第一章绪论41110

1、北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论1 机机 械械 控控 制制 工工 程程 基基 础础主主 讲：任立敏讲：任立敏北华大学二零一二年九月北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论2 p 机械控制工程是研究控制论在机械工程中应用的科机械控制工程是研究控制论在机械工程中应用的科 学。它是一门技术科学，也是一门跨控制论和机械工程学。它是一门技术科学，也是一门跨控制论和机械工程领域的边缘学科。领域的边缘学科。机械控制工程基础

2、机械控制工程基础是本学科的技是本学科的技术基础课。术基础课。课程的性质和特点 机械控制工程基础机械控制工程基础复变函数复变函数 电子技术电子技术线性代数线性代数微积分微积分测试技术测试技术数控技术数控技术机电接口机电接口等等理论力学理论力学p 理论性非常强但又和实际应用紧密结合。理论性非常强但又和实际应用紧密结合。北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论3 一般一般概念概念课程的体系结构 时域法时域法复域法复域法*频域法频域法稳定性稳定性123465性能性能指标指标系统系统模型模型北华大学机械工程学院北华

3、大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论4 第一章第一章 绪论绪论1.1 机械工程控制论概述机械工程控制论概述 1.2 控制系统的工作原理与组成控制系统的工作原理与组成 1.3 控制系统的分类与基本要求控制系统的分类与基本要求本章本章 小结小结 北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论5 v了解自动控制和自动控制系统的基本概念；了解自动控制和自动控制系统的基本概念； v重点掌握闭环控制系统的原理和组成；重点掌握闭环控制系统的原理和组成； v

4、掌握反馈控制系统的基本要求掌握反馈控制系统的基本要求； 学习重点学习重点北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论6 1.1.1 控制论概述控制论概述1.1 机械工程控制论的基本概念机械工程控制论的基本概念 反馈控制反馈控制系统稳定系统稳定最优控制最优控制传递函数传递函数状态状态方程方程非非线性系统、时变系统线性系统、时变系统MIMOn ( 20世纪世纪40年代年代 ) SISO线性定常系统线性定常系统模糊控制模糊控制神经网络神经网络遗传算法遗传算法微分方程微分方程状态空间分析法状态空间分析法人工智能人工智

5、能北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论7 1.1.2 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是机械工程技术中广义系统的动力学问题。即研究研究系统及其系统及其输入、输出输入、输出三者之间的动态关系三者之间的动态关系。系统：系统：按一定规律联系在一起的元素的集合。按一定规律联系在一起的元素的集合。广义系统：广义系统：通常机械工程控制论简称机械控制工程，其所研究的系统可通常机械工程控制论简称机械控制工程，其所研究的系统可 大可小，可繁可简，完全由研究的需要决定，因而称之为广义系统。大可

6、小，可繁可简，完全由研究的需要决定，因而称之为广义系统。动态关系：动态关系：系统在外界条件作用系统在外界条件作用（输入或激励、包括控制与外界干扰）（输入或激励、包括控制与外界干扰） 下，从一定初始状态出发，所经历由内部的固有特性下，从一定初始状态出发，所经历由内部的固有特性（由系（由系 统结构与参数所决定）统结构与参数所决定）所决定的动态历程所决定的动态历程（输出或响应）（输出或响应）北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论8 1）已知系统、输入，求输出。2）系统已确定输出已知，求输入，要求输出符合给定最

7、佳值。3）已知输入，输出给定，要确定系统，使输出尽可能符合给定最佳要求。4） 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，建立系统的数学模型。5）系统已定，输出已知，要识别输入或输入中的有关信息。北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论9 北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论10 北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第

8、一章 绪论绪论11 北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University测试技术基础测试技术基础 第五章第五章 信号变换及调理信号变换及调理 进水 出水北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论13 1.2.1 1.2.1 基本概念基本概念控制控制人工控制人工控制自动控制自动控制自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置使生产设备或工艺过程装置使生产设备或工艺过程（被控对象）的某个的某个物理量物理量（被控量）按预定的规律按预定的规律（给定量）进

