机械控制工程之绪论

控制理论基础

教材：

杨叔子等,机械工程控制基础,华中科技大学出版社,(第六版),2011参考文献：1.胡寿松等,自动控制原理,国防工业出版社,(第三版),1994.2.李友善.自动控制原理,国防工业出版社,19803.陈康宁.机械工程控制基础.西安交通大学出版社.1997.4.Matlab使用手册第一章绪论什么是控制？为什么要学控制论？

1.机电一体化产品的出现与逐渐普及

“机”+“电”?“信息传递与交换”控制论、系统论、信息论、微电子技术（计算机技术）相结合的产品2.机械系统朝高速、高负载、超精密、超大型或超微型等方向发展。（设计、制造、使用、维护）“动态”设计:动态设计制造:关注制造过程的动态特性.使用:系统的动态特性(安全、性能)维护：监测与故障预测、诊断3.动态测试、信号处理（信号与系统）传感器的选择、信号预处理器的设计、数字信号的处理、特征提取4.生产组织管理（过程的优化）加工状态监控喷气发动机性能监控5.其他工程应用

军事、航天领域火炮、雷达、跟踪系统、人造卫星、宇宙飞船等流程工业轧钢过程、工业窑炉、石油化工、水泥建材、玻璃、造纸等现代农业生产自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测等。其他领域通信、交通、医学、环境保护、经济管理等6.个人日常生活和工作电冰箱、电饭煲、空调器、音响、收音机等等

7.方法论“反馈控制的思想”控制：施加某种操作于对象，使其产生所期望的行为。图1.1蒸汽机离心调速器一、概述自动控制：由控制装置自动完成，无需人的参与。图1.2液位人工控制图1.3液位自动控制检测偏差实施控制消除偏差1.1机械工程控制论的研究对象与任务一、系统及广义系统

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。

一个较大系统之内可能包括若干个较小的子系统。不仅系统的个部分之间存在非常紧密度联系，而且，系统与外界之间也存在一定的联系。控制的三要素控制对象、控制目标、控制手段（装置、算法等）可控性与能控性控制对象有多种运动状态的可能性；能够通过控制手段使控制对象的状态达到控制目标控制论的方法论明确事物发展的多种可能性确定其中一种可能性为控制目标实施控制实现控制目标机械工程控制论研究机械工程技术中的广义系统动力学问题。1.1机械工程控制论的研究对象与任务1.系统：元素按一定规律组合起来的能完成一定功能的集合。要素元素元素之间的联系系统与外界的交互作用外界对系统的作用：输入、干扰系统对外界响应：输出外界的作用信息的传递与交互系统的响应控制论：技术学科、技术哲学、科学方法论控制论强调：对象是一个“系统”；系统不断“运动”(经历动态历程，包括内部状态和外部行为)“外因”(输入、干扰)是运动的条件“内因”(系统的固有特性)是运动的根据系统普遍存在信息的传递、交互与反馈是控制论的中心思想1.1机械工程控制论研究对象与任务1.1机械工程控制论研究对象与任务控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科经济学生物学社会学机械工程机械工程控制论控制论经济控制论社会控制论生物控制论工程控制论共同的本质特点：通过信息传递，处理与反馈进行控制工程技术1.1机械工程控制论研究对象与任务系统的组成元素可以是子系统；又可是更上一层系统的组成元素。系统的层次性与相对性：广义系统：具备系统要素的一切事物或对象机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加工过程、操作设备、测量、车间、部门、工厂、企业、企业集团、全球制造业如：机器系统、生产系统、生命系统、思维、学习、工作，社会、经济系统等1.1机械工程控制论研究对象与任务2.系统的动力学问题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。研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。1.1机械工程控制论研究对象与任务例：弹簧-质量-阻尼单自由度系统(a)(b)初始状态：系统固有特性：外界作用：与外界的关系：系统的输出：初始状态、系统固有特性、外界作用、与外界的关系等四大因素决定系统响应系统分析问题：已知系统和输入，求输出（或响应），并通过响应来研究系统本身的问题。最优控制问题：已知系统和理想输出，求最优输入，使实际输出满足要求。最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。滤波与预测问题：设计或选择合适的系统，以便由输出识别输入或输入中的有关信息。系统辨识问题：已知输入和输出，要识别系统的结构和参数，建立系统的数学模型。研究任务1.2系统及其模型一系统

（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、频域或空域等域内的动态特性。1.2系统及其模型二、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”。1.2系统及其模型三、系统模型

