机械工程控制基础(绪论).ppt

机械工程控制基础,主讲人:荣军 E-mail:,课程成绩确定方法： 本课程将注重过程，采用过程评价体系。成绩主要由平时成绩、上机实验、考试成绩三部分组成。每项说明如下： 1.平时成绩：到课率、迟到早退情况、作业情况、回答问题情况、上课情况等 2.实验：实验准备情况及平时做实验的完成情况 3.考试：闭卷，卷面考试成绩 最终成绩的给定大约按如下公式得到： 平时成绩+实验+考试成绩 三者比重大约分别为：15%、15 % 、70%,上课将会有提问、点名，课堂练习； 课后将会有作业，记入平时成绩,主要教学内容,基础知识,分析方法,工 程 控 制 技 术,工程应用,希望和要求:,教学形式: 课堂上，多媒体授课为主，板书为辅； 学习模式：预习听课复习(作业等形式),控制技术 应用举例(1),工 业 控 制,电机控制 机床控制 生产过程自动化控制 机器人控制 . . . . . .,控制技术的应用,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）及其在大海中工作时的情况（右）,CR-01型6000米水下无缆机器人,1995年8月我国沈阳自动化所机器人中心研制的CR-01型6000米水下无缆机器人（上）和正在下水的情况（右）,瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人,一个典型的运动控制系统,船用火力发电综合控制系统,家 用 电 器,冰箱、洗衣机 家庭影院 微波炉 . . . . . .,控制技术 应用举例 (2),消费类产品,U盘、 MP3 手机应用产品 . . . . . .,控制技术 应用举例 (3),32、64等 合弦音MCU芯片,智能楼宇的控制,控制技术 应用举例 (4),可视对讲、室内报警、远程家电控制.,楼 宇 电 梯 的 控 制,信 号 检 测,供 电 系 统,电机 (执行机构),可编程序 控制器,Programmable Logic Controller,电机控制器,机,电,机电一体化,电 子,机械,控制,控制,由行程开关控制的自动往返起动线路,典型应用,一、引言,1、控制系统简介,自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制。 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制。 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等。,补充知识 自动控制理论的发展 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从1868年马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：,第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟； 第二阶段：现代控制理论的兴起和发展； 第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段； 第四阶段：智能控制发展阶段。,经典控制理论,1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据 。 1895年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。 二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论 1948年，伊万斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。,经典控制理论的基本特征,（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合； （2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统； （3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视 系统的内部状态，是一种对系统的外部描述 方法。,现代控制理论,由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。 随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。 1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论 1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理 1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论,大系统理论,20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。（1）现代频域方法 以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统； （2）自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律（3）鲁棒控制方法 在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。,智能控制,是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。,2、控制的定义:,控制:对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。,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。,自动控制:在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。,例.典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等。,例.控制实例-液面控制,人工控制,自动控制,3、控制论:,定义：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,控制论强调： 1)所研究的对象是一个系统； 2)系统在不断地运动（经历动态历程、包括内部状态和外部行为）； 3)产生运动的条件是外因（外界的作用：输入、干扰） 4)产生运动的根据是内因（系统的固有特性）,控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。,共同的本质特点：通过信息的传递、处理与反馈进行控制。,二、机械工程控制论的研究对象与任务,机械工程控制论研究机械工程中广义系统的动力学问题。,1、系统(广义系统):,按一定的规律联系在一起的元素的集合。,系统框图如下:,系统的层次性和相对性：系统的组成元素也可以是一个系统（子系统），整个系统又可以是更上一层系统的组成元素。,广义系统：具备系统要素的一切事物或对象，如机器 系统、生命系统、社会系统、生产系统、思维、学习等。,机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加工过程、测量、车间、部门、工厂、企业、企业集团等。,2、动力学问题:,系统在外界作用（输入或激励、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。,例.弹簧质量阻尼单自由度系统。,分析：这是同一个系统，不同的外界作用,上式中y(t)为微分方程的解，显然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决定。,对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：,1)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。,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。,工程控制论的内容可归纳为如下5个方面：,（1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；,（2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控 制问题；,（3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计 问题；,（4）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关 信息，此即滤波与预测问题；,（5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数， 即系统辨识问题。,三、系统及其模型,1、系统的特性:,（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；,（2）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；,（3）系统往往具有表现出在时域、频域或复域等域内 的动态特性。,2、机械系统:,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。对于机械 系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。,3、系统模型:,模型是研究系统、认识系统与描述系统、分析系统的 一种工具。在我们这里模型是指一种用数学方法所描述的 抽象的理论模型，用来表达一个系统内部各部分之间，或 系统与其外部环境之间的关系，故又称为数学模型。,系统的模型包括实物模型、物理模型、和数学模型 等等。而数学模型又包括静态模型和动态模型。动态模 型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或 控制工程中，一般关心的是系统的动态特性，因此，往 往需要采用动态数学模型。,静态模型:反映系统在恒定载荷或缓变作用下或在系统平衡状态下的特性，现时输出仅由其现时输入所决定，一般以代数公式描述。,动态模型:反映系统在迅变载荷或在系统不平衡状态下的特性，现时输出还由受其以前输入的历史的影响，一般以微分方程或差分方程描述。,例:可见书P6图1.2.2。,四、反馈,1、定义:系统的输出不断地，直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统，其实质就是信息的传递与交互。,2、内反馈与外反馈,外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈，称为外反馈。,内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈， 称为内反馈。它是系统内部各个元素之间相互耦合的 结果。内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的 根本原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变 得异常复杂。