机械工程控制基础1-绪论

0主讲人：张燕Tel械类专业必修课机械工程控制基础1教学内容1、课程准备2、绪论4、系统的时间响应分析3、系统的数学模型5、系统的频率特性分析6、系统的稳定性分析2课程性质和特点本课程是机械类专业重要的技术基础课，主要介绍应用现代机、电、液技术构成机电液一体化系统的理论与设计方法。涉及的基础知识有工程数学、理论力学、机械设计、电工与电子技术和液压传动技术等，因此要求同学们在学习本课程时应能够经常回顾上述课程的有关内容，达到温故而知新的目的。

机械控制工程基础是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计，《机械控制工程基础》是本学科的技术基础课。课程简介3课程任务

讲述经典控制理论的基本概念、理论和分析方法。本课程的主要学习内容包括：绪论，积分变换，系统的数学模型，时间响应分析，频率特性分析，系统的稳定性分析和系统的性能指标与校正等，属于经典控制论的基本知识。学习目的本课程的学习目的是：使学生逐步学会运用“系统和动态”的观点，以及采用控制理论的方法解决机械工程中的实际技术问题。4基本要求1.掌握经典控制理论的基本概念、基本理论与基本方法；2.能够应用分析法建立简单动力学系统的数学模型；3.能够应用经典控制论分析线性定常系统的动态特性，基本掌握线性定常系统性能校正的方法；4.对于线性系统的时域和频域分析、稳定性分析和性能指标有比较深入的理解。5机械工程控制课程大纲：系统机械系统电器系统液压、气动系统热力系统牛顿定律理论力学欧姆定律、克希夫定律电工学液压与气动拉氏变换理论分析传递函数微分方程2补充时间响应分析3（时域分析）频率特性分析4（频域分析）系统的稳定性5系统性能指标与校正6分析系统特性系统输入输出稳、快、准实验数据系统辨识初步9数学模型6本课程与其它课程的关系：机械控制工程基础电路大学物理电机学复变函数与积分变换模拟电子技术线性代数高等数学各类专业课线性系统现代控制理论7主要参考资料1.机械工程控制基础（第五版）杨叔子等编著华中科技大学出版社2005年7月2.自动控制原理卢京潮主编西北工业大学出版社2009年3.机械控制工程基础朱骥北机械工业出版社2002年1月4.控制工程基础张伯鹏主编清华大学出版社2000年6月

5.自动控制理论（第三版）李友善主编国防工业出版社2012年8月

6.自动控制理论（第三版）皱伯敏主编机械工业出版社2007年6月8第一章绪论1.1发展简史概述1.2研究对象与任务1.3系统及其模型1.4反馈1.5反馈控制系统及其组成1.6控制系统的分类1.7控制系统的基本要求9教学内容1.1发展简史概述10

机械工业是国民经济中重要的基础工业。机械工业的核心是机械制造工业。当前机械制造技术发展的一个明显而主要的动向是越来越广泛而深刻地引入控制理论。从根本上讲，其原因是控制理论以它本身固有的辨证方法顺应了机械制造工程技术发展的趋势。控制理论在工程技术领域中体现为工程控制论，在机械工程领域则体现为机械工程控制论。

绪论—控制理论及系统11一、自动控制理论发展简史经典控制理论（19世纪初）以传递函数为基础，研究单输入－单输出定常控制系统的分析与设计问题。时域法、复域法（根轨迹法）、频域法现代控制理论（20世纪50年代）研究多输入－多输出、时变、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。线性系统自适应控制最优控制鲁棒控制最佳估计容错控制系统辨识集散控制大系统复杂系统智能控制理论（20世纪70年代）专家系统模糊控制神经网络遗传算法1213我国古代自动控制系统方面的成就

经典控制论肇源于1788年J.Watt的蒸汽机离心调速器所带来的离心调速问题。然而，我国在自动控制方面的发明比西方早几个世纪甚至十几世纪。如1027年宋代燕肃所造的指南车就是一例。此外，在1086~1089年苏颂和韩公廉制造的水运仪象台，也是应用控制论的实例。有关指南车和水运仪象台工作原理可参见书本14我国古代自动控制系统方面的成就●一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文仪器中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶

中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车15绪论—控制理论及系统控制：以人为或自动的方式，通过一定的手段操纵受控对象或过程，使之按照预定的规律运行，并具有一定的状态与性能。161719教学内容1.2机械工程控制理论的研究对象与任务20一、研究对象2122

广义系统：可大可小，可繁可简，甚至可实可虚，完全由研究的需要而定。23243、系统动力学问题分析典型实例

a)输入相异的单自由度机械振动系统参数说明：m系统质量；c粘性阻尼系数；k弹簧刚度绪论—研究对象与任务同一系统，不同的外界作用25b)系统动力学方程外力f(t)作用下的系统动力学方程位移x(t)作用下的系统动力学方程绪论—研究对象与任务左边：输出右边：输入26取算子p=d/dt，则力学方程分别化为：系统分析：算子mp2+cp+k由m,c,k决定，反映与外界无关的系统本身固有特性。算子1和cp+k

