机械控制基础第1章课件.ppt

第一章绪论 几个基本概念 控制系统 控制器和控制对象别的总和 控制器 在控制过程中起控制作用的实体 控制对象 被控的机器设备或物体 例 图中 m c k 分别表示质量 粘性阻尼系数 弹簧刚度 图1 1 1M C K单自由度系统 一 质量受外力f t 的作用 质量位移为y t 系统的动力学方程为 若 支座受位移x t 的作用 图1 1 2M C K单自由度系统 二 质量位移为y t 动力学方程为 令p d dt 则两方程分别化为 分析 1 为方程左端的算子 它由系统本身的结构与参数所决定 反映了与外界无关的系统本身的固有特性 2 1与cp k分别为方程右端的算子 反映了与外界的关系 毫无疑问 系统本身的结构与参数是要影响这一算子的 亦即系统发生改变 这一算子一般也会发生改变 与分别初位移与初速度 就是在输入作用于系统之前系统的初始状态 系统在任何瞬间的状态可以由质量的位移与速度这两个变动着的状态 即状态变量 在此瞬间的取值来刻画 这两个状态变量就描绘了系统的动态历程 f t 与x t 称为系统的输入 或激励 y t 称为系统的输出 或系统对输入的响应 y t 它就是微分方程的解 是由系统的初始状态 系统的固有特性 系统与输入之间的关系以及输入所决定的 它代表了系统在一定外界条件下的动态历程 求解系统的三种问题 1 当系统 m c k 与输入f t x t 已知时 求输出y t 2 当系统 即m c k 与输出y t 已知时 求输入f t x t 3 当系统的输入f t x t 与输出y t 已知时 求系统的m c k 线性系统的动力学方程可用高阶线性微分方程表示如下 1 为方程的左端的算子 它反映了系统本身的固有特性 2 为方程的右端的算于 它反映了系统与外界之间的关系 3 为系统在受外界作用前的初始状态 为刻画系统动态历程的状态变量 4 y t 为系统的输出 x t 为系统的输入 广义系统的表示方法 系统 输入 输出 系统分析的五个方面 1 系统分析 当系统已定 输入 或激励 已知时 求系统的输出 或响应 并通过输出来研究系统本身的有关问题 2 最优控制 当系统已定时 确定输入 且所确定的输入应使得输出尽可能符合给定的最佳要求 3 最优设计 当输入已知时 确定系统 且所确定的系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求 此即最优设计问题 4 滤波与预测 当输出已知时 确定系统 识别输入或输入中的有关信息 此即滤波与预测问题 5 系统识别 当输入与输出均已知时 求出系统的结构与参数 即建立系统的数学模型 此即系统识别或系统辨识问题 二 系统及其模型 一 系统 系统 就是由相互联系 相互作用的若干部分构成 而且有一定的目的或一定的运动规律的一个整体 系统的输入和输出 系统由于其内部相应的机制 又由于其同外界相互的作用 就会有相应的行为 响应或输出 外界对系统的作用和系统对外界的作用 分别以 输入 及 输出 表示 系统的构成方式 组成系统的各个部分 可以是元件 也可以是下一级的系统 后者称为 子系统 而整个系统又可以是上一层系统的子系统 二 机械系统 机械系统 以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 称为机械系统 激励与响应 机械系统的输入与输出 往往又分别称为 激励 与 响应 机械系统的 激励 一般是外界对系统的作用 如作用在系统上的力 即载荷等 而 响应 则一般是系统的变形或位移 控制与扰动 系统的激励 如果是人为地 有意识地加上去的 往往又称为 控制 如果是偶然因素产生的 无法控制 则称为 扰动 三 静态模型与动态模型 模型 是一种用数学方法描述的抽象的理论模型 用来表达一个系统内部各部分之间 或系统与其外部环境之间的关系 故又称为 数学模型 例 一台机器放在隔振垫上 将机器简化为一刚性质块 设其质量为m 设质块在铅垂方向的位移为x t 从静态平衡位置开始计算质块的位移 作用在质块上的外力记为F t 而隔振垫对机器的支反力记为N t 按牛顿第二定律 有 垫子的支反力N t 与机器移动的位移x t 及速度x t 有关 即 1 2 但当x x均较小时 可按Taylor级数展开 而仅取其一次项 记 3 4 f 0 0 表示一恒力 恒力对系统运动变化规律无影响 故可将式 3 写成 得到运动方程 此模型以F t 为激励 机器的振动位移x t 作为响应 若 分析在地基振动位移y t 的激励下 