(hù)：監(jiān)測與故障預(yù)測、診斷3.動態(tài)測試、信號處理（信號與系統(tǒng)）傳感器的選擇、信號預(yù)處理器的設(shè)計、數(shù)字信號的處理、特征提取4.生產(chǎn)組織管理（過程的優(yōu)化）加工狀態(tài)監(jiān)控噴氣發(fā)動機(jī)性能監(jiān)控5.其他工程應(yīng)用

軍事、航天領(lǐng)域火炮、雷達(dá)、跟蹤系統(tǒng)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等流程工業(yè)軋鋼過程、工業(yè)窯爐、石油化工、水泥建材、玻璃、造紙等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測；疫情檢測等。其他領(lǐng)域通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)管理等6.個人日常生活和工作電冰箱、電飯煲、空調(diào)器、音響、收音機(jī)等等

7.方法論“反饋控制的思想”控制：施加某種操作于對象，使其產(chǎn)生所期望的行為。圖1.1蒸汽機(jī)離心調(diào)速器一、概述自動控制：由控制裝置自動完成，無需人的參與。圖1.2液位人工控制圖1.3液位自動控制檢測偏差實施控制消除偏差1.1機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(wù)一、系統(tǒng)及廣義系統(tǒng)

系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互作用的若干部分構(gòu)成且具有一定運動規(guī)律的一個有機(jī)整體。

一個較大系統(tǒng)之內(nèi)可能包括若干個較小的子系統(tǒng)。不僅系統(tǒng)的個部分之間存在非常緊密度聯(lián)系，而且，系統(tǒng)與外界之間也存在一定的聯(lián)系?？刂频娜乜刂茖ο?、控制目標(biāo)、控制手段（裝置、算法等）可控性與能控性控制對象有多種運動狀態(tài)的可能性；能夠通過控制手段使控制對象的狀態(tài)達(dá)到控制目標(biāo)控制論的方法論明確事物發(fā)展的多種可能性確定其中一種可能性為控制目標(biāo)實施控制實現(xiàn)控制目標(biāo)機(jī)械工程控制論研究機(jī)械工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)動力學(xué)問題。1.1機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(wù)1.系統(tǒng)：元素按一定規(guī)律組合起來的能完成一定功能的集合。要素元素元素之間的聯(lián)系系統(tǒng)與外界的交互作用外界對系統(tǒng)的作用：輸入、干擾系統(tǒng)對外界響應(yīng)：輸出外界的作用信息的傳遞與交互系統(tǒng)的響應(yīng)控制論：技術(shù)學(xué)科、技術(shù)哲學(xué)、科學(xué)方法論控制論強(qiáng)調(diào)：對象是一個“系統(tǒng)”；系統(tǒng)不斷“運動”(經(jīng)歷動態(tài)歷程，包括內(nèi)部狀態(tài)和外部行為)“外因”(輸入、干擾)是運動的條件“內(nèi)因”(系統(tǒng)的固有特性)是運動的根據(jù)系統(tǒng)普遍存在信息的傳遞、交互與反饋是控制論的中心思想1.1機(jī)械工程控制論研究對象與任務(wù)1.1機(jī)械工程控制論研究對象與任務(wù)控制論與其它學(xué)科結(jié)合，形成眾多的分支學(xué)科經(jīng)濟(jì)學(xué)生物學(xué)社會學(xué)機(jī)械工程機(jī)械工程控制論控制論經(jīng)濟(jì)控制論社會控制論生物控制論工程控制論共同的本質(zhì)特點：通過信息傳遞，處理與反饋進(jìn)行控制工程技術(shù)1.1機(jī)械工程控制論研究對象與任務(wù)系統(tǒng)的組成元素可以是子系統(tǒng)；又可是更上一層系統(tǒng)的組成元素。系統(tǒng)的層次性與相對性：廣義系統(tǒng)：具備系統(tǒng)要素的一切事物或?qū)ο髾C(jī)械工程中的廣義系統(tǒng)：元件、部件、儀器、設(shè)備、加工過程、操作設(shè)備、測量、車間、部門、工廠、企業(yè)、企業(yè)集團(tuán)、全球制造業(yè)如：機(jī)器系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、生命系統(tǒng)、思維、學(xué)習(xí)、工作，社會、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等1.1機(jī)械工程控制論研究對象與任務(wù)2.系統(tǒng)的動力學(xué)問題研究的是機(jī)械工程廣義系統(tǒng)在一定的外界條件（即輸入或激勵、干擾）作用下，從系統(tǒng)的一定的初始狀態(tài)出發(fā)，所經(jīng)歷的由其內(nèi)部的固有特性（即由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的特性）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。1.1機(jī)械工程控制論研究對象與任務(wù)例：彈簧-質(zhì)量-阻尼單自由度系統(tǒng)(a)(b)初始狀態(tài)：系統(tǒng)固有特性：外界作用：與外界的關(guān)系：系統(tǒng)的輸出：初始狀態(tài)、系統(tǒng)固有特性、外界作用、與外界的關(guān)系等四大因素決定系統(tǒng)響應(yīng)系統(tǒng)分析問題：已知系統(tǒng)和輸入，求輸出（或響應(yīng)），并通過響應(yīng)來研究系統(tǒng)本身的問題。最優(yōu)控制問題：已知系統(tǒng)和理想輸出，求最優(yōu)輸入，使實際輸出滿足要求。最優(yōu)設(shè)計問題：已知輸入，設(shè)計系統(tǒng)，使輸出滿足要求。濾波與預(yù)測問題：設(shè)計或選擇合適的系統(tǒng)，以便由輸出識別輸入或輸入中的有關(guān)信息。系統(tǒng)辨識問題：已知輸入和輸出，要識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。研究任務(wù)1.2系統(tǒng)及其模型一系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關(guān)，而且還與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

