聊城大学汽车学院《机械工程控制基础》第一章.ppt

制作 华中科技大学熊良才 吴波 陈良才 聊城大学汽车与交通工程学院 机械工程控制基础 授课人 张来刚 个人介绍 姓名 张来刚 学习经历 本科毕业于吉林大学 大学期间所学专业 电子信息工程 2007年在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所就读研究生 今年7月博士毕业 所学专业 机械电子工程 主要研究方向 视觉测量 光电测控 业余爱好 羽毛球 足球 乒乓球 联系方式 电话 mail zhanglaigang 家乡 聊城东阿 制作 华中科技大学熊良才 吴波 陈良才 教材 杨叔子等 机械工程控制基础 华中科技大学出版社 第六版 2011参考文献 1 胡寿松等 自动控制原理 国防工业出版社 第三版 1994 2 李友善 自动控制原理 国防工业出版社 19803 陈康宁 机械工程控制基础 西安交通大学出版社 1997 4 Matlab使用手册 聊城大学汽车与交通工程学院 机械工程控制基础 本课程的主要内容 第一章绪论第二章系统的数学模型第三章系统的时间相应分析第四章系统的频率特性分析第五章系统的稳定性第六章系统的性能指标与校正第七章非线性系统初步第八章线性离散系统初步第九章系统辨识初步 第一章绪论 为什么要学控制论 1 机电一体化产品的出现与逐渐普及 机 电 信息传递与交换 控制论 系统论 信息论 微电子技术 计算机技术 相结合的产品 2 机械系统朝高速 高负载 超精密 超大型或超微型等方向发展 设计 制造 使用 维护 动态 设计 动态设计制造 关注制造过程的动态特性 使用 系统的动态特性 安全 性能 维护 监测与故障预测 诊断 3 动态测试 信号处理 信号与系统 传感器的选择 信号预处理器的设计 数字信号的处理 特征提取 4 生产组织管理 过程的优化 加工状态监控喷气发动机性能监控 5 其他工程应用军事 航天领域火炮 雷达 跟踪系统 人造卫星 宇宙飞船等流程工业轧钢过程 工业窑炉 石油化工 水泥建材 玻璃 造纸等现代农业生产自动灌溉 农产品质量检测 疫情检测等 其他领域通信 交通 医学 环境保护 经济管理等 6 个人日常生活和工作电冰箱 电饭煲 空调器 音响 收音机等等 7 方法论 反馈控制的思想 控制 施加某种操作于对象 使其产生所期望的行为 图1 1蒸汽机离心调速器 一 概述 自动控制 由控制装置自动完成 无需人的参与 图1 2液位人工控制 图1 3液位自动控制 检测偏差 实施控制 消除偏差 控制的三要素 控制对象 控制目标 控制手段 装置 算法等 可控性与能控性 控制对象有多种运动状态的可能性 能够通过控制手段使控制对象的状态达到控制目标 控制论的方法论 明确事物发展的多种可能性确定其中一种可能性为控制目标实施控制实现控制目标 机械工程控制论研究机械工程技术中的广义系统动力学问题 二 机械工程控制论研究对象与任务 1 系统 元素按一定规律组合起来的能完成一定功能的集合 系统与外界的交互作用 外界对系统的作用 输入 干扰 系统对外界响应 输出 外界的作用 信息的传递与交互 系统的响应 控制论 技术学科 技术哲学 科学方法论 控制论强调 对象是一个 系统 系统不断 运动 经历动态历程 包括内部状态和外部行为 外因 输入 干扰 是运动的条件 内因 系统的固有特性 是运动的根据 系统普遍存在信息的传递 交互与反馈是控制论的中心思想 二 机械工程控制论研究对象与任务 二 机械工程控制论研究对象与任务 控制论与其它学科结合 形成众多的分支学科 经济学 生物学 社会学 机械工程 机械工程控制论 控制论 经济控制论 社会控制论 生物控制论 工程控制论 共同的本质特点 通过信息传递 处理与反馈进行控制 工程技术 二 机械工程控制论研究对象与任务 系统的组成元素可以是子系统 又可是更上一层系统的组成元素 系统的层次性与相对性 