控制工程基础-绪论(背景修改).ppt

2019/5/31,第一讲 绪论,1,机械工程控制基础,2019/5/31,第一讲 绪论,2,作业要求： 1.做在专用作业本上（不能用零碎纸）； 2.抄写题目、书写工整； 3.按要求准时交作业。,2019/5/31,第一讲 绪论,3,答疑,时间：星期三下午3：30 地点：12楼715 联系电话：85619949 Email：,2019/5/31,第一讲 绪论,4,清华大学出版社 董景新编 控制工程基础 机械工业出版社 夏德钤编 自动控制理论 清华大学出版社 吴麒编 自动控制原理,参考书目,2019/5/31,第一讲 绪论,5,机械工程控制,即自动控制，在无人参与的情况下，利 用控制装置使被控对象自动地按照预定规律运行或变化。,2019/5/31,第一讲 绪论,6,机械工程控制,即自动控制，在无人参与的情况下，利 用控制装置使被控对象自动地按照预定规律运行或变化。,控制理论在工程技术领域的体现,在同机械工程相应的机械工程领域中的体现,2019/5/31,第一讲 绪论,7,控制论是一门既与技术科学又与基础科学紧密相关的边缘科学。 控制论在它建立后很短时间内便迅速渗透到许多科学技术领域，大大推动了近代科学技术的发展，并从中派生出许多新型的边缘学科，如，生物控制论，经济控制论，社会控制论，工程控制论等。 控制论从解决生产实践问题开始，反过来又大大促进了生产技术，从而派生出“工程控制论”这一新型的技术科学。,2019/5/31,第一讲 绪论,8,本门课程理论教学内容,绪论 控制系统的数学模型 控制系统的时域分析 控制系统的频率法分析 控制系统的校正,2019/5/31,第一讲 绪论,9,第一章 绪论,本章内容： 机械工程控制论的研究对象与任务 系统及其模型 反馈 系统的分类 控制系统的基本要求,2019/5/31,第一讲 绪论,10,1.1机械工程控制论的研究对象与任务(1),一、发展,经典起源于1788年瓦特发明蒸汽机离心调速器带来的离心调速问题 主要研究对象：单输入单输出系统的输出控制 数学工具：传递函数 方法：频率法、根轨迹法,现代进入二十世纪六十年代发展起来 主要研究对象：多变量系统的状态变量控制 数学工具：矢量微分方程、矩阵论、集合论、概率论 方法：状态空间法,新的先进控制理论：模糊控制、神经网络、遗传算法,2019/5/31,第一讲 绪论,11,1.1机械工程控制论的研究对象与任务(2),二、研究对象系统（广义系统） 系统：由相互联系、相互作用的若干部分构成且具有一定运动规律的一个有机整体。 广义系统：系统可大可小，可繁可简，甚至可“实”可“虚”，完全由研究的需要而定，通常将它们统称为广义系统。,2019/5/31,第一讲 绪论,12,1.1机械工程控制论的研究对象与任务(3),三、任务广义系统的动力学问题,动态历程 输入、系统、输出三者之间的关系,2019/5/31,第一讲 绪论,13,1.1机械工程控制论的研究对象与任务(4),质量阻尼弹簧（m-c-k）单自由度系统,2019/5/31,第一讲 绪论,14,1.1机械工程控制论的研究对象与任务(5),其中： m质量（kg） C粘性阻尼系数（Ns/m） K弹簧刚度（N/m） f(t)外力（N），为系统输入（激励） y(t)质量块位移（m），为系统输出（响应）,2019/5/31,第一讲 绪论,15,1.1机械工程控制论的研究对象与任务(6),研究系统在力f(t)作用下的运动规律，系统动力学方程如下：,2019/5/31,第一讲 绪论,16,1.1机械工程控制论的研究对象与任务(8),四、最常见研究问题： 已知系统结构参数（m,c,k）、输入，求输出 系统分析 已知系统结构参数（m,c,k）、输出， 求输入 最优控制 已知系统输入、输出，求系统的参数 最优设计,2019/5/31,第一讲 绪论,17,1.2系统及其模型（1）,一、系统 由相互联系相互作用的各部分组成，有一定目的或一定运动规律的一个整体。 研究的广义系统可大可小、可实可虚、可繁可简。