（2）系統(tǒng)的內(nèi)容比組成系統(tǒng)各元素的內(nèi)容要豐富得多。

（3）系統(tǒng)往往具有表現(xiàn)出在時域、頻域或空域等域內(nèi)的動態(tài)特性。1.2系統(tǒng)及其模型二、機(jī)械系統(tǒng)

以實現(xiàn)一定的機(jī)械運動、輸出一定的機(jī)械能，以及承受一定的機(jī)械載荷為目的的的系統(tǒng)，稱為機(jī)械系統(tǒng)。對于機(jī)械系統(tǒng)，其輸入和輸出分別稱為“激勵”和“響應(yīng)”。1.2系統(tǒng)及其模型三、系統(tǒng)模型

系統(tǒng)的模型包括實物模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型等等。而數(shù)學(xué)模型又包括靜態(tài)模型和動態(tài)模型。動態(tài)模型在一定的條件下可以轉(zhuǎn)換成靜態(tài)模型。在控制理論或控制工程中，一般關(guān)心的是系統(tǒng)的動態(tài)特性，因此，往往需要采用動態(tài)數(shù)學(xué)模型。1.信息定義1：一切能垂表達(dá)一定敘意義的信惱號、符號僑和密碼等己。如：報臟紙，烽稈火，電盤報，記滅號、手崖勢等等定義2：能夠闊用來消秒除不確買定性的清東西。錄如：報紙（脈過時、直適時）泳，情報券（過時遵，適時笨），足赤球比賽劫（勢均姑力敵，榜勢力懸橋殊），孟書籍（叮好，差掀）等定義3：事物魯運動的渡狀態(tài)和星方式。愁如：體溫——人體狀飾態(tài)；設(shè)備的瞎振動、妥噪聲、陸溫度等——設(shè)備的狀卻態(tài)設(shè)計圖紙——產(chǎn)品狀態(tài)雙（產(chǎn)品信伸息）工藝卡——制造過共程狀態(tài)娃（工藝煙信息）1.3反饋例1.控制原崗理：負(fù)載減季小，使w增加反饋：系考統(tǒng)的輸出不斷地、盲直接或間潤接地、全呀部或部分橫地返回，叛并作用于帖系統(tǒng)。離心機(jī)構(gòu)滑套上移液壓滑閥上移，動力活塞下移，離心滑套們下移滑閥回復(fù)裂中位，w回到設(shè)定所值油門關(guān)小，w減小w反過來再對系統(tǒng)傅產(chǎn)生作餐用例3.外反饋(反饋控制)：附加反饋控制裝置引起信息交互內(nèi)反饋仙：負(fù)反饋談：輸出(被控量)偏離設(shè)定臘值(目標(biāo)值)時，反材饋作用吩使輸出塔偏離程穩(wěn)度減小值，并力遷圖達(dá)到腐設(shè)定值科。如：離斑心調(diào)速衡系統(tǒng)液面控制動物捕河食火炮自動瞞瞄準(zhǔn)學(xué)習(xí)和痕工作中齡的負(fù)反舌饋。。。。檢測偏差實施控制糾正偏差正反饋扔：輸出偏燦離初始玩值（或謀穩(wěn)定值蜜）時，抹反饋作享用使輸容出偏離辣程度加賠劇如：三極培管倒立擺疾病、火帖藥爆炸、剝熱核反應(yīng)學(xué)習(xí)和工豪作中的正主反饋。。。。