机械控制1PPT学习教案

1、会计学1机械控制机械控制1例.典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等。例.控制实例-液面控制人工控制自动控制第1页/共60页3、控制论: : 定义定义：关于控制原理和控制方法的学科，研究事物变化和发展的一般规律。控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置控制论强调：1)所研究的对象是一个系统；2)系统在不断地运动（经历动态历程、包括内部状态和外部行为）；3)产生运动的条件是外因（外界的作用：输入、干扰）4)产生运动的根据是内因（系统的固有特性）第2页/共60页控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。控制论经济学社会学生物学工程技术经济控制论社会控制论生物控制论工程控制论机

2、械工程机械工程控制论共同的本质特点：通过信息的传递、处理与反馈进行控制。第3页/共60页二、二、机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 机械工程控制论研究机械工程中广义系统广义系统的动力动力学问题学问题。1、系统(广义系统): :按一定的规律联系在一起的元素的集合。元素之间的联系）有关而且与系统的结构（即系统的元素有关，系统的特性不仅与构成元素之间的联系元素要素：出（响应）系统对外界的作用：输入、干扰外界对系统的作用：输：系统与外界的交互作用第4页/共60页系统框图如下: : 广义系统：具备系统要素的一切事物或对象，如机器系统、生命系统、社会系统、生产系统、思维、学习等。

3、 系统的层次性和相对性：系统的组成元素也可以是一个系统（子系统），整个系统又可以是更上一层系统的组成元素。 机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加工过程、测量、车间、部门、工厂、企业、企业集团等。第5页/共60页2、动力学问题: : 系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。这一过程中，系统系统及其输入输入、输出输出三者之间的动态关系动态关系即为系统的动力学问题。例.弹簧质量阻尼单自由度系统。分析：这是同一个系统，不同的外界作用第6页/共60页是输出。是输入，解：对于系

4、统)()(,tytfa可得：根据牛顿第二定律，受三个力的作用对于物体,m)(),()()(2微分算子dtdptftykcpmp可得：定律，是输出，根据牛顿第二是输入，对于系统)()(,tytxb)(),()()()(2微分算子dtdptxkcptykcpmp00)0(,)0() 1yyyy初始状态：)()22与外界无关系统的固有特性：kcpmp)(),() 3系统的输入或激励外界的作用：tftx第7页/共60页kcp, 1)4的关系）：外界作用方式（与外界)()5ty统的输出）：系统对输入的响应（系对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：1)系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)，三者之间

5、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。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。上式中y(t)为微分方程的解，显然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决定。基本的动力学问题基本的动力学问题。第8页/共60页注意：系统的初始状态也可视为一种特殊的输入，即初始输入或初始激励。当初态不为0时，即使无输入，系统的状态也不断改变，这就是自由运动。工程控制论的内容可归纳为如下工程控制论的内容可归纳为如下5个方面：个方面：（1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题； （2）已知系统和系统的理想输出

6、，设计输入，即最优控制问题； （3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题； （4）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题； （5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。 第9页/共60页三、三、系统及其模型系统及其模型 1、系统的特性: :（1）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； （2）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多； （3）系统往往具有表现出在时域、频域或复域等域内的动态特性。 2、机械系统: : 以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。对于机械系统

7、，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。 第10页/共60页3、系统模型: : 模型是研究系统、认识系统与描述系统、分析系统的一种工具。在我们这里模型是指一种用数学方法所描述的抽象的理论模型，用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与其外部环境之间的关系，故又称为数学模型。 系统的模型包括实物模型、物理模型、和数学模型等等。而数学模型又包括静态模型和动态模型。动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或控制工程中，一般关心的是系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。 静态模型反映系统在恒定载荷或缓变作用下或在系统平衡状态下的特性，现时输出仅由其现时输入所决定，一般以代数公式描

8、述。第11页/共60页 动态模型反映系统在迅变载荷或在系统不平衡状态下的特性，现时输出还由受其以前输入的历史的影响，一般以微分方程或差分方程描述。例可见书P6图1.2.2。四、四、反馈反馈 1、定义:系统的输出不断地，直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统，其实质就是信息的传递与交互。)()()()(tFtkxtxctxm系统动态模型：。，这是系统的静态模型化为，上式可简当系统运动很慢时，其KtFtxxx/ )()(0, 0第12页/共60页例5：解：如果负载变化，使w增加-离心机构滑套上移-液压滑阀上移，动力活塞下移，油门关小，w减小-直到滑阀回复中位，w回复到设定值。通过检测系统的实

