机械工程控制基础(chp.1)

机械工程控制基础课程简介

课程性质：机械类的一门技术基础课。先修课程：复变函数、机械动力学、交流电路理论等

后续课程：为专业基础和专业课打下一定基础。如：机械工程测试技术、机电传动控制、数控机床等。

课程目的：本课程是数理基础课与专业课程之间的桥梁。通过本课程学习，使学生逐步学会运用“系统”、“动态”的观点，运用控制理论的方法，解决机械工程中的实际问题。

Chp.1绪论基本要求（1）了解机械工程控制论的基本含义和研究对象,学习本课程的目的和任务；掌握广义系统动力学方程的含义。（2）了解系统、广义系统的概念，了解系统的基本特性；了解系统动态模型和静态模型之间的关系。（3）掌握反馈的含义，学会分析动态系统内信息流动的过程，掌握系统或过程中存在的反馈。（4）了解广义系统的几种分类方法；掌握闭环控制系统的工作原理、组成；学会绘制控制系统的方框图。（5）了解控制系统中基本名词和基本变量。（6）了解正反馈、负反馈、内反馈、外反馈的概念。（7）了解对控制系统的基本要求。重点与难点本章重点（1）学会用系统论、信息论的观点分析广义系统的动态特性、信息流，理解信息反馈的含义及其作用。（2）掌握控制系统的基本概念、基本变量、基本组成和工作原理；绘制控制系统方框图。本章难点广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制。二、控制系统的发展

控制论+工程技术→工程控制论控制论+机械工程→机械工程控制

1、控制系统发展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、图书管理等

自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从1868年马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：智能控制发展阶段。经典控制理论的基本特征（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；（2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。

应该指出的是，反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。现代控制理论

由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。大系统理论

20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。智能控制

是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。

智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。

2、控制的定义:

控制:对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。例.[钢铁轧制]:轧出厚度一致的高精度铁板

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。存在温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。控制无处不在工业控制国防应用家用电器消费类产品控制技术应用控制技术

应用举例(1)工业控制电机控制机床控制生产过程自动化控制机器人控制......控制技术的应用CR-01型6000米水下无缆机器人1995年8月我国沈阳自动化所机器人中心研制的CR-01型6000米水下无缆机器人（上）和正在下水的情况（右）船用火力发电综合控制系统

家用电器冰箱、洗衣机家庭影院微波炉......控制技术

应用举例(2)消费类产品WalkManU盘、MP3手机应用产品......控制技术

应用举例(3)32、64等合弦音MCU芯片智能楼宇的控制控制技术

应用举例(4)可视对讲、室内报警、远程家电控制…….楼宇电梯的控制信号检测供电系统电机(执行机构)可编程序控制器ProgrammableLogicController电机控制器汽车电子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收音机、汽车电话、业余电台点火装置、燃油喷射控制、发动机电子控制车速控制、间歇刮水、除雾装置、车门紧锁….安全带、车灯未关报警、速度报警、安全气囊….空调控制、动力窗控制里程表、数字式速度表、出租车用仪表….控制技术

应用举例(5)例.典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等。例.控制实例-液面控制人工控制自动控制3、控制论:

定义：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。控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置控制论强调：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）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共同的本质特点：通过信息的传递、处理与反馈进行控制。研究对象：研究广义系统在一定外界条件下，从系统初始条件出发的整个动态过程，以及在这个历程中和历程结束后所表现出来的动态特性和静态特性。（1）

广义系统:

(a)可大可小，可繁可简，可虚可实。（b）一般可建立数学模型：微分方程、传递函数、频率响应函数等（c）系统具有固有特性，由结构和参数决定（2）外界条件：指对系统的输入（激励）包括人为激励、控制输入、干扰输入等4、控制论研究对象与任务分析系统，就是分析x(t)、h(t)、y(t)三者关系（动态历程）（3）初始条件：系统在x(0-)时的状态。x(0-）视为一种特殊的输入。（4）动态历程：即系统的输出y(t)随t而变化的过程，或系统从一种稳态到另一稳态之间所经历的过程。

动态特性：系统在过渡过程中，输出响应的快速性和稳定性

静态特性：过渡过程结束后，系统工作的准确性（稳态误差）稳定性、快速性、准确性是系统设计的三大指标要求。（5）系统研究类型：（a）h(t)已定，x(t)已知，求出y(t)，通过y(t)研究系统本身问题→系统分析

（b)h(t)已定，确定x(t)，使y(t)符合给定最佳要求→最优控制（c）x(t)已知，确定h(t)，使y(t)符合给定最佳要求→最优设计（d）x(t)已知，确定h(t)，以识别x(t)的有关信息→预测（e）x(t)、y(t)已知，确定h(t)的结构与参数（即建立数学模型）→系统识别或辩识

