机电工程控制基础--01绪论

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1、,机电工程控制基础,河北工程大学机电工程学院周雁冰,控制论,现代控制理论,“机电工程控制基础”是控制论与机电工程技术理论之间的交叉学科，侧重介绍机械工程的控制原理，同时密切结合工程实际，是一门技术基础课程。,机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势越来越广泛而深入地引入了控制理论。,是科学方法论之一，强调用系统的、反馈的、控制的方法来分析研究工程实际问题。,经典控制理论,数控机床、工业机器人、机床动态分析与测试、电气液压伺服系统,大学物理,理论力学,机械原理,该课程与其它课程的关系，如下图所示：,机电工程控制基础,基础知识,工程应用,分析方法,基本概念,控制系统结构体系,控制系统数学模型,时域分

2、析,频域分析,系统稳定性判据,系统性能指标,系统校正,课堂教学内容,1 绪论2 控制系统的数学模型(除2.2、2.5)3 系统的时间响应与快速性分析(除3.5)4 稳态误差与准确性分析5 控制系统的频域分析6 控制系统的稳定性7 系统的性能分析与校正,其它章节内容为课外自学内容,基础知识,教学用书机电工程控制基础 吴炳胜主编 冶金工业出版社,教辅用书自动控制原理 胡寿松等编 国防工业出版社机械工程控制基础 杨叔子、杨克冲等编著 华中科技大学出版社,第一章 绪论,1.1 概述1.2 自动控制系统的基本概念1.3 对控制系统的基本要求1.4 自动控制简史1.5 控制工程实践1.6 本课程的特点与学

3、习方法,自动控制技术及理论已经广泛应用于机械、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应堆等各个领域。自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。在机电工程问题上，机械、电气、液压和计算机被广泛采用，而且常常互相渗透、相互配合，这就需要结合机电液系统阐述工程上共同遵循的基本控制规律，即“机电工程控制基础”。,控制论概述 控制论是关于控制原理与控制方法的学科，它研究事物变化和发展的一般规律。“控制论”的两个核心是信息论和反馈控制。 首先创立控制论学科的是美国的数学家、信息理论家(Norbert Wiener)诺伯特维纳，他于194

4、8年发表了“控制论”。1954年我国科学家钱学森出版专著工程控制论(英文版)，首先把控制论推广到工程技术领域。,控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。,（机电工程控制论）,自动控制技术应用于军事、航天领域 火炮、雷达、跟踪系统； 人造卫星；宇宙飞船。 自动控制技术应用于工业生产过程 轧钢；工业窑炉；石油化工；水泥建材；玻璃、造纸等自动控制技术应用于现代农业生产 自动灌溉；农产品质量检测等。 自动控制技术应用于其他领域 生物：人口控制，药物动力学 金融：货币控制 家庭：电饭煲，洗衣机，空调，冰箱,例.钢铁轧制:轧出厚度一致的高精度铁板存在温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。,举

5、例：智能楼宇的控制,可视对讲、室内报警、远程家电控制.,在日常生活中,道路交通的应用车牌自动识别,勇气号火星探测器（美国）,机械工程控制论研究机械工程技术中广义系统的动力学问题,研究的对象：系统（广义系统）研究的任务：动力学问题研究的领域：机械工程领域,1、系统按一定规律联系在一起的元素的集合。,系统的要素,元素,元素之间的联系,系统与外界的交互作用,外界对系统的作用,系统对外界的作用,输入(激励)、干扰(扰动),输出(响应),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、全球制造行业等,2、动力学问题:,系统在外界作用（输入或激励、

6、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即为系统的动力学问题。,系统的输入与系统的固有特性已知，如何影响输出？2. 系统确定并已知时，对系统施加何种输入，能使系统实现预期的响应（即输出y(t)）？3. 对于确定的输入输出，系统应具有什么特性， 才能使系统实现预期的响应？,求输出,求输入,求系统(结构参数),基本的动力学问题,3、（数学）模型 定义：研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种工具。 种类：实物模型、物理模型和数学模型等。,动态模型,用于研究系

7、统在迅变载荷作用下或在系统不平衡状态下的特性；,在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。,微分方程或差分方程来描述,动态模型是描述系统的动态历程的，机械工程控制论研究的是机械工程技术中广义系统的动力学问题，所以往往需要采用动态数学模型，即需要建立微分方程或差分方程来描述系统的动态特性。,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；,代数公式描述,控制：对对象施加某种操作，使其产生所预期的行为。 自动控制：该操作由控制装置自动完成，无须人直接参与。即，在人不直接参与的情况下，通过控制器使被控对象（如机器设备、生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定的规律变

