机电工程控制基础--01绪论综述

1、教学讲稿教学讲稿 1河北工程大学Hebei University of Engineering 机电工程控制基础机电工程控制基础河北工程大学河北工程大学机电工程学院机电工程学院周雁冰周雁冰 机电工程控制基础机电工程控制基础2河北工程大学Hebei University of Engineering 控制论控制论现代控制理论现代控制理论“机电工程控制基础机电工程控制基础”是控制论与机电工程技术理论之间的交叉是控制论与机电工程技术理论之间的交叉学科，侧重介绍机械工程的控制原理，同时密切结合工程实际，学科，侧重介绍机械工程的控制原理，同时密切结合工程实际，是一门技术基础课程。是一门技术基础课程。 机

2、械制造技术发展的一个明显而重要的趋势机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势越来越广泛而越来越广泛而深入地引入了控制理论。深入地引入了控制理论。是科学方法论之一，强调用系统的、反馈的、控制的方法来分是科学方法论之一，强调用系统的、反馈的、控制的方法来分析研究工程实际问题。析研究工程实际问题。经典控制理论经典控制理论 数控机床、工业机器人、机床动态分析与测试、电气液压伺服系统 机电工程控制基础机电工程控制基础3河北工程大学Hebei University of Engineering 大学物理大学物理理论力学理论力学机电工程控制理论机电工程控制理论电机与拖动电机与拖动模拟电子技术模拟电子技术线性代

3、数线性代数高等数学高等数学复变函数、复变函数、拉普拉斯变换拉普拉斯变换电路理论电路理论信号与系统信号与系统机械原理机械原理该课程与其它课程的关系，如下图所示：该课程与其它课程的关系，如下图所示： 机电工程控制基础机电工程控制基础4河北工程大学Hebei University of Engineering 机电工程控制基础机电工程控制基础基础知识基础知识工程应用工程应用分析方法分析方法基本概念基本概念控制系统结构体系控制系统结构体系控制系统数学模型控制系统数学模型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系统性能指标系统性能指标系统校正系统校正 机电工程控制基础机电工程控制基础

4、5河北工程大学Hebei University of Engineering 课堂教学内容课堂教学内容1 绪论绪论2 控制系统的数学模型控制系统的数学模型(除除2.2、2.5)3 系统的时间响应与快速性分析系统的时间响应与快速性分析(除除3.5)4 稳态误差与准确性分析稳态误差与准确性分析5 控制系统的频域分析控制系统的频域分析6 控制系统的稳定性控制系统的稳定性7 系统的性能分析与校正系统的性能分析与校正其它章节内容为课外自学内容其它章节内容为课外自学内容基础知识 机电工程控制基础机电工程控制基础6河北工程大学Hebei University of Engineering 教学用书教学用书机

5、电工程控制基础 吴炳胜主编 冶金工业出版社教辅用书教辅用书等编等编 机电工程控制基础机电工程控制基础7河北工程大学Hebei University of Engineering 第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.3 1.3 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求1.4 1.4 自动控制简史自动控制简史1.5 1.5 控制工程实践控制工程实践1.6 1.6 本课程的特点与学习方法本课程的特点与学习方法 机电工程控制基础机电工程控制基础8河北工程大学Hebei University of Engineering p自动控

6、制技术及理论已经广泛应用于机械、冶金、石自动控制技术及理论已经广泛应用于机械、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应堆等各个领域。堆等各个领域。p自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。科学。p在机电工程问题上，机械、电气、液压和计算机被广在机电工程问题上，机械、电气、液压和计算机被广泛采用，而且常常互相渗透、相互配合，这就需要结泛采用，而且常常互相渗透、相互配合，这就需要结合机电液系

7、统阐述工程上共同遵循的基本控制规律，合机电液系统阐述工程上共同遵循的基本控制规律，即即“机电工程控制基础机电工程控制基础”。 机电工程控制基础机电工程控制基础9河北工程大学Hebei University of Engineering 控制论概述控制论概述p 控制论是关于控制原理与控制方法的学科，它研究控制论是关于控制原理与控制方法的学科，它研究事物变化和发展的一般规律。事物变化和发展的一般规律。p“控制论控制论”的两个核心是信息论和反馈控制。的两个核心是信息论和反馈控制。p 首先创立控制论学科的是美国的数学家、信息理论首先创立控制论学科的是美国的数学家、信息理论家家(Norbert Wien

