機(jī)械工程控制基礎(chǔ)1-緒論

0主講人：張燕Tel械類專業(yè)必修課機(jī)械工程控制基礎(chǔ)1教學(xué)內(nèi)容1、課程準(zhǔn)備2、緒論4、系統(tǒng)的時間響應(yīng)分析3、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型5、系統(tǒng)的頻率特性分析6、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析2課程性質(zhì)和特點本課程是機(jī)械類專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，主要介紹應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)、電、液技術(shù)構(gòu)成機(jī)電液一體化系統(tǒng)的理論與設(shè)計方法。涉及的基礎(chǔ)知識有工程數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、機(jī)械設(shè)計、電工與電子技術(shù)和液壓傳動技術(shù)等，因此要求同學(xué)們在學(xué)習(xí)本課程時應(yīng)能夠經(jīng)?；仡櫳鲜稣n程的有關(guān)內(nèi)容，達(dá)到溫故而知新的目的。

機(jī)械控制工程基礎(chǔ)是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計，《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》是本學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)課。課程簡介3課程任務(wù)

講述經(jīng)典控制理論的基本概念、理論和分析方法。本課程的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容包括：緒論，積分變換，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，時間響應(yīng)分析，頻率特性分析，系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和系統(tǒng)的性能指標(biāo)與校正等，屬于經(jīng)典控制論的基本知識。學(xué)習(xí)目的本課程的學(xué)習(xí)目的是：使學(xué)生逐步學(xué)會運用“系統(tǒng)和動態(tài)”的觀點，以及采用控制理論的方法解決機(jī)械工程中的實際技術(shù)問題。4基本要求1.掌握經(jīng)典控制理論的基本概念、基本理論與基本方法；2.能夠應(yīng)用分析法建立簡單動力學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；3.能夠應(yīng)用經(jīng)典控制論分析線性定常系統(tǒng)的動態(tài)特性，基本掌握線性定常系統(tǒng)性能校正的方法；4.對于線性系統(tǒng)的時域和頻域分析、穩(wěn)定性分析和性能指標(biāo)有比較深入的理解。5機(jī)械工程控制課程大綱：系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)電器系統(tǒng)液壓、氣動系統(tǒng)熱力系統(tǒng)牛頓定律理論力學(xué)歐姆定律、克希夫定律電工學(xué)液壓與氣動拉氏變換理論分析傳遞函數(shù)微分方程2補充時間響應(yīng)分析3（時域分析）頻率特性分析4（頻域分析）系統(tǒng)的穩(wěn)定性5系統(tǒng)性能指標(biāo)與校正6分析系統(tǒng)特性系統(tǒng)輸入輸出穩(wěn)、快、準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)辨識初步9數(shù)學(xué)模型6本課程與其它課程的關(guān)系：機(jī)械控制工程基礎(chǔ)電路大學(xué)物理電機(jī)學(xué)復(fù)變函數(shù)與積分變換模擬電子技術(shù)線性代數(shù)高等數(shù)學(xué)各類專業(yè)課線性系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論7主要參考資料1.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)（第五版）楊叔子等編著華中科技大學(xué)出版社2005年7月2.自動控制原理盧京潮主編西北工業(yè)大學(xué)出版社2009年3.機(jī)械控制工程基礎(chǔ)朱驥北機(jī)械工業(yè)出版社2002年1月4.控制工程基礎(chǔ)張伯鵬主編清華大學(xué)出版社2000年6月

5.自動控制理論（第三版）李友善主編國防工業(yè)出版社2012年8月

6.自動控制理論（第三版）皺伯敏主編機(jī)械工業(yè)出版社2007年6月8第一章緒論1.1發(fā)展簡史概述1.2研究對象與任務(wù)1.3系統(tǒng)及其模型1.4反饋1.5反饋控制系統(tǒng)及其組成1.6控制系統(tǒng)的分類1.7控制系統(tǒng)的基本要求9教學(xué)內(nèi)容1.1發(fā)展簡史概述10

機(jī)械工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)中重要的基礎(chǔ)工業(yè)。機(jī)械工業(yè)的核心是機(jī)械制造工業(yè)。當(dāng)前機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展的一個明顯而主要的動向是越來越廣泛而深刻地引入控制理論。從根本上講，其原因是控制理論以它本身固有的辨證方法順應(yīng)了機(jī)械制造工程技術(shù)發(fā)展的趨勢?？刂评碚撛诠こ碳夹g(shù)領(lǐng)域中體現(xiàn)為工程控制論，在機(jī)械工程領(lǐng)域則體現(xiàn)為機(jī)械工程控制論。

