机械控制工程基础第一章

1、 专业技术基础课专业技术基础课课程性质课程性质: :服务对象服务对象:大机类专业大机类专业课程特点：课程特点：内容丰富，技术更新快，内容丰富，技术更新快，紧密联系实际，应用广泛。紧密联系实际，应用广泛。本课是机械专业的机电技术专业基础课，应用广泛本课是机械专业的机电技术专业基础课，应用广泛，学时少、内容多，不能轻视。否则，对以后的工，学时少、内容多，不能轻视。否则，对以后的工作、学习将会造成影响。作、学习将会造成影响。前导课程：前导课程：复变函数、复变函数、电工学、机械设计基础、力学电工学、机械设计基础、力学 后续课程：电气控制、数控机床、后续课程：电气控制、数控机床、 毕业设计等毕业设计等

2、控制思想、控制方法论控制思想、控制方法论 机械控制工程基础机械控制工程基础课程说明课程说明教学目标：教学目标： 1.1.对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题本质和有效的解决方法方法进行科学分析，以找出问题本质和有效的解决方法2.2.如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。 以控制论为理论基础，研究机械工程中广义系以控制论为理论基础，研究机械工程中广义系统的动力学问题

3、；同时，它又是一种方法论。学习统的动力学问题；同时，它又是一种方法论。学习本课程的目的在于使学生结合工程实际，应用经典本课程的目的在于使学生结合工程实际，应用经典控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中的自动控制问题决其中的自动控制问题。教学内容：教学内容：主要教学内容主要教学内容基础知识基础知识分析方法分析方法基本概念基本概念控制系统结构体控制系统结构体系系控制系统数学模控制系统数学模型型控控制制工工程程基基础础时域分析时域分析频域分析频域分析系统稳定性判据系统稳定性判据工程应用工程应用系统性能指标系统性能指标系统校正系统校正第一章第一章

4、 绪论绪论1.1 1.1 控制工程概述控制工程概述1.2 1.2 控制系统的工作原理及组成控制系统的工作原理及组成1.3 1.3 控制系统的分类控制系统的分类1.4 1.4 控制系统的基本要求控制系统的基本要求1.5 1.5 本课程的性质、任务及学习方法本课程的性质、任务及学习方法当蒸汽机带动负载转动的同时，通过圆锥齿轮带动一对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链可带动套筒上下滑动，套筒内装有平衡弹簧，套筒上下滑动时可拨动杠杆，杠杆另一端通过连杆调节供汽阀门的开度。在蒸汽机正常运行时，飞锤旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置。如果由于负载增大使蒸汽机转速 下

5、降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，并通过杠杆增大供汽阀门的开度，从而使蒸汽机的转速回升。同理，如果由于负载减小使蒸汽机的转速 增加，则飞锤因离心力增加而使套筒上滑，并通过杠杆减小供汽阀门的开度，迫使蒸汽机转速回落。这样，离心调速器就能自动地抵制负载变化对转速的影响，使蒸汽机的转速保持在某个期望值附近。数字化控制技术大潮数字化控制技术大潮现象：数字化控制技术大潮现象：数字化控制技术大潮世纪之交的技术大转移：数字化大转移世纪之交的技术大转移：数字化大转移时间：世纪之交前后时间：世纪之交前后50年年50年前开始，年前开始，50年后成熟，信息领域数字技术一年后成熟，信息领域数字技术一统天下统天下

6、目前正是转移的高峰期：目前正是转移的高峰期：Internet、计算机、数字录音、数据通讯（目前、计算机、数字录音、数据通讯（目前主干，即将用户）、数字电视、数字广播、数字相主干，即将用户）、数字电视、数字广播、数字相机、数字摄像、数字城市、数字流域、数字地机、数字摄像、数字城市、数字流域、数字地球球 . 数字化控制、数字化生存数字化控制、数字化生存 专家预言：专家预言：50年后，不是数字的信息产品很难见年后，不是数字的信息产品很难见到（成熟）到（成熟）数字化控制技术大有用武之地！数字化控制技术大有用武之地！经典控制理论的基本特征经典控制理论的基本特征（1 1）主要用于线性定常系统的研究，即用于