9、际输出值，并与设定值进行比较，反过来又作用于系统，形成反馈，进而调节系统的输出，本例中的反馈表现为w变化所引起的信息传递与交互。第13页/共60页2、内反馈与外反馈外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈，称为外反馈。 内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。它是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变得异常复杂。例：m-c-k系统)()()()()()()()(2222tkydttdyctfdttydmtftkydttdycdttydm或解：由题可得：第14页/共60页3

10、、系统方框图及其组成 系统方框图由许多对信号（量）进行单向传递的元件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。它包括三个基本的单元，即： 1 )引出点（分支点）：表示信号的引出或信号的分支，箭头表示信号的传递方向，线上标记信号的名称。显然这是一个内反馈，因为没有附加反馈控制装置。内反馈是系统内部的信息交互，反映了系统的动态特性。第15页/共60页 比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号进行相加或相减运算。“+”表示信号相加；“-”表示信号相减。 元件方框：方框中写入元、部件的名称，进入箭头表示其输入信号；引出箭头表示其输出信号。第16页/共60页例：见书P

11、23页1.4题解：当刀具以进给量s进行切削时，在切削过程中产生切削力Py，而使机床-工件系统发生变形退让，减少了刀具的实际进给a，此时a=s-y,进行影响到切削刀的变化，如此循环，使得切削过程为一个动态过程，其过程如下图所示的方框图表示：切削过程机床-工件系统s ayyP第17页/共60页例：见书P24页1.7-1题解：人骑自行车时，总是希望自行车具有一定的理想状态（如速度，方向等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，使得自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉车子的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态

12、的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈的过程如下图所示：运动系统感觉器官理想状态大脑自行车实际状态干扰第18页/共60页加热电阻丝220V调压器人工控制的恒温箱 温度计例7：人工控制恒温箱调节过程： 观测恒温箱内的温度（被控制量） 与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度 偏差的大小和方向1、控制系统工作原理五、控制系统的工作原理及其组成五、控制系统的工作原理及其组成第19页/共60页 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电 阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差。大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度期望温度人工控制恒温箱系统功能框图

13、温度计第20页/共60页加热电阻丝220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1+u恒温箱自动控制系统例8：第21页/共60页恒温箱自动控制系统工作原理： 恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度 u2比较得到温度偏差信号uu1 u2 温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为 止，此时，偏差u0，电机停止转动。系统功能框图如下所示：第22页/共60页给定信号电压功率放大器控制电机减速器调压器恒温

14、箱(控制对象)热电偶u1u2uuanvu温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统功能框图从恒温箱控制系统功能框图可见： 给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。 也称为参考输入量（信号）。 被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。第23页/共60页 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏 差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。 输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部 分输出信号称为反馈信号。综上所述，控制系统的工作原理：综上所述，控制系统的工作原理： 检测输出量（被控制量）的实际值 将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比 较得出偏差； 用偏差值

15、产生控制调节作用去消除偏差，使得 输出量维持期望的输出。第24页/共60页由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。 注意：注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。第25页/共60页六、系统的分类及对控制

16、系统的基本要求六、系统的分类及对控制系统的基本要求1、开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类： 开环控制系统 闭环控制系统 半闭环控制系统第26页/共60页 开环控制系统特点特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端 和输入端之间不存在反馈回路；输出量 在整个控制过程中对系统的控制不产生 任何影响。 输入装置指令系统输入控制装置伺服驱动装置工作台工作台 位置系统输出数控机床的开环控制系统框图优点优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。第27页/共60页缺点缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力控制器对象或过程输入量

17、输出量开环控制系统框图 闭环控制系统特点特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输 出量对控制过程有直接影响。 闭环的作用：应用反馈，减少偏差。 优点优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不 敏感 第28页/共60页缺点缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性 能分析和设计麻烦。 控制器对象或过程输入量输出量测量元件闭环控制系统框图反馈量 半闭环控制系统特点特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。第29页/共60页2、闭环控制系统的组成给定元件 +串联校正元件放大变换元件执行元件控制对象_ +_并联校正元件局部反馈反馈元件主反馈控制部分比较元件比较元件输入信号 xi偏差信号 e主反馈信号 xb