緒論—控制理論及系統(tǒng)11一、自動控制理論發(fā)展簡史經(jīng)典控制理論（19世紀(jì)初）以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入－單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問題。時域法、復(fù)域法（根軌跡法）、頻域法現(xiàn)代控制理論（20世紀(jì)50年代）研究多輸入－多輸出、時變、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計容錯控制系統(tǒng)辨識集散控制大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)智能控制理論（20世紀(jì)70年代）專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法1213我國古代自動控制系統(tǒng)方面的成就

經(jīng)典控制論肇源于1788年J.Watt的蒸汽機(jī)離心調(diào)速器所帶來的離心調(diào)速問題。然而，我國在自動控制方面的發(fā)明比西方早幾個世紀(jì)甚至十幾世紀(jì)。如1027年宋代燕肅所造的指南車就是一例。此外，在1086~1089年蘇頌和韓公廉制造的水運儀象臺，也是應(yīng)用控制論的實例。有關(guān)指南車和水運儀象臺工作原理可參見書本14我國古代自動控制系統(tǒng)方面的成就●一千多年前：銅壺滴漏計時器、指南針、各種天文儀器中國，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺

中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車15緒論—控制理論及系統(tǒng)控制：以人為或自動的方式，通過一定的手段操縱受控對象或過程，使之按照預(yù)定的規(guī)律運行，并具有一定的狀態(tài)與性能。161719教學(xué)內(nèi)容1.2機(jī)械工程控制理論的研究對象與任務(wù)20一、研究對象2122

廣義系統(tǒng)：可大可小，可繁可簡，甚至可實可虛，完全由研究的需要而定。23243、系統(tǒng)動力學(xué)問題分析典型實例

a)輸入相異的單自由度機(jī)械振動系統(tǒng)參數(shù)說明：m系統(tǒng)質(zhì)量；c粘性阻尼系數(shù)；k彈簧剛度緒論—研究對象與任務(wù)同一系統(tǒng)，不同的外界作用25b)系統(tǒng)動力學(xué)方程外力f(t)作用下的系統(tǒng)動力學(xué)方程位移x(t)作用下的系統(tǒng)動力學(xué)方程緒論—研究對象與任務(wù)左邊：輸出右邊：輸入26取算子p=d/dt，則力學(xué)方程分別化為：系統(tǒng)分析：算子mp2+cp+k由m,c,k決定，反映與外界無關(guān)的系統(tǒng)本身固有特性。算子1和cp+k

反映與外界的關(guān)系，同時受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的影響，即算子隨系統(tǒng)而變化。緒論—研究對象與任務(wù)27緒論—研究對象與任務(wù)一般線形系統(tǒng)，其動力學(xué)方程為：取算子p=d/dt：算子an

pn+an-1

pn-1+…+a1

p+a0反映系統(tǒng)本身的固有特性。算子bmpm+bm-1

pm-1+…+b1

p+b0反映系統(tǒng)與外界的聯(lián)系。y(t)，y(t)，…為刻畫系統(tǒng)動態(tài)歷程的狀態(tài)變量y(0)，y(0)，…為系統(tǒng)在受外界作用前的初始狀態(tài)y(t)為系統(tǒng)的輸出x(t)為系統(tǒng)的輸入2829工程控制論的研究內(nèi)容

最優(yōu)控制問題緒論—研究對象與任務(wù)已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，設(shè)計輸入，使系統(tǒng)的輸出滿足要求。已知輸入和理想輸出，設(shè)計系統(tǒng)，使輸出滿足要求。系統(tǒng)分析問題已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的輸出，并通過響應(yīng)來研究系統(tǒng)本身的問題。最優(yōu)設(shè)計問題30工程控制論的研究內(nèi)容

緒論—研究對象與任務(wù)輸出已知，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸入中的有關(guān)信息。系統(tǒng)識別或辯識問題已知系統(tǒng)的輸入和輸出，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。工程控制論的研究內(nèi)容

