机械工程控制基础 第1章

《机械工程控制基础 第1章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程控制基础 第1章（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、机械工程控制基础,主讲教师：叶春生, Tel:027-87558370,华中科技大学材料学院,机械工程控制基础,第一章 自动控制的一般概念 第二章 控制系统的数学模型 第三章 控制系统的时域分析法 第四章 频域分析法 第五章 控制系统的稳定性 第六章 控制系统的校正,第1章 绪论,1.1 控制理论的研究对象与任务 1.2 系统及其模型 1.3 反馈 1.4 系统的几种分类及对控制系统的基本要求 1.5 机械制造的发展与控制理论的应用 1.6 控制理论发展的简单回顾 1.7 本课程的特点与学习方法,1765年，瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制蒸气机 1948年，维纳控制论或关于在动物和机器中控

2、制和通信的科学产生 4060年代 经典控制理论（频域法为主） 6070年代 现代控制理论（时域法为主) 70年代以后 大系统控制理论,自动控制 在没有人直接参与的情况下，采用控制装置或机械使被控制对象达到预期的目标 。,自动控制理论发展简史,发展简史,自动控制研究的内容 经典控制理论 现代控制理论 经典控制理论 主要研究对象:对单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题。 现代控制理论 主要研究对象:多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的分析和设计问题。,引言,在工程和科学的发展过程中，自动控制起着重要的作用除了在宇宙飞船、导弹制导和飞机驾驶系统等领域中，自动控制系统具有特别重要的作用之外，

3、它巳变成现代机器制造业和工业生产过程中的重要而不可缺少的组成部分例如，在生产过程中对压力、温度、湿度、粘性和流量的控制，自动控制都是其重要的组成部分；在机器制造业和其它许多部门中，象机器零件的加工、处理和装配，都广泛地采用着自动控制,热力系统的例子,热力系统的自动反馈控制,控制系统示例,几个定义,对象 是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作我们称任何被控物体(如加热炉，化学反应器或宇亩飞船)为对象。,过程定义,过程 宾里亚-韦伯斯特(Merrriam-Webster)字典对过程的定义是：一种自然的逐渐进行地运转或发展，其特征是，有一系列逐渐的变化以相对固定

4、的方法相继发生在运转或发展状态中，并且最后导致一个特定的结果或状态；或者也可以定义为人为的或随意的连续进行为运行状态，这种运行状态由一系列被控制的动作和一直进行到某一特定结果或状态的有规则的运动构成我们称任何被控制的运行状态为过程其具体例子如化学过程，经济学过程和生物学过程,系统定义,系统 系统是一些部件的组合，这些部件组合在一起，完成一定的任务系统不限于物理系统系统的概念可以应用于抽象的动态现象，如在经济学中遇到的一些现象因此，“系统”这个词应当理解为包含了物理学，生物学和经济学等现象的系统,物理学系统,食物网：食物链相互交错成网状的形式,上图中总共多少条食物链,生物学系统,扰动定义,扰动

5、扰动是一种对系统的输出量产生相反作用的信号如果扰动产生在系统的内部，称为内扰；扰动产生在系统外部则称为外扰外扰是系统的输入量,工业干扰通常是由各种电气装置（例如电动机、电焊机、电疗机、电气开关等）中发生的电流（或电压）的急剧变化所形成的电磁波辐射，并作用在接收机天线上所产生的干扰。也有的电气设备正常工作，也产生电磁波辐射，对接收机产生干扰。,1.1 控制论的研究对象与任务,广义系统动力学问题,例1. 设有一弹簧质量 阻尼动力系统如图所示，当外力F(t)作用于系统时，系统将产生运动，试写出外力F(t)与质量块的位移y(t)之间的动态方程。其中弹簧的弹性系数为k，阻尼器的阻尼系数为f，质量块的质量

6、为m。,解：分析质量块m受力，有外力F, 弹簧恢复力 Ky（t） 阻尼力 惯性力 由于m受力平衡，所以,式中：Fi是作用于质量块上的主动力，约束力以及惯性力。 将各力代入上等式，则得,式中：ym的位移（m）； f阻尼系数（Ns/m); K 弹簧刚度（N/m)。,将上式的微分方程标准化,输入F(t) 外界作用,系统固有特性,初始状态,输入x(t) （位移）外界作用,系统固有特性,初始状态,1.2 系统及其模型,若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则叫做开坏控制系统,开环控制系统,控制器,对象或过程,输出量,输入量,系统,输出量,输入量,基本电学问题,RLC网络,机电系统微分方程：电枢电压控制

7、直流电动机,电枢回路电压平衡方程,直流电动机模型,电磁转矩方程,电动机轴上转矩平衡方程,基本动力学问题分析,1.3 反馈,反馈控制,反馈控制 反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量(或者任意变化的希望的状态)之间的偏差，而且其工作也正是基于这一偏差基础之上的在这里，反馈控制仅仅是对无法预计的扰动(即那些预先无法知道的扰动)而设计的，因为对于可以预计的或者是已知的扰动来说，总是可以在系统中加以校正的，因而对于它们的测量是完全不必要的,锅炉汽包水位控制系统,工业过程中的反馈控制系统例子,调节器,汽包,变送器,主蒸汽,过热器,省煤器,执行器,给水调节阀

