《机械控制工程基础》教学

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1、控制工程基础,主讲人：王晓梅 重庆科技学院 机械与动力工程学院,参考教材,1 杨叔子、杨克冲.机械工程控制基础（第五版）.武汉：华中科技大学出版社，2005年7月 2熊良才、杨克冲.机械工程控制基础学习辅导与题解.武汉：华中科技大学出版社，2002年4月 3朱骥北.机械控制工程基础 (第15版）.北京：机械工业出版社，2005年 4董景新、赵长德.控制工程基础(第3版）.北京：清华大学出版社，2009年6月 5刘叔军、樊京. MATLAB控制系统应用与实例.北京：清华大学出版社，2008年5月,授课方式与考核方式,授课方式 以华中科技大学出版社出版、杨叔子编写的机械工程控制基础（第五版）为指导

2、，利用多媒体课件为主、板书为辅进行理论教学；,考核方式 平时作业5次，占总评成绩的20%； 期末闭卷考试，占总评成绩的80%。,课程性质,控制论,经典控制理论,现代控制理论,本课程的主要内容,“机械控制工程基础”是控制论(Cybernetics)与机械工程技术理论之间的边缘学科，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。,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,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。,课程任务与学习要求,课程任务 通过课程

3、教学，使学生掌握经典控制理论的基本原理和思想方法，初步培养进行系统分析与校正的能力，结合后续专业课程的学习，为将来在机械电子工程中解决一些实际问题打下一定的基础。,学习要求 需要大家具备一定的数学、力学、电学方面的基础知识，还要有一定的机械工程方面的专业知识。需要大家认真对待每次的课后练习环节。,主要教学内容,机械控制工程基础,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,时域分析,频域分析,系统稳定性判据,系统性能指标,系统校正,绪论 （4学时） 系统的数学模型 （9学时） 系统的时间响应分析 （10学时） 系统的频率特性分析 （9学时） 系统的稳定性 （6学时

4、） 系统的性能指标与校正（1学时） 复习 （1学时）,课程章节,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 系统的分类及对控制系统的基本要求,本章教学大纲,1. 了解机械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。,教学重点：反馈的基本概念、控制系统工作原理分析、控制系统的分类,第一章 绪论,本章教学大纲,第一章 绪论,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,一、控制论概述 控制论是关于控制原理与控制方法的学科，

5、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1948年发表了“控制论”。,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。,控制论的中心思想通过信息的传递、加工处理并利用反馈来进行控制。,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,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。,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

6、务：动力学问题 研究的领域：机械工程领域,P:2,二、机械工程控制论的研究对象,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,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),系统的框图,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,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,如:,机器系统,生命系统,社会经济系统,生产系统,思维、学习、工作,广义系统具备系统要素的一切事物

7、或对象,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,系统,非控制系统,控制系统,人工控制系统,自动控制系统,非控制系统仅具有由人工开、关两种状态的系统,如：搅拌机 （视频链接） 教室里的照明系统,控制系统系统的可变输出，能按照要求由参考输入或控制输入进行调节的系统,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,如: 空调,自动控制系统,教室中的风扇,人工控制系统,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,根据自己的生活和学习经验，列举控制系统的例子 问题：1）普通全自动洗衣机 2）全自动照相机的闪光系统、调焦系

8、统 3）饮水机，微波炉 4）抽水马桶水箱的液面自动调节器,液面控制,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,生物、医学、环境、经济管理等其它,机器人、导弹制导、核动力等高新领域,宇航：火箭、飞船、卫星,道路交通：信号灯控制、车牌自动识别,日常：冰箱、洗衣机、空调,农业：恒温大棚、农业自动化机械,应用范围,工业：数控机床、轧钢机、恒温箱等,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,蒸汽机离心调速器,工业：,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,观看视频,第一章 绪论,数控机床进给系统模拟图,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,在农业机械领域的应用,第一章 绪论,1

