自动化原理与力学的关系.doc

自动控制与力学的关系要阐述自动控制与力学的关系,我们必须要先了解这两者的基本概念.自动控制理论是自动控制科学的核心。自动控制理论自至今已经过了三代的发展：第一代为20世纪初开始形成并于50年代在线性代数的数学甚而上发展起来的现代控制理论；第三代为60年代中期即已萌芽，在发展过程中综合了人工智能、自动控制、运筹学、信息论等多学科的最新成果并在此基础上形成的智能控制理论.自动控制系统的分类有多种方法。按控制装置类型，可分为常规控制和计算机控制两种。常规控制采用模拟式控制器（见控制仪表），计算机控制采用电子数字计算机。按有无反馈，可分为闭环控制系统和开环控制系统。按设定值是否固定，可分定值控制系统和随动控制系统。定值控制系统的设定值固定不变，控制系统可自动克服扰动的影响，使被控变量保持基本恒定。随动控制系统中设定值是变化的，系统使被控变量随设定值而变化。例如，在化工生产中,要求物料a的流量与另一物料b的流量保持一定的比值，如果物料b的流量是变化的，物料a的流量就必须随之变化，此时物料a的流量控制就属于随动控制类型。离散控制理论在计算中也有很广泛的应用，例如，开方：开方公式：x(n+1)=xn+a/x(k-1)-xn1/k.例如我们开3次方，即k=3；公式：x(n+1)=xn+a/x2-xn1/3例如，a=5，5在1的3次方和2的3次方之间，x0无论取1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0都可以。假如我们取2为初始值：第一步：2+(5/2x2-2)1/3=1.7=x1第二步：1.7+(5/1.7x1.7-1.7)1/3=1.71=x3第三步：1.71+(5/1.71x1.71-1.71)1/3=1.709=x4第四步：1.709+(5/1.709x1.709-1.709)1/3=1.7099=x5每计算一次，比上一次多取一位数，计算次数与精确度成正比。取值偏大公式会自动调小，例如第一步和第二步，取值偏小公式会自动调大，例如第三步，第四步。力学是独立的一门基础学科，主要研究能量和力以及它们与固体、液体及气体的平衡、变形或运动的关系。力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分，静力学研究力的平衡或物体的静止问题；运动学只考虑物体怎样运动，不讨论它与所受力的关系；动力学讨论物体运动和所受力的关系。现代的力学实验设备，诸如大型的风洞、水洞，它们的建立和使用本身就是一个综合性的科学技术项目，需要多工种、多学科的协作。力学是研究物质机械运动规律的科学。自然界物质有多种层次，从宇观的宇宙体系，宏观的天体和常 规物体，细观的颗粒、纤维、晶体，到微观的分子、原子、基本粒子。通常理解的力学以研究天然的或人工的宏观对象为主。但由于学科的互相渗透，有时也涉及宇观或细观甚至微观各层次中的对象以及有关的规律。力学又称经典力学，是研究通常尺寸的物体在受力下的形变，以及速度远低于光速的运动过程的一门自然科学。力学是物理学、天文学和许多工程学的基础，机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本依据。机械运动是物质运动的最基本的形式。机械运动亦即力学运动，是物质在时间、空间中的位置变化，包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等。而平衡或静止，则是其中的特殊情况。物质运动的其他形式还有热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和化学运动等。力是物质间的一种相互作用，机械运动状态的变化是由这种相互作用引起的。静止和运动状态不变，则意味着各作用力在某种意义上的平衡，因此，力学可以说是力和(机械)运动的科学。力学在汉语中的意思是力的科学。汉语“力”字最初表示的是手臂使劲，后来虽又含有他义，但都同机械或 运动没有直接联系。“力学”一词译自英语mechanics(源于希腊语机械)。在英语中，mechanics是一个多义词，既可释作“力学”，也可释作“机械学”、“结构”等。在欧洲其他语种中，此词的语源和语义都与英语相同。汉语中没有同它对等的多义词。mechanics在19世纪50年代作为研究力的作用的学科名词传入中国时，译作“重学”，后来改译作“力学”，一直使用至今。