机械工程控制基础chap的知识

控制论是研究什么的？定义？说法一：“控制论”是关于机器的理论说法二：“控制论”是电子计算机和电子学的理论说法三：“控制论”就是类似于数学的一门学科说法四：“控制论”是关于动物和机器中控制和通信的科学（维纳定义）“控制论”是以研究各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学。控制论”就是要揭示包括机器、生物、社会在内的各种不同的控制系统的共同规律。是研究各种系统共同控制规律的科学，是方法论。

第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering维纳是如何发现问题、提出问题并创立这一全新的学科的呢？人的有目的的活动VS具有控制功能的机器取物火炮打敌机感觉器官：眼、耳检测机构：雷达中枢决策器官：大脑决策机构：指挥仪效应器官：手、脚……执行机构：随动系统第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering问题1：各种系统有什么共性？尽管机器与动物在本质上有着天壤之别，有着无生命与有生命的差别，但从机器控制的动作和人的行为过程来看，他们有着相当确切的“同构性”。第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering问题2：究竟是什么东西使的尽管在质的方面有着天壤之别的机器和人在行为活动中，有如此相似的过程呢？开汽车用手取物

方向盘手臂神经输入端转动机构手臂、肌肉、大脑执行机构（控制机构）车轮手指输出端力生物电信息共同点：控制内容的消息----信息，正是控制部分和受控部分之间发生了这种信息的联系、信息的运动，控制过程才得以实现。控制过程就是系统中信息运动的过程。控制机工作，实际上就是以某种方式向机器发出信号，机器接受信息的地方叫输入端。机器接受到控制信息产生一系列动作，去完成指定工作，产生这些运动的地方叫执行机构或控制机构。机器完成了指定的工作，产生出工作效果的地方叫输出端。第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering问题3：控制过程是怎样具体实现的呢？信息是以怎样的形式实现控制和操纵的呢？控制的反馈机制控制理论中称信息的双向运动为“反馈联系”。“反馈”是指：控制系统把信息传输出去后，又将信息的作用返回到控制系统，并对控制系统的再输出产生影响。第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering控制论中的三大要素：同构理论信息的流通、交换反馈机制第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering经济型CIM系统加工过程顺序控制系统工业机器人的应用：机器人装配生产线柔性加工中的机器人车削加工单元中的机器人柔性加工系统中的机器人1—拉床2—车床3—插齿机4—剃齿机5—塔式储存架6—机器人7—去毛刺机装配系统中的机器人1—机器人2、3、5、6、7、8、9—轴承、轴、套、垫圈、法兰、螺母和产品传送带4—压力机装配系统中的双臂机器人1~7—固定式电视摄像机8—可转式电视摄像机9—抓握手臂10—感知手臂11~13—吸尘器零部件14—吸尘器装配成品焊接作业系统的机器人1—机器人

2—传送带

3—汽车壳体喷漆作业系统中的机器人1—工装板2—循环拖动链条3—工件识别站4—工件

5—行程开关6—直角坐标机器人7、8、9、10—垂直关节机器人产品的机电一体化数控铣床数控车床焊接机器人汽车防抱死系统(ABS)

机电一体化系统的构成

位置,速度检测单元电机机械部件位置,速度反馈CNC数控机床伺服系统组成机电一体化系统的构成执行器控制信息电子控制单元动力源检测传感部分机械本体参数变化信息驱动力能量检测参数控制与控制系统控制器控制阀被控对象传感器给定值偏差控制器输出操纵变量被控变量测量值-+自动控制系统方框图干扰利用系统框图可以清楚、方便地表示自动控制系统中各个组成部分之间的相互关系，在研究自动控制系统时，通常用方框图表示控制系统的组成。

数控机床伺服系统，由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。

伺服系统类型数控技术与数控机床

数控系统与数控机床的组成数控技术与数控机床全闭环数控系统位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈机器人控制系统的组成特点机器人控制系统的一般组成机器人控制系统控制器软件系统的体系结构机器人控制系统上位机软件系统ARL是对“精密1号”机器人进行编程和控制的软件系统。ARL系统驻留在系统磁盘上，每次开机时加载到内存。下位机软件系统主要用于对机器人的四个关节进行位置伺服控制，利用iRMXIII提供的应用系统固化功能，下位机控制软件固化于EPROM中。ABS工作原理简介轮速传感器传感器转子制动分缸制动灯开关制动盘电子控制单元ECU执行器ActuatorABS执行器:

