机械工程控制基础1-绪论

1、02015.92015.9主讲人：高爱华主讲人：高爱华 机械与动力工程学院机械与动力工程学院机械类专业必修课机械类专业必修课机械工程控制基础机械工程控制基础11 1、课程准备、课程准备2 2、绪、绪 论论4 4、系统的时间响应分析、系统的时间响应分析3 3、系统的数学模型、系统的数学模型5 5、系统的频率特性分析、系统的频率特性分析6 6、系统的稳定性分析、系统的稳定性分析2 课程性质 本课程是机械类专业重要的技术基础课，主要介绍应用现代机、电、液技术构成机电液一体化系统的理论与设计方法。涉及的基础知识有工程数学、理论力学、机械设计、电工与电子技术和液压传动技术等，因此要求同学们在学习本课程时

2、应能够经常回顾上述课程的有关内容，达到温故而知新的目的。3本课程与其它课程的关系：本课程与其它课程的关系：机械控制工程基础机械控制工程基础电路理论电路理论大学物理大学物理信号与系统信号与系统复变函数复变函数拉氏变换拉氏变换模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数微积分微积分各各 类类专业课专业课线性系统线性系统现代控现代控制理论制理论4 课程的性质和特点课程的性质和特点 控制论为理论基础，研究机械工程中广义系统控制论为理论基础，研究机械工程中广义系统的动力学问题，同时，它又是一种方法论，的动力学问题，同时，它又是一种方法论，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计机械控制工程基础是本学科的技

3、术基础课。学习内容学习内容 本课程的主要学习内容有：绪论，积分变换，系统的数学模型，时间响应分析，频率特性分析，系统的稳定性分析和系统的性能指标与校正等，属于经典控制论的基本知识。学习目的学习目的 本课程的学习目的是：使学生逐步学会运用“系统和动态”的观点，以及采用控制理论的方法解决机械工程中的实际技术问题。5 基本要求1、掌握经典控制理论的基本概念、基本理论与基本方法；2、能够应用分析法建立简单动力学系统的数学模型；3、能够应用经典控制论分析线性定常系统的动态特性，基本掌握线性定常系统性能校正的方法；4、对于线性系统的时域和频域分析、稳定性分析和性能指标有比较深入的理解。67机械工程控制课程

4、大纲：机械工程控制课程大纲：系统系统机械系统机械系统电器系统电器系统液压、气动系统液压、气动系统热力系统热力系统牛顿定律牛顿定律理论力学理论力学欧姆定律、克希夫定律欧姆定律、克希夫定律电工学电工学液压与气动液压与气动拉氏变换拉氏变换理论分析理论分析传递函数传递函数微分方程微分方程2 2补充补充时间响应分析时间响应分析3 3（时域分析）（时域分析）频率特性分析频率特性分析4 4（频域分析）（频域分析）系统的稳定性系统的稳定性 5 5系统性能指标与校正系统性能指标与校正6 6分析系统特性分析系统特性系统系统输入输入输出输出稳、快、准稳、快、准实验数据实验数据系统辨识初步系统辨识初步9 9数学模型数

5、学模型8 主要参考资料1、机械工程控制基础（第四版） 杨叔子等编著 华中科技大学出版社 2002年1月2、机械控制工程基础 朱骥北 机械工业出版社 2002年1月3、控制工程基础 张伯鹏主编 清华大学出版社 2000年6月 4、 控制理论基础 王显正主编 科学技术出版社 2000年1月 9101112131415第一讲第一讲 控制系统及控制系统及其研究对象和任务其研究对象和任务16 机械工业是国民经济中重要的基础工业。机械工业的核心是机械制造工业。当前机械制造技术发展的一个明显而主要的动向是越来越广泛而深刻地引入控制理论。从根本上讲，其原因是控制理论以它本身固有的辨证方法顺应了机械制造工程技术