7、常系数线性微分方）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；程描述的系统的分析与综合；（2 2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3 3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。态，是一种对系统的外部描述方法。 2020世纪世纪7070年代开始，现代控制理论继续向深度和广度年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1 1）现代频域方现代频域方法法 以传

8、递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2 2）自适应控制理论和方法自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数估计为基础，以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3 3）鲁棒控制方鲁棒控制方法法 在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。制器，以处理数学模型的不确定性。 随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关

9、联的子系统组成的大系统进行整体控制，展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。 大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统

10、理论目前仍处于发展和开创性阶段。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。 大系统理论大系统理论 是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为解决的复杂的控制问题。被控对象的复

11、杂性体现为: :模型的不模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。变化的不确定性和难以辨识。 智能控制是从智能控制是从“仿人仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包的概念出发

12、的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。 智能控制智能控制1.1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念控制系统一般由多个元件或环控制系统一般由多个元件或环节构成，在控制工程中，常用节构成，在控制工程中，常用方块图表示元件或环节在系统方块图表示元件或环节在系统中的功能。中的功能。方块图是元件或环节的功能的方块图是元件或环节的功能的信号信号( (能量能量) )流向的表示，以指流向的表示，以指向它的箭头表示输入信号，以向它的箭头表示输入信号，以离开它的箭头表示输出信号，离开它的箭头表示输出信号，

13、将表示元件或环节功能的传递将表示元件或环节功能的传递函数或文字写到方块内，构成函数或文字写到方块内，构成方块图单元。方块图单元。 1.1.1 1.1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道并回收等。1.1.1 1.1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念方块图方块图2u1u21uuuBANNTTekEln)(0keANBNuuT2TuuT2T从恒温箱控制系统功能框图可见：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，称为给定量位于系统的输入端，称为系统输入

14、量系统输入量。 也称为也称为参考输入量参考输入量（信号信号）。）。 被控制量位于系统的输出端，称为被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量系统输出量。 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系输出量（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，产生统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏偏 差差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。（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输出量的返回过程称为反馈反馈。反馈信号反馈信号：是输出信号经过反馈元件变换后加到输：是输出信号经过反馈元件变换后加到输 入端的信号。入端的信号。偏差偏差：系统的输入量与反馈量之差，即

15、比较环节的：系统的输入量与反馈量之差，即比较环节的 输出。输出。误差信号误差信号：指输出量的实际值与希望值之差，通常：指输出量的实际值与希望值之差，通常 希望值是系统的输入量。希望值是系统的输入量。注意：注意：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： 显然：显然：反馈控制建立在偏差基础上反馈控制建立在偏差基础上，其控制方，其控制方式是式是“检测偏差再纠正偏差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。进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为称为反馈控制系统反馈控制

16、系统。反馈控制系统具备反馈控制系统具备测量测量、比较比较和和执行执行三个基本功能。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，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，称为使偏差越来越小，称为负反馈负反馈。负反馈控制是实现。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。自动控制最基本的方法。1.2.21.2.2控制系统组成（开环控制与闭环控制）控制系统组成（开环控制与闭环控制）1.2.21.2.2控制系统组成（开环控制与闭环控制）控制系统组成（开环控制与闭环控制）系统只是根据输入量对输出量进行控制，输出系统只是根据输入量对输出量进行控制，输出端和输入端不存在

17、反馈回路，系统的输出量对端和输入端不存在反馈回路，系统的输出量对系统的控制不产生任何影响。系统的控制不产生任何影响。 1.2.21.2.2控制系统组成（开环控制与闭环控制）控制系统组成（开环控制与闭环控制）1.2.21.2.2控制系统组成（开环控制与闭环控制）控制系统组成（开环控制与闭环控制）1.2.21.2.2控制系统组成（开环控制与闭环控制）控制系统组成（开环控制与闭环控制）1.2.21.2.2控制系统组成（开环控制与闭环控制）控制系统组成（开环控制与闭环控制）1.2.21.2.2控制系统组成（开环控制与闭环控制）控制系统组成（开环控制与闭环控制）控制器受控对象传感器参考输入输出控制指令反

