华东理工大学 现代机械控制工程基础 课件 ch1

1、欢迎任何形式的意见和建议代机械控制工程基础2002-09-23 1第1章 自动控制原理的基本概念本课程与其它课程的关系：微积分自动控制理论电路理论电机与拖动大学物理信号与系统复变函数 拉氏变换模拟电子技术线性代数各 类 专业课线性系统现代控 制理论课程特点及学习方法特点： 抽象，概括性强，范围广，要有良好的数学，力学电学基础，还要有一定的机械工程方面的专业知识学习方法1）对每部分的基本要求，重点，难点有所了解2）正确理解基本概念，对基本方法要完全掌握3）重视习题练习和实验课，通过作习题帮助掌握基本概念和基本方法 教材的选用机械工程控制基础(第五版)华中科技大学出版社

2、杨叔子 等主编参考教材机械工程控制基础学习辅导与题解华中科技大学出版社 熊良才 杨克冲 吴波编著机械控制工程基础机械工业出版社 董玉红 徐莉平主编课程内容及安排讲授内容：1.绪论（开环闭环系统，反馈,方框图）2.复变及积分变换的简单复习3.系统的数学模型（系统的微分方程、系统的传递函数、系统的传递函数方框图及其简化、反馈控制系统的传递函数、相似原理）4.时间响应分析(时间响应及其组成、典型输入信号、一阶系统、二阶系统、高阶系统、系统的误差分析与计算、脉冲响应函数中的应用）5.系统的频率分析（频率特性的图示例方法、闭环频率特性、频率特性的特征量、最小相位系统与非最小相位系统）6.系统的稳定性(各

3、种稳定性判据)7.系统的性能指标与校正要求遵守课堂纪律平时作业一定要做考试方式：闭卷平时成绩（包括平时作业和实验成绩） 30试卷成绩 701 引言第一章 绪论自动控制技术的发展史(1) 中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)I.前期控制(Early Control)(1400B.C. - 1900)(4) 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年)(3) 英国J. Watt（瓦特）用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)(8) 英国E.J. Routh（劳斯）建立Routh判据(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1

4、875年)(9) 英国J. M. Gray（格雷）设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(Great Eastern)(1866年)II.经典控制前期(The Pre-classical Period)(1900-1935)(1) 美国福特(Ford Motor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线(1913)(2) 美国N. Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922)(3) 美国MIT的Vannevar Bush研制成第一台大型模拟计算机(Differential Analyzer)(1928)V. Bush(4) 美国H.S. Black（布莱克）提出放大器性能

5、的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier) (1927)H. S. Black(5) 自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人（维纳） 给出的定义为：“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance” 闭环控制系统的结构框图：III. 经典控制(Classical Control)(1935-1950)(1) 美国贝尔实验室的H. Bode（伯德）(1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响应法(2) 美

6、国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler（齐格勒）和N. B. Nichols（尼科尔森）提出PID参数的最佳调整法(1942)(3) 美国MIT的N. Wiener（维纳）研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表控制论(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。N.B. NicholsN. WienerN. Wiener, shown here in 1954 with Yuk Wing Lee (left) and Amar G. Bose, discussing an aspect of statistical comm

7、unication theory现代控制(Modern Control) (1950- )二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现(英国科学家A.J.G. MacFarlane)。() 美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952)() 世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)Sputnik 1 was the first artificial satell

8、ite launched into space 1957. Laika. Sputnik 2(3) 加拿大G. Zames提出H 鲁棒控制设计方法(1981年)(4) 美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功(1981年)Gorge Zames 在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术 起着越来越重要的作用。 所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。 如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。古典控制理论 以传递函数为基础研究单输入-单输出一类定常

9、控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。 现代控制 以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。2 开环控制与闭环控制自动控制： 是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程）的一个或数个物理量（如电压、电流、速度、位置、温度、流量、化学成分等）自动的按照预定的规律运行（或变化）。自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般由控制装置和被控对象组成。被控制对象是指那些要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。控制装置是指对被控对象起控制作用的设备总体。

10、自动控制系统有两种最基本的形式： 开环控制 闭环控制2.1 开环控制 开环控制是最基本的控制方式特点： 在控制器与被控对象之间只有正向控制作用，没有反馈控制作用，即系统的输出量对控制量没有影响被控制对象：炉子被控制量（输出量）：炉温控制装置：开关K和电热丝，对被控制量起控制作用。例如：图1 电加热炉1）开环控制 只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。 （2）开环控制特点 输入控制输出 输出不参与控制 系统没有抗干扰能力方框图的有关概念 方框 控制装置和被控对象分别用方框表示信号线 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信号线表示输入信号 进入方框的信号输出信号 离开方

