第一章 控制工程基础-绪论

机械工程控制基础南通大学机械工程学院

徐海黎12/15/20231第一讲绪论机械工程控制控制理论在工程技术领域的体现在同机械工程相应的机械工程领域中的体现即自动控制，在无人参与的情况下，利用控制装置使被控对象自动地按照预定规律运行或变化。12/15/20232第一讲绪论控制论是一门既与技术科学又与基础科学紧密相关的边缘科学。控制论在它建立后很短时间内便迅速渗透到许多科学技术领域，大大推动了近代科学技术的发展，并从中派生出许多新型的边缘学科，如，生物控制论，经济控制论，社会控制论，工程控制论等。控制论从解决生产实践问题开始，反过来又大大促进了生产技术，从而派生出“工程控制论”这一新型的技术科学。12/15/20233第一讲绪论自动控制的发展经典——起源于1788年瓦特发明蒸汽机离心调速器带来的离心调速问题。主要研究对象：单输入单输出系统的输出控制。数学工具：传递函数方法：频率法、根轨迹法12/15/20234第一讲绪论12/15/20235第一讲绪论12/15/20236第一讲绪论现代——进入二十世纪六十年代发展起来主要研究对象：多变量系统的状态变量控制数学工具矢量微分方程、矩阵论、集合论、概率论方法：状态空间法新的先进控制理论：模糊控制、神经网络、遗传算法12/15/20237第一讲绪论清华大学出版社董景新编《控制工程基础》机械工业出版社夏德钤编《自动控制理论》清华大学出版社吴麒编《自动控制原理》参考书目12/15/20238第一讲绪论答疑时间：每周三下午3:00-4:30地点：12-30412/15/20239第一讲绪论第一章绪论机械工程控制论的研究对象与任务系统及其模型反馈系统的分类控制系统的基本要求教学大纲12/15/202310第一讲绪论1.1机械工程控制论的研究对象与任务一、研究对象——系统（广义系统）系统：元素按一定规律的集合，即相互作用的两个或两个以上的元素构成的整体。一般抽象成数学模型进行研究。机械工程控制基础研究对象包括机械系统和控制系统以及机械生产过程。12/15/202311第一讲绪论二、任务——广义系统的动力学问题动态历程输入、系统、输出三者之间的关系12/15/202312第一讲绪论12/15/202313第一讲绪论上图（a）表示组和机床动力滑台铣平面时的情况。当切削力f(t)变化时，滑台可能产生震动，从而降低被加工工件的表面质量。为了分析这个系统，首先将动力滑台连同铣刀抽象成如图（b）所示的质量-弹簧-阻尼系统的力学模型。12/15/202314第一讲绪论质量－阻尼－弹簧（m-c-k）单自由度系统其中：m——质量（kg）C——粘性阻尼系数（N·s/m）K——弹簧刚度（N/m）f(t)——外力（N），为系统输入（激励）y(t)——质量块位移（m），为系统输出（响应）12/15/202315第一讲绪论研究系统在力f(t)作用下的运动规律，系统动力学方程如下：12/15/202316第一讲绪论三、最常见研究问题：已知系统结构参数（m,c,k）、输入，求输出

——系统分析已知系统结构参数（m,c,k）、输出，求输入

——最优控制已知系统输入、输出，求系统的参数

——最优设计教材P412/15/202317第一讲绪论1.2系统及其模型一、系统由相互联系相互作用的各部分组成，有一定目的或一定运动规律的一个整体。研究的广义系统可大可小、可实可虚、可繁可简。不是对其本身进行研究，而是抽象成数学模型。12/15/202318第一讲绪论二、机械系统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输入输出称为“激励”与“响应”，激励一般是对系统的作用，如加在系统的载荷，响应则指系统的变形或位移。激励如果是人为加上则称作“控制”，非人为加上则称为“扰动”。12/15/202319第一讲绪论三、模型用数学方法描述的抽象的理论模型，表达系统内部及其与外部的关系，又称数学模型一般以微分方程形式或者差分方程、传递函数、动态结构图等进行描述12/15/202320第一讲绪论上图地基振动位移x(t)为激励，机器位移y(t)为响应。则对机器有：