压力降低时的工作示意图制动总缸泵ABSECU单向阀1单向阀2单向阀3回位弹簧A孔关闭B孔打开5A12VC孔ABS执行器:压力保持时的

工作示意图制动总缸ABSECU单向阀1单向阀2单向阀3回位弹簧A孔关闭B孔关闭2A12VC孔ABS执行器:压力升高时的工作示意图制动总缸ABSECU单向阀1单向阀2单向阀3回位弹簧A孔打开B孔关闭0A12VC孔制动液压系统电子控制单元ECU计算电路计算电路轮速传感器输入放大电路输出信号轮速传感器FLRRFRRL电源监控电路故障记忆电路警告灯驱动电路电磁阀控制电路电磁阀控制电路左前电磁阀右前电磁阀后轮电磁阀ABS警告灯电磁阀继电器泵电动机继电器继电器电源外部信号输出信号泵电动机监视制动开关电磁阀继电器监视机电一体化系统模型例如，对于如图所示的数控伺服系统直流伺服电机控制伺服电机控制方式驱动与控制一个驱动系统性能的好坏，不仅取决于电机本身的特性，而且还取决于驱动电路的性能以及两者之间的相互配合。对驱动电路一般要求频带宽、效率高、能量能回授等。目前常用晶体管驱动和晶闸管直流调速驱动，广泛采用的直流伺服电机的晶体管驱动电路有线性直流伺服放大器和脉宽调制放大器(PwM)。一般，宽频带低功率系统选用线性放大器(小于几百瓦)，而脉宽调制放大器常用在较大的系统中，尤其是那些要求在低速和大转矩下连续运行的场合。一、晶闸管直流调速驱动电机部部分：机械传动系统：数控伺服系统的方框图为：第一章

控制系统的基本概念一、机械工程控制论的研究对象与任务二、控制系统的工作原理及其组成三、控制系统的基本类型四、对控制系统的基本要求五、本课程的任务及主要内容第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering一、机械工程控制论的研究对象与任务系统是由相互联系、相互作用的若干部分构成且具有一定运动规律的一个有机整体。是按一定规律联系在一起的元素的集合。系统及广义系统要素：元素元素之间的关系第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广义系统的动力学问题。具体地说，它研究的是机械工程广义系统在一定的外界条件（即输入或激励、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。机械工程控制论的研究对象系统输入输出外界作用系统内部的信息传递与交互系统的响应第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械工程控制论的任务可以分为以下五种：（1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；（2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；（3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题；（4）输出已知，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）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。机械工程控制论的研究任务

加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱

温度计第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering二、控制系统的工作原理及其组成控制：通过对一定对象实施一定的操作，以使其按照预定的规律运动或变化的过程。

自动控制：在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被控对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动控制。控制器：对被控对象起控制作用装置的总体.被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。控制器：对被控对象起控制作用装置的总体，称做控制装置或控制器。输出量：表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控制的物理量。输入量：作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。扰动：所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素，称为干扰量或扰动量。退出1自动控制与自动控制系统被控对象：恒温箱

控制器：除恒温箱以外的所有装置，统称为控制器。

被控制量：恒温箱的实际温度为被控制量（系统的输出量）

希望值：希望的恒温箱的温度。控制量：加热电阻丝的输出功率。扰动量（干扰）：恒温箱散热量

第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering人工控制恒温箱调节过程：

观测恒温箱内的温度（被控制量）

与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度

偏差的大小和方向

根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电

阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering系统方框图系统方框图由许多对信号（量）进行单向传递的元件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。包括三个基本的单元:引出点,比较点,元件方框大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度期望温度人工控制恒温箱系统功能框图温度计-

自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶

及飞机自动驾驶、导弹制导等。第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1u恒温箱自动控制系统第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2

恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度

u2比较得到温度偏差信号u＝u1

u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动

执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触

头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向

运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为

止，此时，偏差u＝0，电机停止转动。第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering给定信号电压功率放大器控制电机减速器调压器恒温箱(控制对象)热电偶u1u2uuanvu温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统功能框图第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering从恒温箱控制系统功能框图可见：

给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。

也称为参考输入量（信号）。

被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。

输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系

统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏

差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。

输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部

分输出信号称为反馈信号。第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering综上所述，控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比

较得出偏差；

用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得

输出量维持期望的输出。第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。

注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering

开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为两类：

开环控制系统

闭环控制系统第一章

控制系统的基本概念第一章

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开环控制系统特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。

输入装置指令系统输入控制装置伺服驱动装置工作台工作台

位置系统输出数控机床的开环控制系统框图第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力控制器对象或过程输入量输出量开环控制系统框图第一章

控制系统的基本概念第一章

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闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering控制器对象或过程输入量输出量测量元件闭环控制系统框图反馈量第一章

控制系统的基本概念第一章

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闭环控制系统的组成给定元件+串联校正元件放大变换元件执行元件控制对象_+_并联校正元件局部反馈反馈元件主反馈控制部分比较元件比较元件输入信号

xi偏差信号

e主反馈信号

xb扰动信号输出

xo闭环控制系统的组成第一章

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给定元件

产生给定信号或输入信号。

反馈元件

测量被控制量（输出量），产生反馈信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。

第一章

控制系统的基本概念第一章

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比较元件

对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号；

放大元件

对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。

执行元件

直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、液压马达等；

第一章

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校正元件用以改善系统控制质量的装置。校正元件分为串联和并联两种。控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动，但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering三、控制系统的基本类型

按输入量的特征分类

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统的输出量为恒值。

如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。

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，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。第一章

控制系统的基本概念第一章

控制系统的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering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、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。

如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。第一章

控制系统的基本概念第一章

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按系统中传递信号的性质分类

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。连续控制系统通常采用微分方程描述。

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。离散控制系统通常采用差分方程描述。

第一章

控制系统的基本概念第一章

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其它分类方法

线性系统