控制工程基础章

控制工程基础章第1页，课件共20页，创作于2023年2月§1-1概述控制人工控制自动控制目标：使被控对象按指定规律变化机械工程控制基础机械工程控制论一、控制理论的发展（一）“控制”问题的提出（二）经典自动控制理论的发展（一）现代控制理论二、机械制造的发展和控制理论的应用第一章绪论第2页，课件共20页，创作于2023年2月一、控制理论的发展1.蒸汽机转速的人工控制眼、转速表蒸汽机手、阀门大脑希望恒定转速M实际n蒸汽机负载Mn进汽量Q阀门眼脑手测速表希望恒定转速（1）原理图控制——某个主体使其他对象按照一定的目的来动作；反馈——将输出反回输入端的过程；偏差——输入信号与反馈信号之差。控制的基本过程就是“检测偏差用以纠正偏差”的过程（一）“控制”问题的提出（2）控制系统方框图第3页，课件共20页，创作于2023年2月2.蒸汽机转速的自动控制（1）原理图两者的基本原理相同，都是建立在“检测偏差用以纠正偏差”的基础之上。（2）控制系统方框图离心机构蒸汽机负载MnAB进汽量Q阀门滑套n1被控对象检测、比较机构执行机构θ离心机构蒸汽机阀门比较机构给定NgM实际nQΔ第4页，课件共20页，创作于2023年2月（二）经典自动控制理论的发展1788瓦特：蒸汽机离心调速器1868J.C.Maxwell：“反馈控制”概念1882李亚普诺夫：系统稳定性的严格数学定义1884E.J.Routh：线性系统代数稳定性判据1932H.Nyquist：频域稳定性判据H.W.Bode：对数坐标图

Harris：传递函数1945：第一部经典控制理论书籍《伺服机构》出版1948

N.Wiener：发表著名的《控制论》形成完整的经典控制理论1950W.R.Evans：根轨迹法1954钱学森：发表著名的《工程控制论》创立工程控制论这门学科研究复域内(频域)单输入/出、线性非时变系统传递函数(频率响应函数)稳定性快速性准确性第5页，课件共20页，创作于2023年2月（三）现代控制理论的发展时域内、利用状态空间分析，研究多输入、多输出、非线性、时变系统的最优控制、系统识别等问题。50年代未~60年代初：产生现代控制理论关键问题能否建立反映过程或系统的动态数学模型能否对此模型提供有效的算法与程序1956年前苏联邦特略京提出极大值原理1957年美国贝尔曼(R.I.Bellman)提出动态规划理论提出Kalman滤波1960年美国卡曼(R.E.Kalman)70年代：自适应控制计算机控制模糊控制专家控制智能控制本课程着重研究有关机电控制系统的分析与设计问题第6页，课件共20页，创作于2023年2月二、机械制造的发展和控制理论的应用成品人的感觉器官加工对象人体、手需求干扰人脑特点：人逐步从制造过程诸环节的直接参与中解脱出来；首先从加工(执行）→检测→控制中解脱出来人的感觉器官加工对象机器机构需求干扰人脑体力成品需求干扰干扰检测装置加工对象加工设备人脑成品干扰干扰检测系统加工对象加工设备计算机需求成品计算机集成生产系统CIMS智能制造系统IMSERP第7页，课件共20页，创作于2023年2月控制理论在机械制造领域中应用最活跃的几个方面在机械制造过程自动化方面自动机床、自动生产线→数控机床、柔性自动生产线→无人车间→CIMS→智能制造系统IMS在对加工过程的研究方面高速切削、强力切削、高速空程在产品与设备的设计方面经验、试凑、类比设计→计算机优化设计→人工智能专家系统（人工智能技术AI、人工神经网络技术ANN)在动态过程或参数的测试方面静态→动态第8页，课件共20页，创作于2023年2月§1-2研究对象与任务系统输入输出实质是研究工程技术领域广义系统的动力学问题。研究输入、系统特性、输出三者之间的动态关系。y(t)f(t)mkc令p=d/dt(mp2+cp+k)y(t)=f(t)y(t)x(t)y(t)mkc(mp2+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t)第9页，课件共20页，创作于2023年2月1、系统分析：已知系统、输入，求输出（响应）。2、最优控制：系统已确定，要求输出尽可能符合给定的最佳要求，求输入。3、最优设计：已知输入，要求输出尽可能符合给定的最佳要求，进行系统结构和参数设计。4、滤波与预测：已知输出，确定系统，以识别输入或输出的有关信息。5、系统辨识：根据系统的输入、输出分析系统由哪些环节组成，并求出各环节参数。即建立系统的数学模型。研究方面：第10页，课件共20页，创作于2023年2月系统输入输出干扰调节机构系统输入输出反馈信息给定信息真实信息干扰§1-3控制系统的基本概念一、反馈1.反馈——将系统输出的全部或部分返回到输入(1)内反馈——系统本身自然形成的反馈，是系统处于运动状态的内因(2)

