机械工程控制基础chapter1课件

控 制 工 程 基 础,湖南理工学院 机械工程学院,课程简介,3、目的：三个方面提升。,2、特点：理论性强、高度抽象、知识点多、难度大。,5、关联知识：高数、工程力学、电工电子技术、液压传动等。,6、服务课程：,传感器与检测技术、电液控制技术、机电一体化系统、计算机控制技术，数控技术等。,4、内容：,以机械系统为主要对象，以数学方法和计算机技术为主要工具，研究各种控制策略及控制系统的理论、方法和技术。,参考资料,中文名: 现代控制系统 原名: Modern Control Systems 作者: Richard C. Dorf Robert H. Bishop 译者：沈卫红 2007年电子工业出版社,中文名: 现代控制工程 原名: Modern Control Engineering Fifth Edition 作者: Katsuhiko Ogata 译者：卢伯英 2003年电子工业出版社,控制技术的应用,机器人 技术,控制技术的应用,电子通道,立体车库,交通运输,控制技术的应用,控制技术的应用,金融,第一章 绪论,1.1 控制论概述,1893年生，天才神童，美国人，哲学家、数学家。,3岁开始读书上，生物学和天文学的初级科学 读物成了他在科学方面的启蒙书籍。 11岁写出感知理论的哲学论文。 14岁塔夫茨学院大学毕业。 18岁哈佛大学哲学博士。 代表作：人有人的用处，行为、目的、目的性。 55岁（1948年）创立控制论。,维纳其人,大器晚成的科学家,第二次世界大战期间，维纳接受了军方的一项与火力控制有关的研究工作，这个研究小组邀请了许多不同领域的科学家，维纳基于深厚的生物学知识和数学知识，深入探索模拟人脑的行为来控制火炮。,上世纪40年代，伴随着科学技术的发 展，一系列的科学技术问题是某一领 域单独学科的科学家无法解决的。这 促使许多不同学科的科学家自行组织 各种讨论会，研究共同感兴趣的问题，主要是各学科之间交叉的问题。维纳经常参加这类聚会结识了一批生物学家、物理学家、数学家、化学家、计算机科学家等，为创立控制论奠定了一定基础。,控制论形成历史,控制论中的三要素：同构理论，信息的流动与交换，反 馈机制。,控制论中的同构理论：小孩取物 感觉器官：眼、耳 中枢决策器官：大脑 执行器官：手、脚,火炮打飞机,控制理论形成基础,尽管机器与动物在本质上有着天壤之别，有着有生命和无生命的差别，但从机器控制的动作和人的行为过程来看，他们有着相当确切的“同构性”，这就是在实现机器动作和人的行为过程中，无一例外的经过了检测、决策、执行三个环节。 在小孩取物和火炮打飞机的过程中，检测的是被控对象的位置坐标信息，决策机构是根据位置坐标信息进行决策，执行机构根据决策机构的决策信息进行执行。,小结,盲人摸象游戏：,蒙上眼睛信息只有单向流动，睁着眼睛信息是双向流动的。,信息的流动与交换,我们先研究一下，蒙上了眼睛是怎么控制摸象的？有没有信息的流动？为什么具有不确定性？睁开眼睛，为什么一定摸到象？,蒙上眼睛摸象称为主动控制；睁着 眼睛摸象称为被动控制。控制过程 是一个动态的过程。,反馈是指一个系统把信息输出后，又将系统的输出信息返回到系统的输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统的再输出的过程。,控制论中称信息的双向流动为“反馈联系”,维纳把控制论看作是一门研究机器、生命、社会（同构性）中控制和通讯的一般规律的科学。控制的基础是信息，一切信息传递都是为了控制，任何控制又都有赖于信息反馈来实现。信息反馈是控制论的一个极其重要的概念。 控制论中，把所研究对象都视为系统（可以是机器系统、生命系统、社会系统等）。用于设定系统行为目标的输入称为控制输入，控制输入是指使系统达到期望的目标值所需要的输入信号，系统经决策、执行所产生的行为或结果为实际输出，系统为达到行为目标的历程是动态历程。,控制论表述,控制：对对象施加所需的操作，产生期望的结果。,广义对象：性能各异的任何对象。,控制的三要素：,被控对象、控制装置（机构）、控制目标。,物体、机器、过程或经济、社会现象等一般广泛的系统，都可称为被控对象。,控制人口规模,控制流行疾病,控制物价上涨,控制环境污染,控制含有 “调节、调整”，“管理、监督”，“运用、操作”等意思。,由于控制对象不同，其运动规律不同，控制的目标和策略也不同。不能忽视对象的固有特性。,控制论的基本方法：,1、了解事物或对象面临的可能性空间。 （对象分析） 2、在可能性空间中选择某些状态为目标。 （目标控制） 3、控制条件使事物向既定目标转化。 （控制装置）,例如：我们不能控制光在真空中的传播速度不变,又如：地震时有发生我们却控制不了没有方法和手段,被控制对象的可控性和能控性问题：,还有：“点石不成金”没有这种可能性,控制论是一般方法论： 控制论是研究控制的共同规律的技术科学，它所提出 的思考、分析和解决问题的思想方法符合辩证法，具 有普遍指导意义，因此控制论与其它学科结合形成众 多的学科分支：,相对于其它系统机械系统是最简单的系统。,工程上常常要对对象的某一参数或某些参数施加控制：,汽车定速巡航：控制车辆行驶速度；,粉末冶金成型：控制压力和温度；,可能性空间：控制对象参数的变化范围（输出） ；控制目标：期望值；控制：施加一定的外部操作（输入）。,对象=系统,对对象的操作=控制输入（信息）,可能性空间=对象输出（信息）,数控加工：控制刀具的进给量，主轴电机速度等。,共性问题,把对象视为系统是控制论的基本思想：对象是一个静态概念， 系统是一个动态概念。,第一章 绪论,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。,1.2 机械工程控制论的研究对象与任务,1、系统（广义系统）,2、动力学问题,1、系统：相互联系相互作用的元素构成的、一定功能的有机整体。,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。,机械工程中的广义系统：,譬如： 机器系统、生命系统 思维、学习、工作 社会系统 生产系统,具备系统要素的一切事物或对象。,自然系统,人造系统,实体系统,概念系统,2、系统动力学问题,系统在外界的作用下，从一定的初始状态出发，经由其系统内部固有特性所决定的动态历程。,这一过程中，系统及其输入、输出 三者间的关系即为动力学问题。,外界对系统的作用： 输入或激励，包括外加控制输入和干扰输入；,系统内部固有特性： 由系统的结构和参数所决定，与外加的输入作用无关；,系统动态历程： 输出或响应 ，指系统的动态行为。,例1-1 弹簧质量阻尼，单自由度系统。,（同一系统，不同的外界作用）,图1-4 mck 单自由度系统,系统a：,系统b：,（式中P=d/dt，称为微分算子）,系统a,系统b,3、简单系统分析,例1-1 弹簧质量阻尼，单自由度系统。,图1-4 mck 单自由度系统,动力学方程：,系统a,系统b,系统的固有特性：,系统对输入的影响（结构参数）：,系统对输入的响应（系统的输出）：,初始状态：,描述系统的动态状态变量：,动力学方程的一般形式：,对一般的线性系统，其动力学方程可用高阶线性微分方程表示：,上例中，微分方程的解y（t） （系统的输出），是由系统的 输入(初始条件、系统的输入)和系统的固有特性所决定。,就系统输入和输出三者间的关系而言，需要研究的三类问题：,1)系统评价与分析问题： 已知系统和系统输入求输出y(t）。,2)系统控制问题： 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（输出）。,3)建立系统的问题： 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（输出）。,一般地，根据研究的目的不同，系统的功能不同，所需研究的问题细化为五个方面的问题：,（2）最优控制问题：,（3）最优设计问题：,（4）滤波与预测问题：,（5）系统辨识问题：,1,（1）系统分析问题：,（2）最优控制问题：已知系统，确定输入使系统输出最佳。,（3）最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出最佳。,（4）滤波与预测问题：输出已知时，确定系统，识别输入或输 入中的有关信息。,（5）系统辨识问题： 已知系统的输入和输出，求系统的结构与 参数，建立数学模型。,（1）系统分析问题：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 (评价系统的性能)本身的问题。,1.2.2 机械系统及其模型,一 、机械系统,以机械零部件为元素构成的系统。,二、研究机械系统就要建立机械系统的数学模型。这要用到工程 力学等学科的相关知识。,三、系统模型,数学模型又包括静态模型和动态模型。 静态模型反映系统平衡下的特性，动态模 型反映系统系统不平衡下的动态特性。 动态模型在一定的条件下可以转换成静态 模型。