9、.1 机械工程控制论的研究对象与任务,在日常生活中的应用,第一章 绪论,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,道路交通的应用车牌自动识别,第一章 绪论,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,人形机器人,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,勇气号火星探测器（美国，2004）,第一章 绪论,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,自动火炮、导弹制导等高新领域的应用,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,在雷达领域的应用,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,海洋探测机器人,1990年日本海洋科技中心 研制的“海沟号”缆控式无人潜水器（左）及其在

10、大海中工作时的情况（右）,第一章 绪论,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,恒温恒湿试验箱又名环境试验箱，实验各种材料的耐热、耐寒、耐干、耐湿性能。适合电子、电器、食品、车辆、金属、化学、建材等实验,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,三、机械工程控制论的研究任务,第一章 绪论,动力学问题 机械工程技术中的广义系统在一定的外界条件作用下，从一定的初始状态出发，经历由其内部的固有特性所决定的整个动态历程； 研究这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系。,即输入或激励，包

11、括外加控制与外界干扰,即由系统的结构与参数所决定的特性,P:2,下面，我们通过一个简单的例子，让大家更深刻的理解“机械工程控制论的研究任务”这一问题。,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,同一系统，不同的输入,例1-1 弹簧-质量-阻尼单自由度系统,系统（a） 系统（b） m-c-k单自由度系统,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,（a）,（b）,整理得：,(a)解：,(b)解：,动力学方程：,y(t)即微分方程的解，它是由系统的初始条件、系统的固有特性、系统的输入及系统与输入之间的关系所决定。,系统的固有特性: mp + cp + k,2,系统与外界之间的

12、关系: 1， cp+k,系统对输入的响应（系统的输出）：y(t),系统的输入或激励: f(t)， x(t),1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,设系统的初始状态： y(0)=y0，,第一章 绪论,问题：,系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)？ 三者之间表现为何种关系？ 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y(t)）？ 3. 对于确定的输入，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,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,研究任务: 系统分析问题 最优控制问题 最优设计问题

13、滤波与预测问题 系统辨识问题,已知系统和输入，求系统的响应(或输出)，并通过响应来研究系统本身的问题,已知系统和系统的理想输出，设计输入,已知输入和理想输出时，设计系统,输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的的有关信息,已知系统的输入与输出，求系统的结构与参数，即建立系统的数学模型,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,第一章 绪论,1.2 系统及其模型,一、系统 系统具有如下特性： 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； 系统的内容比组成系统的各元素的内容要丰富很多; 系统往往具有表现在时间域、频率域或空间域等领域内的动态特性。,1.2 系统及其模型,1.2 系统及其模

14、型,第一章 绪论,二、机械系统,定义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。 如：,切削加工过程,工件,操作者,当研究某台机床切削加工过程中的动力学问题时； 当研究此台机床加工的工件的某些质量指标时； 当研究此台机床的操作者在加工过程中的作用时；,输入激励（外界对系统的作用，如载荷等） 输出响应（系统对外界的作用，如变形、位移）,1.2 系统及其模型,第一章 绪论,激励,控制输入人为地、有意识地加上去；,扰动偶然因素产生而一般无法完全人为 控制的（干扰）；,三、数学模型 模型的定义研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种工具。 模型的种类实物模型、物理模型和数

15、学模型等。,1.2 系统及其模型,第一章 绪论,数学模型定量地描述系统的动态性能，揭示系统的结构、参数与动态性能之间关系的数学表达式。,数学模型,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；,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；,在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。,代数公式描述,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。,1.2 系统及其模型,第一章 绪论,1.3 反馈,一、反馈

16、的定义,反馈是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念,系统的输出不断直接或经过中间变换后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。,系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间之所以有动态关系，就是由于系统本身存在着信息的反馈。,二、反馈的种类 内反馈与外反馈 例1-2 发动机离心调速系统 例1-3 质量-弹簧-阻尼单自由度系统,1.3 反馈,第一章 绪论,例1-2 发动机离心调速系统,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