反映与外界的关系，同时受系统结构和参数的影响，即算子随系统而变化。绪论—研究对象与任务27绪论—研究对象与任务一般线形系统，其动力学方程为：取算子p=d/dt：算子an

pn+an-1

pn-1+…+a1

p+a0反映系统本身的固有特性。算子bmpm+bm-1

pm-1+…+b1

p+b0反映系统与外界的联系。y(t)，ý(t)，…为刻画系统动态历程的状态变量y(0)，ý(0)，…为系统在受外界作用前的初始状态y(t)为系统的输出x(t)为系统的输入2829工程控制论的研究内容

最优控制问题绪论—研究对象与任务已知系统和系统的理想输出，设计输入，使系统的输出满足要求。已知输入和理想输出，设计系统，使输出满足要求。系统分析问题已知系统和输入，求系统的输出，并通过响应来研究系统本身的问题。最优设计问题30工程控制论的研究内容

绪论—研究对象与任务输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息。系统识别或辩识问题已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，建立系统的数学模型。工程控制论的研究内容

滤波与预测问题31例1

如图所示的电热水器，为了保持希望的温度，由温控开关接通或断开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明该系统工作原理并画出系统的方框图。解：在电热水器系统中，水箱内的水温需要控制，即水箱为控制对象。水的实际温度是被控制量，或系统的输出量，设为To，输入量为用户希望的温度，设为Ti；由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使水箱内水温下降为系统的干扰。当To=Ti时，测温元件将实际温度转化成电信号，与温控开关预先设定的信号进行比较得到的偏差信号为0，此时加热器不工作，水箱中的水保持希望的温度。当注入冷水使To下降时，偏差不为0，电控开关接通电源使电加热器工作对水加热，直到To=Ti为止。绪论—研究对象与任务32系统工作框图如下：

若要考察水箱中的水温To能否保持为希望的温度Ti，并通过实际输出的水温To与希望的温度Ti之间的差别，考察各个组成部分的参数是否合理，即为系统分析问题。绪论—研究对象与任务33教学内容1.3系统及其模型34

系统，广义系统？系统：按一定规律联系在一起的元素的集合。广义系统：具有系统要素的一切事物和对象；可大可小，可繁可简，甚至可实可虚，完全由研究的需要而定。绪论—系统及其模型35例如：研究某一产业集团（甚至包括现在所谓的“虚拟企业”或“企业动态联盟”）或某一机器制造厂应如何调整产品生产以适应市场变化的需要时，此集团或此厂就是一个广义系统，市场情况是输入，产品生产情况是输出。研究某台机床在切削过程中的动力学问题时，切削本身可作为一广义系统；研究机床所加工的工件的某些质量指标时，这一工件本身可以作为一广义系统；研究机床操作者在加工过程中的作用时，操作者本身或操作者的思维等可作为一广义系统。绪论—系统及其模型36绪论—系统及其模型二、机械系统机械系统：以实现一定的机械运动，承受一定的机械载荷为目的，由机械元件组成的系统。概念说明激励：外界对系统的作用。（输入）响应：系统的变形或位移。（输出）系统控制：激励由人为有意识的添加。扰动：由系统偶然因素产生而一般无法完全认为控制的激励。37三、系统模型绪论—系统及其模型系统的模型包括实物模型、物理模型和数学模型等等。数学模型：一种用数学方法所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，或系统与其他外部环境之间的关系。数学模型又包括静态模型和动态模型

模型是研究系统、认识系统、描述系统以及分析系统的工具。38绪论—系统及其模型动态模型：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，表现为微分方程或差分方程。静态模型—现时输出决定于现时输入；动态模型—现时输出决定于以前输入的历史。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，表现为代数方程。如弹簧模型。动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。39绪论—控制系统及模型静态模型和动态模型分析示例——机器隔振系统40绪论—控制系统及模型

若以机器m为隔离体，以F(t)

为激励(不考虑y(t))，以位移x(t)为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学方程为：若仍以机器m为隔离体，以

y(t)

为激励(不考虑F(t))，以位移x(t)为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学方程为：

(a)

(b)方程(a),(b)即为该系统的动态模型。41绪论—控制系统及模型若系统运动很慢，即有：则上式（a），（b）可化为：此即系统的静态模型，实际上x(t)与y(t)之间是一种代数关系，即代数方程式。42教学内容1.4反馈43教学内容反馈：系统的输出不断地、直接或间接地、部分或全部地返回，并作用于系统。444546数控机床的工作台的驱动系统反馈控制装置4748根据反馈的作用，可分为：49绪论—系统反馈思考题：骑自行车过程中信息流动与反馈？？？反馈结构图

