《机械工程控制基础》课件

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1、机械控制工程基础黄文怡 主讲工程学院机械设计系机械设计制造(教材)n第一章 绪论n第二章 拉普拉斯变换的数学方法n第三章 系统的数学模型 n第四章 系统的瞬态响应与误差分析n第五章 系统的频率特性n第六章 系统的稳定性分析n第七章 机械工程控制系统的校正与设计n第一节 概述n第二节 控制系统的基本概念n第三节 控制系统的基本类型n第四节 对控制系统的基本要求第一章 绪论第一节 概述n一、控制工程研究的主要内容n二、控制理论的发展n三、控制理论在工程中的应用n四、控制理论的学习方法一、控制工程研究的主要内容n控制工程主要研究有关自动控制和系统动力 学的基础理论及其在工程中的应用。它是一 门新兴技

2、术科学，也是一门边缘科学，它的 理论基础是控制理论。n具体的讲研究用控制理论的基本原理解决电 气、机械、测控、化工等一切工程系统中的 控制技术问题。（图1-1）离心调速器原理示意图(图1-1)稳定、准确、快速工程控制理论的实质n工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的 动力学问题具体地说，它研究的是工程技术中 的广义系统在一定的外界条件(即输入或激励， 包括外加控制与外加干扰)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；n研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关 系n 系统输入输出学习控制工程基础要解决的两个

3、问题n 学习控制工程基础要解决两个问题：n一是如何分析某个给定控制系统的工作原 理、稳定性和过渡过程品质；n二是如何根据实际需要来进行控制系统的 设计，并用机、电、液、光等设备来实现 这一系统。n 前者主要是分析系统，后者是综合与 设计，无论解决哪类问题，都必须具有丰 富的控制理论知识。二、控制理论的发展n1、控制理论的产生可以追朔到1788年瓦特(J.Watt) 为控制蒸汽机速度而发明的蒸汽机离心调速器离心调速器，其原 理示意图如图1-1所示。n2、1868年，英国物理学家马克斯威尔（J.C.Maxwell ）发表了第一篇关于“论调速器”的文章，首先提出了 “反馈控制”的概念。n3、1884

4、年和1895年,劳斯（E.J.Routh）和霍尔维茨 (A.Hurwitz)把马克斯威尔的理论扩展到用高阶微分方 程描述的更为复杂的系统，并分别提出了两种著名的 代数稳定性判据。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）研 制出电子管振荡器，同时提出了著名的Nyquist稳定 性判据。 二、控制理论的发展n4、1948年美国数学家维纳（N.Wiener）出版了 著名的控制论关于在动物和机器中控制和通 讯的科学一书，他揭示了无论机器系统、生命 系统甚至社会和经济系统中，都存在一个共同本 质的特点，它们都是通过信息的传递、处理与反 馈这三个要素来进行控制，这就是控制论的中心 思想。1950年伊万斯（

5、W.R.Evans）提出的根轨 迹法提供了寻找特征方程根的比较简易的图解方 法，至此，形成了完整的经典控制理论。二、控制理论的发展n5、我国著名科学家钱学森从控制论这一 总题目中，把已被当时科学技术和工程 实践所证明的部分分离出来，创立了“工 程控制论”，并于1954年出版了工程控 制论这一名著，这对控制理论的发展 与应用起到了很大的推动作用。二、控制理论的发展n6、50年代末与60年代初，一方面由于工业生 产、火箭和空间技术的发展，出现了多变量、 非线性和时变参数系统，经典控制理论已经不 能满足要求；另一方面由于电子计算机技术的 发展与应用，半导体和电子技术、计算技术的 发展，各种传感器和自

6、动检测技术的发展，使 控制理论发展到了一个新阶段，从而产生了现 代控制理论。 n 随着科技进步特别是计算机科学的发展， 控制论无论是在三要素的内涵上，还是在其深 度与广度上都在发展变化着，对促进生产的发 展和社会进步产生着深远的影响。二、控制理论的发展n控制理论发展大体可分三个阶段：n 第一阶段：n20世纪4050年代为经典控制论发展时期。经 典控制论的内容是以微分方程、传递函数为基 础，主要研究单输入、单输出控制系统的分析 和设计问题，对线性定常系统，这种方法是成 熟而有效的。 二、控制理论的发展n 第二阶段：n20世纪6070年代为现代控制论发展时期，这期间随 着计算机技术的发展和空间技术