11、框的信号 控制系统的输出量就是被控量,它的希望值一般是系统输入信号的函数。信号线方框信号线输入信号输出信号开环系统的示意框图如下：控制器被控对象输入量控制量输出量 在开环控制系统中，对于每一个参考输入量，就有一个与之对应的工作状态和输出量。系统的精度取决于元器件的精度和特性调整的精度。 当系统的内扰和外扰影响不大，并且控制精度不高时，采用开环控制方式2.2 闭环控制特点： 在控制器与被控对象之间不仅存在正向作用，而且存在着反馈作用，即系统的输出量对控制量有直接影响。控制器被控对象输入量控制量偏差量测量元件反馈量反馈的概念反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程。 若反馈信号是与输

12、入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反馈；若相加，则称为正反馈输入信号与反馈信号之差称为偏差信号闭环控制偏差信号作用于控制器上，控制器对偏差信号进行某种运算，产生一个控制作用，使系统的输出量趋于给定的数值。闭环控制的实质，就是利用负反馈的作用来减小系统的偏差，因此闭环控制也称反馈控制输出量控制器被控对象输入量控制量偏差量测量元件反馈量开环向闭环控制的转换例1转换例2闭环与开环控制系统的比较闭环控制系统的特点 误差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。开环控制系统的特点 顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本

13、低。自动控制系统中术语和定义控制环节Gc被控对象Go参考输入r控制量u输出量c偏差e反馈环节H主反馈b比较环节扰动n参考输入r: 输入到控制系统中的指令信号；主反馈b: 与输出成正比或某种函数关系且与参考输入量纲相同的反馈信号；偏差e: 参考输入与主反馈之差，即e=r-b;控制量u: 从控制器输出并作用于被控制对象的信号；扰动n：来自系统内部或外部，对系统输出产生不利影响的信号；输出c：反馈控制系统的被控制量，即被控制对象的输出量；比较环节：将参考输入与主反馈信号进行比较的环节，它的输出等于参考输入与主反馈信号的差值，即偏差e,比较环节又称为偏差检测器。控制对象：被控制的机器，设备，过程或系统

14、；控制器：用来对被控制对象施加控制作用的装置；反馈环节：将输出量转化为主反馈信号的装置；反馈环节中通常含有信号检测装置。自动控制系统的类型和基本要求1.按输入输出分：开环系统： 当构成系统的每一环节的输入不受系统的输出影响时，称此系统为开环系统闭环系统： 当构成系统的任一环节的输入受到系统输出的影响时，此系统成为闭环系统自动控制系统的类型和基本要求2.按输出的变化规律分：恒值系统（又称为自动调节系统） 在外界作用下，系统的输出能基本保持在常值的系统恒温调节系统随动系统： 在外界条件变化时系统的输出能相应于输入在广阔范围内按任意规律变化的系统.雷达系统程序控制系统:在外界条件下,系统的输出按预定

15、的程序变化的系统.数控系统 3、按系统的反应特性来分 （1）.线性系统和非线性系统线性系统： 由线性元件组成的系统，其微分方程中输出量及其各阶导数都是一次的，并且各系数与输入量（自变量）无关 非线性系统：由非线性元件组成的系统，其微分方程式的系数与自变量有关。 （2）、连续系统与离散系统连续系统： 当系统各元件的输入信号是时间的连续函数，各元件相应的输出信号也是时间的连续函数时，称为连续系统离散系统： 当系统中信号有一处或一处以上为离散时间函数则称为离散系统（3）、确定系统与不确定系统确定系统： 系统的结构、参数、输入量都是确定的、已知的系统称为确定系统不确定系统： 当系统本身的结构或参数以及

16、作用于该系统的信号有不确定性或模糊性时称为不确定系统4. 按输入输出形式分单输入单输出系统（SISO）： 也称单变量系统,其输入量和输出量各为一个多输入多输出系统（MIMO）： 也称多变量系统,其输入量和输出两多于一个4.2 对自动控制系统的基本要求稳定性： 1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。 2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。对自动控制系统性能的基本要求可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。 稳 准快准确性： 用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。快速性： 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。5 应用举例1.热力系统的自动反馈控制 方框图控制阀水