机械工程控制基础(1)-

1、控制工程基础(jch)Fundamentals of Control Engineering 共三十五页课程目的(md)及要求 通过对本课程的学习，培养学生的辨证(binzhng)思维能力，提高学生运用科学方法分析解决问题的能力. 本课程是工科大学生必须具备的重要理论知识, 它将加强数理基础与知识之间的联系，为后续课程的学习和今后的工作打下良好的基础。 要求掌握自动控制系统的基本原理，组成，机电系统的建模；掌握分析控制系统的时域分析方法和频域分析方法。共三十五页第一章 绪论(xln)共三十五页1.1 研究对象(duxing)与任务 工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题。具体地说

2、，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件(即输入或激励，包括外加控制与外加干扰)作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内(q ni)部的固有特性(即由系统的结构与参数所决定的特性)所决定的整个动态历程，研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。共三十五页1.1 研究对象(duxing)与任务 共三十五页1.1 研究对象(duxing)与任务 如图，就系统及其输入、输出三者之间的动态(dngti)关系而言，工程控制论(包括机械工程控制论)的内容大致可归纳为如下五个方面；当系统已定、输入(或激励)已知时，求出系统的输出(或响应)，并通过输出来研究系统本身的有关问题，此即系统的

3、分析问题.(2) 当系统已定时，确定输入，且所确定的输入应使得输山尽可能符合给定的最佳要求，此即最优控制问题；共三十五页1.1 研究(ynji)对象与任务 (3) 当输入已知时，确定系统，且所确定的系统应使得输出尽可能符合给定的最佳(zu ji)要求，此即最优设计问题； (4) 当输出已知时，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题； (5) 当输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，此即系统识别或系统辨识问题。本课程主要是以经典控制理论来研究问题(1)；共三十五页1.2 系统(xtng)及其模型 一. 系统 系统具有如下特性： （1）系统的性能不仅与

4、系统的元素有关，而且还与系统的结构有关； （2）系统的内容(nirng)比组成系统各元素的内容(nirng)要丰富得多； （3）系统往往具有表现出在时域、频域或空域等域内的动态特性。 二. 机械系统 以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。共三十五页1.2 系统(xtng)及其模型 三. 静态模型与动态模型 模型是人们研究系统、认识(rn shi)系统与描述系统的一种工具。系统的模型包括实物模型、物理模型、和数学模型等等。而数学模型又包括静态模型和动态模型。静态模型反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统平衡状态下的特性；而动态模型则用于研究

5、系统在迅变载荷作用下或在系统不平衡状态下的特性。动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或控制工程中，一般关心的是系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。即，一般所指的系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式。 共三十五页1.3 反馈(fnku) 一个系统的输出，部分或全部地被反过来用于控制系统的输入，称为系统的反馈。系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间之所以有动态关系(gun x)，就是由于系统本身有着信息的反馈. 反馈是工程控制论中一个具有关键作用的概念，也可以说，它是研究广义系统动力学的基本立足点。控制论的中心思想就是“反馈控制”。共三十五页1.3 反馈(

6、fnku) 共三十五页1.3 反馈(fnku) 共三十五页1.4 系统的分类(fn li)及对控制系统的基本要求 一、 控制系统的基本概念 控制：通过对一定对象实施一定的操作，以使其按照(nzho)预定的 规律运动或变化的过程。被控对象：在控制理论和控制技术中，运动规律或状态需要 控制的装置或元件称为被控对象（控制对象）。被控对象 可大可小，甚至可“实”可“虚”。 控制器：在控制系统中，除被控对象以外的所有装置，统称 为控制器。被控制量：表征被控对象运动规律或状态的物理量。实质上 是系统的输出（输出量）。 希望值：希望的被控对象运动规律或状态的物理量（或称输 入量、系统输入）。 共三十五页1.

