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控制工程基础 主讲教师 王晓云 参考教材 1 杨叔子 杨克冲 机械工程控制基础 第五版 武汉 华中科技大学出版社 2005年7月 2 熊良才 杨克冲 机械工程控制基础学习辅导与题解 武汉 华中科技大学出版社 2002年4月 3 朱骥北 机械控制工程基础 第15版 北京 机械工业出版社 2005年 4 董景新 赵长德 控制工程基础 第3版 北京 清华大学出版社 2009年6月 5 刘叔军 樊京 MATLAB控制系统应用与实例 北京 清华大学出版社 2008年5月 授课方式与考核方式 授课方式以电子工业出版社 玄兆燕编写的 机械工程控制基础 为指导 利用多媒体课件为主 板书为辅进行理论教学 利用MATLAB Simulink软件开展实验教学 考核方式平时作业5次 占总评成绩的20 实验2次 占总评成绩的10 期末闭卷考试 占总评成绩的70 出勤率低于1 3取消期末考试资格 课程性质 控制论 经典控制理论 现代控制理论 本课程的主要内容 机械控制工程基础 是控制论 Cybernetics 与机械工程技术理论之间的边缘学科 侧重介绍机械工程的控制原理 同时密切结合工程实际 是一门技术基础课程 机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势 越来越广泛而深入地引入了控制理论 数控机床 工业机器人 机床动态分析与测试 电气液压伺服系统 是科学方法论之一 强调用系统的 反馈的 控制的方法来分析研究工程实际问题 课程任务与学习要求 课程任务通过课程教学 使学生掌握经典控制理论的基本原理和思想方法 初步培养进行系统分析与校正的能力 结合后续专业课程的学习 为将来在机械电子工程中解决一些实际问题打下一定的基础 学习要求需要大家具备一定的数学 力学 电学方面的基础知识 还要有一定的机械工程方面的专业知识 需要大家认真对待每次的课后练习环节 主要教学内容 机械控制工程基础 基础知识 工程应用 分析方法 基本概念 控制系统结构体系 控制系统数学模型 时域分析 频域分析 系统稳定性判据 系统性能指标 系统校正 绪论 2学时 拉普拉斯变换 2学时 系统的数学模型 8 2学时 系统的时间响应分析 8 2学时 系统的频率特性分析 8 2学时 系统的稳定性 4学时 复习 2学时 课程章节 第一章绪论 1 1机械工程控制论的研究对象与任务1 2系统及其模型1 3反馈1 4系统的分类及对控制系统的基本要求 本章教学大纲 1 了解机械工程控制论的基本概念 研究对象与任务 2 掌握系统 模型 反馈 偏差等基本概念 3 掌握反馈控制系统工作原理的分析 4 掌握控制系统的组成 分类及基本性能要求 教学重点 反馈的基本概念 控制系统工作原理分析 控制系统的分类 第一章绪论 本章教学大纲 第一章绪论 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 一 控制论概述控制论是关于控制原理与控制方法的学科 它研究事物变化和发展的一般规律 控制论 的两个核心是信息论和反馈控制 首先创立控制论学科的是美国的数学家 信息理论家 NorbertWiener 诺伯特 维纳 他于1948年发表了 控制论 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 控制论与其它学科结合 形成众多的分支学科 控制论的中心思想 通过信息的传递 加工处理并利用反馈来进行控制 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 1954年我国科学家钱学森出版专著 工程控制论 英文版 首先把控制论推广到工程技术领域 机械工程控制论研究机械工程技术中广义系统的动力学问题 研究的对象 系统 广义系统 研究的任务 动力学问题研究的领域 机械工程领域 二 机械工程控制论的研究对象 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 系统 按一定规律联系在一起的元素的集合 系统的要素 元素 元素之间的联系 系统与外界的交互作用 外界对系统的作用 系统对外界的作用 输入 激励 干扰 扰动 输出 响应 系统的框图 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 机械工程中的广义系统 元件 部件 仪器 设备 加工过程 操作设备 测量 车间 部门 工厂 企业 企业集团 全球制造行业等 如 机器系统 生命系统 社会经济系统 生产系统 思维 学习 工作 广义系统 具备系统要素的一切事物或对象 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 系统 非控制系统 控制系统 人工控制系统 自动控制系统 非控制系统 仅具有由人工开 关两种状态的系统 如 搅拌机 视频链接 教室里的照明系统 控制系统 系统的可变输出 能按照要求由参考输入或控制输入进行调节的系统 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 如 空调 自动控制系统 教室中的风扇 人工控制系统 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 根据自己的生活和学习经验 列举控制系统的例子问题 