,2019/5/31,第一讲 绪论,18,1.2系统及其模型（2）,二、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 输入输出称为“激励”与“响应”，激励一般是对系统的作用，如加在系统的载荷，响应则指系统的变形或位移。 激励如果是人为加上则称作“控制”，非人为加上则称为“扰动”。,2019/5/31,第一讲 绪论,19,1.2系统及其模型（3）,三、模型 用数学方法描述的抽象的理论模型，表达系统内部及其与外部的关系，又称数学模型 一般以微分方程形式或者差分方程、传递函数、动态结构图等进行描述,2019/5/31,第一讲 绪论,20,1.2系统及其模型（4）,上图地基振动位移y(t)为激励，机器位移x(t)为响应。则对机器有：,k,2019/5/31,第一讲 绪论,21,1.2系统及其模型（5）,即：,2019/5/31,第一讲 绪论,22,1.3反馈（1）,一、定义 一个系统的输出，部分或全部地被反过来用于控制系统的输入，称为系统的反馈。 反馈调节完全可以看成是一种原因与结果不断相互作用的关系。 反馈有两种方式：正反馈、负反馈。,2019/5/31,第一讲 绪论,23,1.3反馈（2）,二.示例,2019/5/31,第一讲 绪论,24,1.3反馈（3）,任务：当负载改变时，输出轴转速n保持不变。 组成：蒸汽机、离心机构、比较机构（滑套）、 转换机构（杠杆）、阀门、蒸汽系统。 工作过程：,2019/5/31,第一讲 绪论,25,原理方框图：,2019/5/31,第一讲 绪论,26,1.3反馈（5）,蒸汽机（的输出轴） 被控对象 离心机构 测量元件 比较机构（滑套） 比较元件 转换机构（杠杆） 阀门 蒸汽系统 执行元件 给定输入（参考输入、控制量）给定转速n0 被控制量 蒸汽机轴上实际转速n 扰动输入 负载扭矩M,转换元件,2019/5/31,第一讲 绪论,27,1.3反馈（6）,一般控制系统的工作原理及原理图： 检测实际输出量； 将实际值与给定值进行比较； 用偏差产生调节作用消除偏差。,2019/5/31,第一讲 绪论,28,1.3反馈（6）,给定元件：用于产生给定信号或输入信号。 测量元件：用于测量被测量量（输出量），产生与被控量有确定函数关系（通常为比例或与其导数成比例）的反馈信号。 比较元件：用于比较输入信号和反馈信号，并产生偏差信号，有些比较元件与测量元件是结合在一起的。 放大元件：对偏差信号进行幅值或功率放大，以及信号形式变换。 执行元件：直接对被控对象进行操纵的元件。 被控对象：控制系统所要控制的对象。,2019/5/31,第一讲 绪论,29,1.3反馈（7）,三、特点 控制作用由偏差引起。一旦出现偏差就产生控制作用，控制作用总是使系统的被控制量自动沿减小或消除偏差的方向运动按偏差控制（调节） 从信号的途径看，输出信号通过测量元件回送到输入端，使信号通路闭合，构成闭合通路，称为闭环，回送信号的过程称为反馈，这一系统反馈联结的方式是负反馈，因此称为负反馈闭环控制。,2019/5/31,第一讲 绪论,30,1.3反馈（8）,2019/5/31,第一讲 绪论,31,1.3反馈（9）,2019/5/31,第一讲 绪论,32,1.4 系统的分类（1）,按控制方式分： 开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统 按给定量（输入）的变化规律分： 恒值控制系统（恒值调节系统） 随动系统 程序控制系统,2019/5/31,第一讲 绪论,33,1.4 系统的分类（2）,按系统反应特性分： 连续控制系统和离散（数字）控制系统,按执行元件的物理性质分： 电气控制系统 液压控制系统 气压控制系统 机械控制系统 机电一体化控制系统,2019/5/31,第一讲 绪论,34,开环控制系统,控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。开环系统的输出量不对系统的控制发生作用。 数控机床工作台驱动的开环系统原理图：,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。