8、,给水泵,给水,反馈控制系统,反馈控制系统 反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与参考输入量的偏差来进行控制因该指出，反馈控制系统应不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学；也存在着反馈控制系统例如，人的机体在某种意义上说、就类似于一个只有许多控制变的量化工设备在这种运输和化学反应网络的过程控制中，包含着许多控制回路事实上、人的机体是一个极其复杂的反馈控制系统,闭环控制系统,凡是系统输出信号对控制作用能有直接影响的系统，都叫做闭环系统,闭环控制系统,控制器,对象或过程,测量元件,输出量,输入量,闭环系统的组成,由上述举

9、例表明，尽管控制系统不同，复杂各异，但基本组成是类同的，即闭环系统的基本组成为：(1)比较元件；(2)放大元件；(3)执行元件；(4)校正元件；(5)被控对象；(6)测量元件。,放大 整形,串联 校正,变换 放大,执行 元件,被控 对象,测量元件,并联校正,-,-,U(s),Y(s),自动补水装置,离心调速器,液面控制,压力控制系统,2002-09-23,自动控制原理,39,控制器：比较、放大的作用 浮子：液面高度的反馈元件 Q2为系统的干扰量 气动阀门：执行机构 被控对象：水箱,随动系统,随动系统 随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度、或者加速度因此，随动系统这个

10、术语，与位置(或速度，或加速度)控制系统是同义语在现代工业中，广泛地采用着随动系统例如，采用程序指令的机床的全自动化操作，就可以应用随动系统来完成,典型的位置随动系统的组成,自动调整系统,自动调整系统 自动调整系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，参考输入或希望的输出量，或者保持常量，或者随时间而缓慢地变化，而这种系统的基本任务，正是要在存在扰动的情况下，将实际的输出量保持在希望的数值上用恒温器作为控制器的室内加温系统，就是一种自动调整系统系统中恒温器的温度给定值(即希望温度值)，用来与室内的实际温度进行比较室外温度变化是该系统的扰动调整系统的任务，是保证所要求的室内温度不受室外温度变化的影响

11、自动调整系统的例子很多，例如，压力的自动控制以及电压、电流和频率等电学量的自动控制,过程控制系统,过程控制系统 当自动调整系统的输出量是温度、压力、流量、液面或PH值(氢离子浓度)等这样一些变量时，就叫过程控制系统过程控制在工业中获得广泛应用象在加热炉的温度控制中，炉温是根据预先制定的程序进行控制的，叫做程序控制程序控制是经常采用的一种过程控制系统例如，预先制定的程序可以是：炉温在一定的时间间隔内，先上升到某一给定温度，然后在另一段时间间隔内再下降到另一给定温度在这类程序控制中，给定量是按照预先制定的规律变化的而控制器则保证炉温紧紧地跟随着给定量变化应当指出，大多数程序控制系统都包含有随动系统

12、，作为系统的积分部件,精馏塔工艺操作工艺要求,1)质量指标 塔顶或塔底产品之一应保证合乎规定的纯度, 另一产品成分亦应维持在规定范围内。,2)物料平衡, 能量平衡以保证塔的平稳操作，当然塔压是否恒定，对塔的平稳操作有很大影响。,3)约束条件为了使塔正常操作，必须满足一些约束条件。例如：塔内部气相速度限。,太低会使气液接触不好, 塔板效率降低，太高会产生液泛现象，将完全破坏塔的操作。塔本身还有最高压力限，越过这个压力，容器的安全就没有保障。,精馏塔的控制,精馏塔,1)进料量F波动的影响,2)进料成分波动的影响,3)进料温度波动的影响,4)塔的蒸气速度和加热量波动的影响,5)回流量及冷剂量波动的影

13、响,6)塔顶（或塔底）产品量的影响,精馏塔的干扰因素,正反馈和负反馈,负反馈：使系统的输出值与目标值的偏差愈来愈小 正反馈：使系统的输出值与目标值的偏差愈来愈大,正反馈并不都是不好的，有的系统需要正反馈的作用。如原子弹引爆装置中要用到的裂变链式反应。又如在植物保护中，为了消灭有害的昆虫，大量繁殖这种害虫的天敌。,发电机离心调速系统,1.4 系统的几种分类及对控制系统的基本要求,发电机离心调速系统框图,基本特点,稳定性 被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反馈控制系统提出的最基本要求。 快速性 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般

14、称为动态性能。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。 准确性 用稳态误差来表示。 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。,对自动控制系统系统的要求,.稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。 .快速性：动态性能，有指标。 .准确性：稳态（过度结束后的）值应尽量与期望值一致。,t,n,n1,(a),0,(b),n,t,0,n0,n1,t,0,n,(c),n,0,t,(e),n1,n,0,t,(d),n0,n1,n,0,t,(f),(a)、(b)非周期振荡；(c)发散振荡；(d)、(e)收敛振荡；(f)等幅振荡。,1.5 控制理论发展的简单回顾,经典控制理论：4050年代形成的SISO系统 基于：二战军工技术 目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器(频域) 现代控制理论：6070年代形成 MIMO系统 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术 目标：最优控制 基本方法：状态方程（时域）,智能控制技术： 90年代开始发展 专家系统 模糊控制 神经网络 正在发展的各个领域 自适应控制 大系统理论 鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构）,