8、er)(Norbert Wiener)诺伯特诺伯特维纳，他于维纳，他于19481948年发表了年发表了“控制论控制论”。p19541954年我国科学家钱学森出版专著年我国科学家钱学森出版专著工程控制论工程控制论( (英文版英文版) )，首先把控制论推广到工程技术领域。，首先把控制论推广到工程技术领域。 机电工程控制基础机电工程控制基础10河北工程大学Hebei University of Engineering 控制论控制论经济学经济学社会学社会学生物学生物学工程技术工程技术经济控制论经济控制论社会控制论社会控制论生物控制论生物控制论工程控制论工程控制论机械工程机械工程机械工程控制论机械工程控

9、制论控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。（机电工程控制论）（机电工程控制论） 机电工程控制基础机电工程控制基础11河北工程大学Hebei University of Engineering 自动控制技术应用于军事、航天领域自动控制技术应用于军事、航天领域 火炮、雷达、跟踪系统；火炮、雷达、跟踪系统； 人造卫星；宇宙飞船。人造卫星；宇宙飞船。 自动控制技术应用于工业生产过程自动控制技术应用于工业生产过程 轧钢；工业窑炉；石油化工；水泥建材；玻璃、造纸等轧钢；工业窑炉；石油化工；水泥建材；玻璃、造纸等自动控制技术应用于现代农业生产自动控制技术应用于现

10、代农业生产 自动灌溉；农产品质量检测等。自动灌溉；农产品质量检测等。 自动控制技术应用于其他领域自动控制技术应用于其他领域 生物：人口控制，药物动力学生物：人口控制，药物动力学 金融：货币控制金融：货币控制 家庭：电饭煲，洗衣机，空调，冰箱家庭：电饭煲，洗衣机，空调，冰箱 例例.钢铁轧制钢铁轧制:轧出厚度一致的高精度铁板存在温度控制轧出厚度一致的高精度铁板存在温度控制, ,生生铁成分控制铁成分控制, ,厚度控制厚度控制, ,张力控制张力控制, ,等等。等等。 机电工程控制基础机电工程控制基础12河北工程大学Hebei University of Engineering 举例：智能楼宇的控制举例

11、：智能楼宇的控制可视对讲、室内报警、远程家电控制可视对讲、室内报警、远程家电控制. . 机电工程控制基础机电工程控制基础13河北工程大学Hebei University of Engineering 在日常生活中在日常生活中 机电工程控制基础机电工程控制基础14河北工程大学Hebei University of Engineering 道路交通的应用道路交通的应用车牌自动识别车牌自动识别 机电工程控制基础机电工程控制基础15河北工程大学Hebei University of Engineering 勇气号火星探测器（美国）勇气号火星探测器（美国） 机电工程控制基础机电工程控制基础16河北工程大

12、学Hebei University of Engineering 机械工程控制论机械工程控制论研究机械工程技术中广义研究机械工程技术中广义系统系统的的动力学动力学问题问题研究的研究的对象对象：系统（广义系统）：系统（广义系统）研究的研究的任务任务：动力学问题：动力学问题研究的研究的领域领域：机械工程领域：机械工程领域1 1、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。系统的要素系统的要素元素元素元素之间的联系元素之间的联系系统与外界的交互作用系统与外界的交互作用外界对系统的作用外界对系统的作用系统对外界的作用系统对外界的作用输入输入(激励激励)、干扰干扰(扰动

13、扰动)输出输出( (响应响应) ) 机电工程控制基础机电工程控制基础17河北工程大学Hebei University of Engineering 机械工程中的广义机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备；加工过系统：元件、部件、仪器、设备；加工过程、操作设备、测量；车间、部门、工厂、企业、企业集团、程、操作设备、测量；车间、部门、工厂、企业、企业集团、全球制造行业等全球制造行业等 机电工程控制基础机电工程控制基础18河北工程大学Hebei University of Engineering 2 2、动力学问题、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）系统在外