系统的模型包括实物模型、物理模型和数学模型等等。而数学模型又包括静态模型和动态模型。动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或控制工程中，一般关心的是系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。1.信息定义1：一切能垂表达一定叙意义的信恼号、符号侨和密码等己。如：报脏纸，烽秆火，电盘报，记灭号、手崖势等等定义2：能够阔用来消秒除不确买定性的清东西。录如：报纸（脉过时、直适时）泳，情报券（过时遵，适时笨），足赤球比赛劫（势均姑力敌，榜势力悬桥殊），孟书籍（叮好，差掀）等定义3：事物鲁运动的渡状态和星方式。愁如：体温——人体状饰态；设备的瞎振动、妥噪声、陆温度等——设备的状却态设计图纸——产品状态双（产品信伸息）工艺卡——制造过共程状态娃（工艺烟信息）1.3反馈例1.控制原岗理：负载减季小，使w增加反馈：系考统的输出不断地、盲直接或间润接地、全呀部或部分横地返回，叛并作用于帖系统。离心机构滑套上移液压滑阀上移，动力活塞下移，离心滑套们下移滑阀回复裂中位，w回到设定所值油门关小，w减小w反过来再对系统傅产生作餐用例3.外反馈(反馈控制)：附加反馈控制装置引起信息交互内反馈仙：负反馈谈：输出(被控量)偏离设定腊值(目标值)时，反材馈作用吩使输出塔偏离程稳度减小值，并力迁图达到腐设定值科。如：离斑心调速衡系统液面控制动物捕河食火炮自动瞒瞄准学习和痕工作中龄的负反舌馈。。。。检测偏差实施控制纠正偏差正反馈扔：输出偏灿离初始玩值（或谋稳定值蜜）时，抹反馈作享用使输容出偏离辣程度加赔剧如：三极培管倒立摆疾病、火帖药爆炸、剥热核反应学习和工豪作中的正主反馈。。。。反馈的项作用：加剧偏离反馈的作雁用：消除射偏离以发动炎机离心氏调速系塘统为例被控对象：发动机被控量：转速w被控量滔的目标哨值设定帮：预紧弹级簧四、反鸟馈控制挨系统的摔组成控制信息传递与反馈：控制方框图：给定比较放大执行测量控制对抵象控制部分被控部分反馈控烈制系统悼的组成特点：利用偏璃差控制第系统的痰输出基本物理量：被控量、给定量、控制量、扰动量被控量：(即系统的输出量),表征被控对象运动规律xb给定量系统的输入量或被控对象理想状态(控制目标)xi控制量：直接作用于被控对象的物理量，即被控对象的输入量扰动量：所有使被控对象状态偏离给定值的量对控制门系统，装可从不圈同的角络度分类1.按反馈情吃况开环控逗制系统：系统没朵有反馈鉴回路，替输出对症系统无惕控制作忌用。如：步进鄙驱动的数醋控机床、器普通洗衣局机家用电烤诱箱、微波料炉、普通政电风扇1.4系统的分茫类及对控乔制系统的沫基本要求闭环控制音系统：有反馈回享路，输出烤对系统有弦控制作用始。如：前扇例中的浓离心调近速系统伺服驱动崇的数控机屑床恒温箱(冰箱、空涉调)人骑自卧行车1.按反馈构情况自动调节那系统(恒值系坛统)：系统的两输出保努持常量筝。如：离心渴调速系统红、恒温箱会、液面控虑制等为闭环系姜统随动系棵统：系统的输脉出相应于忧输入按任君意规律变咳化。如：炮瞄还雷达系统梁、仿形加扶工、动物者捕食等多为闭努环系统程序控灯制系统：系统的输厌出按预定陆程序变化厌。如：数荣控机床直、全自传动洗衣浅机等开环或闭环系统2.按输出量肆的变化规貌律分连续控制奥系统离散控制题系统线性控制欧系统非线性控却制系统定常系征统时变系统位移控制皇系统温度控轻制系统速度控陈制系统3.按信号类手型分4.按线性性泼质分5.按时变浸情况分6.按被控负量分……系统的稳萄定性——系统正常射工作的首要条出件六、对险控制系拆统的基决本要求系统的佛稳定性——系统恢桃复平衡般状态的聪能力稳定性欢好，则系统恢复拿平衡状态趣的能力强系统的快盏速性快速性掩好，则慈消除偏吼差快，绍或调整其时间短滥。系统的敲准确性准确性镰好，则护调整过酷程结束覆后，输谱出值与危期望值响偏差小谢谢观看/欢迎下