k12/15/202321第一讲绪论即：12/15/202322第一讲绪论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。反馈调节完全可以看成是一种原因与结果不断相互作用的关系。反馈有两种方式：正反馈、负反馈。12/15/202323第一讲绪论二.示例优点：控制方式简单；缺点：从驱动电路到工作台这整个“传递链”中的任一环的误差均会影响工作台的移动精度或定位精度。12/15/202324第一讲绪论检测装置随时测定工作台的实际位置（即其输出信息）；反馈送回输入端，与控制指令比较；根据工作台实际位置与目的位置之间的误差，决定控制动作，达到消除误差的目的。12/15/202325第一讲绪论一般控制系统的工作原理及原理图：检测实际输出量；将实际值与给定值进行比较；用偏差产生调节作用消除偏差。12/15/202326第一讲绪论给定元件：用于产生给定信号或输入信号。测量元件：用于测量被测量量（输出量），产生与被控量有确定函数关系（通常为比例或与其导数成比例）的反馈信号。比较元件：用于比较输入信号和反馈信号，并产生偏差信号，有些比较元件与测量元件是结合在一起的。放大元件：对偏差信号进行幅值或功率放大，以及信号形式变换。执行元件：直接对被控对象进行操纵的元件。被控对象：控制系统所要控制的对象。12/15/202327第一讲绪论三、特点控制作用由偏差引起。一旦出现偏差就产生控制作用，控制作用总是使系统的被控制量自动沿减小或消除偏差的方向运动——按偏差控制（调节）从信号的途径看，输出信号通过测量元件回送到输入端，使信号通路闭合，构成闭合通路，称为闭环，回送信号的过程称为反馈，这一系统反馈联结的方式是负反馈，因此称为——负反馈闭环控制。12/15/202328第一讲绪论12/15/202329第一讲绪论12/15/202330第一讲绪论12/15/202331第一讲绪论在飞行器的仪表中，为了将陀螺(或其它测量元件)测得的姿态角的数据，传递到比较远的地方(如驾驶室的仪表板上)，就要进行转角的远距离传送，可以利用图示随动系统来实现上述要求。该系统的任务就是保持输出轴始终紧紧跟踪输入轴变化，又由于输入轴位置是未知的时间函数，所以该系统是一个位置随动系统。12/15/202332第一讲绪论系统的工作原理如下：利用两个电位器R1和R2分别把输入轴和输出轴的转角θr和θc变成相应的电压，然后把这两个电压反向串联(相减)即得与角度偏差成比例的电压，该电压经过放大器放大后加到电动机上，电动机的轴经减速器和输出轴相联，并且同时带动电位器R2的电刷移动，如，则，放大后的电压u驱动电动机转动，转动方向最终应使θc向θr接近，使减小。最后，两者取得一致，

