机械工程控制基础概论

机械工程控制基础概论第1页，共70页，2023年，2月20日，星期一自动控制理论简介主要阐述有关自动控制技术的基础理论机械工程广泛引入控制理论：数控机床；工业机器人；微细工程；机床动态分析、动态测试；精密仪器；产品质量检测系统；空间技术等。第2页，共70页，2023年，2月20日，星期一自动控制理论经典控制理论：50年代形成的理论体系。研究单输入－单输出线性定常系统的设计分析问题。理论基础是描述系统输入－输出关系的传递函数。现代控制理论：60末为适应宇航技术发展的需要而出现的新技术，现正向大系统和人工智能理论等方面发展。研究多输入－多输出变参数、时变系统的设计分析问题。理论基础是描述系统状态空间法。第3页，共70页，2023年，2月20日，星期一总学时（39）第一章绪论（3学时）第二章系统的数学模型（9学时）第三章时间响应分析（9学时）第四章频率特性分析（7学时）第五章系统的稳定性（8学时）第六章系统的性能指标与校正（3学时）第4页，共70页，2023年，2月20日，星期一第一章绪论第5页，共70页，2023年，2月20日，星期一1.1机械工程控制论的研究对象与任务1.2系统及其模型1.3反馈1.4系统的分类及对控制系统的基本要求1.5机械制造的发展与控制理论的应用1.6控制理论发展的简单回顾1.7本课程的特点与学习方法第6页，共70页，2023年，2月20日，星期一§1机械工程控制论研究的对象和任务一、控制工程研究的对象与任务1、对象工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题第7页，共70页，2023年，2月20日，星期一具体地说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部固有的特性（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第8页，共70页，2023年，2月20日，星期一初始状态固有特性输入输出系统可大可小，可繁可简，可实可虚例：

uiRCLu0第9页，共70页，2023年，2月20日，星期一第10页，共70页，2023年，2月20日，星期一系统的动力学方程：f(t)------系统的输入（激励）y(t)-------系统的输出（响应）mf(t)kcy(t)mf(t)F(c)F(k)第11页，共70页，2023年，2月20日，星期一mp2+cp+k-----为方程左端的算子，它由系统本身的结构与参数所决定，反映了与外界无关的系统本身的固有特性；1-----为方程右端的算子，反映了与外界的关系，当系统发生变化，这一算子一般也会发生改变。第12页，共70页，2023年，2月20日，星期一第13页，共70页，2023年，2月20日，星期一显然，y(t)（就是微分方程的解）是由系统的初始状态、系统的固有特性、系统与输入之间的关系以及输入所决定的；也可以说它代表了系统在一定外界条件下的动态历程。第14页，共70页，2023年，2月20日，星期一工程控制论研究的问题：1系统、输入已知，求输出

---------系统分析2系统已知，确定输入，得到最佳输出

----------最优控制3输入已知，确定系统，得到最佳输出

----------最优化设计4输出已知，确定系统，识别输入信息

-----------预测5输入输出已知，确定系统结构参数

-----------系统的辩识第15页，共70页，2023年，2月20日，星期一2本课程任务用经典控制理论来解决系统分析问题，并适当解决系统的辩识问题实际系统数学模型结果建立模型分析(微分方程）第16页，共70页，2023年，2月20日，星期一§2系统及其模型一、系统我们所研究的“系统”就是由相互联系、相互作用的若干部分构成，而且有一定的目的或一定的运动规律的一个整体。第17页，共70页，2023年，2月20日，星期一组成系统的各个部分，可以是元件，也可以是下一级的系统，后者称为“子系统”；而整个系统又可以是上一层系统的子系统；必须注意，一个系统的特性并不能看成是组成它的元件或子系统的特性的简单总和。第18页，共70页，2023年，2月20日，星期一二、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的输入称为“激励”，一般是外界对系统的作用输出称为“响应”，一般是系统的变形或位移第19页，共70页，2023年，2月20日，星期一一个系统的输入有两种如果是人为地、有意识地加上去的，往往称为“控制”；而如果是偶然要素产生的，无法加以人为控制的，则称为“扰动”第20页，共70页，2023年，2月20日，星期一三、静态模型与动态模型用数学方法描述的抽象的理论模型，用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与外部环境之间的关系的模型称为“数学模型”第21页，共70页，2023年，2月20日，星期一若以作用在机器上的力F(t)为激励，以机器的振动位移y(t)作为响应的数学模型为：N(t)F(t)m机器隔振垫y(t)mF(t)y(t)kc一台机器放在隔振垫上。第22页，共70页，2023年，2月20日，星期一若以地基振动位移x(t)为激励，以机器的振动位移y(t)为响应时的数学模型：称为为系统的动态模型隔振垫N(t)m机器y(t)x(t)my(t)x(t)kc一台机器放在隔振垫上。第23页，共70页，2023年，2月20日，星期一称为为系统的静态模型第24页，共70页，2023年，2月20日，星期一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；动态模型则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。静态模型一般以代数公式描述，而动态模型则需要以微分方程或是其离散形式------差分方程描述。第25页，共70页，2023年，2月20日，星期一1.3反馈

