《机械工程测试与控制技术》课件 第1课 第一章 绪论

机械工程测试与控制技术课时计划上课40学时、试验8学时1～13周（每周4学时）课程考核平时：随堂测验、上课、作业30％实验：20％期末：闭卷考试50％辅导答疑安排：每周一晚7:30~9:30、实训楼B610室一

绪

论1.1机械工程控制论1.2测试系统1.3自动控制系统1.4测试与控制理论在工程中的应用和发展1.5本课程内容在机械工业中的作用和地位“工程控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制和自动调节的理论.维纳博士40年代提出了控制论的基本思想后,不少工程师和数学博士曾努力寻找通往这座理论顶峰的道路,但均半途而废.工程师偏重于实践,解决具体问题,不善于上升到理论高度;数学家则擅长于理论分析,却不善于从一般到个别去解决实际问题.钱学森则集中两者优势于一身,高超地将两只轮子装到一辆战车上,碾出了工程控制论研究的一条新途径.”1.1机械工程控制论1.1机械工程控制论控制：施加某种操作于对象，使其产生所期望的行为。图

蒸汽机离心调速器机械工程控制论：研究机械工程技术中的广义系统动力学问题。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1.1机械工程控制论广义系统：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、经济系统等系统的模型：静态模型：静载/缓变载荷，平衡态动态模型：瞬变载荷，不平衡态广义系统：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、经济系统等系统的模型：静态模型：静载/缓变载荷，平衡态动态模型：瞬变载荷，不平衡态1.1机械工程控制论机械系统的动力学问题：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机械工程控制论外界的作用信息的传递与交互系统的响应系统与外界的交互作用控制论强调：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1.1机械工程控制论对上例，需研究的问题可归纳为以下三类：第一类，当系统参数（即m、c、k）与输入、已知时，求输出，这个问题属理论力学中系统动力学分析问题；第二类，当系统参数（即m、c、k）与输出已知时，求输入、如，输出尽可能符合给定的最佳要求，此即最优控制问题；又或者如测试中利用输出信号辨别输入的来源，这是故障诊断问题。第三类，当系统的输入、与输出已知时，求系统的结构与参数，如求系统的m、c、k。1.1机械工程控制论根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段,控制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分.“经典控制理论”:以传递函数为基础,以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统基本方法,主要研究单输入,单输出这类控制系统的分析和设计问题.“现代控制理论”:以状态空间法为基础,主要分析和研究多输入-多输出(MIMO)、时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等问题;控制理论研究的重点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空间方法.1.1机械工程控制论1.1机械工程控制论1.2测试系统1.3自动控制系统1.4测试与控制理论在工程中的应用和发展1.5本课程内容在机械工业中的作用和地位1.2测试系统测量MIASUREMENT——用以确定被测物属性量值为目的的全部操作。按照一定规则，给事物的属性指派量值（数字或符号）的过程。测量的三个要素：①事物及其属性——测量的对象或目标身体的温度、人体的心律、血压、桌子的高度（客观特征）、汽车的速度、英语听力（心理特征）②指派数字或符号——某一事物或事物的某一属性的量37度、0.75米、87分③法则、标准——测量所依据的规则和方法，公认、标准的温度计、血压计、雷达测速器、量尺、考卷质量测量血压测量体温测量噪声等级测量车速测量1.2测试系统测试技术应用领域现代工业生产、基础学科研究、宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、智能建筑、汽车、家用电器、生物工程、商检质检、公共安全、甚至文物保护等。1.2测试系统工业自动化中的应用在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。机器狗AGV自动送货车1.2测试系统流程工业设备运行状态监控在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测1.2测试系统在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)指纹传感器透光率传感器温、湿度传感器温度传感器1.2测试系统测试方法分类按是否直接测定被测对象→按是否接触测定被测对象

→按被测量是否随时间变化→直接测量间接测量接触测量非接触测量静态测量动态测量1.2测试系统测试系统完成测试任务的传感器、仪器和设备的总称。两类测试系统①状态检测中的测试系统②自动控制中的测试系统转速、振动/位移传感器＋测速、测振仪转速控制/调节1.2测试系统两类测试系统①状态检测中的测试系统

典型组成：传感器、信号调理、信号处理、显示与记录测试对象传感器信号调理显示/记录电源数据采集数据处理信号处理1.2测试系统②自动控制中的测试系统

将测量结果输入到控制计算机，以进行控制运算，并通过执行机构对生产过程或设备运行状态进行调节，使其运行于预期的状态。测控对象控制驱动执行单元电源传感器信号调理数据采集