8、化（或运行）。学习机电工程控制基础要解决两个问题：1、如何分析某个给定控制系统的工作原理、稳定性、过渡品质；2、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设计系统。,例 手动控制： 观测实际水位，将实际水位与要求的水位值相比较，得出两者偏差。 根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。,被控对象？被控量？,例 改进自动控制： Q2变大H减小，浮子下降杠杆倾斜阀门开大Q1变大Q1=Q2，液面重新稳定。Q2变小H变大，浮子上升杠杆倾斜阀门关小Q1变小Q1=Q2，液

9、面重新稳定。,缺点：出水量越多，水位就越低，偏离期望值就越远，误差越大。控制的结果，总存在着一定的误差值。,例 再改进自动控制： 当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。,当实际水位高于要求水位呢？,该系统在运行时，无论何种干扰引起水位的偏差，系统都要进行调节，最终总是使实际水位等于期望值，大大提高了控制精度。,控制原理：如果负载变化使增大， 离心机构滑套上移 液压滑阀上移，动力活塞下移，油门关小， 减小 直到滑阀回复到中位，回到设定值,通过离心

10、机构检测系统的实际输出值，并与设定值进行比较，反过来作用于系统，形成反馈，进而调节系统的输出。,发动机离心调速系统结构原理简图,例：发动机离心调速系统,反馈,反馈是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念,反馈的定义：系统的输出通过适当的测量装置全部或部分地返回到输入端，并与输入共同作用于系统的过程。,反馈量与输入量的比较结果叫偏差。,基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的原理又称为反馈控制原理。,利用此原理组成的系统称为反馈控制系统。它具备测量、比较和执行三个基本功能。 反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。,例：发动机离心调速系统,被控对象：,发动机,被控量：,转速,控制信息传递与反馈

11、：,转速,离心机构(检测或感知）,偏差,杠杆,液压比例控制器,油门,表示系统结构与工作原理的物理框图：,离心调速系统控制方框图,比较,控制器,检测,被控对象,执行,运算放大,控制部分,被控部分,反馈控制方式的优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起的变动。,计算比较,执行,被控对象,测量,反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。,自动控制系统的一般组成形式,输入信号 输出信号 反馈信号 偏差信号 误差信号 扰动信号,输入信号: （输入量、控制量、给定量）是指控制输出量 变化规律的信号； 输出信号：（输出量、被控制量、被调节量）输出是输入 的结果，它的

12、变化规律通过控制应与输入信号 之间保持有确定的关系； 反馈信号：输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号称 反馈信号； 偏差信号：输入信号与主反馈信号之差； 误差信号：输出量实际值与希望值之差； 扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号；,控制系统的几种分类：1. 按反馈情况分开环控制系统闭环控制系统,:系统没有反馈回路。输出对系统没有控制作。,:系统有反馈回路。输出对系统有控制作用。,开环系统,闭环系统,优点：构造简单，成本低。,缺点：无抗干扰能力，不能自动纠偏，控制精度较低。,优点：抗干扰能力强，稳态精度高，动态精度好。,缺点：构造复杂，设计与制造较困难，成本较高。,如：步进电机驱动的数控机

13、床,开环控制系统,、普通洗衣机,、微波炉,步进电机驱动的数控机床原理图,步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图,如：伺服电机驱动的数控机床、离心调速系统、恒温箱(冰箱、空调),伺服电机驱动的数控机床原理图,伺服驱动的数控机床闭环控制系统方框图,闭环控制系统,如全自动洗衣机，既有开环控制，有用闭环控制。,2. 按给定量的运动规律分,如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。,程序控制系统输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如：数控加工系统。,随动系统（伺服系统）输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量

14、的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。,恒值控制系统系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。,如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。,3、按系统中传递信号的性质,连续控制系统系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。,离散（数字）控制系统系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。,4、按数学模型分,线性系统,由线性元件组成，输入输出间具有叠加性和均匀性性质，以线性微分方程来表述。,非线性系统,系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。用非线

15、性微分方程来表述。,4.按时间概念分：5.按控制量分：,定常系统时变系统,位移控制系统温度控制系统速度控制系统,对控制系统的基本要求：,稳、快、准,控制系统的性能评价指标,系统的稳定性：,系统的快速性：,系统的准确性：,指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。这是系统正常工作的首要条件。,在系统稳定的前提下，当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。,调整过程结束后，输出量与给定的输入量之间的偏差。,以电梯为例说明,不同性质的控制系统，对稳定性、快速性和准确性的要求各有侧重。,在同一个控制系统中，稳定性、快速性、准确性相互制约，应根据实际需求合理选择。,如自动调节系统对稳定性要求较高。,如随动系统对响应快速性要求较高。,如数控机床对定位精度要求高。,注意：,本章教学大纲,1、了解机械(电)工程控制论的基本概念、研究对象与任务；2、掌握系统、模型、反馈、偏差等基本概念；3、掌握反馈控制系统工作原理的分析；4、掌握控制系统的组成、分类及基本性能要求。,