通过隔振垫传到机器上的位移x t 以y t 为激励 而以x t 为响应 取机器为脱离体 按牛顿第二定律 得 整理得 动态方程 当系统运动很慢时 有 得 静态方程 三 反馈 反馈 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 反馈是机械工程控制论中一个最基本 最重要的概念 一 机械工程中的反馈控制 开环控制与闭环控制 图1 3 2静压轴承薄膜反馈控制系统 二 机械系统的内在反馈 机械系统中还广泛地存在着各种自然形成的反馈 称为 内在反馈 内在反馈反映系统内部各参数之间互为因果的内在联系关系 这对系统的动态性能有非常重要的影响 而且往往很难加以控制 仍以单自由度系统为例 现将方程改写为如下三种形式 图1 3 3 a 系统本身的信息传输与交换 图1 3 3 b 系统本身信息传输与交换 图1 3 3 系统本身信息传输与交换 四 系统的分类及对控制系统的基本要求 一 系统的分类 分类 按反馈分按输出变化规律分 开环系统闭环系统自动调节系统随动系统程序控制系统 1 开环系统 当一个系统以所需的方框图表示而没有反馈回路时 称之为开环系统 例 机床开环控制系统 2 闭环系统 当一个系统以所需的方框图表示而存在反馈回路时 称之为闭环系统 例 机床闭环控制系统 3 自动调节系统 在外界干扰作用下 系统的输出仍能基本保持为常量的系统 例 恒温调节系统 4 随动系统 在外界条件作用下 系统的输出能相应于输入在广阔范围内按任意规律变化的系统 3 程序控制系统 在外界条件作用下 系统的输出按预定程序变化的系统 几个概念 1 系统的反馈 系统中的环节 给定环节测量环节比较环节放大及运算环节执行环节 2 系统中的环节 给定环节 是给出输入信号的环节 用于确定被控对象的 目标值 或称给定值 给定环节可以用各种形式 电量 非电量 数字量 模拟量等 发出信号 测量环节 它用于测量被控变量 并将被控变量转换为便于传送的另一物理量 一般为电量 比较环节 在这个环节中 输入信号xi与测量环节发出来的有关被控变量x0的反馈量xb相比较 并得到一个小功率的偏差信号 放大及运算环节 为了实现控制 要将偏差信号作必要的校正 然后进行功率放大 以便推动执行环节 执行环节 它接收放大环节送来的控制信号 驱动被控对象按照预期的规律运行 闭环自动控制系统的特点 利用输入信息与反馈至输入处的信息之间的偏差对系统的输出进行控制 使被控对象按一定的规律运动 反馈作用 力图减小反馈信息与输入信息之间的偏差 尽可能获得所希望的输出 因为只要偏差存在 系统的输出就要受到偏差的校正 偏差越大 校正作用越强 偏差越小 校正作用越弱 直至偏差趋向最小 二 对控制系统的基本要求 评价控制系统的标准 一般可归纳为 稳定性 快速性和准确性 1 系统的稳定性 由于系统存在着惯性 当系统的各个参数分配不当时 将会引起系统的振荡而失去工作能力 稳定性就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 2 响应的快速性 在系统稳定的前提下 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 响应的准确性 在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差 或称为静态精度 这也是衡量系统工作性能的重要指标 五 机械制造的发展与控制理论的应用 一 手工制造时信息在人体内传输 二 人操作机器加工的类似闭环系统 三 检测加入后的类似闭环系统 四 计算机控制的闭环系统 控制理论在机械制造领域中的应用 1 机械制造过程自动化机械制造过程中控制系统越来越复杂 要求的技术经济指标越来越高 使得机械制造过程的自动化技术从一般的自动机床 自动生产线发展到数控机床 多微计算机控制设备 柔性自动生产线 无人化车间乃至设计 制造 管理一体化的计算机集成制造系统CIMS 2 对加工过程的研究现代生产生产效率越来越高 使加工过程中的 动态效应 不容忽视 这就要求把加工过程如实地作为一个动态系统加以研究 3 产品与设备的设计突破以往的经验设计 试凑设计 类比设计的束缚 在充分考虑产品与设备的动态特性的条件下 密切结合其工作过程 探索建立它们的数学模型 采用计算机进行优化设计 甚至采用人机交互对话的亦即人机信息相互反馈的人工智能专家系统进行设计 4 动态过程或参数的测试以往的测量是建立在 静态基础上的 而现在以控制理论作为基础的动态测试技术发展十