（6）系统数学模型例1，Fig.1.1.1质量m—阻尼c—弹簧k单自由度系统输入：作用在m上的外力，输出：质量块m上的位移初始状态：初始位置y(0)=y0，初始速度：即：（mp2+cp+k)y(t)=f(t)例2，Fig.1.1.2输入：支座位移x(t)，输出：质量块位移y(t)支座位移通过弹簧和阻尼影响质量位移，即输入（cp+k)x(t)

动力学方程：(mp2+cp+k)y(t)=（cp+k)x(t)左端算子:(mp2+cp+k)由系统本身结构与参数决定，固有特性，与外界无关。右端算子:（cp+k)反映系统与外界关系，与输入有关。对一般线性系统，可建立微分方程：(anpn+an-1pn-1+…+a1p1+a0)y(t)=(bmpm+bm-1pm1+…+b1p1+b0)x(t)y(0)=y0y′(0)=y0′…yn-1(0)=y0(n-1)

三、反馈控制论的中心思想就是“反馈控制”1、定义：将系统输出全部或部分返回到输入端。2、从微分方程中体现反馈

3、反馈控制系统实例热力系统的自动反馈控制4、说明（1）人为增加，（2）外反馈与内反馈（3）正反馈与负反馈（4）都引起信息传输与交换(2)内反馈与外反馈外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈，称为外反馈。

内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。它是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变得异常复杂。例：m-c-k系统显然这是一个内反馈，因为没有附加反馈控制装置。内反馈是系统内部的信息交互，反映了系统的动态特性。四、系统分类

开环控制系统

闭环控制系统复合控制系统1.实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：

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

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。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特点：开环与闭环组合组成，也叫前馈-反馈控制系统。如图1-6.复合控制系统2、按输出变化：

自动调节系统（恒值系统）：在外界干扰下，系统输出基本保持为常量（给定量为恒值）。

随动系统：输出相应于输入按任意规律变化（给定量为变量）。如导弹目标自动跟随系统，火炮自动瞄准系统。仿形机床-配钥匙。

程序控制系统：系统输出按预定程序变化。数控等离子切割机，数控机床等五、控制系统基本组成环节系统中的环节：1、控制环节（给定环节）：产生控制信号或输入信号，可各种形式。2、测量环节：测量被控参量，起反馈作用，一般为非电量电测。3、比较环节：比较输入和反馈量，产生偏差信号。ε=xi—xb（同一种量）4、放大环节：用以推动执行元件工作。5、校正元件：改善系统性能的调节元件。6、执行元件：对被控对象直接操作。图1-7典型负反馈控制系统结构框图

1、

输出量（被控量、被控参量）x0：最终控制的目标值。2、控制量（给定量）xi：根据设计要求与输出量相适应的预先给定信号。3、干扰量（扰动量）：引起输出变化的各种外部和内部条件，属于一种偶然的无法人为控制的随机输入信号。4、

输入量：控制量与干扰量的总称，一般多指控制量。5、

反馈量：由输出端引回到输入端的量。6、

偏差量：控制量与反馈量之差。7、

误差量：实际输出量与希望输出量之差值。e(t)=x0(t)—x0*(t)控制系统中的量六、控制系统的基本要求“稳、快、准”1、稳定性：系统xo(t)对给定目标值xo*(t)的偏离，应随t增长逐渐趋近于零。绝对为零不可能→给出一定的稳定裕度若系统不稳定，xo波动较大或发散，则不能正常工作。不同受控对象对系统稳定性要求不同。2、快速性：指xo达到给定目标值的快速性两种指标衡量：①

瞬态响应时间ts(过渡过程时间，调整时间)即：︱xo(t)—xo（∞）︱≤△·xo(∞)的时间t≥ts△

为可靠度指标。一般△取0.02或0.05②

超调量Mp：欠阻尼下一般有振荡衰减，产生MpMp较小，过渡过程平稳，Mp过大，系统过渡过程长。无振荡则无Mp，但较大ts。3、

准确性（稳态精度）：

过渡过程结束后，x0与给定输入量的偏差。1、系统方框图及其组成

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。它包括三个基本的单元，即：

1)引出点（分支点）：表示信号的引出或信号的分支，箭头表示信号的传递方向，线上标记信号的名称。七、控制系统方框图的画法比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号进行相加或相减运算。“+”表示信号相加；“-”表示信号相减。

元件方框：方框中写入元、部件的名称，进入箭头表示其输