反饋的項作用：加劇偏離反饋的作雁用：消除射偏離以發(fā)動炎機(jī)離心氏調(diào)速系塘統(tǒng)為例被控對象：發(fā)動機(jī)被控量：轉(zhuǎn)速w被控量滔的目標(biāo)哨值設(shè)定幫：預(yù)緊彈級簧四、反鳥饋控制挨系統(tǒng)的摔組成控制信息傳遞與反饋：控制方框圖：給定比較放大執(zhí)行測量控制對抵象控制部分被控部分反饋控烈制系統(tǒng)悼的組成特點：利用偏璃差控制第系統(tǒng)的痰輸出基本物理量：被控量、給定量、控制量、擾動量被控量：(即系統(tǒng)的輸出量),表征被控對象運動規(guī)律xb給定量系統(tǒng)的輸入量或被控對象理想狀態(tài)(控制目標(biāo))xi控制量：直接作用于被控對象的物理量，即被控對象的輸入量擾動量：所有使被控對象狀態(tài)偏離給定值的量對控制門系統(tǒng)，裝可從不圈同的角絡(luò)度分類1.按反饋情吃況開環(huán)控逗制系統(tǒng)：系統(tǒng)沒朵有反饋鑒回路，替輸出對癥系統(tǒng)無惕控制作忌用。如：步進(jìn)鄙驅(qū)動的數(shù)醋控機(jī)床、器普通洗衣局機(jī)家用電烤誘箱、微波料爐、普通政電風(fēng)扇1.4系統(tǒng)的分茫類及對控喬制系統(tǒng)的沫基本要求閉環(huán)控制音系統(tǒng)：有反饋回享路，輸出烤對系統(tǒng)有弦控制作用始。如：前扇例中的濃離心調(diào)近速系統(tǒng)伺服驅(qū)動崇的數(shù)控機(jī)屑床恒溫箱(冰箱、空涉調(diào))人騎自臥行車1.按反饋構(gòu)情況自動調(diào)節(jié)那系統(tǒng)(恒值系壇統(tǒng))：系統(tǒng)的兩輸出保努持常量箏。如：離心渴調(diào)速系統(tǒng)紅、恒溫箱會、液面控慮制等為閉環(huán)系姜統(tǒng)隨動系棵統(tǒng)：系統(tǒng)的輸脈出相應(yīng)于憂輸入按任君意規(guī)律變咳化。如：炮瞄還雷達(dá)系統(tǒng)梁、仿形加扶工、動物者捕食等多為閉努環(huán)系統(tǒng)程序控?zé)糁葡到y(tǒng)：系統(tǒng)的輸厭出按預(yù)定陸程序變化厭。如：數(shù)榮控機(jī)床直、全自傳動洗衣淺機(jī)等開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)2.按輸出量肆的變化規(guī)貌律分連續(xù)控制奧系統(tǒng)離散控制題系統(tǒng)線性控制歐系統(tǒng)非線性控卻制系統(tǒng)定常系征統(tǒng)時變系統(tǒng)位移控制皇系統(tǒng)溫度控輕制系統(tǒng)速度控陳制系統(tǒng)3.按信號類手型分4.按線性性潑質(zhì)分5.按時變浸情況分6.按被控負(fù)量分……系統(tǒng)的穩(wěn)萄定性——系統(tǒng)正常射工作的首要條出件六、對險控制系拆統(tǒng)的基決本要求系統(tǒng)的佛穩(wěn)定性——系統(tǒng)恢桃復(fù)平衡般狀態(tài)的聰能力穩(wěn)定性歡好，則系統(tǒng)恢復(fù)拿平衡狀態(tài)趣的能力強(qiáng)系統(tǒng)的快盞速性快速性掩好，則慈消除偏吼差快，紹或調(diào)整其時間短濫。系統(tǒng)的敲準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性鐮好，則護(hù)調(diào)整過酷程結(jié)束覆后，輸譜出值與危期望值響偏差小謝謝觀看/歡迎下