9、行进行变化。变化。例如：轧钢厂加热炉温度的控制等。例如：轧钢厂加热炉温度的控制等。 由控制器和被控对象组成的能实现自动控制任务的由控制器和被控对象组成的能实现自动控制任务的所有物理部件的有机组合体。所有物理部件的有机组合体。北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论14 进水 出水1.2.2 1.2.2 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论15 例例1-1 水箱液

10、位控制系统水箱液位控制系统Q2阀门V1进水出水 给定水位Q1H Hg g北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论16 12扰动量给定量输出量 1 - 控制器(进水阀门) 2 - 被控对象(水箱) 开环控制系统结构图开环控制系统结构图 北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论17 （2 2）开环控制特点）开环控制特点 p输入控制输出输入控制输出 ；p输出不参与控制输出不参与控制 ；p系统抗干扰能力较差系统抗干扰能力较差

11、 。（1 1）开环控制）开环控制 只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论18 例例1-2 水箱液位闭环控制系统水箱液位闭环控制系统（1 1）人工闭环控制）人工闭环控制阀门V1进水出水 给定水位Q1Q2北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论19 （2 2）自动闭环控制）自动闭环控制阀门进水出水 给定水位Q1Q2H Hg g放放大大器器RPBUaRPAMUUB

12、UA北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论20 北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论21 13闭环控制系统组成方框图闭环控制系统组成方框图1-1-执行器执行器 2-2-控制对象控制对象 3-3-检测装置检测装置2浮球杠杆电位器RPB水箱阀门给定给定水位水位 Q2实际实际水位水位Q1放大器减速器电机- -RPAUA12扰动量给定量输出量北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械

13、控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论22 反馈控制特点反馈控制特点 p 输入控制输出输入控制输出 ；p 输出参与控制；输出参与控制； p 检测偏差纠正偏差检测偏差纠正偏差 ；p 具有抗干扰能力具有抗干扰能力； 反馈控制反馈控制 将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，与给定信号进行比较产生偏差，此偏差经过控制器产与给定信号进行比较产生偏差，此偏差经过控制器产生控制作用，使输出量按照要求的规律变化。生控制作用，使输出量按照要求的规律变化。 反馈信号与给定信号极性相反为负反馈，反之为正反馈。反馈信号与给定信号极性相反为负反馈，反之为正

14、反馈。 2012.8.27第第1次课次课北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论23 AB阀门滑套离心机构n1BA滑套蒸汽机负载T进汽量qn瓦特式蒸汽机离心调速器例例1：离心机构 蒸汽机阀门比较机构给定ngT实际nq转换机构蒸汽系统-tTTotnt1ng北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论24 1.2.3 1.2.3 闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成 反馈元件被控对象放大元件给定元件干扰比较元件执行元件xie

15、xo控制器控制器北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论25 给定元件给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号。：主要用于产生给定信号或输入信号。 反馈元件反馈元件：测量被控制量或输出量测量被控制量或输出量xo，产生主反馈信号。将，产生主反馈信号。将 其转换成便于传递的物理量，反馈到比较环节。其转换成便于传递的物理量，反馈到比较环节。 比较元件比较元件：用来接收输入信号并和反馈信号进行比较，产生：用来接收输入信号并和反馈信号进行比较，产生 反映两者差值的偏差信号反映两者差值的偏差信号e=xi-xf。 放大

16、元件放大元件：对较弱的偏差信号作功率放大，以推动执行元件对较弱的偏差信号作功率放大，以推动执行元件 动作。动作。 执行元件执行元件：直接驱动被控对象按预定规律运动的元件。：直接驱动被控对象按预定规律运动的元件。 校正元件校正元件：为改善系统控制性能而加入系统中的元件。：为改善系统控制性能而加入系统中的元件。2.2.闭环控制系统的基本环节闭环控制系统的基本环节 北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论26 1）在控制理论和控制技术中，运动规律或状态需要控制在控制理论和控制技术中，运动规律或状态需要控制 的装

