控制工程基礎章

控制工程基礎章第1頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-1概述控制人工控制自動控制目標：使被控對象按指定規(guī)律變化機械工程控制基礎機械工程控制論一、控制理論的發(fā)展（一）“控制”問題的提出（二）經典自動控制理論的發(fā)展（一）現代控制理論二、機械制造的發(fā)展和控制理論的應用第一章緒論第2頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月一、控制理論的發(fā)展1.蒸汽機轉速的人工控制眼、轉速表蒸汽機手、閥門大腦希望恒定轉速M實際n蒸汽機負載Mn進汽量Q閥門眼腦手測速表希望恒定轉速（1）原理圖控制——某個主體使其他對象按照一定的目的來動作；反饋——將輸出反回輸入端的過程；偏差——輸入信號與反饋信號之差?？刂频幕具^程就是“檢測偏差用以糾正偏差”的過程（一）“控制”問題的提出（2）控制系統(tǒng)方框圖第3頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月2.蒸汽機轉速的自動控制（1）原理圖兩者的基本原理相同，都是建立在“檢測偏差用以糾正偏差”的基礎之上。（2）控制系統(tǒng)方框圖離心機構蒸汽機負載MnAB進汽量Q閥門滑套n1被控對象檢測、比較機構執(zhí)行機構θ離心機構蒸汽機閥門比較機構給定NgM實際nQΔ第4頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）經典自動控制理論的發(fā)展1788瓦特：蒸汽機離心調速器1868J.C.Maxwell：“反饋控制”概念1882李亞普諾夫：系統(tǒng)穩(wěn)定性的嚴格數學定義1884E.J.Routh：線性系統(tǒng)代數穩(wěn)定性判據1932H.Nyquist：頻域穩(wěn)定性判據H.W.Bode：對數坐標圖

Harris：傳遞函數1945：第一部經典控制理論書籍《伺服機構》出版1948

N.Wiener：發(fā)表著名的《控制論》形成完整的經典控制理論1950W.R.Evans：根軌跡法1954錢學森：發(fā)表著名的《工程控制論》創(chuàng)立工程控制論這門學科研究復域內(頻域)單輸入/出、線性非時變系統(tǒng)傳遞函數(頻率響應函數)穩(wěn)定性快速性準確性第5頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）現代控制理論的發(fā)展時域內、利用狀態(tài)空間分析，研究多輸入、多輸出、非線性、時變系統(tǒng)的最優(yōu)控制、系統(tǒng)識別等問題。50年代未~60年代初：產生現代控制理論關鍵問題能否建立反映過程或系統(tǒng)的動態(tài)數學模型能否對此模型提供有效的算法與程序1956年前蘇聯邦特略京提出極大值原理1957年美國貝爾曼(R.I.Bellman)提出動態(tài)規(guī)劃理論提出Kalman濾波1960年美國卡曼(R.E.Kalman)70年代：自適應控制計算機控制模糊控制專家控制智能控制本課程著重研究有關機電控制系統(tǒng)的分析與設計問題第6頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月二、機械制造的發(fā)展和控制理論的應用成品人的感覺器官加工對象人體、手需求干擾人腦特點：人逐步從制造過程諸環(huán)節(jié)的直接參與中解脫出來；首先從加工(執(zhí)行）→檢測→控制中解脫出來人的感覺器官加工對象機器機構需求干擾人腦體力成品需求干擾干擾檢測裝置加工對象加工設備人腦成品干擾干擾檢測系統(tǒng)加工對象加工設備計算機需求成品計算機集成生產系統(tǒng)CIMS智能制造系統(tǒng)IMSERP第7頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月控制理論在機械制造領域中應用最活躍的幾個方面在機械制造過程自動化方面自動機床、自動生產線→數控機床、柔性自動生產線→無人車間→CIMS→智能制造系統(tǒng)IMS在對加工過程的研究方面高速切削、強力切削、高速空程在產品與設備的設計方面經驗、試湊、類比設計→計算機優(yōu)化設計→人工智能專家系統(tǒng)（人工智能技術AI、人工神經網絡技術ANN)在動態(tài)過程或參數的測試方面靜態(tài)→動態(tài)第8頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2研究對象與任務系統(tǒng)輸入輸出實質是研究工程技術領域廣義系統(tǒng)的動力學問題。研究輸入、系統(tǒng)特性、輸出三者之間的動態(tài)關系。y(t)f(t)mkc令p=d/dt(mp2+cp+k)y(t)=f(t)y(t)x(t)y(t)mkc(mp2+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t)第9頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月1、系統(tǒng)分析：已知系統(tǒng)、輸入，求輸出（響應）。2、最優(yōu)控制：系統(tǒng)已確定，要求輸出盡可能符合給定的最佳要求，求輸入。3、最優(yōu)設計：已知輸入，要求輸出盡可能符合給定的最佳要求，進行系統(tǒng)結構和參數設計。4、濾波與預測：已知輸出，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸出的有關信息。5、系統(tǒng)辨識：根據系統(tǒng)的輸入、輸出分析系統(tǒng)由哪些環(huán)節(jié)組成，并求出各環(huán)節(jié)參數。即建立系統(tǒng)的數學模型。研究方面：第10頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)輸入輸出干擾調節(jié)機構系統(tǒng)輸入輸出反饋信息給定信息真實信息干擾§1-3控制系統(tǒng)的基本概念一、反饋1.反饋——將系統(tǒng)輸出的全部或部分返回到輸入(1)內反饋——系統(tǒng)本身自然形成的反饋，是系統(tǒng)處于運動狀態(tài)的內因(2)

