机械工程控制基础(第一章绪论)课件

1机械工程控制基础陈星2

本课程将注重过程，采用过程评价体系。成绩主要由平时成绩、实验成绩、成绩三部分部分组成。1.平时成绩：到课率、迟到早退情况、作业情况等2.考试方式：闭卷，卷面考试成绩成绩的计算：平时（10%）+实验（20%）+考试（

70%）注意：1、迟到、早退2次无平时成绩；2、缺席、不交作业累计3次取消考试成绩。课程成绩确定方法：3《机械工程控制基础》课程教材及参考书教材：《机械工程控制基础》（第七版），杨叔子、杨克冲等编著，华中科技大学出版社，2017.71.《自动控制原理》胡寿松等编国防工业出版社2.《复变函数与积分变换》包革军等编科学出版社3.《MATLAB实用教程》（美）穆尔著，高会生译电子工业出版社参考书：4本课程与其它课程的关系机械控制工程基础电路理论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微积分各类专业课线性系统现代控制理论本课程是非电专业的机电技术专业基础课，应用广泛，学时少、内容多，不能轻视。否则，对以后的工作、学习将会造成影响。5主要教学内容基础知识分析方法基本概念控制系统结构体系控制系统数学模型工程控制技术时域分析频域分析系统稳定性判据工程应用系统性能指标系统校正6主要内容6第一章绪论第二章系统的数学模型第三章系统时间响应分析第四章系统频率特性分析第五章系统的稳定性第六章系统性能指标与校正第七章非线性系统初步第八章线性离散系统初步第九章系统辨识初步7前言2014年德国政府的工业推进计划“工业4.0”引发了关于第四次工业革命的热议问题随之而来：到底什么是第四次工业革命？第四次工业革命与之前的工业发展有何根本的不同？是什么推动了人类进入第四次工业革命？这些推动因素在人类实现第四次工业革命中起到什么作用？第一章

绪论8四次工业革命从工业1.0到工业4.0 时间18世纪末工业1.0创造了机器工厂的“蒸汽时代”20世纪初电力广泛应用蒸汽机信息物联系统1970年代初今天工业2.0将人类带入分工明确、大批量生产的流水线模式和“电气时代”工业3.0应用电子信息技术，进一步提高生产自动化水平的“信息化时代”自动化、信息化工业4.0开始应用信息物理融合系统（CPS）复杂度目标：建立一个高度灵活的自动化、个性化、数字化产品与服务的生产模式关键点：“原材料（物质）”=“信息”。智能工厂使用了含有信息的原材料，实现了“原材料（物质）”=“信息”，制造业终将成为信息产业的一部分。9总体概念工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统（Cyber-PhysicalSystem)相结合的手段，将制造业向智能化转型两大主题一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用智能工厂智能生产工业4.0机械工程控制P10现代控制应用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P11美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床(1952)

现代控制应用P12美国GeorgeDevol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的JosephEngelberger创立了第一家机器人公司，Unimation。现代控制应用13控制的应用举例电机控制机床控制生产过程自动化控制机器人控制......工业控制机器人不再被固定在安全工作地点而是与人一起协同工作14控制的应用举例蛟龙号载人潜水器是一艘由中国自行设计、自主集成研制的载人潜水器。2009年至2012年，“接连取得1000米级、3000米级、5000米级和7000米级海试成功。2012年6月，在马里亚纳海沟创造了下潜7062米的中国载人深潜纪录，也是世界同类作业型潜水器最大下潜深度纪录。蛟龙号:P15机械狗控制的应用举例16控制的应用举例汽车电子电源发动机控制行驶装置报警与安全装置旅居性仪表娱乐通讯17控制的应用举例其他工程应用军事、航天领域（火炮、雷达、跟踪系统、人造卫星、宇宙飞船等）流程工业（轧钢过程、工业窑炉、石油化工、水泥建材、玻璃、造纸等）现代农业生产（自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测等）其他领域（通信、交通、医学、环境保护、经济管理等）18控制的基本概念1、基本概念控制：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，并具有一定的状态与性能。简单地说，就是施加某种操作于对象，使其产生所期望的行为。图1液位人工控制图2液位自动控制检测偏差实施控制消除偏差19控制实例2：冰箱控制系统20机械工程控制基础陈星机电与车辆工程学院21复习控制系统的基本概念（1）控制系统的数学模型（2）控制系统的的分析（3、4、5）时域分析（3）频域分析（4）根轨迹分析稳定性分析（5）控制系统的综合（6）时域分析法（3）频域分析法（4）根轨迹法22控制对象控制目标控制手段（装置、算法等）3、可控性与能控性控制对象有多种运动状态的可能性；能够通过控制手段使控制对象的状态达到控制目标控制的基本概念2、控制的三要素234、理论形成的背景