14、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）。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，这一过程中，系统系统及其及其输入输入、输出输出三者之间的三者之间的动态关系动态关系即即为系统的为系统的动力学问题动力学问题。 系统的输入与系统的固有特性已知，如何影系统的输入与系统的固有特性已知，如何影响输出？响输出？2. 2. 系统确定并已知时，对系统施加何种输入，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（即

15、输出能使系统实现预期的响应（即输出y(t)）？）？3. 3. 对于确定的输入输出，系统应具有什么特性，对于确定的输入输出，系统应具有什么特性， 才能使系统实现预期的响应？才能使系统实现预期的响应？求输出求输出求输入求输入求系统求系统(结构参数结构参数)基本的动力学问题基本的动力学问题 机电工程控制基础机电工程控制基础19河北工程大学Hebei University of Engineering 3、（数学）模型、（数学）模型 定义：研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种工具。定义：研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种工具。 种类：实物模型、物理模型和数学模型等。种类：实物模型、物

16、理模型和数学模型等。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；平衡状态下的特性；在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。微分方程或差分方程来描述微分方程或差分方程来描述 动态模型是描述系统的动态历程的，机械工程控制论研究的动态模型是描述系统的动态历程的，机械工程控制论研究的是机械工程技术中广义系统的动力学问题，所以往往需要采用是机械工程技术中广义系统的动力学问题，所以往往需要采用动态数学模型，即需要建立微分方程或差分方程来描述系统的动态数学模型，即需要建立微分方程或差分方程来描述系

17、统的动态特性。动态特性。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的特性；系统平衡状态下的特性；代数公式描述代数公式描述 机电工程控制基础机电工程控制基础20河北工程大学Hebei University of Engineering 控制控制：对对象施加某种操作，使其产生所预期的行为：对对象施加某种操作，使其产生所预期的行为。 自动控制自动控制：该操作由控制装置自动完成，无须人直接参与：该操作由控制装置自动完成，无须人直接参与即，在人不直接参与的情况下，通过控制器使被控对象（如即，在人不直接参与的情况下，通过控制器使被控对象（如

18、机器设备、生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动机器设备、生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定的规律变化（或运行）。地按照预定的规律变化（或运行）。学习机电工程控制基础要解决两个问题：学习机电工程控制基础要解决两个问题：1 1、如何分析某个、如何分析某个给定控制系统的给定控制系统的工作原理、稳定性、过渡品质工作原理、稳定性、过渡品质；2 2、如何根、如何根据实际需要来据实际需要来进行控制系统的设计进行控制系统的设计，并用机电液光等设备来，并用机电液光等设备来实现这一设计系统。实现这一设计系统。 机电工程控制基础机电工程控制基础21河北工程大学Hebei University

19、 of Engineering 例例 手动控制：手动控制： 观测实际水位，将观测实际水位，将实际水位与要求的水位实际水位与要求的水位值相比较，得出两者偏值相比较，得出两者偏差。差。 根据偏差的大小和根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从开度以改变进水量，从而改变水箱水位，使之而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。与要求值保持一致。被控对象？被控对象？被控量？被控量？ 机电工程控制基础机电工程控制基础22河北工程大学Hebei Univer

20、sity of Engineering 例例 改进改进自动控制：自动控制： Q Q2 2变大变大H H减小，浮减小，浮子下降子下降杠杆倾斜杠杆倾斜阀门开大阀门开大Q Q1 1变变大大Q Q1 1=Q=Q2 2，液面重新稳，液面重新稳定。定。Q Q2 2变小变小H H变大，浮变大，浮子上升子上升杠杆倾斜杠杆倾斜阀门关小阀门关小Q Q1 1变变小小Q Q1 1=Q=Q2 2，液面重新稳，液面重新稳定。定。缺点：出水量越多，水位就越低，偏离期望值就越远，误差越大。控制的结果，总存在着一定的误差值。 机电工程控制基础机电工程控制基础23河北工程大学Hebei University of Enginee

