机电控制工程基础

机电控制工程基础多媒体教学课件指导老师：叶俊杰副教授苏玉鑫教授教材《机电控制工程基础》主编：左键民副主编：盛英叶俊杰副教授

办公室：北校区主楼3区249联系方式：QQ:35402105ronkey6000@Tel二章控制系统的数学模型第一章绪论第三章控制系统的时域分析第四章控制系统的频率特性分析第五章控制系统的稳定性分析第六章控制系统的性能分析第七章控制系统的校正设计第九章线性离散控制系统机电控制工程基础第一章绪论（一）控制系统的工作原理及组成（二）控制系统的基本类型（三）控制系统的基本要求（四）控制工程理论发展历史基本要求：（1）了解控制系统的基本类型（2）了解对控制系统的基本要求及控制理论发展历史（3）掌握控制原理及系统的组成重点：掌握反馈控制原理及系统组成第一章绪论

第一节控制系统的工作原理及其组成一、概述控制是指控制主体按照给定的条件和目标，对控制客体施加影响的过程和行为。自动控制就是在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定的规律变化或运行。随着计算机迅速发展，为自动控制技术的应用开辟了广阔的前景，使自动控制技术不仅大量应用于空间技术、科技、工业、交通管理等领域，而且自动控制的概念和分析问题的方法也向其它领域渗透。东风-41洲际导弹电动平衡车电信1号美国轰炸我国大使馆现场

我们所见到的自动控制系统，其功用及其组成是多种多样的，结构有简有繁，它可以是只控制一个物理量（如温度、压力、电压）的简单系统；也可以是一个具体的工程系统，也可以是抽象的社会系统、生态系统或经济系统等。自动控制技术的广泛应用不仅能使生产设备或过程实现自动化，极大地提高劳动生产率和产品的质量，改善劳动条件，而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术和改善人民生活条件等方面都起着极其重要的作用。自动控制是一门必不可少的科学技术。二、控制系统工作原理以恒温控制系统为例，分析其控制过程。人工控制实现恒温控制自动控制图1-1人工控制的恒温箱调整变压器电压调整热量：[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。[实质]检测偏差再纠正偏差。1.人工控制恒温箱123Part1.2.1

控制系统的工作原理图1-2恒温箱的自动控制系统给定值（要求的温度）—由给定信号电压控制测量元件—热电偶，把温度转换成对应的电压信号放大元件—电压、功率放大器执行元件—执行电动机受控对象—恒温箱被控量—恒温箱的温度干扰—工件、环境温度等偏差信号—当温度偏低时，经放大器放大执行电动机转动减速器、调压器动触头移动电流加大温度升高温度达到给定值2.恒温箱自动控制系统人工恒温箱：温度计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]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比较自动控制系统和人工控制系统测量装置人的眼睛控制器人脑执行机构人手

共同的特点：检测偏差，并用检测到的偏差去纠正偏差，偏差是通过反馈建立起来的。

控制系统的工作原理：

1）检测输出量的实际量；

2）将实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差值；

3）用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。这种基于反馈原理，通过“检测偏差再纠正偏差”的系统称为反馈控制系统。控制系统的控制过程可以用系统的职能框图清晰而形象地表示。反馈——输出量的返回过程表示输出量通过测量装置将信号的全部或部分返回输出端，使之与输入量进行比较，比较产生的结果称为偏差。在人工控制中，这一偏差是通过人眼观测后，由人脑判断、决策得出的；在自动控制系统中，偏差则是通过反馈，由控制器进行比较、计算产生的。[实质]检测偏差纠正偏差图1-3恒温箱温度自动控制系统职能方块图比较元件引出点信号方向方框表示元部件负号表示负反馈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。常用术语1.受控对象——被操纵的机器、设备2.控制装置——对受控对象起控制作用的设备总体被控量（输出量）——在工作过程中需要加以控制的物理量4.输入量（给定值）——控制输出量变化规律的信号5.扰动——除控制信号外，一切对系统输出量产生影响的因素6.自动控制——在没有人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，使被控量等于希望值。干扰

三、开环控制与闭环控制

1.开环控制如果系统的输出量没有与其输入量相比较，即系统的输出与输入量间不存在反馈通道，这种控制方式叫做开环控制。

开环控制系统

特点：结构简单，所用的元器件少、成本低，系统一般也容易稳定，但对工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。应用：多用于系统结构参数稳定和干扰较小的场合。如自动化流水线、自动洗衣机

1.闭环控制（又称反馈控制）

反馈——输出量回输到输入端并与给定值（输入量）比较的过程。

无论是由干扰造成的，还是由结构参数的变化引起的，只要输出量出现偏差，系统就自行纠偏。控制信号沿前向通道和反馈通道闭路传送，故称闭环控制或反馈控制。

特点：1）能实现高精度控制

2）输出量可能有较大的波动，严重时会使系统无法工作因系统按偏差调节，有时间延迟，输出量的偏离不能立即得到修正，有可能使输出量处于振荡状态，如果系统参数选择不当，不仅不能修正偏离，反而会使偏离越来越大，系统无法工作。

四、闭环控制系统的组成

图1-4闭环控制系统的组成

给定元件给定或输入信号比较元件输入和反馈信号偏差校正元件放大元件执行元件反馈元件飞弹闭环控制系统非常复杂1）给定元件——产生给定信号或输入信号，例如图1-2中的热电阻2）反馈元件——产生与输出量有一定函数关系的反馈信号，例如图1-2中的热电偶,反馈元件一般为检测元件3）比较元件——用来比较输入信号与反馈信号之间的差值得到偏差信号，例如图1-2

