机械控制工程基础.ppt

1,机械控制工程基础,JIXIE KONGZHI GONGCHENG JICHU,第一章 绪论,2,第一章 绪 论,1,3,随着生产的发展和科学技术的进步，自动控制技术已广泛地应用于工农业生产、交通运输和国防、宇航等领域，并成为当今被受重视的高技术之一。 现代生活之中同样享受自动化技术。 现代自动化技术的科学基础是工程控制论的理论和方法，各种自动化元部件和计算机则是它的物质基础。 掌握和了解工程控制论的基本理论和方法，对各专业的科学技术人员都是十分必要的。,1.1 概 述,引 言,4,控制理论在工程技术领域中体现为工程控制论。 -工程控制论，钱学森，1954. 学科背景：老“三论”（SCI论） 系统论 控制论 信息论,1.1 概 述,工程控制论的学科背景（1）,5,1.1 概 述,工程控制论的学科背景（2）,老“三论”的意义 是从自然科学研究中总结出来的一种科学方法，但它不限于自然科学，具有一般的方法论意义。它不是某一具体科学的方法论，而是包括自然科学、社会科学和思维科学在内的共同的方法论，是认识世界和改造世界的统一的方法。被称为“横向科学”或“横断科学”。,6,系统论的创始人 美籍奥地利生物学家贝塔朗菲。 系统论定义 系统论要求把事物当作一个整体或系统来研究，并用数字模型去描述和确定系统的结构和行为。 所谓系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的、具有特定功能的有机整体；而系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。,1.1 概 述,“系统论”简介（1）,7,贝塔朗菲的系统论观点 认为复杂事物功能远大于某组成因果链中各环节的简单总和.一切生命都处于积极运动状态,有机体作为一个系统,保持动态稳定是系统向环境充分开放，获得物质、信息、能量交换的结果。 系统论三大基本特征 系统论强调整体与局部、局部与局部、系统本身与外部环境之间互为依存、相互影响和制约的关系，具有目的性、动态性、有序性三大基本特征。 系统论核心思想 是寻找建立一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体。,1.1 概 述,“系统论”简介（2）,8,控制论的诞生 1948年，美国数学家诺伯特.维纳（Norbert Wiener） 发表了专著控制论（或关于在动物和机器中控制和通讯的科学），标志着控制论这一学科的诞生。 控制论的基点就是把控制系统当作一种信息系统。,“控制论（Cybernetics）”简介（1）,1.1 概 述,9,维纳定义 “控制论”是关于动物和机器中控制和通信的科学。 普通定义 控制论是研究系统的状态、功能、行为方式及变动趋势，控制系统的稳定，揭示包括机器、生物、社会在内的各种不同系统的共同的控制规律，使系统按预定目标运行的技术科学。,“控制论（Cybernetics）”简介（2）,1.1 概 述,10,来源于社会实践活动，有它产生的实践和理论基础 人类很早就有“风磨漏斗”、“蒸汽机的调节器”。 19世纪以来，出现了以电信号传递信息为主的控制过程，如：数控机床、控制炼钢等等。 第二次世界大战以前，在美国，一些不同学科的科学家自发地建立组织讨论会，研究各学科之间的交叉资料问题。维纳参加了这样的讨论，得到了启迪，形成了控制论的思想基础。 控制技术与人类进步 观看The Hong Kong University of Science and Technology的Control_history.ppt,控制论产生的基础,1.1 概 述,11,以维纳的控制论为标志，1948年正式形成。 三个时期： 第一个时期 ：经典控制理论时期 40年代末到50年代 单机自动化 局部自动化 单变量控制 自动调节器 伺服系统 第二个时期 ：现代控制理论时期 60年代 多变量控制 最优控制 多种变化因素 航天系统 导弹系统 人造卫星 第三个时期 ：大系统理论时期 70年代 规模庞大 结构复杂 变量参数多 目标不单一 生物系统 社会系统 机器人,1.1 概 述,控制论的发展及现状（1）,12,发展前景： 向大系统理论发展: 规模庞大、结构复杂、功能综合、因数众多 向智能控制系统发展：自组织、自学习、自修复、自繁殖 以理论控制论为中心的四大分支（也有不同分法）： 工程控制论 （技术系统、工程系统） 生物控制论 （生物系统） 社会控制论 （社会系统） 智能控制论 （思维系统）,1.1 概 述,控制论的发展及现状（2）,13,定义 作为一种研究方法，就是运用信息论观点，把系统看作是借助于信息的获取、加工、处理、传递而实现其目的的运动过程。 1948年申农发表的代表作被视为信息论的奠基之作。 