21、ring 例例 再改进再改进自动控制自动控制： 当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要其大小反映了实际水位与水位要求求值的差值，放大器输出信号值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。水位重新与水位要求值相等时为止。当实际水位高于当实际水位高于要求水位呢？要求水位呢？该系统在运行时，无论何种干扰引起水位的偏差，系统都要该系统在运行时，无论何种干扰引起水位的偏差，系统都要进行调节，最终总

22、是使实际水位等于期望值，大大提高了控进行调节，最终总是使实际水位等于期望值，大大提高了控制精度。制精度。 机电工程控制基础机电工程控制基础24河北工程大学Hebei University of Engineering 控制原理：控制原理：如果负载变化使如果负载变化使增大，增大， 离心机构滑套上移离心机构滑套上移 液压滑阀上移，动力活液压滑阀上移，动力活塞下移，油门关小，塞下移，油门关小， 减小减小 直到滑阀回复到中位，直到滑阀回复到中位，回到设定值回到设定值 通过离心机构检测系统的实通过离心机构检测系统的实际输出值，并与设定值进行比际输出值，并与设定值进行比较，反过来作用于系统，形成较，反过来

23、作用于系统，形成反馈，进而调节系统的输出。反馈，进而调节系统的输出。发动机离心调速系统结构原理简图发动机离心调速系统结构原理简图例：发动机离心调速系统例：发动机离心调速系统 机电工程控制基础机电工程控制基础25河北工程大学Hebei University of Engineering 反馈反馈反馈是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念反馈是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念反馈的定义：反馈的定义：系统的输出通过适当的测量装置全部或部分地返系统的输出通过适当的测量装置全部或部分地返回到输入端，并与输入共同作用于系统的过程。回到输入端，并与输入共同作用于系统的过程。反馈量与输入量的比较结

24、果叫反馈量与输入量的比较结果叫偏差偏差。基于反馈基础上的基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差检测偏差用以纠正偏差”的原理又称为的原理又称为反反馈控制馈控制原理。原理。利用此原理组成的系统称为利用此原理组成的系统称为反馈控制系统反馈控制系统。它具备测量、比较。它具备测量、比较和执行三个基本功能。和执行三个基本功能。 反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。 机电工程控制基础机电工程控制基础26河北工程大学Hebei University of Engineering 例：发动机离心调速系统例：发动机离心调速系统被控对象：被控对象：发动机发动机被控量：被控量：

25、转速转速控制信息传递与反馈：控制信息传递与反馈：转速转速离心机构离心机构( (检测或感知）检测或感知）偏差偏差杠杆杠杆液压比例控制器液压比例控制器油门油门 机电工程控制基础机电工程控制基础27河北工程大学Hebei University of Engineering 表示系统结构与工作原理的物理框图：表示系统结构与工作原理的物理框图：离心调速系统控制方框图离心调速系统控制方框图比较比较控制器控制器检测检测被控对象被控对象执行执行运算放大运算放大控制部分控制部分被控部分被控部分 机电工程控制基础机电工程控制基础28河北工程大学Hebei University of Engineering 反馈控

26、制方式的优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起的变动。计算比较计算比较给定值给定值E执行执行被控对象被控对象干扰干扰被控量被控量测量测量反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈负反馈，反之称为，反之称为正反馈正反馈。 机电工程控制基础机电工程控制基础29河北工程大学Hebei University of Engineering 自动控制系统的一般组成形式自动控制系统的一般组成形式被控对象被控对象r(t)u(t)c(t)反馈环节反馈环节e(t)给定环节给定环节b(t)放大元件放大元件执行元件执行元件串联校正串联校正并

27、联校正并联校正比较比较环节环节扰动扰动控制器控制器被控对象被控对象r(t)u(t)c(t)反馈环节反馈环节e(t)给定环节给定环节b(t)比较比较环节环节扰动扰动 机电工程控制基础机电工程控制基础30河北工程大学Hebei University of Engineering 自自动动控控制制系系统统被控对象被控对象给定环节给定环节比较环节比较环节反馈环节反馈环节控制器控制器校正环节校正环节执行环节执行环节放大环节放大环节并联校正并联校正串联校正串联校正 输入信号输入信号 输出信号输出信号 反馈信号反馈信号 偏差信号偏差信号 误差信号误差信号 扰动信号扰动信号控制器控制器被控对象被控对象r(t)