1765年，瓦特(英国Watt，1736-1819)发明蒸汽机，工业与军事的需要，电子技术的发展，···，推动了控制理论的不断地向前发展。2、控制理论创始人：（美）维纳（Wiener）3、代表人物：劳斯（Routh)，胡尔维茨(Hurwitz），奈奎斯特（Nyquist），李雅普诺夫,扎德(Zadeh),傅京孙等.控制的基本概念245、自动控制理论的发展1）经典控制理论(20世纪40~60年代):

研究对象:单输入单输出(SISO)、线性定常系统;

研究方法:传递函数、根轨迹、频率特性2）现代控制理论(20世纪60~70年代):

研究对象:多输入多输出(MIMO)、非线性、时变系统;

研究方法:状态空间法.3）智能控制与大系统理论(20世纪70年代----):

研究对象:多输入多输出(MIMO)、非线性、时变复杂系统;

研究方法:模糊规则、神经网络模型等智能方法.25第一章绪论第一讲机械工程控制论的研究对象与任务26第一讲机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论研究机械工程技术中的广义系统动力学问题。1.系统：元素按一定规律组合起来的能完成一定功能的集合。系统与外界的交互作用外界对系统的作用：输入(激励)、干扰（扰动）系统对外界响应：输出（响应）外界的作用系统的响应三个要素：

元素,

元素间的联系,

功能性。27第一讲机械工程控制论的研究对象与任务广义系统：具备系统要素的一切事物或对象譬如：机器系统、生命系统思维、学习、工作社会系统生产系统自然系统人造系统实体系统概念系统28第一讲机械工程控制论的研究对象与任务2、系统普遍存在信息的传递、交互与反馈是控制论的中心思想控制论强调：对象是一个“系统”；系统不断“运动”(经历动态历程，包括内部状态和外部行为)外因(输入、干扰)是运动的条件内因(系统的固有特性)是运动的根据29控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科经济学生物学社会学机械工程机械工程控制论控制论经济控制论社会控制论生物控制论工程控制论共同的本质特点：通过信息传递，处理与反馈进行控制工程技术第一讲机械工程控制论的研究对象与任务共同的本质特点：通过信息传递，处理与反馈进行控制30第一讲机械工程控制论的研究对象与任务3、研究对象：机械工程技术中的广义动力学系统。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，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部固有特性（系统结构与参数所决定的特性）所决定的动态历经过程（动态响应）。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。机械系统中的“激励”与“响应”分别代表着系统的输入和输出。31第一讲机械工程控制论的研究对象与任务4、系统动力学问题分析典型实例实物模型物理模型数学模型静态模型动态模型静态模型：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。（一般用代数方程描述）动态模型：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。（一般用微分方程或差分方程描述）(描绘系统的动态历程)

模型:就是对系统的一种客观描述，它通常是真实系统的一种简化。32第一讲机械工程控制论的研究对象与任务模型是研究系统、认识系统、描述系统以及分析系统的工具。静态模型和动态模型分析示例——机器隔振系统F(t)：外力，即激励N(t)：隔振垫对机器的支反力y(t)：地基的位移，亦可作激励x(t)：机器的位移，即响应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。33第一讲机械工程控制论的研究对象与任务4、系统动力学问题分析典型实例输入相异的单自由度机械振动系统参数说明：m系统质量；c粘性阻尼系数；k弹簧刚度34第一讲机械工程控制论的研究对象与任务4、系统动力学问题分析典型实例（1）外力f(t)作用下的系统动力学方程动力学方程：微分算子：动力学方程简化为：被动力之和=主动力则：35第一讲机械工程控制论的研究对象与任务4、系统动力学问题分析典型实例（2）位移x(t)作用下的系统动力学方程动力学方程：微分算子：动力学方程简化为：则：36第一讲机械工程控制论的研究对象与任务4、系统动力学问题分析典型实例初始状态：系统固有特性：外界作用：系统的输出：初始状态、系统固有特性、外界作用、与外界的关系等四大因素决定系统响应37第一讲机械工程控制论的研究对象与任务5、研究任务:按系统、输入、输出三者的动态关系（1）系统分析问题：已知系统和输入，求输出（或响应），并通过响应来研究系统本身的问题。（2）最优控制问题：已知系统和理想输出，求最优输入，使实际输出满足要求。（3）最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。（4）滤波与预测问题：设计或选择合适的系统，以便由输出识别输入或输入中的有关信息。（5）系统辨识问题：已知输入和输出，要识别系统的结构和参数，建立系统的数学模型。38第一讲机械工程控制论的研究对象与任务例1