“力学的”和“机械的” 在英语中同mechanical，而现代汉语中“机械的”又可理解为“刻板的”。这种不同语种中词义包容范围的差异，有时引起国际学术交流中的周折。例如机械的(mechanical)自然观，其实指用力学解释自然的观点，而英语mechanist是指机械师，不是指力学家。了解了这两个基本概念后,接下来我们就来探讨下这两者之间的联系：一:自动控制的发展是建立在力学的基础上的,换句话说,没有力学的存在就没有自动控制的产生.没有自动控制只是导致我们的社会生产效率第一下,而没有力学那么我们的世界也不会是现在这个样子.力学的分类（1）固体力学经典的连续介质力学将可能会被突破。新的力学模型和体系，将会概括某些对宏观力学行为起敏感作用的细观和微观因素，以及这些因素的演化，从而使复合材料(包括陶瓷、聚合物和金属)的强化、韧化和功能化立足于科学的认识之上。（2）流体力学今后，航天飞机和新一代的超声速民航机的成功研制将首先取决于流体力学的进展。在有关的高温空气动力学中必须放弃原先的热力学平衡的假定。吸气式发动机中h2，o2在超声速流动状态下的混合、点火等，都是过去的理论和实践未能解决的难题。超声速流边界层的控制、减阻以及降噪控制等也带来一系列新问题。（3）一般力学一般力学近来已开始进入生物体运动问题的研究，研究了人和动物行走、奔跑及跳跃中的力学问题。这种在宏观范围内对生物体进行的研究，已经带来了一些新的结果。亿万年生物进化的结果，的确把优化的运动机能赋与了生存下来的物种。对其进一步研究，可以提供生物进化方向的理性认识，也可为人类进一步提高某些机构或机械的性能提供方向性的指导。以下几个方面的问题应当给予充分重视：(1)固体的非平衡/不可逆热力学理论；(2)塑性与强度的统计理论；(3)原子乃至电子层次上子系统(原子键，位错，空位等缺陷)的动力学理论。为深入进行这些研究，应当充分利用与开发计算机模拟(如分子动力学)和现代宏、细、微观实验与观测技术。工科离不开力学，在工科基础课中，开设了不同的力学课程：理论力学，假设物体不发生变形，用传统数学物理方法研究一切质点，物体的运动，静力学和动力学原理，机械原理的理论基础。材料力学，传统方法研究物体在各种载荷下，包括静力，静扭矩，静弯矩，振动，碰撞等，机械零部件和装配设计，机械加工的理论基础。流体力学，研究一切流体在容器、管道中运动规律和力学特性，液压、气动、热分析的理论基础。分析力学，使用计算数学方法分析力学有限元素法，把受力对象拆解成有限个元素，对每个元素进行受力分析，通过联立偏微分方程组，用泛函求解，计算出每个元素，每个节点的应力应变。联立方程组可化为刚度矩阵和自由度组成的矩阵方程。（4）生物力学当今生物力学发展正经历着深刻的变化。生命科学与包括力学在内的基础和工程科学交叉、融合目前已愈来愈成为当今生命科学的研究热点，同时也是力学学科的新生长点。（5）环境力学环境力学是力学与环境科学相互结合而形成一门新兴交叉学科，主要研究自然环境中的变形、破坏、流动、迁移及其伴随的物理、化学、生物过程和导致的物质、动量、能量输运，定量化描述环境的演化规律和对人类生存环境的影响。环境力学的发展十分有利于深化人们对环境问题中的物理过程和基本规律的认识，促进环境问题的定量化研究 这四种力学的的研究都为自动控制打下了坚实的基础,有机械就有自动控制,而机械又离不开力学. 机械动力系统是外部硬件，自动控制系统是做控制，就像四肢和大脑的关系. 二:控制是对力和位移的控制三:自动控制与计算结构力学的模拟关系最优控制与计算结构力学这两大学科各有自己的一套理论体系.近几十年来,计算结构力学发生了重大的突破,集中表现在有限元随着计算技术的发展而成功地被应用.与此同时,控制理论也经历了深刻的变革,在理论体系上由现代控制理论取代了经典控制理论,发展出了一套最优痊制理论.双方几乎是平行地各自发展,相互影响极小. 最近的工作表明,最优控制理论与计算结构力学在数学上存在相似性,它们均是密切地依赖于变分原理而发展起来的.这不仅使两个学科在理论上统一起来了,而且为双方方法的相互沟通,取长补短提供了依据. 我们知道计算结构力学的静力学问题是长期发展已臻成熟的理论,建立起两个学科的模拟关系后,结构力学中的许多方法和概念是颇有借鉴启发意义的,例如子结构法,它已成为各个主要的计算结构力学程序系统的有力工具. 将会发现子结构的消元法为最优控制理论的计算提供了新的有