6、发展的趋势。 控制理论在工程技术领域中体现为工程控制论，在机械工程领域则体现为机械工程控制论。 17一、控制理论与控制系统一、控制理论与控制系统1 1、基本概念、基本概念 控控 制：制：以人为或自动的方式，通过一定的手段操以人为或自动的方式，通过一定的手段操纵受控对象或过程，使之按照预定的规律运行，并纵受控对象或过程，使之按照预定的规律运行，并具有一定的状态与性能。具有一定的状态与性能。控制实例控制实例1：液面控制：液面控制检测偏差 消除偏差 实施控制 1819控制实例控制实例2：冰箱控制系统：冰箱控制系统20系统与外界的交互作用系统与外界的交互作用21机械工程中的广义系统：机械工程中的广义系

7、统：22研究对象研究对象：工程技术中的广义动力学系统。工程技术中的广义动力学系统。A广义动力学系统在一定的外界条件下（输入或激励，广义动力学系统在一定的外界条件下（输入或激励，包括外加控制与外加干扰）作用下，从系统的一定的包括外加控制与外加干扰）作用下，从系统的一定的初初始状态始状态出发，所经历的由其出发，所经历的由其内部固有特性内部固有特性（系统结构与（系统结构与参数所决定的特性）所决定的参数所决定的特性）所决定的动态历经过程动态历经过程。A研究系统及其输入、输出三者之间的研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系动态关系232 2、工程控制论的内容划分、工程控制论的内容划分 控制论、量子论与

8、相对论被人们誉为控制论、量子论与相对论被人们誉为20世纪上半叶世纪上半叶的的3项科学革命。项科学革命。经典控制理论经典控制理论：（：（4050年代末）年代末）以传递函数为基础，研究单输入以传递函数为基础，研究单输入单输出定常控制系统的分析与设计问题。单输出定常控制系统的分析与设计问题。(自动调节器、伺服系统）自动调节器、伺服系统）现代控制理论：现代控制理论： （60年代初年代初现在）现在）研究多输入多输出、时研究多输入多输出、时变、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。（航变、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。（航天系统，导弹系统，人造卫星）天系统，导弹系统，人造卫

9、星）大系统理论：大系统理论： （70年代初年代初现在）现在）通常所说的大系统，指的是包通常所说的大系统，指的是包括工程技术、社会经济、生物、生态等各个领域的复杂系统。（如括工程技术、社会经济、生物、生态等各个领域的复杂系统。（如地球资源、能源、人口问题、世界模型）地球资源、能源、人口问题、世界模型）243 3、系统动力学问题分析典型实例、系统动力学问题分析典型实例 a)a)输入相异的单自由度机械振动系统输入相异的单自由度机械振动系统参数说明：参数说明：m m系统质量；系统质量；c c粘性阻尼系数；粘性阻尼系数；k k弹簧刚度弹簧刚度25b)b)系统动力学方程系统动力学方程A外力外力f(t)作用

10、下的系统动力学方程作用下的系统动力学方程A位移位移x(t)作用下的系统动力学方程作用下的系统动力学方程262728一般动力学系统分析：一般动力学系统分析：取算子取算子p=d/dt：A算子算子an pn+ an-1 pn-1+ a1 p+ a0反映系统本身的固有反映系统本身的固有特性。特性。A算子算子bm pm+ bm-1 pm-1+ b1 p+ b0反映系统与外界的反映系统与外界的联系。联系。参数参数y (t) ，(t)，为系统的状态变量，为系统的状态变量， y(0)，(0)，为为系统的初始状态或初始变量。系统的初始状态或初始变量。294 4、研究任务、研究任务: :按按系统、输入、输出三者的

11、动态关系系统、输入、输出三者的动态关系 A系统分析问题系统分析问题A最优控制问题最优控制问题A最优设计问题最优设计问题A滤波与预测问题滤波与预测问题A系统识别或辩识问题系统识别或辩识问题30例1 如图所示的电热水器，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，即水箱为控制对象。水的实际温度是被控制量，或系统的输出量，设为To，输入量为用户希望的温度，设为Ti；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为系统的干扰。当To= Ti时，测温元件将实际