一定义一个系统的输出，部分或全部地被反过来用于控制系统的输入，称为系统的反馈。系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间所以有动态关系，就是由于系统本身有信息的反馈第26页，共70页，2023年，2月20日，星期一比较系统反馈输入输出+=输入±输出第27页，共70页，2023年，2月20日，星期一电机工作台输入指令输出位移检测系统+-二机械工程中的反馈控制第28页，共70页，2023年，2月20日，星期一三机械系统的内在反馈mf(t)cy(t)k第29页，共70页，2023年，2月20日，星期一四反馈的分类正反馈和负反馈使总的输出增加的反馈调节为正反馈。杠杆浮子Hr阀门2Q2Q1阀门1正反馈第30页，共70页，2023年，2月20日，星期一负反馈：使总输出减小的反馈调节。负反馈使系统趋于稳定杠杆浮子Hr阀门2Q2Q1阀门1负反馈第31页，共70页，2023年，2月20日，星期一外反馈和内反馈外反馈：人为加入的反馈电机工作台输入指令输出位移检测系统+-第32页，共70页，2023年，2月20日，星期一内反馈：自然形成的反馈mf(t)cy(t)k第33页，共70页，2023年，2月20日，星期一总结：控制论的中心思想就是“反馈控制”微分方程体现了系统本身存在着反馈微分方程的解体现了由于系统本身反馈的存在与外界对系统的作用的存在而决定的系统的动态历程。第34页，共70页，2023年，2月20日，星期一1.4系统的分类及对控制系统的基本要求一、分类1、按反馈情况分（1）开环控制系统（2）闭环控制系统（3）半闭环控制系统第35页，共70页，2023年，2月20日，星期一开环控制系统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36页，共70页，2023年，2月20日，星期一优点：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、无自动纠偏能力第37页，共70页，2023年，2月20日，星期一闭环控制系统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38页，共70页，2023年，2月20日，星期一系统的原理结构图杠杆浮子H阀门2Q2Q1阀门1浮子杠杆阀门1水箱HrQ1Q2H第39页，共70页，2023年，2月20日，星期一控制器直流电机工作台磁尺

控制器直流电机传动机构工作台磁尺第40页，共70页，2023年，2月20日，星期一特点：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。第41页，共70页，2023年，2月20日，星期一半闭环控制系统特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。精度比闭环低稳定性高第42页，共70页，2023年，2月20日，星期一控制器直流电机工作台光电编码器控制器直流电机传动机构工作台光电编码器nx(t)第43页，共70页，2023年，2月20日，星期一2、按输出变化规律分（1）自动调节系统（恒值系统）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。第44页，共70页，2023年，2月20日，星期一加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱温度计第45页，共70页，2023年，2月20日，星期一加热电阻丝~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u2u1++u恒温箱自动控制系统第46页，共70页，2023年，2月20日，星期一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47页，共70页，2023年，2月20日，星期一（2）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48页，共70页，2023年，2月20日，星期一（3）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。第49页，共70页，2023年，2月20日，星期一3按系统信号的性质分（1）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。（2）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50页，共70页，2023年，2月20日，星期一典型闭环控制系统的框图给定环节：确定被控制对象的“目标值”控制部分给定环节放大及运算环节执行环节被控对象测量环节+-xix0比较环节xb第51页，共70页，2023年，2月20日，星期一测量环节：测量被控量，并将被控量转换成便于传送的另一物理量（一般为电量）控制部分给定环节放大及运算环节执行环节被控对象测量环节+-xix0比较环节xb第52页，共70页，2023年，2月20日，星期一比较环节：输入信号xi与测量环节发出的有关被控变量xo的反馈xb两相比较，并得到一个小功率的偏差信号。控制部分给定环节放大及运算环节执行环节被控对象测量环节+-xix0比较环节xb第53页，共70页，2023年，2月20日，星期一放大及运算环节：将偏差信号作必要的校正，然后进行功放以便推动执行环节；控制部分给定环节放大及运算环节执行环节被控对象测量环节+-xix0比较环节xb第54页，共70页，2023年，2月20日，星期一执行环节：接受放大环节送来的控制信号，驱动被控对象按照预期的规律运行；执行环节一般是一个有源的功率放大装置，工作中要进行能量转换。控制部分给定环节放大及运算环节执行环节被控对象测量环节+-xix0比较环节xb第55页，共70页，2023年，2月20日，星期一二、控制系统的基本要求系统动态特性：

系统在受到外加信号作用下，输出量随着时间变化的全过程输入输出txo(t)第56页，共70页，2023年，2月20日，星期一（1）系统的稳定性稳定性是指动态过程的振荡倾向和系统能够回复平衡状态的能力。稳定性的要求是系统工作的首要条件。第57页，共70页，2023年，2月20日，星期一xo(t)t发散（不稳定）收敛（稳定）第58页，共70页，2023年，2月20日，星期一（2）响应的快速性指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。第59页，共70页，2023年，2月20日，星期一xo(t)tts误差带第60页，共70页，2023年，2月20日，星期一（3）响应的准确性指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差，或称为静态精度；是衡量系统工作性能的重要指标。一般用稳态误差ess表示。第61页，共70页，2023年，2月20日，星期一xo(t)teSS第62页，共70页，2023年，2月20日，星期一注意：1、系统的快速性和准确性必须建立在系统是稳定的基础上2、对系统的要求是稳、快、准兼顾3、三项指标存在矛盾第63页，共70页，2023年，2月20日，星期一1.5机械制造的发展与控制理论的应用控制理论在机械制造领域中应用的几个主要方面：在机械制造过程自动化方面在对加工过程的研究方面在产品与设备的设计方面在动态过程或参数的测试方面第64页，共70页，2023年，2月20日，星期一1.6控制理论发展的简单回顾一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文仪器时间刻度浮子铜壶滴漏第65页，共70页，2023年，2月20日，星期一1788年：J.Watt发明蒸汽机调速器1868年：J.C.Maxwell发表《调速器》，提出反馈控制的概