广义系统 具备系统要素的一切事物或对象 机械工程中的广义系统 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 全球制造业 如 机器系统 生产系统 生命系统 思维 学习 工作 社会 经济系统等 二 机械工程控制论研究对象与任务 2 系统的动力学问题 研究的是机械工程广义系统在一定的外界条件 即输入或激励 干扰 作用下 从系统的一定的初始状态出发 所经历的由其内部的固有特性 即由系统的结构与参数所决定的特性 所决定的整个动态历程 研究系统及其输入 输出三者之间的动态关系 二 机械工程控制论研究对象与任务 例 弹簧 质量 阻尼单自由度系统 a b 初始状态 系统固有特性 外界作用 与外界的关系 系统的输出 系统分析问题 已知系统和输入 求输出 或响应 并通过响应来研究系统本身的问题 最优控制问题 已知系统和理想输出 求最优输入 使实际输出满足要求 最优设计问题 已知输入 设计系统 使输出满足要求 滤波与预测问题 设计或选择合适的系统 以便由输出识别输入或输入中的有关信息 系统辨识问题 已知输入和输出 要识别系统的结构和参数 建立系统的数学模型 研究任务 1 信息定义1 一切能表达一定意义的信号 符号和密码等 如 报纸 烽火 电报 记号 手势等等定义2 能够用来消除不确定性的东西 如 报纸 过时 适时 情报 过时 适时 足球比赛 势均力敌 势力悬殊 书籍 好 差 等定义3 事物运动的状态和方式 如 体温 人体状态 设备的振动 噪声 温度等 设备的状态设计图纸 产品状态 产品信息 工艺卡 制造过程状态 工艺信息 三 反馈 例1 控制原理 负载减小 使w增加 反馈 系统的输出不断地 直接或间接地 全部或部分地返回 并作用于系统 离心滑套下移滑阀回复中位 w回到设定值 w反过来对系统产生作用 例2 外反馈 反馈控制 附加反馈控制装置引起信息交互 内反馈 负反馈 输出 被控量 偏离设定值 目标值 时 反馈作用使输出偏离程度减小 并力图达到设定值 如 离心调速系统液面控制动物捕食火炮自动瞄准学习和工作中的负反馈 正反馈 输出偏离初始值 或稳定值 时 反馈作用使输出偏离程度加剧如 三极管倒立摆疾病 火药爆炸 热核反应学习和工作中的正反馈 反馈的作用 加剧偏离 反馈的作用 消除偏离 以发动机离心调速系统为例 被控量的目标值设定 预紧弹簧 四 反馈控制系统的组成 控制信息传递与反馈 控制方框图 给定 比较 放大 执行 测量 控制对象 反馈控制系统的组成 特点 利用偏差控制系统的输出 对控制系统 可从不同的角度分类 1 按反馈情况 开环控制系统 系统没有反馈回路 输出对系统无控制作用 如 步进驱动的数控机床 普通洗衣机家用电烤箱 微波炉 普通电风扇 五 控制系统的分类 闭环控制系统 有反馈回路 输出对系统有控制作用 如 前例中的离心调速系统伺服驱动的数控机床恒温箱 冰箱 空调 人骑自行车 1 按反馈情况 自动调节系统 恒值系统 系统的输出保持常量 如 离心调速系统 恒温箱 液面控制等 为闭环系统 随动系统 系统的输出相应于输入按任意规律变化 如 炮瞄雷达系统 仿形加工 动物捕食等 多为闭环系统 程序控制系统 系统的输出按预定程序变化 如 数控机床 全自动洗衣机等 开环或闭环系统 2 按输出量的变化规律分 连续控制系统 离散控制系统 线性控制系统 非线性控制系统 定常系统 时变系统 位移控制系统 温度控制系统 速度控制系统 3 按信号类型分 4 按线性性质分 5 按时变情况分 6 按被控量分 系统的稳定性 系统正常工作的首要条件 六 对控制系统的基本要求 系统的稳定性 系统恢复平衡状态的能力 稳定性好 则系统恢复平衡状态的能力强 系统的快速性 快速性好 则消除偏差快 或调整时间短 系统的准确性 准确性好 则调整过程结束后 输出值与期望值偏差小 七 本课程的特点与学习方法 本课程是一门