17、置称为的装置称为 2）被控对象以外的所有装置，称为被控对象以外的所有装置，称为 3）又叫输入量、控制量或给定量。一般输入信号是指控又叫输入量、控制量或给定量。一般输入信号是指控 制输出量变化规律的信号。制输出量变化规律的信号。 4）又叫输出量、被控制量或被调节量。表征被控对象运又叫输出量、被控制量或被调节量。表征被控对象运 动规律或状态的物理量。动规律或状态的物理量。 5）它是输出信号经过反馈元件变换后加到输入端的信号。它是输出信号经过反馈元件变换后加到输入端的信号。 6）系统的输入量与反馈量之差，即比较环节的输出。系统的输入量与反馈量之差，即比较环节的输出。 7）指输出量的实际值与希望值之差

18、。指输出量的实际值与希望值之差。 8）又叫干扰信号。偶然的人为无法控制的信号。又叫干扰信号。偶然的人为无法控制的信号。北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论27 1.3 对控制系统的分类与基本要求对控制系统的分类与基本要求1、恒值控制系统：恒值控制系统： 控制系统的输入量是一个恒定值恒定值，在整个运行过程中不改变（可定期校准或更改输入量）。 恒值控制系统的任务，是保证在任何干扰作用下，输出量维持恒定不变。 通常工业生产过程的温度、流量、液位、压力等控制都属于此类。北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院

19、Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论28 2、程、程序序控控制系统：制系统： 系统输入量不为恒定值，但其变化规律是预先已知的时间函数预先已知的时间函数。系统的输出量也要按相应的规律变化。 数控机床的切削加工系统就是典型的程序控制系统。北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论29 3、随动系统：随动系统： 系统的给定量是按照事先未知的时间函数事先未知的时间函数变化，要求系统能排除各种干扰因素，使被控量迅速平稳地复现和跟踪输入信号的变化。 雷达天线的自动跟

20、踪系统，火炮自动瞄准系统就是典型的随动控制系统。北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论30 1、连续控制系统、连续控制系统 指控制系统中的所有信号在时间上是连续的。 2、离散控制系统、离散控制系统 指系统中某一处或数处的信号是以脉冲序列或数字量传递的系统，又称数字控制系统。北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论31 2、非线性系统、非线性系统 系统中只要有一个元件特性不能用线性微分方程描述其输入和输出关系，则称非

21、线性系统。1、线性系统、线性系统 组成系统的元件的特性均为线性的，可用一个或一组线性微分方程来描述系统的输入和输出之间的关系。线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。 北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论32 “稳稳”与与“快快”是说明系统动态（过渡过程）品质。是说明系统动态（过渡过程）品质。 系统的过渡过程产生的原因系统的过渡过程产生的原因 ： 系统中储能元件的能系统中储能元件的能量不可能突变。量不可能突变。 “准准”是说明系统的稳态（静态）品质。是说明系统的稳态（静态）品质。北华大学机械工程学院北

22、华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论33 1、稳定性、稳定性(稳稳)tnNg（a) 不稳定tnNg（b) 稳定 是保证控制系统正常工作的首要条件。线性控是保证控制系统正常工作的首要条件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件和初始状态无关。若系统参数匹配不当可与外部条件和初始状态无关。若系统参数匹配不当可能引起振荡。能引起振荡。北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪

23、论34 2、准确性、准确性(准准)是指控制系统的控制精度，一般用稳态误差来衡量。所谓稳态误差是指以一定变化的输入信号作用于系统后，系统对抗干扰重新获得平衡状态时，输出量的实际值与期望值之间的误差。稳态精度与控制系统的结构、参数及输入信号形式有关。 北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院Beihua University机械控制工程基础机械控制工程基础 第一章第一章 绪论绪论35 3、快速性、快速性(快快)是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。用超调量、动态响应时间等 指标来衡量。快速性好的系统，消除偏差的过渡过程时间短，因而能复现快速变化的输入信号，并具有较好的动态性能。 系统的阶跃响应 )(txo2stt北华大学机械工程学院北华大学