机械控制工程基础(绪论)C班

机械控制工程基础本章主要内容:

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4机械工程控制论概述控制系统组成和工作原理控制系统的基本类型及要求Matlab语言简介1.机械工程控制论概述1.1控制是什么1.2控制论及机械工程控制论1.3系统1.1控制的本意

:为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监督、镇压。

1机械工程控制论概述

例1.[钢铁轧制]:轧出厚度一致的高精度铁板温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制等等。1机械工程控制论概述自动控制:

在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称

）,使机器、设备或生产过程（）的某个工作状态或参数（即）自动地按照预定的规律运行（或变化）。例2.[程控机床]:自动进刀切削，加工出预期的几何形状直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制,等等。控制装置或控制器被控对象被控量1机械工程控制论概述例3.控制实例-液面控制人工控制自动控制1机械工程控制论概述自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制。后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制。目前渗透到更多领域：大系统、交通管理等。1机械工程控制论概述控制论强调：1)所研究的对象是一个系统；2)系统在不断地运动（经历动态历程、包括内部状态和外部行为）；3)产生运动的条件是外因（外界的作用：输入、干扰）4)产生运动的根据是内因（系统的固有特性）1.2控制论及机械工程控制论关于控制原理和控制方法的学科，研究事物变化和发展的一般规律。1机械工程控制论概述控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。控制论经济学社会学生物学工程技术经济控制论社会控制论生物控制论工程控制论机械工程机械工程控制论1机械工程控制论概述

机械工程控制论研究机械工程系统及其输入、输出三者之间的动态关系。即为系统的动力学问题。1.3关于系统。

1机械工程控制论概述机械系统: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。对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。

1.3关于系统。A.系统：按一定的规律联系在一起的元素的集合。B.系统的特性不仅与构成系统的元素有关，而且与系统的结构（即元素之间的联系）有关

1机械工程控制论概述C.系统的层次性和相对性：系统的组成元素也可以是一个系统（子系统），整个系统又可以是更上一层系统的组成元素。例4.弹簧－质量－阻尼单自由度系统。分析：这是同一个系统，不同的外界作用1机械工程控制论概述上式中y(t)为微分方程的解，显然它是由系统的初始条件，系统的固有特性，系统的输入及系统与输入之间的关系决定。1机械工程控制论概述对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：1)系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)，三者之间表现为何种关系。2)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。3)对于确定的输入，系统应具有什么特性，才能使系统实现预期的响应。1机械工程控制论概述。

1机械工程控制论概述E.系统的特性:（1）系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的结构有关；（2）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；

（3）系统往往具有表现出在时域、频域或复域等域内的动态特性。

1机械工程控制论概述机械工程控制论的内容可归纳为如下5个方面：（A）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；

（B）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；

（C）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题；

（D）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；

（E）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。

1机械工程控制论概述1.2控制系统的工作原理和组成1.2控制系统的工作原理和组成1.2.1控制系统的工作原理1.2.2控制系统的组成恒温箱温度控制人工控温自动控温一、Examples

1.2控制系统的工作原理和组成1.2.1

控制系统的工作原理[动态过程]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。1.人工控制恒温箱1231.2控制系统的工作原理和组成[实质]检测偏差再纠正偏差。人工控制恒温箱1231.2控制系统的工作原理和组成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。[动态过程]2.恒温箱自动控制系统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-u2t

u2

u

ua

n

v

u

t1.2控制系统的工作原理和组成系统原理方块图[实质]检测偏差纠正偏差1.2控制系统的工作原理和组成控制系统的工作原理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。1.2控制系统的工作原理和组成综上所述，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。控制器对象或过程输入量输出量测量元件控制系统工作原理反馈量偏差1.2控制系统的工作原理和组成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。从反馈信号的角度看，反馈有正反馈与负反馈之分。如根据自控原理，在系统中加上一个人为的反馈，构成自动控制系统，这种反馈为外反馈。1.2控制系统的工作原理和组成