28、u(t)c(t)反馈环节反馈环节e(t)给定环节给定环节b(t)比较比较环节环节扰动扰动 机电工程控制基础机电工程控制基础31河北工程大学Hebei University of Engineering 输入信号输入信号: : （输入量、控制量、给定量）是指控制输出量（输入量、控制量、给定量）是指控制输出量 变化规律的信号；变化规律的信号； 输出信号输出信号：（输出量、被控制量、被调节量）输出是输入（输出量、被控制量、被调节量）输出是输入 的结果，它的变化规律通过控制应与输入信号的结果，它的变化规律通过控制应与输入信号 之间保持有确定的关系；之间保持有确定的关系； 反馈信号反馈信号：输出信号经反

29、馈元件变换后加到输入端的信号称输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号称 反馈信号；反馈信号； 偏差信号偏差信号：输入信号与主反馈信号之差；输入信号与主反馈信号之差； 误差信号误差信号：输出量实际值与希望值之差；输出量实际值与希望值之差； 扰动信号扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号；偶然的无法加以人为控制的信号； 机电工程控制基础机电工程控制基础32河北工程大学Hebei University of Engineering 控制系统的几种分类：控制系统的几种分类：1. 1. 按反馈情况分按反馈情况分开环控制系统开环控制系统闭环控制系统闭环控制系统: :系统没有反馈回路。输出对系统没有控制作

30、。系统没有反馈回路。输出对系统没有控制作。: :系统有反馈回路。输出对系统有控制作用。系统有反馈回路。输出对系统有控制作用。开环系统开环系统闭环系统闭环系统优点：构造简单，成本低。优点：构造简单，成本低。缺点：无抗干扰能力，不能自动纠偏，控制精缺点：无抗干扰能力，不能自动纠偏，控制精度较低。度较低。优点：抗干扰能力强，稳态精度高，动态精度好优点：抗干扰能力强，稳态精度高，动态精度好。缺点：构造复杂，设计与制造较困难，成本较高。缺点：构造复杂，设计与制造较困难，成本较高。 机电工程控制基础机电工程控制基础33河北工程大学Hebei University of Engineering 如：步进电机

31、驱动的数控机床如：步进电机驱动的数控机床开环控制系统开环控制系统、普通洗衣机、普通洗衣机 、微波炉、微波炉步进电机驱动的数控机床原理图步进电机驱动的数控机床原理图步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图 机电工程控制基础机电工程控制基础34河北工程大学Hebei University of Engineering 如：伺服电机驱动的数控机床如：伺服电机驱动的数控机床、离心调速系统、离心调速系统、恒温箱、恒温箱( (冰箱、冰箱、空调空调) )伺服电机驱动的数控机床原理图伺服电机驱动的数控机床原理图伺服驱动的数控机床闭环控制系统方框图伺服驱动的数控机床闭环控

32、制系统方框图闭环控制系统闭环控制系统如全自动如全自动洗衣机，洗衣机，既有开环既有开环控制，有控制，有用闭环控用闭环控制。制。 机电工程控制基础机电工程控制基础35河北工程大学Hebei University of Engineering 2. 2. 按给定量的运动规律分按给定量的运动规律分如：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，输入装置根据输入的变化规律，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。发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。

33、如：数控加工系统。如：数控加工系统。 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先确知，其控制要求是输出量迅速、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，并能排除各种干扰因素的影响，平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。准确地复现输入信号的变化规律。 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扰动作用下系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。统的输出量为恒值。 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。 机电

34、工程控制基础机电工程控制基础36河北工程大学Hebei University of Engineering 3、按系统中传递信号的性质按系统中传递信号的性质 连续控制系统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。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量传递的系统。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。离散控制系统通常采用差分方程描述。 4、按数学模型分按数学模型分 线性系统线性系统由线性元件组成，输入输出间具有叠加性和均匀性性质，以线由线性元件组成，输入输出间具有叠加性和均匀性性质，以线性微分方程来表述。性微分方程来表述。 非线性系统非线性系统系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性系统中有非线性元件，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。质。用非线性微分方程来表述。 机电工程控制基础机电工程控制基础37河北工程大学Hebei Univer