7、的进步，产生了把经 典控制论中的高阶常微分方程转化为一阶微分方程组 来描述系统的方法，即所谓状态空间法，这种方法可 以解决多输入、多输出问题，对非线性、时变系统也 有效。n该方法是自适应控制、自学习控制、最优控制、最优 滤波（卡尔曼滤波）的基础。二、控制理论的发展n 第三阶段：n20世纪70年代末至今，控制论向着“大系统理论”和 “智能控制论”发展。n“大系统理论”是用控制和信息的观点研究大系统的 结构方案、总体设计中的分析方法和协调问题。n“智能控制论”是研究与模拟人类活动的机理。 现 代科学揭示，人体是一个具有高度自组织、自适应、 自调节能力的生命有机体，是具有非线性、时变和随 机性、模糊

8、性的特大系统。研究具有仿人智能的工程 控制和信息处理问题，以使具有高度复杂性、高度不 确定性的系统达到人们对控制系统越来越高的要求。 三、控制理论在工程中的应用1、军事 2、数控机床、加工中心 3、机器人 4、机电一体化系统 5、动态测试 6、机械动力系统性能分析 7、液压系统的动态特性分析 8、生产过程控制四、控制理论特点及学习方法n本课程特点：n（1）比较抽象n（2）起点高n（3）系统性强n学习本门课程应以新的视角分析和考虑问题。n学习本门课程要能以系统的而不是孤立的、动 态的而不是静态的观点和方法来思考和解决问 题。n掌握控制理论的基本概念、基本理论和基本方 法并注意结合实际，为解决工程

9、中的控制问题 打下基础。五、本课程参考书n杨叔子主编 机械工程控制基础 华中理工大学出 版社n朱骥北主编 机械控制工程基础 机械工业出版社n胡寿松主编 自动控制原理 科学出版社n董景新编著 控制工程基础 清华大学出版社n王积伟编著 控制工程基础 高等教育出版社 第二节 控制系统的基本概念n一、控制系统的基本工作原理n二、开环、闭环和复合控制系统n三、闭环控制系统的基本组成一、控制系统的基本工作原理n系统：是由相互制约的各个部分组成的具有一 定功能的有机整体。n自动控制系统：能够进行自动控制的一整套设 备或装置。通常由控制器（控制装置）和被控 对象两大部分组成。 n被控对象是指系统中需要加以控制

10、的机器、设 备或生产过程； n控制器是指能够对被控对象产生控制作用的设 备的总体。n控制系统的任务就是使被控制对象的物理量按 照预先给定的控制规律变化。一、控制系统的基本工作原理n实现自动控制的优点：n1、提高生产率、降低能源消耗。n2、减轻体力和脑力劳动。n3、生产安全、废品少、产品质量高。温度人工控制的恒温箱（图1-2）被控对象被控制量自动控制的恒温箱（图1-3）实现控制的三个基本步骤不论采用人工控制还是自动控制都具有以下的共同点 ：一是要检测被控制量的实际值；二是被控制量的实际值要与给定值进行比较得出偏差值；三是要用偏差值产生控制调节作用再去消除偏差。 总结：检测偏差，消除偏差 反馈控制

11、原理反馈是指对系统的被控制量进行测量，并加以处理（ 取其一部分或全部、或其函数等）后，再返回输入端 与系统的给定量进行比较的过程。如果反馈量对给定量起增强作用，则称为正反馈；反 之，如果反馈量对给定量起减弱作用，则称为负反馈 。通常，控制系统采用负反馈。基于负反馈基础上的“检测偏差并用以消除偏差”的控 制原理，称为反馈控制原理。利用反馈控制原理组成 的系统称为反馈控制系统。固有反馈（或内在反馈） 固有反馈是指没有外加的检测装置，但是， 变量与变量之间相互制约，构成了闭合的因 果关系。例如机械传动系统、机械加工系统、直流 电机系统等。从控制理论的角度，它们都是 一个反馈控制过程，因而都可以用控制