研究范围 主要研究一切与信息有关的概念、理论及信息传播的各种要素与效果问题。,1.1 概 述,“信息论”简介（1）,14,信息要素 在信息论中，信息被视为客观世界的第三大要素。 它与第一大要素物质，第二大要素能量相并列。就是说，世界由物质,能量和信息三者构成。,1.1 概 述,“信息论”简介（2）,15,课程范围 课程以反馈控制理论为核心，突出基本概念和基本方法，介绍控制系统建模方法，线性系统的时域、频域和根轨迹的分析与设计方法，介绍基于MATLAB的控制系统分析、设计和仿真。 课程意义 控制工程基础讲授各类控制系统共性的技术基础科学知识，具有科学方法论的鲜明特点，研究的问题带有普遍性，对工程实践具有重要的指导意义，为培养学生运用控制原理的方法，分析和解决各种工程问题奠定扎实的理论基础。,课程简介,1.1 概 述,16,1.2 基 本 概 念,工程控制论,研究工程技术中的广义系统的控制规律。,图1 离心调速器的工作原理 方框1为原动机；方框2为工作机； 框5内是由两个对称的摇杆滑块机构组成的调速器本体,17,1.2 基 本 概 念,离心调速动画,18,系统,1.2 基 本 概 念,指相互作用的两个或两个以上的元素构成的整体。,1.整体的性质不是要素具备的 2.要素的性质影响整体 3.要素性质之间相互影响。,19,1.2 基 本 概 念,系统,任何事物都是一个整体，大至宇宙、世界、国家、复杂的工业过程，小至一个单位、人、一个器件。 结构是多个联系的形式。总体来看，系统内部的基本联系可以分为两种基本类型：一类是由“单向作用”联系形成的简单系统，一类是由“相互作用”联系形成的复杂系统。,A B,A B,单向作用,相互作用,20,1.2 基 本 概 念,系统,A B,A B,由单向作用构成的系统其行为表现出机械性（简单性、被动性和线性作用）。,由相互作用构成的系统其行为表现出有机性和自组织性 （复杂性、非线性作用、自动性、自调节、自复制、自创生）。,21,系统框图 输入：外界对系统的激励/作用，包括外加控制与外加干扰。 输出：系统对输入的响应。 固有特性：由系统的结构与参数所决定的系统特性，决定信息在系统内部的传递与交互。,输入,系 统,输出,图2 系统的框图,系统模型：数学模型 动力学方程,1.2 基 本 概 念,系统,22,1.2 基 本 概 念,人的有目的的活动 /具有控制功能的机器,同构理论（控制论的三大要素之一）,23,1.2 基 本 概 念,同构理论（控制论的三大要素之一）,同构性 尽管机器与动物在本质上有着天壤之别，有着无生命与有生命的差别，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，无一例外的经过了上面三个环节。 同构理论是一种类比推理。 模型本质上没有区别，也就是“同构”。,24,1.2 基 本 概 念,控制,控制：按照主体的意愿使事物向期望的目标 发展。 控制-是一种普遍现象，存在与一切事物之中。 一个国家有法律、行政、经济、舆论等手段 人有大脑 自动机有内部控制系统。如：离心调速器。 控制部分+受控部分 控制部分以某种方式给予受控部分以影响 受控部分就按照影响变化自己的行为 。,25,1.2 基 本 概 念,简单的“控制”的意义和“控制论”中“控制”的概念 是有区别的。,控制,26,1.2 基 本 概 念,信息,什么是信息？ 唐朝李中碧云集中，有“梦断美人沉信息，日穿长路倚楼台”之句。其中“信息”可理解为“消息”。 哲学家：信息是人类认识论的基础，是物质的基本属性之一。 物理学家：信息是负熵。 控制论学者：信息是系统之间普遍联系的一种普遍的特殊形式。借助信息，可以了解和改变系统的状态。 信息并非事物本身，而是表征事物，并由事物发出的消息、情报、指令、数据和信号中所包含的内容。,27,1.2 基 本 概 念,信息的流通、交换 （控制论的三大要素之二）,信息在控制中的作用 要使控制行为得以实现，就要求控制部分以某种方式给予受控部分以影响，受控部分就按照影响变化自己的行为，这种联系和影响是什么？如：电、力、风、生物电脉冲等。 共同点：控制内容的消息-信息，正是控制部分和受控部分之间发生了这种信息的联系、信息的运动，控制过程才得以实现。 控制过程就是系统中信息运动的过程。控制的过程就是借助不同形式、不同载体的信息运动去指挥各种物质运动和能量转换。,28,1.2 基 本 概 念,控制机工作，实际上就是以某种方式向机器发出信号，机器接受信息的地方叫输入端。机器接受到控制信息产生一系列动作，去完成指定工作，产生这些运动的地方叫执行机构或控制机构。机器完成了指定的工作，产生出工作效果的地方叫输出端。如：,信息的流通、交换（控制论的三大要素之二）,29,1.2 基 本 概 念,反馈,控制理论中称信息的双向运动为“反馈联系”。 