显示记录数据处理测试系统信号处理计算机1.1机械工程控制论1.2测试系统1.3自动控制系统1.4测试与控制理论在工程中的应用和发展1.5本课程内容在机械工业中的作用和地位例1.控制原理：负载减小，使w增加反馈：系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统。离心机构滑套上移离心滑套下移蒸汽阀回复中位，w回到设定值蒸汽阀关小，w减小w反过来对系统产生作用1.3自动控制系统例2.加工过程刀具刀架系统r切削运动s-a切削+力y+理想零件加工过程示意图零件1.3自动控制系统

负反馈：输出(被控量)偏离设定值(目标值)时，反馈作用使输出偏离程度减小，并力图达到设定值。如：离心调速系统液面控制火炮自动瞄准学习和工作中的负反馈检测偏差实施控制纠正偏差

正反馈：输出偏离初始值（或稳定值）时，反馈作用使输出偏离程度加剧如：疾病、火药爆炸、热核反应学习和工作中的正反馈反馈的作用：加剧偏离反馈的作用：消除偏离1.3自动控制系统开环控制系统：系统没有反馈回路，输出对系统无控制作用。如：步进驱动的数控机床、普通洗衣机家用电烤箱、微波炉、普通电风扇1.3自动控制系统实际的控制系统根据有无反馈作用可分为:开环控制系统,闭环控制系统.优点:结构简单、价格便宜、容易维修缺点:精度通常较低、容易受环境变化的干扰(无自动纠偏能力).闭环控制系统：有反馈回路，输出对系统有控制作用。如：前例中的离心调速系统伺服驱动的数控机床恒温箱(冰箱、空调)

人骑自行车1.3自动控制系统优点:精度高,动态性能好、抗干扰能力强缺点:结构比较复杂,价格比较贵,维修麻烦.闭环控制系统1.3自动控制系统开环控制系统控制精度抗干扰能力稳定性低高低高好差自动控制：系统在无人直接参与下使被控对象准确的按预期变化。如:数控机床、室内温度控制、飞机自动驾驶等.液位人工控制液位自动控制检测偏差实施控制消除偏差1.3自动控制系统1.3自动控制系统人工控制的恒温箱自动控制的恒温箱特点：利用偏差控制系统的输出基本物理量：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1.3自动控制系统1.3自动控制系统对控制系统的基本要求系统的稳定性——系统正常工作的首要条件系统的稳定性——系统恢复平衡状态的能力稳定性好，则系统恢复平衡状态的能力强系统的快速性快速性好，则消除偏差快，或调整时间短。系统的准确性准确性好，则调整过程结束后，输出值与期望值偏差小1.1机械工程控制论1.2测试系统1.3自动控制系统1.4测试与控制理论在工程中的应用和发展1.5本课程内容在机械工业中的作用和地位1.4测试与控制理论在工程中的应用和发展控制理论在工程中的应用和发展公元前1400－1100年,中国、埃及和巴比伦相继出现自动计时漏壶,人类产生了最早期的控制思想.1.4测试与控制理论在工程中的应用和发展水运仪象台（1086-1089年苏颂和韩公廉）公元1788年,英国人J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度,由此产生了第一次工业革命.1.4测试与控制理论在工程中的应用和发展

机电工业是我国最重要的支柱产业之一,而传统的机电产品正在向机电一体化(Mechatronics)方向发展.机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化.

机电控制型产品技术含量高,附加值大,在国内外市场上具有很强的竞争优势,形成机电一体化产品发展的主流.当前国内外机电结合型产品,诸如典型的工业机器人,数控机床,自动导引车等都广泛地应用了控制理论.1.4测试与控制理论在工程中的应用和发展1.4测试与控制理论在工程中的应用和发展机器人关节伺服系统三坐标数控机床测试技术的发展测试技术与科学研究、工程实践密切相关。随着科学技术的飞速发展，使得测试技术的发展也非常迅速，主要体现两个方面：①传感器技术的自身发展②计算机测试技术的发展1.4测试与控制理论在工程中的应用和发展一般计算机测试系统传感器1传感器2传感器3信号调理2信号调理3信号调理1数据采集卡(板)计算机绘图、显示、打印计算机测试系统的基本形式1.4测试与控制理论在工程中的应用和发展网络化测试系统组成：数据采集、数据分析、数据表示当将这三个位于不同地理位置的部分由网络连起来从而完成测试任务的时候，就形成网络化测试系统。网络仪器的特点：有危险的、环境恶劣的数据采集工作可实行远程采集使测试人员不受时间和空间的限制可以实现高度自动化、智能化资源共享

1.4测试与控制理论在工程中的应用和发展嵌入式测试系统嵌入式系统有时称为嵌入式计算机系统，是和现实的物理世界相结合的，控制着某些特定的硬件的专用计算机系统。

包括硬件和软件两部分：硬件包括嵌入式处理器、控制器、存储器及外设器件、输入输出端口、图形控制器等软件部分包括应用软件和嵌入式操作系统。应用软件控制着系统的运作和行为；操作系统控