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。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匀移动的要求。此即最优控制问题。即为最优设计问题。39第一讲机械工程控制论的研究对象与任务例2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。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。系统识别或系统辩识问题滤波与预测问题40本讲小结了解控制并认识控制系统控制论的研究对象控制论的研究任务或内容第一讲机械工程控制论的研究对象与任务41第一章绪论第二讲反馈42第二讲反馈自动控制示例1：液位控制系统①分析控制系统的组成要素：被控制对象：贮罐；控制目标：液位恒定；控制手段：手动/自动调节阀门的部分43第二讲反馈自动控制示例1：液位控制系统②系统的表达控制系统中各子系统间的信号的传递与反馈关系：期望液位阀门贮罐实际液位（输出）液位计人脑实际液位扰动人手人眼实际与期望液位差44第二讲反馈自动控制示例1：液位控制系统②系统的表达控制系统中各子系统间的信号的传递与反馈关系：浮球杠杆阀门贮罐实际液位（输出）实际液位扰动浮球位置期望液位45第二讲反馈1、反馈系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统。（1）根据反馈信号的来源分反馈的分类：外反馈（反馈控制）：相对于被控对象而言，由附加的反馈装置引起的信息交互。外反馈举例说明：46第二讲反馈1、反馈（1）根据反馈信号的来源分反馈的分类：内反馈：系统或过程中由于各元素间的相互联系而自然形成的各种反馈，是系统内部的信息的交互；反映系统内部元素间互为因果的内在联系；内反馈举例说明：人体的温度自我调节系统内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因！！47第二讲反馈内反馈：耦合反馈（系统或过程中自然形成的反馈）内反馈实例分析—单自由度系统48第二讲反馈状态方程表示：取有：状态方程用方框图表示为：y1和y2之间具有信息交互作用，本质上是弹簧的位能与质量的动能之间的转换。y2本身的交互作用就是阻尼消耗能量的过程。49第二讲反馈1、反馈(2)根据反馈的作用的结果分类反馈的分类：负反馈：反馈信息与控制信息的作用方向相反，因而制约控制部分的活动。输出（被控量）偏离设定值（目标值）时，反馈的作用使输出偏离的程度减小，并力图达到设定值。

如：液面控制系统

火炮瞄准……50第二讲反馈1、反馈(2)根据反馈的作用的结果分类反馈的分类：正反馈：反馈信息不是制约控制部分的活动，而是促进和加强控制部分的活动。输出（被控量）偏离设定值（目标值）时，反馈的作用使输出偏离的程度加剧。如：图示的液位控制系统电子加速器\火药爆炸\热核反应……51第二讲反馈51以发动机离心调速系统为例被控对象：发动机被控量：转速w被控量的目标值设定：弹簧长度+螺旋位移2、反馈控制系统的组成控制信息传递与反馈：控制方框图：给定比较放大执行测量控制对象控制部分被控部分52第二讲反馈

1—给定环节；2—比较环节；3—校正环节；4—放大环节；5—执行机构；6—被控对象；7—检测装置反馈控制系统的结构及基本环节设定被控制量的给定值的装置将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量，多用差动放大器实现负反馈一般由传动装置和调节机构组成。执行机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值要进行控制的设备或过程控制系统所控制的物理量（被控量）

检测被控制量，并将其转换为与给定量相同的物理量用来实现调节作用，如放大、整流，也称为调节器或调节环节53第二讲反馈3、控制系统的分类（1）、控制系统的分类按反馈情况分类开环系统：没有反馈回路，输出量对系统没有控制作用。控制器输入量输出量控制对象扰动图1.4.1开环系统示意图特点：控制简单，控制精度难以保证。如：数控机床、自动洗衣机、自动化流水线54第二讲反馈闭环系统：有反馈回路。输出量反馈到输入端形成闭环，参与控制。特点：输出量返回来与输入量比较负反馈——反馈信号与输入量相减，根据差值即偏差进行控制。如：伺服驱动的数控机床、恒温箱(冰箱、空调)

扰动控制器输入量输出量控制对象测量元件图1.4.2闭环系统示意图55第二讲反馈按输出量的变化规律分自动调节系统(恒值系统)：输出量保持常量，输入量不变。为闭环系统，如：恒温调节系统

随动系统：输入量按事先不知道的时间函数变化，

要求输出量跟随输入量的变化而变化。多为闭环系统，如：自动火炮系统、动物捕食等程序控制系统：系统的输出按预定程序变化。开环或闭环系统，如：数控机床、全自动洗衣机等56第二讲反馈按线性性质分类线性控制系统：系统由线性元件组成，由线性微分方程描述。

叠加性和齐次性是线性系统的特征。非线性控制系统：由非线性微分方程描述的系统。非线性微分方程：微分方程的系数与自变量有关。线性定常系统：线性微分方程的各项系数为常数。线性时变系统：线性微分方程的系数是时间的函数。57第二讲反馈连续控制系统离散控制系统定常系统时变系统位移控制系统温度控制系统速度控制系统按信号类型分按时变情况分按被控量分……

引出点（