机械工程控制基础第五版-第一章绪论

中南林业科技大学-机电工程学院讲授人：龚中良教材：《机械工程控制基础》（第五版）华中科技大学出版社2005.072024/9/18课程背景简介由于现代科学技术的迅猛发展，特别是由于微电子技术、电子计算机技术的迅猛发展，作为“三论”(控制论、系统论、信息论)之一的控制论本身也得到了进一步的发展。控制论的观点和思维方法向各个学科和专业渗透，也给机械工程这个古老的专业注入了新的活力。机械工程控制论不仅能满足今天自动化技术高度发展的需要，同时它与信息科学和系统科学紧密相关，更重要的是它提供了辩证的系统分析方法，即不断从局部而且从整体上认识和分析机械系统，改进和完善系统，以满足科技发展和工业生产的实际需要。2024/9/18课程简介本课程是针对机械专业本科生开设的技术基础课。该课程侧重原理，其内容密切结合工程实际，是一门技术基础课。它以控制论为理论基础，以机械工程系统为研究对象的广义系统动力学；同时，它又是一种方法论。2024/9/18学习本课程的目的在于使学生能以动力学的观点而不是静态观点去看待一个机械工程系统；从整体的而不是分离的角度，从整个系统中的信息之传递、转换和反馈等角度来分析系统的动态行为；能结合工程实际，应用经典控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中的问题。这包括两个方面：①对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题的本质和有效的解决方法；②如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。2024/9/18主要内容介绍(一)绪论控制系统的基本工作原理，控制系统的几种分类，控制理论的发展史，对控制系统的基本要求。(二)控制系统的数学模型及传递函数LAPLACE变换，系统的数学模型，传递函数，典型环节的传递函数，系统的方框图及其联接，系统的信号流程图。(三)线性系统的时域分析典型输入信号，控制系统的时域性能指标，一阶系统的时间响应，二阶系统的时间响应，系统的稳态误差。2024/9/18主要内容介绍（续）(四)频率特性分析法频率特性的基本概念，典型环节的频率特性，系统的开环频率特性的绘制，系统的闭环频率特性。(五)控制系统的稳定性分析稳定性的基本概念，代数稳定性判据，频域稳定性判据，系统的相对稳定性。(六)系统的校正方法系统校正的一般概念，串联校正，反馈校正。2024/9/18学时分配序号内

容课内学时

1绪论4

2系统的数学模型及传递函数8

3线性系统的时域分析法6

4频率响应分析法65控制系统的稳定性分析4

6系统性能指标与校正(选上)4

共计理论课时:32课时,学分2.0分课程成绩:闭卷考试+作业+出勤2024/9/18推荐参考书陈康宁等，《机械工程控制基础》，西安交通大学出版社，1997。王积伟等，《控制工程基础》，南京大学出版社，1993.。董新景等，《控制工程基础》，清华大学出版社，1992。胡寿松等，《自动控制原理》，科学出版社，2003。2024/9/18先修课程本课程的先修课程为“高等数学”、“线性代数”、“复变函数”、““理论力学”、“机械原理”、“电工电子学”。尤其是“高等数学”、“线性代数”。本课程所分析的系统，涉及机械、电气，所以在建立数学模型时，需运用到理论力学、电工、机械原理等多门课程的知识。2024/9/18第一章绪论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控制系统的分类1.5对控制系统的基本要求本章难点广义系统的信息反馈控制系统方框图的绘制基本内容2024/9/181.1机械工程控制论的研究任务一、控制、自动控制及控制论二、系统及广义系统三、机械工程控制论的研究对象四、机械工程控制论的研究任务2024/9/18一、控制、自动控制控制：对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为自动控制：该操作由控制装置自动完成，无须人的参与控制示例2024/9/182024/9/182024/9/182024/9/182024/9/182024/9/18热力系统：2024/9/18直流电机速度控制系统2024/9/18控制论控制论：关于控制原理和控制方法的学科，研究事物变化和发展的一般规律。控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置可控和能控：（1）被控对象必须存在多种发展的可能性；（2）可在多种可能性中通过一定的手段进行选择控制论方法：1.了解事物面临的可能性空间是什么；2.在可能性空间中选择某一些状态为目标；3.控制条件，使事物向既定的目标转换。2024/9/18控制论（续）控制论既是一门技术学科，也是一种方法论。控制论实质是研究广义系统动力学，其核心是系统内部以及系统与外部环境的信息交互、传递和反馈。2024/9/18二、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。2024/9/18广义系统2024/9/18三、机械工程控制论的研究对象机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广义系统的动力学问题。具体地说，它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；研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。2024/9/18例1：同一质量－阻尼－弹簧在不同的输入时的情况。图中，m、c、k分别代表质量、粘性阻尼系数和弹簧刚度。2024/9/182024/9/18解结构物理意义分析:2024/9/18由此可推广到n阶线性微分方程2024/9/18四、机械工程控制论的研究任务从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同可以分为以下五方面：(1)系统分析问题:系统已定,输入已知,求输出;(2)最优控制问题:系统已定,确定输入,且所确定的输入应使得输出尽可能符合给定的最佳要求;(3)最优设计问题:输入已知,确定系统,且所确定的系统应使输出尽可能符合给定的最佳要求;(4)滤波与预测问题:输出已知,确定系统以识别输入中的有关信息;(5)系统辨识问题:输入/输出已知,确定系统数学模型。2024/9/181.2系统及其模型一、系统特性二、机械系统三、系统模型2024/9/18一、系统特性系统具有如下特性