，则，电机停止转动，系统进入平衡状态(假定元件没有死区)。这样，就保证了输出轴紧紧地跟随着输入轴的变化。12/15/202333第一讲绪论12/15/202334第一讲绪论1.4系统的分类（1）按控制方式分：开环控制系统闭环控制系统复合控制系统按给定量（输入）的变化规律分：恒值控制系统（恒值调节系统）随动系统程序控制系统12/15/202335第一讲绪论1.4系统的分类（2）按系统反应特性分：连续控制系统和离散（数字）控制系统按执行元件的物理性质分：电气控制系统液压控制系统气压控制系统机械控制系统机电一体化控制系统12/15/202336第一讲绪论开环控制系统控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。开环系统的输出量不对系统的控制发生作用。数控机床工作台驱动的开环系统原理图：12/15/202337第一讲绪论闭环控制系统（1）控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的控制。数控机床工作台驱动的闭环系统原理图：12/15/202338第一讲绪论闭环控制系统（2）典型闭环负反馈系统方框图优点：精度高缺点：存在稳定性问题，元件惯性引起振荡，系统不稳定。12/15/202339第一讲绪论复合控制系统开环控制方式和闭环控制方式组合在一起的控制方式。在闭环回路的基础上，附加一个输入信号或扰动作用的顺馈信号，以提高系统的精度。12/15/202340第一讲绪论恒值控制系统又称自动调节系统，镇定系统。在外界干扰作用下，系统的输出仍能保持为常量的系统。其分析设计的重点是要求系统具有良好的抗干扰性能。如前面讲过的蒸汽机离心调速系统。12/15/202341第一讲绪论随动系统又称跟踪系统。外界条件作用下，系统的输出能相应于输入在广阔的范围内按任意规律变化。对随动系统来说，输入信号是随机的，其变化规律事先无法确定，要求输出能迅速而准确地复现输入信号的变化，其分析和设计的重点是研究系统的跟随性能。国防工业的火炮自动瞄准系统、雷达导引系统、机械加工设备的伺服机构、天文望远镜的跟踪系统。12/15/202342第一讲绪论程序控制系统又称过程控制系统。外界条件作用下，系统的输出按预定程序变化。其输入量为已知给定的时间函数。程序控制系统和随动系统相似，只是输入信号的变化规律是预先确定的。程序控制系统可以是开环系统，也可以是闭环系统。应用实例：仿形铣床、数控机床、机械手控制系统。12/15/202343第一讲绪论连续系统系统的各个环节的输入信号和输出信号都是连续时间的函数。线性系统：组成系统的各个环节的输入输出特性都是线性的，系统的数学模型可以用线性微分方程描述。在线性微分方程中，只含输入量或输出量各阶导数的一次项。非线性系统：系统中有一个以上的元件的特性是非线性的系统。非线性系统的数学模型要用非线性微分方程描述。12/15/202344第一讲绪论离散系统系统中有一处或数处的信号是以脉冲序列或数字编码形式出现的。离散系统包括采样控制系统和数字控制系统。采样控制系统：系统中的连续信号被采样成脉冲序列。数字控制系统：系统中的连续信号被采样后量化成数字信号。12/15/202345第一讲绪论控制系统的基本要求稳定最基本要求准确稳态要求快速动态要求12/15/202346第一讲绪论稳定性系统动态过程的振荡趋向和系统能够恢复平衡的能力。稳定性是保证系统能正常工作的先决条件，任何系统只有在稳定的情况下才有可能正常工作。系统的稳定是有裕度的，也称为稳定裕度。稳定裕度越大，系统的稳定程度越深，系统抗干扰的能力就越强。12/15/202347第一讲绪论准确性稳态精度，调节过程结束后，输出量与输入量之间的偏差。将系统引到一个稳定的工作状态时的性能称为稳态性。通常它由稳态精度来描述和刻划，亦称为稳态误差。这里误差是指希望输出与实际输出的差别。12/15/202348第一讲绪论快速性系统稳定条件下，输出量与给定输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。动态性能是指系统从一个状态变化到另一个状态，即过渡过程的性能。过渡过程的性能主要由快速性能和振荡性能来描述。一般的对控制系统来说，快速性是越快越好，振荡性是越小越好，有的系统不允许有振荡。例：火炮系统的快速性很重要车床的给进系统不允许有振荡12/15/202349第一讲绪论不同类型系统对三者要求各有侧重稳准快相互制约，快速性好，会有强烈振荡，改善稳定性，控制过程会减慢，精度也会降低。机械动力学系统的首要问题是稳定性，过大振荡会使部件过载损坏防止自振、降低噪声、增加刚度。12/15/202350第一讲绪论机器人控制系统CCD摄像机（ChargeCoupledDevice）可装在手爪上，也可装在环境中。12/15/202351第一讲绪论稳定性——防止振荡准确性——准确抓起快速性——快速到位12/15/202352第一讲绪论控制工程基础教学大纲绪论控制系统的数学模型控制系统的时域分析控制系统的频率法分析控制系统的校正12/15/202353第一讲绪论绪论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12/15/202354第一讲绪论控制系统的数学模型2.1系统的微分方程2.2系统的传递函数2.3系统的传递函数方框图及其简化2.4反馈控制系统的传递函数2