机械工程控制基础课件

1、机械控制工程基础机械控制工程基础杨倩杨倩College of mechanical & electronic engineering控制论是研究什么的？定义？控制论是研究什么的？定义？说法一：说法一：“控制论控制论”是关于机器的理论是关于机器的理论说法二：说法二：“控制论控制论”是电子计算机和电子学的理是电子计算机和电子学的理论论说法三：说法三：“控制论控制论”就是类似于数学的一门学科就是类似于数学的一门学科说法四：说法四：“控制论控制论”是关于动物和机器中控制和是关于动物和机器中控制和通信的科学（维纳定义）通信的科学（维纳定义）“控制论控制论”是以研究各种系统共同存在的控制规律是以研究各种系

2、统共同存在的控制规律为对象的一门科学。为对象的一门科学。控制论控制论”就是要揭示包括机器、生物、社会在内的就是要揭示包括机器、生物、社会在内的各种不同的控制系统的共同规律。各种不同的控制系统的共同规律。 是研究各种系统共同控制规律的科学，是方法论。是研究各种系统共同控制规律的科学，是方法论。 第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering维纳是如何发现问题、提出问题并创立这一全维纳是如何发现问题、提出问题并创立这一全新的学科的呢？新的学科的呢？人的有目的的活动人的有目的的活动 VS 具有控制功能的机器具有控制功能的机器 取

3、物取物 火炮打敌机火炮打敌机感觉器官：眼、耳感觉器官：眼、耳 检测机构：雷达检测机构：雷达中枢决策器官：大脑中枢决策器官：大脑 决策机构：指挥仪决策机构：指挥仪效应器官：手、脚效应器官：手、脚 执行机构：随动系统执行机构：随动系统第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering问题问题1：各种系统有什么共性？各种系统有什么共性？尽管机器与动物在本质上有着天壤之别，有着尽管机器与动物在本质上有着天壤之别，有着无生命与有生命的差别，但从机器控制的动作无生命与有生命的差别，但从机器控制的动作和人的行为过程来看，他们有着相当确切的和

4、人的行为过程来看，他们有着相当确切的“同构性同构性” 。第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering问题问题2：究竟是什么东西使的尽管在质的方面有：究竟是什么东西使的尽管在质的方面有着天壤之别的机器和人在行为活动中，有如此着天壤之别的机器和人在行为活动中，有如此相似的过程呢？相似的过程呢？开汽车开汽车用手取物用手取物方向盘方向盘手臂神经手臂神经输入端输入端转动机构转动机构手臂、肌肉、大手臂、肌肉、大脑脑执

5、行机构（控制机执行机构（控制机构）构）车轮车轮手指手指输出端输出端力力生物电生物电信息信息共同点：共同点：控制内容控制内容-信息信息，正是控制部分和受，正是控制部分和受控部分之间发生了这种信息的联系、信息的运控部分之间发生了这种信息的联系、信息的运动，控制过程才得以实现。动，控制过程才得以实现。控制过程就是系统中信息运动的过程。控制过程就是系统中信息运动的过程。第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering问题问题3：控制过程是怎样具体实现的呢？信息是：控制过程是怎样具体实现的呢？信息是以怎样的形式实现控制和操纵的呢？以怎

6、样的形式实现控制和操纵的呢？控制的反馈机制控制的反馈机制 控制理论中称信息的双向运动为控制理论中称信息的双向运动为“反馈联系反馈联系”。“反馈反馈”是指：控制系统把信息传输出去后，是指：控制系统把信息传输出去后，又将信息的作用返回到控制系统，并对控制系又将信息的作用返回到控制系统，并对控制系统的再输出产生影响。统的再输出产生影响。第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering控制论中的三大要素：控制论中的三大要素： u同构理论同构理论u信息的流通、交换信息的流通、交换u反馈机制反馈机制第一章 控制系统的基本概念Colleg

7、e of mechanical & electronic engineering第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念一、一、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二、控制系统的工作原理及其组成二、控制系统的工作原理及其组成三、控制系统的基本类型三、控制系统的基本类型四、对控制系统的基本要求四、对控制系统的基本要求五、本课程的任务及主要内容五、本课程的任务及主要内容第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mec

8、hanical & electronic engineering一、一、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系统是由系统是由相互联系、相互作用相互联系、相互作用的若干部分构成且具有一定运动的若干部分构成且具有一定运动规律的一个规律的一个有机整体有机整体。是按一定规律联系在一起的元素的集合。是按一定规律联系在一起的元素的集合。系统及广义系统系统及广义系统要素要素：元素元素元素之间的关系元素之间的关系第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering机械工程控制论实质上是研究机械工