中电位计中差接的比较电路4）放大元件——对偏差信号进行放大的元件。放大元件的输出一定要有足够的能量，才能驱动执行元件，实现控制功能例如电压放大器,功率放大器5）执行元件——直接对受控对象进行操作的元件例如伺服电动机、液压（气）马达伺服液压（气）缸6）校正元件——为保证控制质量，使系统获得良好的动、静态性能而加入系统的元件串联校正：串接在系统前向通道上反馈校正：接在系统的局部反馈通道中

第二节对控制系统的基本要求

控制系统应用于不同场合，对它有不同的性能要求。但从控制工程的角度来看，对控制系统却有一些共同的要求，一般可归结为稳、快、准。1.稳定性实际中，由于机械部分惯性，当系统各个参数分配不当时，将会引起系统的振动而失去工作能力稳定性指系统能够恢复平衡的能力系统偏离平衡状态后应该随着时间收敛最后回到平衡状态动态过程（过渡过程）——系统受到外加信号作用后，输出量随时间t变化的全过程。

一种过渡过程是收敛的，即过渡过程结束后，系统又趋于平衡状态，这类系统称为稳定的；

另一种过渡过程是发散的，这类系统称为不稳定的；等幅振荡也被认为是不稳定的。显然，系统稳定是保证系统能正常工作的首要条件。

2.快速性指动态过程进行的时间长短，消除偏差的快速程度。（导弹系统）

稳和快反应了系统在控制过程中的性能既快又稳，则过程中输出量偏离希望值小，偏离的时间短，系统的动态精度就高。要求系统具有有一定的响应速度

3.准确性过渡过程结束后，输出量的希望值与实际值之差。数控机床的加工误差小于0.02mm。一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值的1%以内。

同一个系统，稳、快、准是相互制约的。提高快速性，可能会引起系统强烈振动。改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚至精度也会变差。分析和解决这些矛盾，将是本学科讨论的重要内容。

第三节控制系统的基本类型

可以从不同角度对控制系统进行分类：按信号传递路径，可分为开环、闭环控制系统

按输入量的特征，可分为恒值控制系统、程序控制系统和随动（伺服）系统按系统中传递信号的形式，可分为连续控制系统、离散控制系统系统是否满足叠加原理（齐次性、可加性），分为线性控制系统、非线性控制系统根据系统部件的类型可分为机电控制系统、液压控制系统、气压控制系统

一、开环、闭环控制系统二.按输入量的特征

1.恒值控制系统

2.程序控制系统系统输入量为常值系统的基本任务是当出现扰动时，使系统的输出量保持为恒定的希望值。工业产生中的温度、压力、流量、液面等参数的控制电力系统的电网电压、频率控制等系统输入量按预定规律变化，系统的控制过程按预定的程序进行。数控机床按预定程序自动地切削工件。

3.伺服系统又称随动系统系统输入量随时间任意变化。系统输出量常是机械位移、速度、加速度、力、力矩等机械量。系统的基本任务是使系统输出量能快速、准确地跟随输入量变化。机械加工中的仿形机床。

武器装备中的火炮自动瞄准系统、雷达跟踪系统、导弹目标自动跟踪系统位置随动系统的原理图直流随动系统职能方块图误差电压Ue经放大器放大后供电给直流电动机，使之带动负载和接收电位器的动臂一起旋转，一直到θr=θc为止。电位器：位置的检测元件，将位置信号转换为电信号，并进行比较。放大器差动电桥三、连续控制系统和离散控制系统控制系统中各部分的信号若都是时间t

的连续函数，则称这类系统为连续控制系统。在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间t

的离散信号，则称这种系统为离散控制系统。脉冲和数码都属于离散信号。

计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统。计算机只能接受和处理数字信号，计算机的输出经D/A转换加给放大器，然后再去驱动执行元件，或由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后驱动数字式执行元件。四、线性控制系统和非线性控制系统齐次性、可加性可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线性系统。如果微分方程或差分方程的系数为常数，则称为线性定常系统；否则，称为线性时变系统。用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。

第四节控制工程发展概况

控制工程是一门新型的技术科学，也是一门边缘科学。从1788年瓦特（J.Watt)发明蒸汽机飞球调速器算起，控制工程也有了二百多年的历史。然而，控制工程作为一门科学，它的形成并迅速发展却是最近五六十年的事。早在一千多年以前，我国就先后发明了铜壶滴漏计时器等多种自动控制装置，这些发明促进了当时社会经济的发展。二次大战期间，由于建造飞机自动驾驶仪、雷达跟踪系统、火炮瞄准系统等军事装备的需要，推动了控制理论的飞跃发展。1948年威纳（N.Wiener)发表了著名的《控制论》，从而基本上形成了经典控制理论，使控制工程有了扎实的理论支撑。二次世界大战后，控制理论扩展到民用，在化工、炼油、冶金等工业部门得到了进一步的应用，控制理论也日渐成熟。1954年，我国科学家钱学森发表了《工程控制论》这一名著，为控制工程这门科学技术奠定了理论基础。经典控制理论：以传递函数为基础，研究单输入、单输出系统的分析和控制问题。现代控制理论：以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、时变、非线性等系统的最优控制问题。20世纪50年代末和60年代，控制工程又出现了一个迅猛发展时期，这时由于导弹制导、数控技术、空间技术发展需要和计算机技术的成熟，控制理论发展到了一个新的阶段，