18、馈信号1.2.21.2.2控制系统组成（开环控制与闭环控制）控制系统组成（开环控制与闭环控制）1.2.21.2.2控制系统组成（开环控制与闭环控制）控制系统组成（开环控制与闭环控制）1.2.21.2.2控制系统组成（开环控制与闭环控制）控制系统组成（开环控制与闭环控制）1.2.21.2.2控制系统组成（开环控制与闭环控制）控制系统组成（开环控制与闭环控制）1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.3 1.3 自动控制系统的分类

19、自动控制系统的分类1.4 1.4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1.4 1.4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1.4 1.4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1.5 1.5 本课程的性质、任务及学习方法本课程的性质、任务及学习方法 本课程是一门技术基础课。利用控制本课程是一门技术基础课。利用控制论的理论与方法解决机械工程实际问题的论的理论与方法解决机械工程实际问题的一门技术科学。一门技术科学。 1.5 1.5 本课程的性质、任务及学习方法本课程的性质、任务及学习方法 1.5 1.5 本课程的性质、任务及学习方法本课程的性质、任务及学习方法di

20、ligenthard-workingH H注注 入入控控 制制 器器（ 比比 较较 、 放放 大大 ）Q Q1 1浮浮 子子流流 出出Q Q2 2（ I I） 原原 理理 图图气气 动动 阀阀 门门 希望液位实实际际液液位位放放大大元元件件气气动动阀阀门门水水 箱箱浮浮 子子控制器 注入（II） 控制系统方块图眼睛测量装置（浮子） 手 气动阀门头脑控制器，比较、计算希望液位实实际际液液位位肌肌肉肉、手手阀阀 门门水水 箱箱眼眼 睛睛（III） 相对应的人工操纵系统方块图 脑图示为水温控制系统示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。 系统的被控

21、对象和控制量各是什么？工作原理：温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温，并在温度控制器中与给定温度相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大，进入热交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。如果由于某种原因，冷水流量加大，则流量值由流量计测得，通过温度控制器，开大阀门，使蒸汽量增加，提前进行控制，实现按冷水流量进行顺馈补偿，保证热交换器出口的水温不发生大的波动。 热交换器是被控对象，实际热水温度为被控量，给定量（希望温度）在控制器中设定；冷水流量是干扰量。 许多机器，像车床、铣床和磨床，都配有跟随器，用来复现模板的外形。右图就是这样一种跟随系统的原理图。在此系统中，刀具能在原料上复

22、制模板的外形。 模板与原料同时固定在工作台上。X、Y轴直流伺服马达接受控制器的指令，按输入命令带动工作台做X、Y方向运动。模板随工作台移动时，触针会在模板表面滑动，跟随刀具中的位移传感器将触针感应到的反映模板表面形状的位移信号送到跟随控制器，控制器的输出驱动Z轴直流伺服马达带动切削刀具连同刀具架跟随触针运动，当刀具位置与触针位置一致时，两者位置偏差为零，Z轴伺服马达停止。系统中，刀具是被控对象，刀具位置是被控量，给定量是由模板确定的触针位置。系统方框图如图解1-9所示。最终原料被切割加工成模板的形状。这是利用机器的仿形原理，用旋转刀具锉削出来 当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位

23、置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。控制技术控制技术 应用举例应用举例 (1)工工 业业 控控 制制电机控制电机控制机床控制机床控制生产过程自动化控制生产过程自动化控制机器人控制机器人控制. . . . . . . . . . .控制技术的应用控制技术的应用 船用火力发电综合控制系统船用火力发电综合控制系统 家家 用用 电电 器器 冰箱、洗衣机冰箱、洗衣机 家庭影院家庭影院 微波炉微波炉 . . . . . .控制技术控制技术 应用举例应用举例 (2)消费类产品消费类产品 WalkMan U盘、盘、 MP3 手机应用产品手机应用产品 . .