控制工程基础1章-1.ppt

机械工程控制基础,教 材： 控制工程基础 陈春俊编 西南交通大学出版社,参考书目： 机械工程控制基础 杨叔子等编著 华中科技大学出版社 现代控制工程 绪方胜彦著. 卢伯英译 科学出版社 控制工程基础 董景新，赵长德编著 清华大学出版社 自动控制原理 胡寿松主编 国防工业出版社 Automatic Control System Benjamin C Kao Prentic-Hall 工程控制论（上册） 钱学森，宋健著 科学出版社,1-1 概 述,控制,目标：使被控对象按指定规律变化,机械工程控制基础,一、控制理论的发展,（一）“控制”问题的提出 （二）经典自动控制理论的发展 （一）现代控制理论,二、机械制造的发展和控制理论的应用,第一章 绪 论,一、控制理论的发展,1. 蒸汽机转速的人工控制,（1）原理图,控制某个主体使其他对象按照 一定的目的来动作； 反馈将输出反回输入端的过程； 偏差输入信号与反馈信号之差。,控制的基本过程就是“检测偏差用以纠正偏差”的过程,（一）“控制”问题的提出,（2）控制系统方框图,2. 蒸汽机转速的自动控制,（1）原理图,两者的基本原理相同，都是建立在“检测偏差用以纠正偏差”的基础之上。,（2）控制系统方框图,（二）经典自动控制理论的发展,1788 瓦特：蒸汽机离心调速器 1868 J.C. Maxwell：“反馈控制”概念 1882 李亚普诺夫：系统稳定性的严格数学定义 1884 E.J. Routh：线性系统代数稳定性判据 1932 H. Nyquist：频域稳定性判据 H.W. Bode：对数坐标图 Harris：传递函数 1945：第一部经典控制理论书籍伺服机构出版 1948 N.Wiener：发表著名的控制论形成完整的经典控制理论 1950 W.R. Evans：根轨迹法 1954 钱学森：发表著名的工程控制论 创立工程控制论这门学科,研究,复域内(频域),单输入/出、线性非时变系统,传递函数 (频率响应函数),（三）现代控制理论的发展,时域内、利用状态空间分析，研究多输入、多输出、非线性、时变系统的最优控制、系统识别等问题。,50年代未60年代初：产生现代控制理论,关键问题,能否建立反映过程或系统的动态数学模型,能否对此模型提供有效的算法与程序,1956年前苏联邦特略京,提出极大值原理,1957年美国贝尔曼(R.I.Bellman),提出动态规划理论,提出Kalman滤波,1960年美国卡曼(R.E. Kalman),70年代：,自适应控制计算机控制模 糊控制专 家控制智 能控制,本课程着重研究有关机电控制系统的分析与设计问题,二、机械制造的发展和控制理论的应用,特点： 人逐步从制造过程诸环节的直接参与中解脱出来；首先从加工(执行）检测控制中解脱出来,计算机集成生产系统CIMS,智能制造系统IMS,ERP,控制理论在机械制造领域中应用最活跃的几个方面,在机械制造过程自动化方面 自动机床、自动生产线数控机床、柔性自动生产线无人车间CIMS智能制造系统IMS 在对加工过程的研究方面 高速切削、强力切削、高速空程 在产品与设备的设计方面 经验、试凑、类比设计计算机优化设计人工智能专家系统（人工智能技术AI、人工神经网络技术ANN) 在动态过程或参数的测试方面 静态动态,1-2 研究对象与任务,实质是研究工程技术领域广义系统的动力学问题。,研究输入、系统特性、输出三者之间的动态关系。,令p=d/dt,(mp2+cp+k)y(t) = f(t),(mp2+cp+k)y(t) = (cp+k)x(t),1、系统分析：已知系统、输入，求输出（响应）。 2、最优控制：系统已确定，要求输出尽可能符合给定的最佳要求，求输入。 3、最优设计：已知输入，要求输出尽可能符合给定的最佳要求，进行系统结构和参数设计。 4、滤波与预测：已知输出，确定系统，以识别输入或输出的有关信息。 5、系统辨识： 根据系统的输入、输出分析系统由哪些环节组成，并求出各环节参数。即建立系统的数学模型。,研究方面：,1-3 控制系统的基本概念,一、反馈 1. 反馈 将系统输出的全部或部分返回到输入,(1) 内反馈系统本身自然形成的反馈，是系统处于 运动状态的内因,(2) 外反馈人为增加的反馈,2. 反馈 、动态历程、微分方程三者之间关系,一个系统的动力学方程可写成微分方程，就揭示了系统本身状态变量间的联系，也就体现了系统本身存在反馈； 而微分方程的解就体现了由于系统本身反馈的存在与外界对系统的作用的存在而决定的系统的动态历程。 可以说，系统的微分方程是本身的反馈与外界对系统的作用这两者的一种数学体现形式；系统的动态历程是这两者存在的结果；表示系统本身固有特性的微分方程左端算子，就表示系统本身反馈的情况，是系统这一客观事物的内因。 反馈 、动态历程、微分方程三者是紧密相联的。,例1：瓦特式蒸汽机离心调速器,3. 反馈控制,例2：水位控制系统,3. 反馈控制,二、控制系统结构,给定环节：确定被控对象的目标值 xi ； 测量环节：测量被控变量 xo，并将其转换成便于传递的物理量，再反馈到比较环节； 比较环节：输入信号与输出信号在比较环节进行比较，得到偏差信号 e = xi - xo； 放大运算环节：对偏差信号作功率放大，以推动执行环节动作； 执行环节：驱动被控对象按预定规律运动。,被控对象：是控制系统要操作的对象。 干扰信号：不是由元件产生的，而是由系统外部环境或内部因素造成的，它集中作用在被控对象上，影响系统输出。,一、按反馈情况分类 1、开环系统：当一个系统以所需要的方框图表示而没有反馈回路时，称为开环系统。 2、闭环系统：当一个系统以所需要的方框图表示而存在反馈回路时，称为闭环系统。,1-3 系统分类,Notes: 以同等精度元件组成的系统，闭环系统精度高于开环系统； 闭环系统的输出信号对系统工作有控制作用，而开环系统无； 闭环系统抗干扰能力强，开环系统弱。,二、按输入变化规律分类,1、定值系统：输入是固定值。Ug=常数 2、随动系统：输入是未知的时间函数。Ug=随机函数 3、程控系统：输入是已知的时间函数。Ug=确定性函数,三、按系统中信号特性分类,1、连续控制系统：系统中各部分传递的信号都是连续时间变量的系统 线 性 系 统：能用线性微分方程表示的系统。 非线性系统：不能用线性微分方程表示的系统。 2、离散控制系统：系统中某处或多处的信号是脉冲序列或数字信号传递的系统,此外还可按系统部件的物理性质分为机械/电气/机电/液压等控制系统,系统的稳定性、响应的快速性、响应的准确性,1-4 控制系统的基本性能指标,1、系统的稳定性 稳定性由于控制系统中都包含储能元件，若系统参数匹配不当，便可能引起振荡。稳定性是指系统动态过程中的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。 稳定性要求是系统工作的