(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，见例2；

(2)系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多，见例3；

(3)系统往往表现出在时域、频域等域内的动态特性。第三章第四章2024/9/18例2：对R－C－L电网络，当元件的位置发生改变时：CRLUiUoUoiCRLUii2024/9/18例3：孤立的考察这两个对象：考察k－m系统，分析各元素其动力学方程及系统动力学方程.mY(t)F(t)k2024/9/18二、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系统，称为机械系统。例如：机床、动力设备、工程机械。。。对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。2024/9/18三、系统模型模型静态模型实物模型物理模型数学模型动态模型2024/9/18例：2024/9/18静态模型动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。研究系统在迅变载荷或在系统不平衡状态下的特性。现时输出仅由现时输入决定现时输出由其以前的历史决定以代数公式描述微分方程或差分方程描述简单复杂2024/9/181.3反馈一、系统方框图及其组成二、信息及信息反馈的概念信息：一切能表达一定意义的信号、符号和密码等统称为信息。反馈(信息反馈)：将系统的输出部分或全部地返回到系统的输入端并共同作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。三、内反馈和外反馈2024/9/18一、系统方框图及其组成系统方框图引出点比较点元件方框XXXX2X1X1+X2＋元件名X2X1Note：系统方框图是根据元件功能进行划分的，与第二章传递函数方框图不同。2024/9/18二、信息及信息反馈的概念信息：一切能表达一定意义的信号、符号和密码等统称为信息。如：力，位移，电压，电流。。。反馈(信息反馈)：将系统的输出部分或全部地返回到系统的输入端并共同作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。2024/9/18反馈是系统存在动态历程，系统及其输入输出间有动态关系的根本原因。2024/9/182024/9/18例：发动机调速系统2024/9/18三、内反馈和外反馈2024/9/182024/9/182024/9/181.4控制系统的分类一、控制系统的基本概念二、系统的分类方法三、对控制系统的基本要求四、自动控制系统方框图的绘制2024/9/18一、控制系统的基本概念给定元件测量元件被控对象执行元件运算放大元件比较环节输入量反馈量输出量反馈量控制部分干扰量图1.4.1反馈控制系统的一般构成特点：利用偏差控制系统的输出2024/9/18基本物理量：被控对象：在控制理论和控制技术中，运动规律或状态需要控制的装置称为被控对象(控制对象)。被控对象可大可小，甚至可“实”可“虚”。被控制量：表征被控对象运动规律或状态的物理量。实质上是系统的输出(输出量)希望值：希望的被控对象运动规律或状态的物理量(或称输入量、系统输入)。2024/9/18给定元件：控制系统中主要用于产生给定信号(输入信号、希望值)的元件。反馈元件(测量元件)：控制系统中用于测量被控量(输出量)，产生反馈信号的元件。信号与输出量之间往往存在确定的函数关系。比较元件：控制系统中用以比较输出信号与反馈信号，并求取偏差信号的元件。为物理元件，可能通过物理定律或其他定律实现。放大元件：控制系统中对输入信号或偏差信号进行幅值放大或功率放大的元件。执行元件：控制系统中直接对被控对象进行操作的元件。2024/9/18偏差：系统的输入量与反馈量之差或之和(即比较环节的输出值)。控制量：被控对象的输入量。由于往往是偏差量的某种函数，因此，也可将偏差量看成控制量。扰动量(干扰)：指除给定量以外，所有使得被控制量偏离给定值的因素。扰动量包括因统外部因素发生变化而引起的外扰动量和因系统内部因素所引起的内扰动量。控制器：在控制系统中，除被控对象以外的所有装置，统称为控制器。2024/9/18人工控制：在人的直接参与下，使被控对象的被控制量按预定的规律运动或变化的控制方式。自动控制：在无人直接参与的情况下，利用一组装置使被控对象的被控制量按预定的规律运动或变化的控制方式。自动控制系统：被控对象和参与实现其被控制量自动控制的装置或元、部件的组合。2024/9/182024/9/18二、系统的分类方法1、对广义系统，按反馈情况分类①开环系统②闭环系统2024/9/182、对自动控制系统，按输出规律进行分类：①自动调节系统如恒温调节系统（闭环系统）②随动系统如炮描雷达系统（闭环系统）③程序控制系统如：数控机床闭环系统全自动洗衣机开环系统2024/9/183、是否满足叠加性线性系统非线性系统4、根据系统中