12、温度转化成电信号，与温控开关预先设定的信号进行比较得到的偏差信号为0，此时加热器不工作，水箱中的水保持希望的温度。当注入冷水使To下降时，偏差不为0，电控开关接通电源使电加热器工作对水加热，直到To= Ti为止。31系统工作框图如下：系统工作框图如下： 若要考察水箱中的水温To能否保持为希望的温度Ti，并通过实际输出的水温To与希望的温度Ti之间的差别，考察各个组成部分的参数是否合理，即为系统分析问题。32例2 图示为数控机床工作台的传动系统。如果考虑传动系统的制造误差，为了使工作台均匀移动，试确定其输入。此即最优控制问题。 若系统的输入已知（例如电动机转速），要求确定系统且其输出符合工作台均

13、匀移动的要求，即为最优设计问题。33例 3 电子称的原理如下图。显示即为输出，重物的重量为输入，要求确定系统（即电子称）以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题。 若输入（重物）和输出（显示）已知，求系统的结构和参数 ，即建立系统的数学模型，此即系统识别或系统辩识问题。34三、本讲小结三、本讲小结A了解控制并认识控制系统了解控制并认识控制系统A控制论的研究对象控制论的研究对象A控制论的研究任务或内容控制论的研究任务或内容35思考题：思考题：举例说明生活中控制问题。举例说明生活中控制问题。36第二讲第二讲 反馈及系统模型反馈及系统模型37383940外反馈：外反馈：人为反馈（闭环系统、开

14、环系统）人为反馈（闭环系统、开环系统）41内反馈：内反馈：耦合反馈（系统或过程中自然形成的反馈）耦合反馈（系统或过程中自然形成的反馈）内反馈实例分析内反馈实例分析单自由度系统单自由度系统42状态方程表示：状态方程表示：取取有：有：状态方程用方框图表示为：状态方程用方框图表示为：y1和和y2之间具有信息交互作之间具有信息交互作用，本质上是弹簧的位能与用，本质上是弹簧的位能与质量的动能之间的转换。质量的动能之间的转换。 y2本身的交互作用就是阻尼消本身的交互作用就是阻尼消耗能量的过程。耗能量的过程。43 4445 1 1给定环节；给定环节；2 2比较环节；比较环节；3 3校正环节；校正环节；4 4

15、放大环节；放大环节；5 5执行机构；执行机构；6 6被控对象；被控对象；7 7检测装置检测装置反馈控制系统的结构及基本环节反馈控制系统的结构及基本环节设定被控制设定被控制量的给定值量的给定值的装置的装置将所检测的被控制量将所检测的被控制量与给定量进行比较，与给定量进行比较，确定两者之间的偏差确定两者之间的偏差量，多用差动放大器量，多用差动放大器实现负反馈实现负反馈一般由传动装置和调一般由传动装置和调节机构组成。执行机节机构组成。执行机构直接作用于控制对构直接作用于控制对象，使被控制量达到象，使被控制量达到所要求的数值所要求的数值要进行控要进行控制的设备制的设备或过程或过程控制系统所控制系统所控

16、制的物理控制的物理量（被控量）量（被控量） 检测被控制量，检测被控制量，并将其转换为与并将其转换为与给定量相同的物给定量相同的物理量理量用来实现调节作用来实现调节作用，如放大、整用，如放大、整流，也称为调节流，也称为调节器或调节环节器或调节环节4647闭环自动控制系统的特点：利用输入信息与反馈至输入处的信息之间的偏差对系统的输出进行控制，使被控对象按一定的规律运动。48开环控制开环控制：只有输入量对：只有输入量对输出量产生控制作用，输输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。出量不参与对系统的控制。结构简单、维护容易、结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问成本低、不存在稳定性问题题输入

17、控制输出输入控制输出输出不参与控制输出不参与控制系统没有抗干扰能力系统没有抗干扰能力适用范围适用范围：输入量已：输入量已知、控制精度要求不高、知、控制精度要求不高、扰动作用不大。扰动作用不大。闭环控制闭环控制：把输出量的一：把输出量的一部分检测出来部分检测出来, ,反馈到输入反馈到输入端端, ,与给定信号进行比较，与给定信号进行比较，产生偏差产生偏差, ,此偏差经过控制此偏差经过控制器产生控制作用器产生控制作用, ,使输出量使输出量按照要求的规律变化；按照要求的规律变化；输入控制输出，输出输入控制输出，输出参与控制参与控制检测偏差、纠正偏差检测偏差、纠正偏差具有抗干扰能力具有抗干扰能力结构复杂