1 普通全自动洗衣机2 全自动照相机的闪光系统 调焦系统3 饮水机 微波炉4 抽水马桶水箱的液面自动调节器 液面控制 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 生物 医学 环境 经济管理等其它 机器人 导弹制导 核动力等高新领域 宇航 火箭 飞船 卫星 道路交通 信号灯控制 车牌自动识别 日常 冰箱 洗衣机 空调 农业 恒温大棚 农业自动化机械 应用范围 工业 数控机床 轧钢机 恒温箱等 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 蒸汽机离心调速器 工业 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 数控机床进给系统模拟图 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 在农业机械领域的应用 第一章绪论 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 在日常生活中的应用 第一章绪论 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 道路交通的应用 车牌自动识别 第一章绪论 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 人形机器人 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 勇气号火星探测器 美国 2004 第一章绪论 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 自动火炮 导弹制导等高新领域的应用 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 在雷达领域的应用 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 海洋探测机器人 1990年日本海洋科技中心研制的 海沟号 缆控式无人潜水器 左 及其在大海中工作时的情况 右 第一章绪论 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 瑞典博福斯公司研制的 双鹰 水下扫雷机器人 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 恒温恒湿试验箱又名环境试验箱 实验各种材料的耐热 耐寒 耐干 耐湿性能 适合电子 电器 食品 车辆 金属 化学 建材等实验 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 三 机械工程控制论的研究任务 第一章绪论 动力学问题 机械工程技术中的广义系统在一定的外界条件作用下 从一定的初始状态出发 经历由其内部的固有特性所决定的整个动态历程 研究这一过程中 系统及其输入 输出三者之间的动态关系 即输入或激励 包括外加控制与外界干扰 即由系统的结构与参数所决定的特性 下面 我们通过一个简单的例子 让大家更深刻的理解 机械工程控制论的研究任务 这一问题 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 同一系统 不同的输入 例1 1弹簧 质量 阻尼单自由度系统 系统 a 系统 b m c k单自由度系统 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 a b 整理得 a 解 b 解 动力学方程 y t 即微分方程的解 它是由系统的初始条件 系统的固有特性 系统的输入及系统与输入之间的关系所决定 系统的固有特性 mp cp k 2 系统与外界之间的关系 1 cp k 系统对输入的响应 系统的输出 y t 系统的输入或激励 f t x t 代表了系统在一定外界条件下的动态历程 令p d dt 微分算子 系统 a mp cp k y t f t 系统 b mp cp k y t cp k x t 2 2 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 问题 系统的输入与系统的固有特性如何影响y t 三者之间表现为何种关系 2 系统确定并已知时 对系统施加何种输入 能使系统实现预期的响应 即y t 3 对于确定的输入 系统应具有什么特性 才能使系统实现预期的响应 求输出 求输入 求系统 结构参数 基本的动力学问题 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 研究任务 系统分析问题最优控制问题最优设计问题滤波与预测问题系统辨识问题 已知系统和输入 求系统的响应 或输出 并通过响应来研究系统本身的问题 已知系统和系统的理想输出 设计输入 已知输入和理想输出时 设计系统 输出已知 确定系统 以识别输入或输入中的的有关信息 已知系统的输入与输出 求系统的结构与参数 即建立系统的数学模型 1 1机械工程控制论的研究对象与任务 第一章绪论 1 2系统及其模型 一 系统系统具有如下特性 系统的性能不仅与系统的元素有关 而且还与系统的结构有关 系统的内容比组成系统的各元素的内容要丰富很多 系统往往具有表现在时间域 频率域或空间域等领域内的动态特性 