,2019/5/31,第一讲 绪论,35,闭环控制系统（1）,控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的控制。 数控机床工作台驱动的闭环系统原理图：,2019/5/31,第一讲 绪论,36,闭环控制系统（2）,典型闭环负反馈系统方框图,优点：精度较高,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.成本相对较高.,2019/5/31,第一讲 绪论,37,控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件（测量元件）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。,校正元件： 用以改善系统控制质量的装置。(不同的系统校正元件的位置可能不同,甚至没有.),2019/5/31,第一讲 绪论,38,复合控制系统,开环控制方式和闭环控制方式组合在一起的控制方式。在闭环回路的基础上，附加一个输入信号或扰动作用的顺馈信号，以提高系统的精度。,2019/5/31,第一讲 绪论,39,恒值控制系统,又称自动调节系统，镇定系统。在外界干扰作用下，系统的输出仍能保持为常量的系统。其分析设计的重点是要求系统具有良好的抗干扰性能。如前面讲过的蒸汽机离心调速系统。,2019/5/31,第一讲 绪论,40,随动系统,又称跟踪系统。外界条件作用下，系统的输出能相应于输入在广阔的范围内按任意规律变化。 对随动系统来说，输入信号是随机的，其变化规律事先无法确定，要求输出能迅速而准确地复现输入信号的变化，其分析和设计的重点是研究系统的跟随性能。 国防工业的火炮自动瞄准系统、雷达导引系统、机械加工设备的伺服机构、天文望远镜的跟踪系统。,2019/5/31,第一讲 绪论,41,程序控制系统,又称过程控制系统。外界条件作用下，系统的输出按预定程序变化。其输入量为已知给定的时间函数。 程序控制系统和随动系统相似，只是输入信号的变化规律是预先确定的。 程序控制系统可以是开环系统，也可以是闭环系统。 应用实例：仿形铣床、数控机床、机械手控制系统。,2019/5/31,第一讲 绪论,42,连续系统,系统的各个环节的输入信号和输出信号都是连续时间的函数。 线性系统：组成系统的各个环节的输入输出特性都是线性的，系统的数学模型可以用线性微分方程描述。在线性微分方程中，只含输入量或输出量各阶导数的一次项。 非线性系统：系统中有一个以上的元件的特性是非线性的系统。非线性系统的数学模型要用非线性微分方程描述。,2019/5/31,第一讲 绪论,43,离散系统,系统中有一处或数处的信号是以脉冲序列或数字编码形式出现的。离散系统包括采样控制系统和数字控制系统。 采样控制系统：系统中的连续信号被采样成脉冲序列。 数字控制系统：系统中的连续信号被采样后量化成数字信号。,2019/5/31,第一讲 绪论,44,控制系统的基本要求,稳定 最基本要求 准确 稳态要求 快速 动态要求,2019/5/31,第一讲 绪论,45,稳定性,系统动态过程的振荡趋向和系统能够恢复平衡的能力。 稳定性是保证系统能正常工作的先决条件，任何系统只有在稳定的情况下才有可能正常工作。 系统的稳定是有裕度的，也称为稳定裕度。稳定裕度越大，系统的稳定程度越深，系统抗干扰的能力就越强。,2019/5/31,第一讲 绪论,46,准确性,稳态精度，调节过程结束后，输出量与输入量之间的偏差。 将系统引到一个稳定的工作状态时的性能称为稳态性。通常它由稳态精度来描述和刻划，亦称为稳态误差。这里误差是指希望输出与实际输出的差别。,2019/5/31,第一讲 绪论,47,快速性,系统稳定条件下，输出量与给定输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。 动态性能是指系统从一个状态变化到另一个状态，即过渡过程的性能。过渡过程的性能主要由快速性能和振荡性能来描述。一般的对控制系统来说，快速性是越快越好，振荡性是越小越好，有的系统不允许有振荡。 例：火炮系统的快速性很重要 车床的给进系统不允许有振荡,2019/5/31,第一讲 绪论