外反馈——人为增加的反馈第11页，课件共20页，创作于2023年2月2.反馈、动态历程、微分方程三者之间关系一个系统的动力学方程可写成微分方程，就揭示了系统本身状态变量间的联系，也就体现了系统本身存在反馈；而微分方程的解就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。可以说，系统的微分方程是本身的反馈与外界对系统的作用这两者的一种数学体现形式；系统的动态历程是这两者存在的结果；表示系统本身固有特性的微分方程左端算子，就表示系统本身反馈的情况，是系统这一客观事物的内因。反馈、动态历程、微分方程三者是紧密相联的。第12页，课件共20页，创作于2023年2月例1：瓦特式蒸汽机离心调速器tMMotnt1Ng3.反馈控制离心机构蒸汽机负载MnAB进汽量Q阀门滑套n1θ离心机构蒸汽机阀门比较机构给定NgM实际nQΔ第13页，课件共20页，创作于2023年2月例2：水位控制系统+-电位器放大器阀门进水出水输入给定水位Ug电机Ux要求水位浮子电位器水缸阀门放大器给定水位出水量干扰实际水位进水量电机3.反馈控制第14页，课件共20页，创作于2023年2月测量环节被控对象放大运算环节给定环节干扰比较环节执行环节xiexo控制部分二、控制系统结构给定环节：确定被控对象的目标值xi

；测量环节：测量被控变量

xo，并将其转换成便于传递的物理量，再反馈到比较环节；比较环节：输入信号与输出信号在比较环节进行比较，得到偏差信号e=xi-xo；放大运算环节：对偏差信号作功率放大，以推动执行环节动作；执行环节：驱动被控对象按预定规律运动。被控对象：是控制系统要操作的对象。干扰信号：不是由元件产生的，而是由系统外部环境或内部因素造成的，它集中作用在被控对象上，影响系统输出。第15页，课件共20页，创作于2023年2月一、按反馈情况分类1、开环系统：当一个系统以所需要的方框图表示而没有反馈回路时，称为开环系统。2、闭环系统：当一个系统以所需要的方框图表示而存在反馈回路时，称为闭环系统。§1-3系统分类Notes:以同等精度元件组成的系统，闭环系统精度高于开环系统；闭环系统的输出信号对系统工作有控制作用，而开环系统无；闭环系统抗干扰能力强，开环系统弱。第16页，课件共20页，创作于2023年2月电位器Ug电压放大器功率放大器负载UfnU1U2I测速发电机电动机测速发电机电动机功率放大器电位器给定转速负载实际n电压放大器IUfUgU2U1二、按输入变化规律分类1、定值系统：输入是固定值。Ug=常数2、随动系统：输入是未知的时间函数。Ug=随机函数3、程控系统：输入是已知的时间函数。Ug=确定性函数第17页，课件共20页，创作于2023年2月三、按系统中信号特性分类1、连续控制系统：系统中各部分传递的信号都是连续时间变量的系统

线

性系统：能用线性微分方程表示的系统。

非线性系统：不能用线性微分方程表示的系统。2、离散控制系统：系统中某处或多处的信号是脉冲序列或数字信号传递的系统

此外还可按系统部件的物理性质分为机械/电气/机电/液压等控制系统输出检测元件执行机构D/A输入计算机控制器A/D被控对象+-第18页，课件共20页，创作于2023年2月系统的稳定性、响应的快速性、响应的准确性tnNg(a)不稳定tnNg(b)稳定§1-4控制系统的基本性能指标1、系统的稳定性稳定性——由于控制系统中都包含储能元件，若系统参数匹配不当，便可能引起振荡。稳定性是