7、4 系统的分类(fn li)及对控制系统的基本要求 偏差：系统的输入量与反馈量之差或之和（即比较环节的输出 值）。 控制量：被控对象(duxing)的输入量。由于往往是偏差的某种函数，因 此，也可将偏差看成为控制量。 扰动量（干扰）：指除给定量以外，所有使得被控制量偏离给 定值的因素。扰动包括因系统外部因素发生变化而引起的外 扰和因系统内部因素所引起的内扰。人工控制：在人的直接参与下，使被控对象的被控制量按预定 的规律运动或变化的控制方式。 自动控制：在无人直接参与的情况下，利用一组装置使被控对 象的被控制量按预定的规律运动或变化的控制方式。 自动控制系统：被控对象和参与实现其被控制量自动控制

8、的装 置或元、部件的组合。 共三十五页1.4 系统的分类及对控制系统的基本(jbn)要求 二.系统(xtng)的几种分类1.对广义系统，可按反馈分(1) 开环系统(2) 闭环系统共三十五页1.4 系统的分类及对控制系统(kn zh x tn)的基本要求 一个典型(dinxng)闭环控制系统的控制部分由以下几个环节组成.共三十五页1.4 系统(xtng)的分类及对控制系统(xtng)的基本要求 给定元件：控制系统中主要用于产生给定信号（输入信号、 希望值）的元件。 反馈元件（测量元件）：控制系统中用于测量被控量（输出 量），产生反馈信号的元件。反馈信号与输出量之间往往存在确定的函数关系。 比较元

9、件：控制系统中用以比较输出信号与反馈信号，并求取偏差信号的元件。有时并非为物理元件，可能通过(tnggu)物理定律或其他定律实现。 放大元件：控制系统中对输入信号进行幅值放大或功率放大的元件。 执行元件：控制系统中直接对被控对象进行操作的元件。 共三十五页1.4 系统(xtng)的分类及对控制系统(xtng)的基本要求 闭环控制系统的工作过程大体上可分为以下几个步骤： 1).测量被控制量的实际值。 2).将实际值与给定值进行比较，求出偏差的大小与方向。 3).根据偏差的大小与方向进行控制以纠正偏差。 简单地讲，闭环控制系统的工作过程就是一个“检测偏差并用(bn yn) 以纠正偏差”的过程。因此

10、，闭环控制系统的控制精度一般比开环控制系统的要高。 按反馈的作用不同，还可以将反馈分为正反馈和负反馈。其中，凡能使系统的偏差的绝对值增大的反馈，就称为正反馈；而能使系统的偏差的绝对值减小的反馈，则称为负反馈。共三十五页1.4 系统(xtng)的分类及对控制系统(xtng)的基本要求 2.对自动控制系统可按输出变化规律分自动调节系统 在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保持为常量的系统.(2) 随动系统 在外界条件作用下，系统的输出能相应于输入在广阔(gungku)范围内按任意规律变化的系统。(3) 程序控制系统 在外界条件作用下，系统的输出按预定程序变化的系统. 另外，广义系统还可根据是否满足

11、叠加性而分为线性系统和非线性系统；根据系统中信号或变量是否全是连续量而分为连续系统和离散系统（或模拟系统和数字系统）；根据系统中信号或变量是否全是确定值而分为确定性系统和随机系统；根据系统的功能可分为温度控制系统、速度控制系统等等。 共三十五页1.4 系统(xtng)的分类及对控制系统(xtng)的基本要求 三. 对控制系统的基本要求(1) 系统的稳定性：指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。(2) 响应的快速性：这是在系统稳定的前提下提出的。快速性是指当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。(3) 响应的准确性：是指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之

12、间的偏差，或称为静态(jngti)精度，这也是衡量系统工作性能的重要指标。共三十五页1.4 系统的分类及对控制系统(kn zh x tn)的基本要求 根据控制系统示意图绘制其控制方框图，对于弄清控制系统组成和工作原理具有较强的指导作用。在解题时，首先要明确系统中哪个元件的运动状态需要控制，即弄清控制对象。在此基础上，明确系统的输出即为控制对象的实际状态，输入即是控制对象的理想(lxing)状态。有了控制对象、输入和输出等因素后，就可以按照信息流动和传递的方式，根据相应环节的特点，绘制出控制系统方框图了。 四、自动控制系统方框图的绘制步骤（1）分析控制系统的工作原理，找出被控对象。 （2）分清系

13、统的输入量、输出量。 （3）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。 （4）按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连接起来。 共三十五页1.5 机械制造的发展(fzhn)与理论的应用 控制理论在机械制造领域中应用主要有以下几个(j )方面: (1) 在机械制造过程自动化方面(2) 在对加工过程的研究方面(3) 在产品与设备的设计方面(4) 在动态过程或参数的测试方面共三十五页1.7 本课程的特点(tdin)与学习方法 本课程是一门比较抽象的技术基础课. 它以数学、物理及有关学科为其理论基础，以机械工程中有关系统动力学为其抽象、概括与研究的对象，运用信息的传递、处理与反馈进行控制这一正