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”。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。1.2控制系统的工作原理和组成例：人骑自行车时，总是希望自行车具有一定的理想状态（如速度，方向等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，使得自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉车子的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。1.2控制系统的工作原理和组成其信息流动与反馈的过程如图所示：运动系统感觉器官自行车1.2控制系统的工作原理和组成例：如果负载变化，使w增加->离心机构滑套上移->液压滑阀上移，动力活塞下移，油门关小，w减小->直到滑阀回复中位，w回复到设定值。通过检测系统的实际输出值，并与设定值进行比较，反过来又作用于系统，形成反馈，进而调节系统的输出，本例中的反馈表现为w变化所引起的信息传递与交互。1.2控制系统的工作原理和组成1.2.2、控制系统的组成1.2控制系统的工作原理和组成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1.2控制系统的工作原理和组成

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。

比较元件对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号；

给定元件产生给定信号或输入信号。1.2控制系统的工作原理和组成

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；

校正元件

用以改善系统控制质量的装置。校正元件一般分为串联和并联两种。1.2控制系统的工作原理和组成

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。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。1.2控制系统的工作原理和组成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1.2控制系统的工作原理和组成例:分析图示液位自动控制系统工作原理并绘制系统功能框图节流阀节流阀H(t)放大器+E+E.电动机减速器1.2控制系统的工作原理和组成解：1、电位器滑动触点位于中间位置，电动机停转，阀门保持原有开度，水箱中流入水量与流出水量相等，液面保持在希望的高度。

2、若系统收到扰动使液面升高，则浮子相应升高，通过杠杆作用使电位器滑动触点下移，给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使输入流量减小，液位下降，直到电位器滑动触点回到中间位置，液面恢复给定高度；

3、若系统收到扰动使液面下降，则系统会自动加大阀门开度，使输入流量增加，液面恢复到给定高度。1.2控制系统的工作原理和组成给定液位杠杆电位器放大器电动机减速器阀门水箱实际液位浮子节流阀节流阀H(t)放大器+E+E.电动机减速器1.2控制系统的工作原理和组成1.3控制系统基本类型及要求1.3.1控制系统基本类型1.3.2控制系统的基本要求1.3.1控制系统的基本类型按输入量特征分类按传递信号分类按系统构成分类按系统中元件特性按信号传递方向恒值控制连续控制开环控制线性控制前馈控制程序控制离散（数字）控制闭环控制非线性控制反馈控制随动控制半闭环控制1.3控制系统基本类型及要求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。随动系统：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：交通信号灯、洗衣机等1.3控制系统基本类型及要求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。1.3控制系统基本类型及要求其它分类系统定常系统和时变系统

机械、电气、机电、液压、气动、热力等控制系统

温度、压力、位置等控制系统1.3控制系统基本类型及要求方程系数与时间的关系->定常、时变*按系统元件特性分类线性控制系统：由线性元件组成，输入输出间具有叠加性和均匀性性质。以线性微分方程来表述。非线性控制系统：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质。用非线性微分方程来表述。1.3控制系统基本类型及要求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：开环控制系统闭环控制系统（全闭环半闭环）

1.3控制系统基本类型及要求开环控制控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系且控制单方向进行。数控机床的开环控制系统方块图优点：简单、稳定、可靠。缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。1.3控制系统基本类型及要求闭环控制

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：精度较高，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。1.3控制系统基本类型及要求1.3.2自动控制系统的基本要求稳定性：系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。稳定的摆不稳定的摆1.3控制系统基本类型及要求1940年11月7日，一阵风引起了桥的晃动，而且晃动越来越大，直到整座桥断裂。跨越华盛顿州塔科马峡谷的首座大桥，开通于1940年7月1日。只要有风，这座大桥就会晃动。1.3控制系统基本类型及要求稳定:当扰动取消后，系统都能够恢复到原有的平衡状态。

大范围稳定小范围稳定不稳定1.3控制系统基本类型及要求控制系统在外部