1 2系统及其模型 1 2系统及其模型 第一章绪论 二 机械系统 定义 以实现一定的机械运动 承受一定的机械载荷为目的 由机械元件组成的系统 如 切削加工过程 工件 操作者 当研究某台机床切削加工过程中的动力学问题时 当研究此台机床加工的工件的某些质量指标时 当研究此台机床的操作者在加工过程中的作用时 输入 激励 外界对系统的作用 如载荷等 输出 响应 系统对外界的作用 如变形 位移 1 2系统及其模型 第一章绪论 激励 控制输入 人为地 有意识地加上去 扰动 偶然因素产生而一般无法完全人为控制的 干扰 三 数学模型模型的定义 研究系统 认识系统 描述系统与分析系统的一种工具 模型的种类 实物模型 物理模型和数学模型等 1 2系统及其模型 第一章绪论 数学模型 定量地描述系统的动态性能 揭示系统的结构 参数与动态性能之间关系的数学表达式 数学模型 静态模型 动态模型 反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统平衡状态下的特性 用于研究系统在迅变载荷作用下或在系统不平衡状态下的特性 在一定条件下 动态模型可以转换为静态模型 代数公式描述 微分方程或差分方程来描述 动态模型是描述系统的动态历程的 机械工程控制论研究的是机械工程技术中广义系统的动力学问题 所以往往需要采用动态数学模型 即需要建立微分方程或差分方程来描述系统的动态特性 1 2系统及其模型 第一章绪论 1 3反馈 一 反馈的定义 反馈是机械工程控制论中一个最基本 最重要的概念 系统的输出不断直接或经过中间变换后全部或部分地返回到输入端 并与输入共同作用于系统的过程 系统之所以有动态历程 系统及其输入 输出之间之所以有动态关系 就是由于系统本身存在着信息的反馈 二 反馈的种类内反馈与外反馈例1 2发动机离心调速系统例1 3质量 弹簧 阻尼单自由度系统 1 3反馈 2 正反馈与负反馈 第一章绪论 例1 2发动机离心调速系统 控制原理 如果负载变化使 增大 离心机构滑套上移液压滑阀上移 动力活塞下移 油门关小 减小直到滑阀回复到中位 回到设定值 通过离心机构检测系统的实际输出值 并与设定值进行比较 反过来作用于系统 形成反馈 进而调节系统的输出 发动机离心调速系统结构原理简图 1 3反馈 第一章绪论 例1 3质量 弹簧 阻尼单自由度系统 m c k单自由度系统结构原理图 动力学方程 或 即 m c k单自由度系统方框图 信息交互 反馈 1 3反馈 第一章绪论 在这两个例子 反馈在本质上都是信息的传递与交互 但从具体形式上看 则有所不同 对于发动机离心调速系统来说 离心调速器是人为附加的反馈控制装置 其目的在于抵抗由于负载变化这一干扰引起的输出轴转速的变化 这种反馈称为外反馈 而质量 弹簧 阻尼系统中存在的反馈则为内反馈 这种反馈是系统内部的信息交互 反映了系统内部各元素之间互为因果的联系关系 反映了系统的动态特性 1 3反馈 第一章绪论 1 内反馈在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈 是系统内部各个元素之间相互耦合的结果 是造成机械系统存在一定动态特性的根本原因 2 外反馈在控制系统中 为达到某种控制目的而人为加入的反馈 生活小实例 生病生病 看病 吃药 打针 手术 恢复健康生病 自身调节恢复健康 外反馈 内反馈 1 3反馈 第一章绪论 2 负反馈与正反馈 1 负反馈输出偏离设定值时 反馈作用使输出偏离程度减小 并力图达到设定值 被控量 目标值 如 发动机离心调速系统液面自动调节器数控机床进给伺服系统动物捕食火炮自动瞄准学习和工作中的负反馈 测偏与纠偏 1 3反馈 第一章绪论 2 正反馈输出偏离设定值时 反馈作用使输出偏离程度加剧 如 疾病自激振荡器机器疲劳破坏火药爆炸 热核反应学习和工作中的正反馈 1 3反馈 第一章绪论 三 反馈控制系统及其组成 在工程技术领域中 越来越多地采用了自动控制系统 在这种系统中 往往有着 反馈控制 1 定义一般在自动控制系统中 偏差是基于反馈建立起来的 自动控制的过程就是 测偏与纠偏 的过程 这一原理又称为反馈控制原理 利用此原理组成的系统称为反馈控制系统 它具备测量 比较和执行三个基本功能 反馈控制是实现自动控制的最基本的方法 没有反馈就无法测量偏差 就无法根据偏差自动控制系统纠正偏差 1 3反馈 第一章绪论 例 发动机离心调速系统 发动机离心调速系统结构原理简图 被控对象 发动机 被控量 转速 被控量的目标值设定 预紧弹簧设定 控制信息传递与反馈 转速 离心机构 检测或感知 偏差 杠杆 液压比例控制器 油门 1 3反馈 第一章绪论 表示系统结构与工作原理的物理框图 离心调速系统控制方框图 比较 控制器 检测 被控对象 执行 运算放大 控制部分 被控部分 1 3反馈 第一章绪论 2 反馈控制系统的组成典型的反馈控制系统包括给定环节 测量环节 比较环节 放大运算环节 执行环节 被控对象等 每个组成部分的含义见教材P 6尽管不同的反馈控制系统是由许多起着不同作用的环节组成 但都可以看成是由控制部分和被控部分组成 反馈控制系统的组成 1 3反馈 第一章绪论 1 4系统的分类及对控制系统的基本要求 一 控制系统的几种分类1 按系统结构 反馈情况 开环控制系统闭环控制系统 系统没有反馈回路系统的输出对系统没有控制作用 系统有反馈回路系统的输出对系统有控制作用 1 4系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章绪论 