濾波與預(yù)測問題31例1

如圖所示的電熱水器，為了保持希望的溫度，由溫控開關(guān)接通或斷開電加熱器的電源。在使用熱水時，水箱中流出熱水并補充冷水。試說明該系統(tǒng)工作原理并畫出系統(tǒng)的方框圖。解：在電熱水器系統(tǒng)中，水箱內(nèi)的水溫需要控制，即水箱為控制對象。水的實際溫度是被控制量，或系統(tǒng)的輸出量，設(shè)為To，輸入量為用戶希望的溫度，設(shè)為Ti；由于放出熱水并注入冷水或水箱散熱等原因而使水箱內(nèi)水溫下降為系統(tǒng)的干擾。當(dāng)To=Ti時，測溫元件將實際溫度轉(zhuǎn)化成電信號，與溫控開關(guān)預(yù)先設(shè)定的信號進(jìn)行比較得到的偏差信號為0，此時加熱器不工作，水箱中的水保持希望的溫度。當(dāng)注入冷水使To下降時，偏差不為0，電控開關(guān)接通電源使電加熱器工作對水加熱，直到To=Ti為止。緒論—研究對象與任務(wù)32系統(tǒng)工作框圖如下：

若要考察水箱中的水溫To能否保持為希望的溫度Ti，并通過實際輸出的水溫To與希望的溫度Ti之間的差別，考察各個組成部分的參數(shù)是否合理，即為系統(tǒng)分析問題。緒論—研究對象與任務(wù)33教學(xué)內(nèi)容1.3系統(tǒng)及其模型34

系統(tǒng)，廣義系統(tǒng)？系統(tǒng)：按一定規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。廣義系統(tǒng)：具有系統(tǒng)要素的一切事物和對象；可大可小，可繁可簡，甚至可實可虛，完全由研究的需要而定。緒論—系統(tǒng)及其模型35例如：研究某一產(chǎn)業(yè)集團(tuán)（甚至包括現(xiàn)在所謂的“虛擬企業(yè)”或“企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟”）或某一機(jī)器制造廠應(yīng)如何調(diào)整產(chǎn)品生產(chǎn)以適應(yīng)市場變化的需要時，此集團(tuán)或此廠就是一個廣義系統(tǒng)，市場情況是輸入，產(chǎn)品生產(chǎn)情況是輸出。研究某臺機(jī)床在切削過程中的動力學(xué)問題時，切削本身可作為一廣義系統(tǒng)；研究機(jī)床所加工的工件的某些質(zhì)量指標(biāo)時，這一工件本身可以作為一廣義系統(tǒng)；研究機(jī)床操作者在加工過程中的作用時，操作者本身或操作者的思維等可作為一廣義系統(tǒng)。緒論—系統(tǒng)及其模型36緒論—系統(tǒng)及其模型二、機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)：以實現(xiàn)一定的機(jī)械運動，承受一定的機(jī)械載荷為目的，由機(jī)械元件組成的系統(tǒng)。概念說明激勵：外界對系統(tǒng)的作用。（輸入）響應(yīng)：系統(tǒng)的變形或位移。（輸出）系統(tǒng)控制：激勵由人為有意識的添加。擾動：由系統(tǒng)偶然因素產(chǎn)生而一般無法完全認(rèn)為控制的激勵。37三、系統(tǒng)模型緒論—系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)的模型包括實物模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型等等。數(shù)學(xué)模型：一種用數(shù)學(xué)方法所描述的抽象的理論模型，用來表達(dá)一個系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間，或系統(tǒng)與其他外部環(huán)境之間的關(guān)系。數(shù)學(xué)模型又包括靜態(tài)模型和動態(tài)模型

模型是研究系統(tǒng)、認(rèn)識系統(tǒng)、描述系統(tǒng)以及分析系統(tǒng)的工具。38緒論—系統(tǒng)及其模型動態(tài)模型：用于研究系統(tǒng)在迅變載荷作用下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性，表現(xiàn)為微分方程或差分方程。靜態(tài)模型—現(xiàn)時輸出決定于現(xiàn)時輸入；動態(tài)模型—現(xiàn)時輸出決定于以前輸入的歷史。靜態(tài)模型：反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性，表現(xiàn)為代數(shù)方程。如彈簧模型。動態(tài)模型在一定的條件下可以轉(zhuǎn)換成靜態(tài)模型。39緒論—控制系統(tǒng)及模型靜態(tài)模型和動態(tài)模型分析示例——機(jī)器隔振系統(tǒng)40緒論—控制系統(tǒng)及模型

若以機(jī)器m為隔離體，以F(t)

為激勵(不考慮y(t))，以位移x(t)為響應(yīng)，應(yīng)用牛頓第二定律列出該系統(tǒng)的動力學(xué)方程為：若仍以機(jī)器m為隔離體，以

y(t)

為激勵(不考慮F(t))，以位移x(t)為響應(yīng)，應(yīng)用牛頓第二定律列出該系統(tǒng)的動力學(xué)方程為：

(a)