18、结构复杂495051骑自行车过程中信息流动与反馈骑自行车过程中信息流动与反馈A反馈结构图反馈结构图 人骑自行车时，总是希望具有一定的理想状态（比如速度、方人骑自行车时，总是希望具有一定的理想状态（比如速度、方向、安全等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预向、安全等），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，使自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉自行车的状态，并影响，使自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉自行车的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际

19、状态与理想状态的偏差调整四肢将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈过程可用下图表示。动作，如此循环往复。其信息流动与反馈过程可用下图表示。A工作原理工作原理524）机械系统及系统模型）机械系统及系统模型机械系统机械系统机械系统：机械系统：以实现一定的机械运动，承受一定的机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。械载荷为目的，由机械元件组成的系统。概念说明概念说明激励：激励：外界对系统的作用。外界对系统的作用。响应：响应：系统的变形或位移。系统的变形或位移。 机械系统中的机械系统中的“激励激励”与与“响应响应

20、”分别代表着分别代表着系统的输入和输出。系统的输入和输出。系统控制：系统控制：激励由人为有意识的添加。激励由人为有意识的添加。扰扰 动：动：由系统偶然因素产生而一般无法完全认为控制的由系统偶然因素产生而一般无法完全认为控制的 激励。激励。53系统静态模型和动态模型系统静态模型和动态模型模模 型：型：一种用数学方法所描述的抽象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，或系统与其他外部环境各部分之间，或系统与其他外部环境之间的关系，之间的关系，又称数学模型又称数学模型。 模型模型是研究系是研究系统、认识系统、统、认识系统、描述系统以及分描

21、述系统以及分析系统的析系统的工具工具。静态模型：静态模型：反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系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得特性，统平衡状态下得特性，表现为代数方程表现为代数方程。如弹簧模型。如弹簧模型。动态模型：动态模型：用于研究系统在迅变载荷作用下或在系统不平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，表现为微分方程或差分方程。衡状态下的特性，表现为微分方程或差分方程。静态模型静态模型现时输出决定于现时输入；现时输出决定于现时输入； 动态模型动态模型现时输出决定于以前输入的历史。现时输出决定于以前输入的历史。54静态模型和动态模型分析示例静态模型和动

22、态模型分析示例机器隔振系统机器隔振系统55 若以机器若以机器m为隔离体，以为隔离体，以F (t) 为激励为激励(不考虑不考虑y (t)，以，以位移位移x(t)为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学方程为：方程为：若仍以机器若仍以机器m为隔离体，以为隔离体，以 y (t) 为激励为激励(不考虑不考虑F (t) ，以位移以位移x(t)为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学方程为：力学方程为： (a) (b)方程方程(a),(b)即为该系统的动态模型。即为该系统的动态模型。56若系统运动很慢，即有：若系统运动很慢

23、，即有：则上式（则上式（a），（），（b）可化为：）可化为：此即系统的此即系统的静态模型静态模型，实际上，实际上x(t)x(t)与与y(t)y(t)之之间是一种代数关系，即间是一种代数关系，即代数方程式代数方程式。57三、对控制系统的基本要求三、对控制系统的基本要求58三、对控制系统的基本要求三、对控制系统的基本要求A稳定性稳定性：指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力衡状态的能力。稳定性好，则系统恢复平衡状态的能力。稳定性好，则系统恢复平衡状态的能力强强A快速性快速性：系统输出量与给定的输入量之间产生偏系统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差时，消除这种偏差的快速程度。快速性好，则消除。快速性好，则消除偏差快，或调整时间短。其表述系统动态特性。偏差快，或调整时间短。其表述系统动态特性。A准确性准确性：调整过程结束后输出量与给定的输入调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差程度，或称静态精度量之间的偏差程度，或称静态精度。准确性好，则。准确性好，则调整过程结束后，输出值与期望值偏差小，其表述调整过程结束后，输出值与期望值偏差小，其表述系统稳态特性系统稳态特性系统评价指标多样，但基本和最重要是以上系统评价指标多样，但基本和最重要是以上三种；控制系统设计根据需要各有侧重。三种；控制系统设计根据需要各有侧重。