9、程技术中机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广义系统的动广义系统的动力学问题力学问题。具体地说，它研究的是机械工程广义系统在一定。具体地说，它研究的是机械工程广义系统在一定的外界条件（即输入或激励、干扰）作用下，从系统的一定的外界条件（即输入或激励、干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性固有特性（即由（即由系统系统的结构与参数所决定的特性的结构与参数所决定的特性）所决定的整个）所决定的整个动态历程动态历程；研究；研究这一这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系系统及其输入、输出三者之间的动态关系。机械工程控制论的研究对象机械工

10、程控制论的研究对象系统输入输出外界作用系统内部的信息 传递与交互系统的响应第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械工程控制论的任务可以分为以下五种：问题的不同，机械工程控制论的任务可以分为以下五种： （1 1）已知系统和输入，求系统的输出，即）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题系统分析问题； （2 2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即）已知系统和系统

11、的理想输出，设计输入，即最优控制问题最优控制问题； （3 3）已知输入和理想输出时，设计系统，即）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题最优设计问题； （4 4）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息， 此即此即滤波与预测问题滤波与预测问题； （5 5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统系统 辨识问题辨识问题。 机械工程控制论的研究任务机械工程控制论的研究任务 加热电阻丝加热电阻丝220V调压器调压器人工控制的恒温箱人工控制的恒温箱 温度计温度计第一章 控制系统的基

12、本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering二、控制系统的工作原理及其组成二、控制系统的工作原理及其组成控制：通过对一定对象实施一定的操作，以使其按照预定的规律运动或变化的过程。 被控对象：被控对象： 恒温箱恒温箱 控制器：控制器： 除恒温箱以外的所有装置，统称为控制器。除恒温箱以外的所有装置，统称为控制器。 被控制量：被控制量： 恒温箱的实际温度为被控制量（系统的输出量）恒温箱的实际温度为被控制量（系统的输出量） 希望值：希望值： 希望的恒温箱的温度希望的恒温箱的温度。控制量：控制量： 加热电阻丝的输出功率加热电

13、阻丝的输出功率。扰动量（干扰）：扰动量（干扰）： 恒温箱散热量恒温箱散热量 第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering人工控制恒温箱调节过程：人工控制恒温箱调节过程： 观测恒温箱内的温度（被控制量）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 偏差的大小和方向偏差的大小和方向 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电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。阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人

14、工控制过程的实质：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。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering系统方框图系统方框图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，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。表征了系统各元件之间及系统

15、与外界之间进行信息交换的过程。包括三个基本的单元包括三个基本的单元: :引出点引出点, ,比较点比较点, ,元件方框元件方框大脑大脑手手调压器调压器恒温箱恒温箱眼睛眼睛实际实际温度温度期望期望温度温度人工控制恒温箱系统功能框图人工控制恒温箱系统功能框图温度计温度计 -l 自动控制自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为备或装置（称为控制装置控制装置或或控制器控制器），使机），使机器、设备或生产过程（通称器、设备或生产过程（通称被控对象被控对象）的某）的某个工作状态或参数（即个工作状态或参数（即被控量被控量）自动地按照）自动地按照预定的规

16、律运行。预定的规律运行。如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶 及飞机自动驾驶、导弹制导等。及飞机自动驾驶、导弹制导等。第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering加热电阻丝加热电阻丝220V调压器调压器热电偶热电偶给定信号给定信号比较比较电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器执行执行电动机电动机减速器减速器u2u1 u恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic eng

17、ineering恒温箱自动控制系统工作原理：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恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度给定，并与实际温度 u2比较得到温度偏差信号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运动，反之加大电流，

18、直到温度达到给定值为 止，此时，偏差止，此时，偏差 u0，电机停止转动。，电机停止转动。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering给定给定信号信号电压电压功率功率放大器放大器控制控制电机电机减减速速器器调调压压器器恒温箱恒温箱(控制控制对象对象)热电偶热电偶u1u2uuanvu温度温度t(被控量被控量)扰动扰动恒温箱自动控制系统功能框图恒温箱自动控制系统功能框图第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engine

19、ering 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。返回的全部或

20、部。返回的全部或部 分输出信号称为分输出信号称为反馈信号反馈信号。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering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：检测输出量检测输出量（被控制量）（被控制量）的实际值的实际值将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比 较得出偏差；较得出偏差； 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得用偏差值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。输出量维持期望的输出。第一章 控制系统的基本概念第一章 控