,自动控制：无须人的直接参与，利用外加的设备或装置（称控 制装置或控制器）使机器、设备或生产过程的某个工作状态或 参数自动地按照预定的规律运行。,1.3 自动控制与反馈,人工控制：由人本身通过判断和操作进行的控制 。,根据产生控制作用的主体的不同，控制可分为：,人工控制和自动控制。,人工控制,自动控制,控制系统中的信息传递与反馈：,阀门,贮罐,液位 （输出）,液位计,实际 液位,扰动,杠杆,阀门,贮罐,液位 （输出）,实际液位,扰动,期望 液位,人 手,控制示例1：,我们把想控制的目标量，如储水容器的水位、叫做被控量，而把产生期望水位所需要的输入量称给定量。作用在被控制对象上的物理量叫做控制量。,自动控制示例2：汽轮机离心调速器,预紧 弹簧,连杆,阀门,汽轮机,转速 （输出）,离心机构,实际转速,滑套,扰动,期望 转速,离心力,第一章 绪论,控制示例3：老鹰抓小鸡,鹰的 方位,运动系统,鹰眼,鹰的实际方位,神经系统,鹰脑,小鸡 的方位,老鹰,鹰眼,反馈：系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分地返回， 并不断的作用于系统。,反馈控制的本质：利用偏差控制系统的输出,反馈控制系统的组成：,以汽轮机离心调速器为例:,被控对象: 汽轮机,被控量: 转速,测量环节: 离心机构,执行环节: 阀门,控制量: 蒸汽流量,放大校正环节: 滑套和连杆,给定环节: 预紧弹簧,给定量: 给定环节所给定的物理量,反馈量: 测量环节所检测的物理量,偏差: 反馈量与给定量之差值,比较环节: 产生偏差,反馈控制系统的组成框图,反馈控制系统从组成要素上可以分为六个基本环节，每个环节 都有其功能，又都是由一些基本元件组成的。我们用框图和一些 连线描述反馈系统中各环节间的联系。,C:控制量,e:偏差,Xi:给定量,Xc:反馈量,图形符号：元件框，比较节点，引出节点和连线。,（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。,自动控制系统方框图的绘制步骤,（1）分析控制系统的工作原理，找出被控对象。,（2）分清系统的各物理量。给定量、控制量、被控量和反馈量。,（3）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。,例题讲解,第一章 绪论,（5）分析系统的控制原理。,例题1：根据控制系统的组成原理，画出人按预定行车路线 驾驶汽车，行驶到目的地的控制系统框图。,手,方向盘,汽车,直流电机,放大器,转盘,Ed,Ui,Ur,E,UO,例题2：根据控制系统的组成原理画出如图所示的转盘恒速控制系统框图。,直流电机,测速电机,Ur,E,控制系统的数学模型: 控制系统的组成物理框图反映了系统中各元素之间的物理联系及信号之间的因果联系，但不能定量描述系统、输入、输出三者间的数学关系。 什么是系统的数学模型呢？,偏差,Ui,Ur,E,UO,直流放大器,电池,+,-,转速 设定,数学模型定量的描述系统、输入、输出三者之间的关系。,E,Ui,Ur,Uo,例题3：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： ：分析,在液位自动控制系统中，贮槽为被控对象。贮槽的实际液位是被控量，或称为系统的输出量，给定量通过电位器RW1给出，控制量是节流阀的流量。反馈量是由浮球、杠杆 和电位器RW2组成的检测机构所检测的物理量（间接反馈）,系统组成及控制框图:,阀门,水箱,电位器 RW1,1、两电位器滑动触点位于同一位置，电动机停转，阀门保持原有开度，水箱中流入水量与流出水量相等，液面保持在希望的高度。,工作原理:,3、若系统收到扰动使液面下降，则系统会自动加大阀门开度，使输入流量增加，液面恢复到给定高度。,2、若系统受扰动使液面升高，则浮子相应升高，通过杠杆作用使电位器滑动触点下移，给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使输入流量减小，液位下降，直到电位器滑动触点回到同一位置，液面恢复给定高度；,1.4 反馈的分类,内反馈,系统或过程中由于各元素间的相互联系而自然形成的各种反 馈 ，是系统内部的信息的交互；反映系统内部元素间互为因 果的内在联系（如老鹰抓小鸡）；,一、根据反馈信号的来源分,例：,1.4 反馈的分类,例1-4 mck 系统,图1-6 mck 单自由度系统,信息交互（反馈）：,若，系统只一个质量块：,若，系统加一个弹簧：,若，mck 系统：,内反馈是造成机械系统 存在一定的动态特性的根本原因！