(b)方程(a),(b)即為該系統(tǒng)的動態(tài)模型。41緒論—控制系統(tǒng)及模型若系統(tǒng)運動很慢，即有：則上式（a），（b）可化為：此即系統(tǒng)的靜態(tài)模型，實際上x(t)與y(t)之間是一種代數(shù)關(guān)系，即代數(shù)方程式。42教學(xué)內(nèi)容1.4反饋43教學(xué)內(nèi)容反饋：系統(tǒng)的輸出不斷地、直接或間接地、部分或全部地返回，并作用于系統(tǒng)。444546數(shù)控機(jī)床的工作臺的驅(qū)動系統(tǒng)反饋控制裝置4748根據(jù)反饋的作用，可分為：49緒論—系統(tǒng)反饋思考題：騎自行車過程中信息流動與反饋？？？反饋結(jié)構(gòu)圖

人騎自行車時，總是希望具有一定的理想狀態(tài)（比如速度、方向、安全等），人腦根據(jù)這個理想狀態(tài)指揮四肢動作，使自行車按預(yù)定的狀態(tài)運動，此時，路面的狀況等因素會對自行車的實際狀態(tài)產(chǎn)生影響，使自行車偏離理想狀態(tài)，人的感覺器官感覺自行車的狀態(tài)，并將此信息返回到大腦，大腦根據(jù)實際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差調(diào)整四肢動作，如此循環(huán)往復(fù)。其信息流動與反饋過程可用下圖表示。工作原理501.5反饋系統(tǒng)的組成與方框圖5153控制任務(wù)：通過調(diào)整滑動調(diào)壓器的滑動端的位置來控制煤氣流量，從而保持加熱爐爐溫恒定。被控對象：加熱爐被控量（輸出量）：加熱爐爐溫給定量（輸入量）：Ur測量環(huán)節(jié)：熱電偶控制裝置：放大器、電動機(jī)、減速器擾動：干擾并破壞系統(tǒng)，使系統(tǒng)不能按預(yù)期性能輸出信號。54加熱爐T閥門Q減速器θ2電動機(jī)θm放大器U給定電位計Ur放大器Ur熱電偶ε爐溫反饋控制系統(tǒng)的方框圖55反饋控制系統(tǒng)框圖緒論—控制系統(tǒng)及模型被控部分給定環(huán)節(jié)：即給出輸入信號的環(huán)節(jié)，用于確定被控對象的目標(biāo)值。測量環(huán)節(jié)：用于測量被控量。比較環(huán)節(jié)：將輸入信號與反饋信號相比較獲得偏差信號。放大及運算環(huán)節(jié)：將偏差信號處理放大，以便推動執(zhí)行環(huán)節(jié)。執(zhí)行環(huán)節(jié)：接收放大環(huán)節(jié)的信號，驅(qū)動被控對象按照預(yù)期的規(guī)律運行。比較環(huán)節(jié)56反饋控制系統(tǒng)框圖反饋系統(tǒng)主要由控制部分與被控部分組成?？刂撇糠值墓δ苁墙邮苤噶钚盘柡捅豢夭糠值姆答佇盘枺Ρ豢夭糠职l(fā)出控制信號。被控部分的功能則是接受控制信號、發(fā)出反饋信號，并在控制信號的作用下實現(xiàn)被控運動。緒論—控制系統(tǒng)及模型被控部分比較環(huán)節(jié)57一個反饋控制系統(tǒng)的工作過程大體上分為以下幾個步驟：測量被控制量的實際值；將實際值與給定值進(jìn)行比較，求出偏差的大小與方向；根據(jù)偏差的大小與方向進(jìn)行控制以糾正偏差。