人骑自行车时，总是希望具有一定的理想状态（比如速度、方向、安全等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，使自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉自行车的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈过程可用下图表示。工作原理501.5反馈系统的组成与方框图5153控制任务：通过调整滑动调压器的滑动端的位置来控制煤气流量，从而保持加热炉炉温恒定。被控对象：加热炉被控量（输出量）：加热炉炉温给定量（输入量）：Ur测量环节：热电偶控制装置：放大器、电动机、减速器扰动：干扰并破坏系统，使系统不能按预期性能输出信号。54加热炉T阀门Q减速器θ2电动机θm放大器U给定电位计Ur放大器Ur热电偶ε炉温反馈控制系统的方框图55反馈控制系统框图绪论—控制系统及模型被控部分给定环节：即给出输入信号的环节，用于确定被控对象的目标值。测量环节：用于测量被控量。比较环节：将输入信号与反馈信号相比较获得偏差信号。放大及运算环节：将偏差信号处理放大，以便推动执行环节。执行环节：接收放大环节的信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。比较环节56反馈控制系统框图反馈系统主要由控制部分与被控部分组成。控制部分的功能是接受指令信号和被控部分的反馈信号，并对被控部分发出控制信号。被控部分的功能则是接受控制信号、发出反馈信号，并在控制信号的作用下实现被控运动。绪论—控制系统及模型被控部分比较环节57一个反馈控制系统的工作过程大体上分为以下几个步骤：测量被控制量的实际值；将实际值与给定值进行比较，求出偏差的大小与方向；根据偏差的大小与方向进行控制以纠正偏差。

简单的讲，反馈控制系统的工作过程就是一个“检测偏差并用以纠正偏差”的过程。利用偏差概念，正反馈和负反馈又可表述为：正反馈：凡是能使系统的偏差的绝对值增大的反馈；负反馈：凡是能使系统的偏差的绝对值减小的反馈。绪论—控制系统及模型反馈自动控制系统的特点：利用输入信息与反馈至输入处的信息之间的偏差对系统的输出进行控制，使被控对象按一定的规律运动。58绪论——系统的分类1.6控制系统的分类59按反馈情况开环系统：系统的输出对系统没有控制作用，系统没有反馈回路。如：步进驱动的数控机床、普通洗衣机、家用电烤箱、微波炉等。60闭环系统：系统的输出对系统有控制作用，系统有反馈回路。如：前面提到的离心调速系统、伺服驱动的数控机床、恒温箱、冰箱、空调等。61按输出变化规律6263绪论——系统的分类1.7控制系统的基本要求64系统评价指标多样，但基本和最重要是以上三种；控制系统设计根据需要各有侧重。65五、自动控制系统方框图的绘制步骤绪论—控制系统的基本要求分析控制系统的工作原理，找出被控对象；分清系统的输入量、输出量；按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节；按照信息流动的方向，将各个环节用元件方框和连线连接起来。66回顾反馈及反馈控制的基本概念以及系统的分类（1）反馈（6）开环系统（2）外反馈（7）闭环系统（3）内反馈（4）负反馈（5）正反馈2.反馈系统的组成及方框图的绘制

2个部分5大环节3.控制系统的基本要求稳、快、准67作业1：发动机离心调速系统：68发动机ω阀门Q活塞油缸F液压比例控制器Q杠杆机构M调节弹簧F离心机构F控制部分被控部分控制器干扰运算放大环节执行环节测量环节比较环节给定环节系统控制方框图如下：69负反馈原理

将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减少偏差、消除偏差的目的。

——构成闭环控制系统的核心闭环（反馈）控制系统的特点：（1）系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路（2）偏差起调节作用70作业2:

图示的液面控制系统，图中K为放大器的增益，D为执行电机，N

为减速器。试分析该系统的工作原理，并在系统中找出控制量、扰动量、被控制量、控制器和被控对象。系统中M2控制量，Q为扰动量，液面高度为被控制量，水箱为被控对象，其余部分为控制器。解:图示是一种液面自动控制系统，以保持液面高度不变。水通过阀门控制而进入水箱，当水位不断上升时，通过浮子使电位En变化，经放大控制电机转动，通过减速器使阀门关小，减少进水量M2。当水位下降时，通过浮子反馈，经电机通过减速器使阀门开大。这一闭环控制系统，是用浮子作比较器来比较实际液面高度和所希望的液面高度，并通过电位信号控制电机来控制阀门的开度，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。12n71系统控制方框图如下：水箱h阀门M减速器N电动机D电压及功率放大器Ed浮子Q电位器En希望液面72实例1：下图为一恒温箱的温度控制系统，试分析这个系统的自动调温过程并说明这个系统的输出量、输入量、控制量和扰动量各是什么，并画出系统方框图绪论—控制系统的基本要求73

解：在该系统中恒温箱内的温度需要被控制，因此，恒温箱位被控对象。恒温箱的实际温度为被控制量（系统的输出量），设为T0(0C)；希望的恒温箱的温度为系统的输入量（给定值），设为Ti(0C)；加热电阻丝的输出功率为控制量；而恒温箱散热量为系统的扰动量。恒温箱的温度是由给定的电压信号u1和热电偶输出的电压信号u2之间的偏差u1-u2控制的。当T0＝Ti时，即偏差为零，此时系统不工作，恒温箱的温度保持在希望的温度上。当外界因素引起箱内温度变化时，偏差信号u1-u2≠0，偏差经电压