,从控制的角度来看，单自由度系 统是双环路的内反馈控制系统。,1.4.1 反馈的分类,负反馈,输出（被控量）偏离设定值（目标值）时，反馈的作用 使输出偏离的程度减小，并力图达到设定值。,如：前例中的离心调速系统 液面控制系统 动物捕食 火炮瞄准 ,二、根据反馈的作用的结果分类,正反馈,输出（被控量）偏离设定值（目标值）时，反馈的作用 使输出偏离的程度加剧。,如：倒立摆 疾病 电子加速器火药爆炸热核反应 企业发展 ,1.4 反馈的分类,对控制系统可以从不同的角度加以分类,1.5 控制系统分类及控制系统的性能指标,1、 按反馈的情况,开环控制系统,闭环控制系统,这里从六个方面加以分类：,系统的输出对系统没有控制作用，系统没有反馈回路。 如：步进电机控制的数控机床 普通洗衣机。,1、 按反馈的情况,、开环控制系统,图1.4.1 开环控制系统方框图,1.5 控制系统分类及控制系统的性能指标,控制框图:,1.5 控制系统分类及控制系统的性能指标,1、 按反馈的情况,闭环控制系统,系统的输出对系统有控制作用， 系统有反馈回路。 如：前述的离心调速器 伺服驱动的数控机床 恒温箱、冰箱、空调等。 ,控制框图:,2、 按输出量的变化规律,自动调节系统(恒值系统):系统的输出保持常量。,随动系统:系统的输出相应于输入按任意规律变化。,程序控制系统：系统输出按预定的程序变化。,如：前述的离心调速器 恒温箱、液位控制等。 此类系统同时也是闭环系统,如：火炮瞄准 仿形加工等。 此类系统同时也是闭环系统,如：数控机床 全自动洗衣机等。 此类系统既可以是开环系统也可以是闭环系统,快速跟踪和准确定位是随动系统的两个重要技术指标。,1.5 控制系统分类及控制系统的性能指标,1.5 控制系统分类及控制系统的性能指标,稳、准、快,（1）系统的稳定性：稳定性是指动态过程的振荡倾向和系统 能够恢复平衡状态的能力。稳定性是系统工作的首要条件。,（2）系统响应的快速性：快速性是指当系统输出量与给定的 输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。,（3）系统响应的准确性：指在调整过程结束后输出量与给定 的输入量之间的偏差，亦称为静态精度。,1.5 控制系统分类及控制系统的性能指标,第一章 绪论,1.6 机械制造的发展与控制理论的应用,机械制造业的发展的丰富了控制理论，控制理论的应用推动 了机械制造业发展。,原始工艺制造过程依然由给定 、比较、检测、控制、执行诸 环节构成的闭环控制系统组成 ，其特征是所有环节全部由人 参与完成。,冶炼技术的发明，金属材料的 出现，机构、机器的发明，改 革了原始制造工艺，人首先从 直接手工加工中解放出来。,第一章 绪论,1.6 机械制造的发展与控制理论的应用,动力革命，提供了人体力之外 的新能源，金属材料加工过程 的强度、剧烈程度更大，其动 态特性制约着加工质量，人的 感觉器官检测存在很大的局限 性，系统中采用实时检测技术。,新技术的应用，加工设备的结 构越来越复杂，其动力系统， 传动系统、执行系统等一系列 的动力学问题制约着加工质量。,第一章 绪论,1.6 机械制造的发展与控制理论的应用,控制理论、计算机技术、信息技术融合到机械制造领域， 从原理、方法、手段和结构上极大的发展了机械制造业。,1、系统更加复杂，机-电-液-光一体化，大系统建模问题；微机 电一体化，微系统建模问题。,2、系统的智能化程度更高，控制技术和控制手段更加复杂。,3、出现了许多新的现代设计，生产，管理模式，制造模式。,绿色制造（gm）,计算机集成制造系统（cims）,柔性制造系统,虚拟制造,敏捷制造,自动控制理论的发展 ：,第一章 绪论,1.7 控制理论发展的简单回顾,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年麦克斯韦 （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。,第一章 绪论,控制理论的发展大致经历了四个主要阶段,1.7 控制理论发展的简单回顾,一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文仪器 。（“铜壶滴漏”减少计时误差的奥妙，就是“自动稳压”滴水。）,1788年：J. Watt 发明蒸汽机 调速器,1868年：J. C