18、扰动信号输出 xo闭环控制系统的组成 给定元件 产生给定信号或输入信号。第30页/共60页 反馈元件 测量被控制量（输出量），产生反馈信号。 为便于传输，反馈信号通常为电信号。 注意：在机械、液压、气动、机电等系统中存在着内在反馈，这种反馈无须专门的反馈元件，是系统内部各参数相互作用产生的，如作用力与反作用力之间形成的直接反馈。 比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号； 放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。第31页/共60页 执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、液压马达等； 校正元件 用以改善系统控制质量的装置。校正元件分为串联和

19、并联两种。控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动，但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。第32页/共60页3、输出变化规律分类 恒值控制系统系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。 如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。 程序控制系统输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。 随动系统（伺服系统）输入量的变化规律不能预

20、先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除第33页/共60页各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。4、按系统中传递信号的性质分类按系统中传递信号的性质分类 连续控制系统系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。 离散（数字）控制系统系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。 第34页/共60页5、线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统 线性系统由线性元件组成，输入输出问具有叠加性和均匀性性质，以线性微分方程来表述。 非线性系统系统中有非线

21、性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。用非线性微分方程来表述。第35页/共60页6、其它分类系统其它分类系统 定常系统和时变系统 机械、电气、机电、液压、气动、热力等控 制系统 温度、压力、位置等控制系统第36页/共60页七、七、对控制系统的基本要求1、稳定性、稳定性 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。 控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。第37页/共60页2、精确性、精确性 控制

22、精度，以稳态误差来衡量。稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量之间的差值。 3、快速性、快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。注意： 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快 速性要求各有侧重。第38页/共60页 系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应 根据实际需求合理选择。第39页/共60页八、控制工程发展概况l 1788年：J. Watt 发明蒸汽机 调速器 l 一千多年前：铜壶滴漏计时 器、指南针、各种天文仪器 时间刻度浮子铜壶滴漏l 1868年：J. C. Maxwell发表 调速器，提出反馈

23、控制 的概念及稳定性条件。l 1884年：E. J. Routh提出劳斯稳定性判据。l 1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普诺夫稳定 性理论。第40页/共60页l 1895年：A. Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。l 1932年：H. Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。l 1945年：H. W. Bode提出反馈放大器的一般设 计方法l 1948年：N. Wiener发表控制论，标志经典 控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数 为基础，主要研究单输入单输出（SISO）系 统的分析和控制问题； l 1950年：W. R. Evans提出根轨迹法，进一步充 实了经典控制论

24、；第41页/共60页l 1954年：钱学森发表工程控制论； l 50年代末60年代初：现代控制理论形成；现代 控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研 究多输入-多输出( MIMO )、时变、非线性等 系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适 应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重 点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空 间方法。 第42页/共60页l 1956年：蓬特里亚金（Pontryagin）提出极大 值原理l 1957年：R. I. Bellman提出动态规划理论l 1960年：R. E. Kalman提出卡尔曼滤波理论l 19601980年：确定性系统的最优控制、随机 系统的最优

25、控制、复杂系统的自适应和自学习 控制l 1980迄今：鲁棒控制、H控制、非线性控制、 智能控制等第43页/共60页九、本课程的任务及主要内容l 本课程的任务本课程的任务 控制系统性能分析动态性能：过渡过程分析、稳定性分析等稳态性能：控制精度（稳态误差） 控制系统设计选择适当的控制器及控制规律以改善控制系统的性能使其满足控制要求。控制系统的性能分析和设计通常是交替进行的。第44页/共60页控制系统分析和设计一般包括： 建立控制对象的数学模型（线性化模型） 对象的性能分析、仿真 选择控制方案（开环/闭环；线性/非线性等） 选择性能指标，设计控制器 全系统性能分析、仿真 研制控制器，构建控制系统 试

26、验验证第45页/共60页l 本课程主要内容本课程主要内容 控制系统数学模型的建立 控制系统的时域分析 控制系统的频域分析 控制系统稳定性分析 控制系统的设计和校正介绍经典控制理论的基础知识，包括：第46页/共60页十、习题自动控制系统方框图的绘制步骤(重点掌握)：（1）分析控制系统的工作原理，找出被控对象。 （2）分清系统的输入量、输出量。 （3）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。（4）按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连接起来第47页/共60页例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，设为；输入量为用户希望的温度（给定值），设为；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48页/共60页当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，