簡單的講，反饋控制系統(tǒng)的工作過程就是一個“檢測偏差并用以糾正偏差”的過程。利用偏差概念，正反饋和負(fù)反饋又可表述為：正反饋：凡是能使系統(tǒng)的偏差的絕對值增大的反饋；負(fù)反饋：凡是能使系統(tǒng)的偏差的絕對值減小的反饋。緒論—控制系統(tǒng)及模型反饋自動控制系統(tǒng)的特點：利用輸入信息與反饋至輸入處的信息之間的偏差對系統(tǒng)的輸出進(jìn)行控制，使被控對象按一定的規(guī)律運動。58緒論——系統(tǒng)的分類1.6控制系統(tǒng)的分類59按反饋情況開環(huán)系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)沒有控制作用，系統(tǒng)沒有反饋回路。如：步進(jìn)驅(qū)動的數(shù)控機(jī)床、普通洗衣機(jī)、家用電烤箱、微波爐等。60閉環(huán)系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)有控制作用，系統(tǒng)有反饋回路。如：前面提到的離心調(diào)速系統(tǒng)、伺服驅(qū)動的數(shù)控機(jī)床、恒溫箱、冰箱、空調(diào)等。61按輸出變化規(guī)律6263緒論——系統(tǒng)的分類1.7控制系統(tǒng)的基本要求64系統(tǒng)評價指標(biāo)多樣，但基本和最重要是以上三種；控制系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)需要各有側(cè)重。65五、自動控制系統(tǒng)方框圖的繪制步驟緒論—控制系統(tǒng)的基本要求分析控制系統(tǒng)的工作原理，找出被控對象；分清系統(tǒng)的輸入量、輸出量；按照控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的定義，找出相應(yīng)的各個環(huán)節(jié)；按照信息流動的方向，將各個環(huán)節(jié)用元件方框和連線連接起來。66回顧反饋及反饋控制的基本概念以及系統(tǒng)的分類（1）反饋（6）開環(huán)系統(tǒng)（2）外反饋（7）閉環(huán)系統(tǒng)（3）內(nèi)反饋（4）負(fù)反饋（5）正反饋2.反饋系統(tǒng)的組成及方框圖的繪制

2個部分5大環(huán)節(jié)3.控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)、快、準(zhǔn)67作業(yè)1：發(fā)動機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)：68發(fā)動機(jī)ω閥門Q活塞油缸F液壓比例控制器Q杠桿機(jī)構(gòu)M調(diào)節(jié)彈簧F離心機(jī)構(gòu)F控制部分被控部分控制器干擾運算放大環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)測量環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)系統(tǒng)控制方框圖如下：69負(fù)反饋原理

將系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號相比較，利用所得的偏差信號進(jìn)行控制，達(dá)到減少偏差、消除偏差的目的。

——構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)的特點：（1）系統(tǒng)內(nèi)部存在反饋，信號流動構(gòu)成閉回路（2）偏差起調(diào)節(jié)作用70作業(yè)2:

圖示的液面控制系統(tǒng)，圖中K為放大器的增益，D為執(zhí)行電機(jī)，N

為減速器。試分析該系統(tǒng)的工作原理，并在系統(tǒng)中找出控制量、擾動量、被控制量、控制器和被控對象。系統(tǒng)中M2控制量，Q為擾動量，液面高度為被控制量，水箱為被控對象，其余部分為控制器。解:圖示是一種液面自動控制系統(tǒng)，以保持液面高度不變。水通過閥門控制而進(jìn)入水箱，當(dāng)水位不斷上升時，通過浮子使電位En變化，經(jīng)放大控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過減速器使閥門關(guān)小，減少進(jìn)水量M2。當(dāng)水位下降時，通過浮子反饋，經(jīng)電機(jī)通過減速器使閥門開大。這一閉環(huán)控制系統(tǒng)，是用浮子作比較器來比較實際液面高度和所希望的液面高度，并通過電位信號控制電機(jī)來控制閥門的開度，對偏差進(jìn)行修正，從而保持液面高度不變。12n71系統(tǒng)控制方框圖如下：水箱h閥門M減速器N電動機(jī)D電壓及功率放大器Ed浮子Q電位器En希望液面72實例1：下圖為一恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)，試分析這個系統(tǒng)的自動調(diào)溫過程并說明這個系統(tǒng)的輸出量、輸入量、控制量和擾動量各是什么，并畫出系統(tǒng)方框圖緒論—控制系統(tǒng)的基本要求73

解：在該系統(tǒng)中恒溫箱內(nèi)的溫度需要被控制，因此，恒溫箱位被控對象。恒溫箱的實際溫度為被控制量（系統(tǒng)的輸出量），設(shè)為T0(0C)；希望的恒溫箱的溫度為系統(tǒng)的輸入量（給定值），設(shè)為Ti(0C)；加熱電阻絲的輸出功率為控制量；而恒溫箱散熱量為系統(tǒng)的擾動量。恒溫箱的溫度是由給定的電壓信號u1和熱電偶輸出的電壓信號u2之間的偏差u1-u2控制的。當(dāng)T0＝Ti時，即偏差為零，此時系統(tǒng)不工作，恒溫箱的溫度保持在希望的溫度上。當(dāng)外界因素引起箱內(nèi)溫度變化時，偏差信號u1-u2≠0，偏差經(jīng)電壓