21、制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预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）之间的偏输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为差，故称之为反馈控制反馈控制。显然：反馈控制建立显然：反馈控制建立在偏差基础上在偏差基础上，其控制方式，其控制方式是是“检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差”。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College

22、of mechanical & electronic engineering这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进这种基于反馈原理，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。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系统。反馈控制系统具备。反馈控制系统具备测量测量、比比较较和和执行执行三个基本功能。三个基本功能。 注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号注意：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，称为相减，使偏差越来越小，称为负反馈负反馈。负反馈控。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。制是实现自动控制最基本的方法。

23、第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringl 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两类：实际的控制系统根据有无反馈作用可分为两类： 开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering 开环控制系统开环控制系统特点：特点：系统仅受输入量和扰动量控制；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；输出端和输入端之间不存在

24、反馈回路； 输出量在整个控制过程中对系统的控制不输出量在整个控制过程中对系统的控制不 产生任何影响。产生任何影响。 输入输入装置装置指令指令系统输入系统输入控制控制装置装置伺服伺服驱动装置驱动装置工作台工作台工作台工作台 位置位置系统输出系统输出数控机床的开环控制系统框图数控机床的开环控制系统框图第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering优点：优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件简单、稳定、可靠。若组成系统的元件 特性和参数值比较稳定，且外界干扰较特性和参数值比较稳定，且外界干扰较 小，开

25、环控制能够保持一定的精度。小，开环控制能够保持一定的精度。缺点缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力精度通常较低、无自动纠偏能力控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量开环控制系统框图开环控制系统框图第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering 闭环控制系统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。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。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。 优点优点：精度高，

26、对外部扰动和系统参数变化不精度高，对外部扰动和系统参数变化不 敏感敏感 缺点缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性存在稳定、振荡、超调等问题，系统性 能分析和设计麻烦。能分析和设计麻烦。 第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量测量元件测量元件闭环控制系统框图闭环控制系统框图反馈量反馈量第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringl 闭

27、环控制系统的组成给定给定元件元件 +串联校正串联校正元件元件放大变换放大变换元件元件执行执行元件元件控制控制对象对象_ +_并联校正并联校正元件元件局部局部反馈反馈反馈元件反馈元件主反馈主反馈控制部分控制部分比较比较元件元件比较比较元件元件输入信号输入信号 xi偏差信号偏差信号 e主反馈信号主反馈信号 xb扰动信号扰动信号输出输出 xo闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering 给定元件给定元件 产生给定信号或输入信号。产生给定信号或输入信号。 反馈元件反馈

28、元件 测量被控制量（输出量），产生反馈信号。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。为便于传输，反馈信号通常为电信号。 第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering 比较元件比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差 信号；信号； 放大元件放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱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。动执行元件实现控制功能。 执行元件执行元件 直接对受控对象进行操纵的元

29、件；如电动机、直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、 液压马达等；液压马达等； 第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering 校正元件校正元件 用以改善系统控制质量的装置。用以改善系统控制质量的装置。校正元件分为串联和并联两种。校正元件分为串联和并联两种。控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和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，统称为反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器控制器。实际的控制系统中，实际的控制系统中，扰动扰动总是不可避免的，扰总是不可避免的，扰动分

30、为动分为内部扰动内部扰动和和外部扰动外部扰动，但在控制系统中，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此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。的干扰。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering三、控制系统的基本类型三、控制系统的基本类型l 按输入量的特征分类按输入量的特征分类 恒值控制系统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

31、统的输出量为恒值。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。如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。 程序控制系统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。照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering 随动系统（伺服系统）随动系统（伺服系统）输入量的变化规律不能预

32、先确知，其控制要求输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。信号的变化规律。 如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringl 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 连续连续控制系统控制系统系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的系统中

33、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。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量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。程描述。 第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringl 其它分类方法其它分类方法 线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统 定常系统和时变系统定常系统和时变系统 机械、电气、

34、机电、液压、气动、热力等控机械、电气、机电、液压、气动、热力等控 制系统制系统 温度、压力、位置等控制系统温度、压力、位置等控制系统第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering四、对控制系统的基本要求四、对控制系统的基本要求l 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，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其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。态。稳定性是控

35、制系统正常工作的先决条件。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，与外界因控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能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。量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringl 准确性准确性 控制精度，以稳态误差来衡量。控制精度，以稳态误差来衡量。稳态误差：稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋系统的调整（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于稳定状态时，系统输