12、理论 加以解决。职能方框图 把表示系统的组成、各元件作用关系及信号传递（ 或流通）关系的图形称为职能方框图。 控制系统中常用的概念和术语的含义说明 输出量（或称输出信号、被控制量）：是指控制系统中需要 加以控制的物理量。系统的输出量常用符号xo(t)表示。 输入量（或称输入信号、给定值、给定量）：是指输入给控 制系统用以控制输出量变化规律的物理量它作用于系统输入端 ，直接地或间接地表示系统输出量的期望值（给定值）。系统 的输入量常用符号xi(t)表示. 扰动量（或称扰动信号）：指那些能使输出量偏离预定要求 （期望值）的意外干扰因素。 反馈量（或称反馈信号）：是指把输出量取出并直接或经转 换以后

13、送回到输入端与输入信号进行比较的物理量。二、开环、闭环和复合控制系统n控制系统按其有无反馈作用和反馈作用 的方式可分为三类：n1、开环控制系统n2、闭环控制系统n3、复合控制系统开环控制系统n如果系统的输出量和输入量之间没有反 馈作用，输出量对系统的控制过程不发 生影响时，这样的系统称为开环控制系 统。n图1-5是数控线切割机的进给系统.数控线切割机的进给系统(图1-5)开环控制系统职能方框图（图1-6）开环控制系统优缺点：1、结构简单，成本低。2、动作快，较稳定。3、有了误差无法自动调整。闭环控制系统n如果系统的输出量与输入量之间具有反馈联系 ，即输出量对系统的控制过程有直接影响，这 样的系

14、统称为闭环控制系统。闭环控制系统是 按照反馈控制原理工作的，又称为反馈控制系 统。这种系统的信号传递路线构成闭合回路（ 闭环）。n前面介绍的离心调速器控制系统和恒温箱温度 恒定自动控制系统都是闭环控制系统。直流伺服电机速度伺服控制系统（图1-8）直流伺服电机速度控制系统职能方框图（图1-9）闭环系统的优缺点1、可以自动的纠正和补偿输出量误差 ，提高控制精度。 2、结构复杂，成本高。 3、参数选择不适当将会引起闭环控制 系统振荡，甚至不能工作。复合控制系统n在输出和输入之间同时存在开环控制和 闭环控制的系统，称为复合控制系统。n它实质上是在闭环控制系统的基础上， 用开环通路提供一个补偿的输入作用

15、， 如图1-11所示。复合控制系统(图1-11）这种系统兼有开环和闭环两种系统的优点，因而可大大提高系统的性能。三、闭环控制系统的基本组成输入量xi 输出量xo主反馈局部反馈偏差信号e主反馈信号xb给定元件放大元件执行元件反馈元件被控对象比较元件 + -串联校正元件+- 并联校正元件n给定元件 反馈元件(检测元件)n比较元件 放大变换元件 执行元件（驱动元件）n被控对象 校正元件（校正装置）给定元件n用来产生控制信号或输入信号（输 入量）的元件。n例如数控机床进给系统的输入装置 、恒温箱控制系统的给定电位器就 是给定元件。反馈元件(检测元件)n用来测量（输出量）被控制量的实 际值，并经过处理，转换为与输出 量有一定函数关系的反馈量的元件 。n检测元件大多是将非电量转换为电 量的元件。n它是用来对输入信号和反馈信号进行比 较，得出偏差信号的元件。比较元件实 际上是信号综合环节（可以相减或相加 ），它往往不是一个专门的物理元件， 有时也叫比较环节。n例如：离心调速器的套筒比较机构、恒 温箱自动控制系统中的比较电路等。比较元件n它是对偏差信号进行信号放大和 功率放大的元件。n如电压、电流、功率放大器、可 控硅整流调压装置和电