,例：m-c-k系统,显然这是一个内反馈，因为没有附加反馈控制装置。内反馈是系统内部的信息交互，反映了系统的动态特性。,3、系统方框图及其组成,系统方框图由许多对信号（量）进行单向传递的元件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。它包括三个基本的单元，即： 1)引出点（分支点）：表示信号的引出或信号的分支，箭头表示信号的传递方向，线上标记信号的名称。,比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号进行相加或相减运算。“+”表示信号相加；“-”表示信号相减。,元件方框：方框中写入元、部件的名称，进入箭头表示其输入信号；引出箭头表示其输出信号。,例：见书P23页1.4题,解：当刀具以进给量s进行切削时，在切削过程中产生切削力Py，而使机床-工件系统发生变形退让，减少了刀具的实际进给a，此时a=s-y,进行影响到切削刀的变化，如此循环，使得切削过程为一个动态过程，其过程如下图所示的方框图表示：,例：见书P24页1.7-1题,解：人骑自行车时，总是希望自行车具有一定的理想状态（如速度，方向等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，使得自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉车子的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈的过程如下图所示：,五、控制系统的工作原理及其组成,人工控制恒温箱调节过程：,观测恒温箱内的温度（被控制量）,与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度 偏差的大小和方向,根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电 阻丝的电流以调节温度回复到要求值。,人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。,恒温箱自动控制系统工作原理：,恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2,恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度 u2比较得到温度偏差信号uu1 u2,温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为 止，此时，偏差u0，电机停止转动。,系统功能框图如下所示：,从恒温箱控制系统功能框图可见：,给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。 也称为参考输入量（信号）。,被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。,输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏 差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。 输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部 分输出信号称为反馈信号。,综上所述，控制系统的工作原理：,检测输出量（被控制量）的实际值,将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比 较得出偏差；,用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得 输出量维持期望的输出。,由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量之间的偏差，故称之为反馈控制。,显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。,这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。,注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。,六、系统的分类及对控制系统的基本要求,1、开环控制与闭环控制,实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：,开环控制系统,闭环控制系统,半闭环控制系统,开环控制系统,特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端 和输入端之间不存在反馈回路；输出量 在整个控制过程中对系统的控制不产生 任何影响。,优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。,缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力,闭环控制系统,特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有 直接影响。 闭环的作用：应用反馈，减少偏差。,优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不 敏感,缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性 能分析和设计麻烦。,半闭环控制系统,特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。,2、闭环控制系统的组成,给定元件 产生给定信号或输入信号。,反馈元件 测量被控制量（输出量），产生反馈信号。 为便于传输，反馈信号通常为电信号。,注意：在机械、液压、气动、机电等系统中存在着内在反馈，这种反馈无须专门的反馈元件，是系统内部各参数相互作用产生的，如作用力与反作用力之间形成的直接反馈。,比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号；,放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。,执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、液压马达等；,校正元件 用以改善系统控制质量的装置。,校正元件分为串联和并联两种。,控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。,实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动，但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。,3、输出变化规律分类,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：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。,如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。,4、按系统中传递信号的性质分类,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。,5、线性系统和非线性系统,线性系统,由线性元件组成，输入输出问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。用非线性微分方程来表述。,6、其它分类系统,定常系统和时变系统,机械、电气、机电、液压、气动、热力等控制系统,温度、压力、位置等控制系统,七、对控制系统的基本要求,1、稳定性,系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。,控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。,2、精确性,控制精度，以稳态误差来衡量。,稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量之间的差值。,3、快速性,输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。,注意： 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快 速性要求各有侧重。,系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应 根据实际需求合理选择。,八、本课程的任务及主要内容,本课程的任务,控制系统性能分析,动态性能：过渡过程分析、稳定性分析等,稳态性能：控制精度（稳态误差）,控制系统设计,选择适当的控制器及控制规律以改善控制系统 的性能使其满足控制要求。,控制系统的性能分析和设计通常是交替进行的。,控制系统分析和设计一般包括：,建立控制对象的数学模型（线性化模型）,对象的性能分析、仿真,选择控制方案（开环/闭环；线性/非线性等）,选择性能指标，设计控制器,全系统性能分析、仿真,研制控制器，构建控制系统,试验验证,本课程主要内容,介绍经典控制理论的基础知识，包括：,控制系统数学模型的建立,控制系统的时域分析,控制系统的频域分析,控制系统稳定性分析,控制系统的设计和校正,九、习题,自动控制系统方框图的绘制步骤(重点掌握)：,（1）分析控制系统的工作原理，找出被控对象。 （2）分清系统的输入量、输出量。 （3）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。 （4）按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连接起来,例1.1设电热水器如下图所示。为了保持希望的温度，由温控开关接通或断开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明该系统工作原理并画出系统的方框图。,解：在电热水器系统中，水箱内的水温需要控制，即水箱为被控对象。,水的实际温度是被控制量，或称为系统的输出量，设为To ；输入量为用户希望的温度（给定值），设为Ti；由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使水箱内水温下降成为该系统的主要干扰。,当To=Ti时，水箱的实际水温经测温元件检测，并将实 际水温转化成相应的电信号，与温控开关预先设定的 信号进行比较而得到的偏差为零，此时电加热器不工作， 水箱中的水温保持在希望的温度上。,当使用热水并注入冷水时，水温下降，此时ToTi，则偏 差不为零而使温控开关工作。于是电源接通，电加热器 开始对水箱内的水进行加热，使水温上升，直到To=Ti时 为止。系统控制方框图如下图所示：,例1.2 分析图示液位自动控制系统工作原理并绘 制系统功能框图,解： 1、电位器滑动触点位于中间位置，电动机停转，阀门保持原有开