14、确的思维方法与观点，在数理基础课程与专业课程之间架起一道桥梁，将两者紧密结合起来(q li)。 在学习本课程时，既要十分重视拙象思维，了解一般规律，又得充分注意结合实际，联系专业，努力实践；既要善于从个性中概括出共性，又要善于从共性出发深刻了解个性，努力学习用广义系统动力学的方法去抽象与解决实际问题，去开拓提出、分析与解决问题的思路。共三十五页例题(lt) 例1.1 设电热水器如图所示。为了保持希望的温度(wnd)，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。 共三十五页例题(lt) 解：在电热水器系统中，水箱内的水温需要

15、控制，即水箱为被控对象。水的实际温度(wnd)是被控制量，或称为系统的输出量，设为T0(oC)；输入量为用户希望的温度（给定值），设为Ti(oC)；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成为该系统的主要干扰。 当T0(oC)= Ti(oC)时，水箱的实际水温经测温元件检测，并将实际水温转化成相应的电信号，与温控开关预先设定的信号进行比较而得到的偏差为零，此时电加热器不工作，水箱中的水温保持在希望的温度上。当使用热水并注入冷水时，水温下降，此时T0(oC)ub时，偏差ue为正，该信号经放大，驱动电机，带动齿轮机构，进而使记录笔及滑块正向移动，此时偏差ue逐渐减小，直至ue为0；

16、反之(fnzh)，当uiub时，偏差ue为负，记录笔及滑块负向移动，直至ue为0。这样，再配合匀速走纸机构，就能在纸上记录出电压信号ui的波形了。其控制方框图如图所示。 共三十五页例题(lt) 例13 如图所示为一液面控制系统。图中Ka为放大器的增益，D为执行电机，N为减速器。试分析该系统的工作原理，并在系统中找出控制(kngzh)量、扰动量、被控制(kngzh)量、控制(kngzh)器和被控对象，试画出相应的系统控制(kngzh)方框图。共三十五页例题(lt)解： 这是一种液面自动控制系统,以保证液面高度不变.水通过闸门控制而进入水箱,当水位不断上升时,通过浮子使电位En变化,经放大控制电动

17、机转动(zhun dng),通过减速器使闸门关小,减少水流量M1.当水位下降时,通过浮子反馈,经电动机通过减速器使闸门开大. 这是一闭环控制系统,是用浮子作控制器来比较实际液面高度与所希望的液面高度,并通过电位信号, 控制电动机来控制闸门的开度,对偏差进行修正,从而保持液面高度不变.其控制方框图如图所示。 系统中控制量为En,扰动量为Q(即流量Q的变化),被控制量为液面高度,除水箱部分外都是控制器,被控对象为水箱.共三十五页例题(lt) 例14 试说明(shumng)如图(a)所示液面自动控制系统的工作原理。若将系统的结构改为如图(b)所示，将对系统工作有何影响?共三十五页例题(lt) 解 图

18、(a)所示是一种液面自功控制系统，以保证液面高度不变。水通过阀门控制而进入水箱，当水位不断上升时，通过浮子，经杠杆机构使阀门关小，减少进水流量。当水位下降时，通过浮子反馈，经杠杆机构使阀门开大。这一闭环控制系统，是用浮于作控制器来比较实际(shj)液面高度和所希望的液面高度，并通过杠杆机构来控制阀门的开度，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变，其控制方框图如图(c)。此系统为一负反馈系统。共三十五页例题(lt) 而图(b)中，水通过阀门控制而进入水箱，当水位过高时，通过浮子，经杠杆机构使阀门开大，增大进水流量。当水位下降时，通过浮子反馈，经杠杆机构使阀门关小。这一闭环控制系统，用浮子作控制器来比较实际液面高度和所希望的液面高度，并通过杠杆机构来控制阀门的开度，但反馈的结果使偏差增大，此系统为一正反馈系统。其控制方框图亦如图(c)，但由于引入了不适当的正反馈，使得系统不稳定，无法达到(d do)液面自动控制的目的。共三十五页作业(zuy)共三十五