联系的实质是信息的传输与交换。 “反馈”是指：控制系统把信息传输出去后，又将信息的作用返回到控制系统，并对控制系统的再输出产生影响。 如：司机开汽车，GPS导航系统，电冰箱的自动调节,30,1.2 基 本 概 念,电冰箱实例,工作系统,输入 (电源),信息反馈,输出 (降温),+ ,-18C,31,1.2 基 本 概 念,反馈的两种方式,正反馈 凡是后输出的信息与原输出的信息起着相同的作用，使总的输出增大的反馈调节。 负反馈 凡是后输出的信息与原输出的信息起着相反的作用，使总的输出减小的反馈调节。,32,1.2 基 本 概 念,正反馈与负反馈的结构,正反馈基本结构,负反馈基本结构,33,1.2 基 本 概 念,正反馈是一种自推动性循环,正反馈机制能够自主地推动系统加速度地离开原初状态，自动地走向新的状态，其速度是出人意料的。,34,1.2 基 本 概 念,敌军首级,自由土地,35,1.2 基 本 概 念,解放战争为什么能够胜利,土地,政权,36,1.2 基 本 概 念,负反馈是一种自稳定性循环,高低调控系统,负反馈机制能够抗拒干扰，减弱偏差，使系统自动恢复原初状态，表现出有目的的行为。,37,1.2 基 本 概 念,控制的反馈机制（控制论的三大要素之三）,反馈是如何调节控制行为的呢？ 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。 反馈的两种作用方式是控制论中要研究的主要问题。 信息在这种循环往返的过程中，不断改变内容，实现控制，这就是控制论所揭示的反馈机制。,38,1.2 基 本 概 念,系统的延滞、波动与控制决策,波动:,波动因子,水波、股市波动、经济涨落、初学汽车“画龙”,系统波动的原因是一个有延滞的负反馈,39,1.2 基 本 概 念,学习驾驶,40,1.3 自动控制系统及控制方式,自动控制系统,自动控制 自动控制指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如：机器、设备或生产过程）的某一物理量（或工作状态）自动地按照预定的规律运行（或变化）。 自动控制系统 自动控制系统是指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。,41,自动控制系统的组成,基本组成 被控对象：要求实现自动控制的机器、设备和生产过程 控制装置：对被控对象起控制作用的设备的总体。,图1.3 反馈控制系统组成,1.3 自动控制系统及控制方式,42,1.3 自动控制系统及控制方式,两种：开环控制、闭环控制 开环控制 是指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。 特点：信号流动的单向性、无反馈。 开环系统是指具有开环控制方式的控制系统。开环系统的输出量不对系统的控制发生作用。,图1.4 开环系统,43,1.3 自动控制系统及控制方式,开环控制实例,例1：电加热炉 输入信号：电流i(t) 被控对象：炉子 控制装置：开关k，电阻丝 输出信号：炉温T,图1.5 电加热炉,44,1.3 自动控制系统及控制方式,自动控制系统的基本控制方式,闭环控制 闭环控制是指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。 特点：信号流动的双向性、有反馈。 闭环系统是指具有闭环控制方式的控制系统。闭环系统的输出量对系统的控制发生作用，它可以实现复杂而又准确的控制。,图1.6 闭环系统,45,1.3 自动控制系统及控制方式,自动控制系统的分类,常用的分类： 按时间概念分 定常系统 时变系统 按信号的性质分 连续系统 离散系统 按数学模型分 线性系统 非线性系统 按控制方式分 开环控制系统 闭环控制系统 按输入输出信号的数量分 单输入单输出系统 多输入系多输出系统 按系统功用分类 温度控制系统 位置控制统 按系统参数分布特征分 集中参数系统 分布参数统 按元件类型分类 机电系统 气动系统 液压系统 生物系统,46,1.3 自动控制系统及控制方式,自动控制系统注意事项,在工程控制系统中以下几点要注意： 严格地讲，任何的实际系统都是非线性的，只是形式不同、程度不同。非线性系统分为： 本质非线性 不能线性化处理，用特殊的研究方法 非本质非线性 线性化处理后，用线性系统的理论研究 严格地讲，任何实际系统都是时变的，系统的参数总会随时间的变化。 严格地讲，任何实际系统都存在随机性。 一般地，为了全面的反映自动控制系统的特点，常常将上述各类分类方法组合应用。,47,1.4 基本要求,对控制系统的基本要求,系统能正常工作 ，满足“稳、准、快”： 稳 稳定 系统的稳定性 准 响应的准确性 稳态（终态 静