外反饋——人為增加的反饋第11頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月2.反饋、動態(tài)歷程、微分方程三者之間關系一個系統(tǒng)的動力學方程可寫成微分方程，就揭示了系統(tǒng)本身狀態(tài)變量間的聯系，也就體現了系統(tǒng)本身存在反饋；而微分方程的解就體現了由于系統(tǒng)本身反饋的存在與外界對系統(tǒng)的作用的存在而決定的系統(tǒng)的動態(tài)歷程?？梢哉f，系統(tǒng)的微分方程是本身的反饋與外界對系統(tǒng)的作用這兩者的一種數學體現形式；系統(tǒng)的動態(tài)歷程是這兩者存在的結果；表示系統(tǒng)本身固有特性的微分方程左端算子，就表示系統(tǒng)本身反饋的情況，是系統(tǒng)這一客觀事物的內因。反饋、動態(tài)歷程、微分方程三者是緊密相聯的。第12頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月例1：瓦特式蒸汽機離心調速器tMMotnt1Ng3.反饋控制離心機構蒸汽機負載MnAB進汽量Q閥門滑套n1θ離心機構蒸汽機閥門比較機構給定NgM實際nQΔ第13頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月例2：水位控制系統(tǒng)+-電位器放大器閥門進水出水輸入給定水位Ug電機Ux要求水位浮子電位器水缸閥門放大器給定水位出水量干擾實際水位進水量電機3.反饋控制第14頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月測量環(huán)節(jié)被控對象放大運算環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)干擾比較環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)xiexo控制部分二、控制系統(tǒng)結構給定環(huán)節(jié)：確定被控對象的目標值xi

；測量環(huán)節(jié)：測量被控變量

xo，并將其轉換成便于傳遞的物理量，再反饋到比較環(huán)節(jié)；比較環(huán)節(jié)：輸入信號與輸出信號在比較環(huán)節(jié)進行比較，得到偏差信號e=xi-xo；放大運算環(huán)節(jié)：對偏差信號作功率放大，以推動執(zhí)行環(huán)節(jié)動作；執(zhí)行環(huán)節(jié)：驅動被控對象按預定規(guī)律運動。被控對象：是控制系統(tǒng)要操作的對象。干擾信號：不是由元件產生的，而是由系統(tǒng)外部環(huán)境或內部因素造成的，它集中作用在被控對象上，影響系統(tǒng)輸出。第15頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月一、按反饋情況分類1、開環(huán)系統(tǒng)：當一個系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而沒有反饋回路時，稱為開環(huán)系統(tǒng)。2、閉環(huán)系統(tǒng)：當一個系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而存在反饋回路時，稱為閉環(huán)系統(tǒng)?！?-3系統(tǒng)分類Notes:以同等精度元件組成的系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)精度高于開環(huán)系統(tǒng)；閉環(huán)系統(tǒng)的輸出信號對系統(tǒng)工作有控制作用，而開環(huán)系統(tǒng)無；閉環(huán)系統(tǒng)抗干擾能力強，開環(huán)系統(tǒng)弱。第16頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月電位器Ug電壓放大器功率放大器負載UfnU1U2I測速發(fā)電機電動機測速發(fā)電機電動機功率放大器電位器給定轉速負載實際n電壓放大器IUfUgU2U1二、按輸入變化規(guī)律分類1、定值系統(tǒng)：輸入是固定值。Ug=常數2、隨動系統(tǒng)：輸入是未知的時間函數。Ug=隨機函數3、程控系統(tǒng)：輸入是已知的時間函數。Ug=確定性函數第17頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月三、按系統(tǒng)中信號特性分類1、連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分傳遞的信號都是連續(xù)時間變量的系統(tǒng)

線

性系統(tǒng)：能用線性微分方程表示的系統(tǒng)。

非線性系統(tǒng)：不能用線性微分方程表示的系統(tǒng)。2、離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中某處或多處的信號是脈沖序列或數字信號傳遞的系統(tǒng)

此外還可按系統(tǒng)部件的物理性質分為機械/電氣/機電/液壓等控制系統(tǒng)輸出檢測元件執(zhí)行機構D/A輸入計算機控制器A/D被控對象+-第18頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應的快速性、響應的準確性tnNg(a)不穩(wěn)定tnNg(b)穩(wěn)定§1-4控制系統(tǒng)的基本性能指標1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性——由于控制系統(tǒng)中都包含儲能元件，若系統(tǒng)參數匹配不當，便可能引起振蕩。穩(wěn)定性是