如 步进电机驱动的数控机床 开环控制系统 普通洗衣机 家用电烤箱 微波炉 步进电机驱动的数控机床原理图 步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图 1 4系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章绪论 闭环控制系统 如 伺服电机驱动的数控机床 离心调速系统 恒温箱 冰箱 空调 伺服电机驱动的数控机床原理图 伺服驱动的数控机床闭环控制系统方框图 1 4系统的分类及对控制系统的基本要求 按有无反馈 开环系统 闭环系统 优点 构造简单 成本低 缺点 无抗干扰能力 不能自动纠偏 控制精度较低 优点 抗干扰能力强 稳态精度高 动态精度好 缺点 构造复杂 设计与制造较困难 成本较高 第一章绪论 1 4系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章绪论 2 按输出量的变化规律自动调节系统 恒值系统 系统的输出保持常量随动系统 伺服系统 系统的输出相应于输入按任意规律变化程序控制系统 系统的输出按预定程序变化 此类系统同时也是闭环系统 此类系统同时也是闭环系统 此类系统可以是开环系统 也可以是闭环系统 1 4系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章绪论 自动调节系统 如 前例中的离心调速系统 恒温箱 液面自动调节器 工业生产中温度 压力 流量 液面 速度等参数的控制 均属此类 1 4系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章绪论 随动系统 如 炮瞄雷达系统 导弹目标自动跟踪系统 仿形机床 全自动照相机的调焦系统 闪光系统 1 4系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章绪论 程序控制系统 如 数控机床进给系统 全自动洗衣机 微波炉 1 4系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章绪论 3 按信号类型4 按系统的性质5 按参数的变化情况6 按控制量 连续控制系统离散控制系统 线性控制系统非线性控制系统 定常系统时变系统 位移控制系统温度控制系统速度控制系统 1 4系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章绪论 二 对控制系统的基本要求 稳 快 准 控制系统的性能评价指标 系统的稳定性 系统的快速性 系统的准确性 指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力 这是系统正常工作的首要条件 在系统稳定的前提下 当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时 消除这种偏差的快速程度 调整过程结束后 输出量与给定的输入量之间的偏差 1 4系统的分类及对控制系统的基本要求 以坐车的感受为例简单说明 不同性质的控制系统 对稳定性 快速性和准确性的要求各有侧重 在同一个控制系统中 稳定性 快速性 准确性相互制约 应根据实际需求合理选择 如自动调节系统对稳定性要求较高 如随动系统对响应快速性要求较高 如数控机床对定位精度要求高 注意 1 4系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章绪论 第一章绪论 本章小结 机械工程控制论研究的对象与任务 系统 广义系统 机械系统 动力学问题 模型 静态模型 动态模型 反馈 正 负反馈 内 外反馈 控制系统的分类 闭环控制系统的组成 对控制系统的基本要求 本章小结 例1 1设电热水器如下图所示 为了保持希望的温度 由温控开关接通或断开电加热器的电源 在使用热水时 水箱中流出热水并补充冷水 试说明该系统工作原理并画出系统的方框图 解 在电热水器系统中 水箱内的水温需要控制 即水箱为被控对象 水的实际温度是被控制量 或称为系统的输出量 输入量为用户希望的 温度 给定值 由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使水箱内水温下降成为该系统的主要干扰 第一章绪论 补充习题 第一章绪论 补充习题 当To Ti时 水箱的实际水温经测温元件检测 并将实际水温转化成相应的电信号 与温控开关预先设定的信号进行比较而得到的偏差为零 此时电加热器不工作 水箱中的水温保持在希望的温度上 当使用热水并注入冷水时 水温下降 此时To Ti 则偏差不为零而使温控开关工作 于是电源接通 电加热器开始对水箱内的水进行加热 使水温上升 直到To Ti时为止 系统控制方框图如下图所示 第一章绪论 补充习题 例1 2分析图示液位自动控制系统工作原理并绘制系统功能框图 第一章绪论 补充习题 解 1 电位器滑动触点位于中间位置 电动机停转 阀门保持原有开度 水箱中流入水量与流出水量相等 液面保持在希望的高度 2 若系统收到扰动使液面升高 则浮子相应升高 通过杠杆作用使电位器滑动触点下移 给电动机提供一定的控制电压 驱动电动机通过减速器减小阀门开度 使输入流量减小 液位下降 直到电位器滑动触点回到中间位置 液面恢复给定高度 第一章绪论 补充习题 3 若系统收到扰动使液面下降