本第一章11-12

机械工程控制基础 李振杰 提出两个个问题 这门讲什么内容 对我们今后的工作有什么帮助 教材 参考书 课程的结业方式 考试 平时成绩 30 习题 按时交 不补交 期末成绩 70 试卷比较难 只有一次课内辅导时间 机械工程控制基础 工程控制论 钱学森提出 自动控制 理论或原理 控制理论的应用领域 对象 课程含义 在解决机械工程领域中的某些问题中 涉及到的关于自动控制理论中一部分内容 是电信系的自动控制课程有交叉的部分 学习自动控制理论中这部分内容 主要目标是解决机械工程中相关问题 而就某一具体的机械问题 如何用自动控制中相关理论来解决 是本课程的后续内容 是研究生阶段开展研究内容要解决的 不在本课程讨论范围内 可见 本课程主要讲理论 机械工程 自动控制理论研究的对象是机器或者是某些部件 这些机器或部件常常由机械 电气 液压等零件组成 本学科称为系统 又称机械自动控制系统 课程内容 第一章绪论 1 1控制论概述1 2控制论在机械学中作用1 3本书要讲控制论中的内容1 4本课程与控制论的应用的区别 1 1控制论概述 在日常生活和生产过程中 控制的应用非常广泛 人工控制举例 1 人的体温控制天冷时加衣服 天热时减衣服 2 自行车速度控制根据马路的交通情况 人为的加快骑行速度或减慢骑行速度 4 收音机音量控制调节音量旋钮 改变声音的强 弱程度 5 普通洗衣机的控制人们根据衣服的多少及脏的程度来控制加水加洗衣粉的量 洗的次数 甩干时间等 3 汽车驾驶控制转动方向盘改变方向 加油门 刹车等改变速度 6 人工控制的恒温箱 人工控制恒温箱调节过程 观测恒温箱内的温度 被控制量 与要求的温度 给定值 进行比较 得到温度偏差的大小和方向 根据偏差大小和方向调节调压器 控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值 人工控制过程的实质 检测偏差再纠正偏差 自动控制举例 1 电饭煲温度的自动控制根据人们事先设计好的顺序 自动进行定时加温 保温 2 空调器的温度控制根据人们设定的温度自动开关冷气机或调节电机转速以保持室内为一定的温度 3 汽轮机的转速控制汽轮机的转速高于或低于额定转速时 自动关小或开大主汽阀门 自动维持汽轮机的转速为额定值 4 声控 光控的路灯根据脚步声开灯关灯 根据天亮天黑程度关灯开灯等 5 导弹飞行控制飞行姿态控制 自动纠正方向 自动导向目标等 6 人造卫星 宇宙飞船控制包括正确进入预定轨道 姿态控制 使太阳能电池板一直朝向太阳 无线电天线一直指向地球 卫星或飞船内部的环境条件适当 使它所携带的各种测试仪器自动地工作等等 7 恒温箱的自动控制系统 位置随动系统 综上所述 控制系统的工作原理 检测输出量 被控制量 的实际值 将输出量的实际值与给定值 输入量 进行比较得出偏差 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差 使得输出量维持期望的输出 开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类 开环控制系统 闭环控制系统 半闭环控制系统 开环控制系统 特点 系统仅受输入量和扰动量控制 输出端和输入端之间不存在反馈回路 输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响 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 闭环控制系统 特点 输出端和输入端之间存在反馈回路 输出量对控制过程有直接影响 闭环的作用 应用反馈 减少偏差 优点 精度高 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 半闭环控制系统 特点 反馈信号通过系统内部的中间信号获得 闭环系统的组成 1 给定元件 产生给定信号或输入信号 2 反馈元件 测量被控制量 输出量 产生反馈信号 为便于传输 反馈信号通常为电信号 3 比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较 产生偏差信号 4 放大元件 对偏差信号进行放大 使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能 5 执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件 如电动机 液压马达等 自动控制系统的基本要求 1 稳定性稳定性是指控制系统动态过程的振荡倾向和重新恢复平衡工作状态的能力 是评价系统能否正常工作的重要性能指标 2 快速性快速性是指控制系统过渡过程的时间长短 是评价稳定系统暂态性能的指标 过渡过程的时间太长 则系统长时间地处在大偏差状态中 这说明系统响应迟钝 也就很难复现 跟踪快速变化的输入信号 因此 在实际控制系统中 我们总是希望在满足稳定性的要求下 系统的过渡时间越短越好 3 准确性准确性是指控制系统过渡过程结束后 或系统受干扰重新恢复平衡状态时 最终保持的精度 是反映稳态性能的指标 我们希望此时被控量与给定量之间的偏差越小越好 上面所提到的三个性能指标是自控系统基本要求 具有普遍性 但在实际应用中 由于被控对象的具体情况不同 因而对最终控制结果的稳 快 准备性能的要求也各不相同 例如随动系统对快速性要求最高 而调速系统最为关心的则是系统的稳定性 同一个系统的稳定性 快速性 准确性是相互制约的 若要提高系统的快速性 有可能引起系统的强烈振动 从而降低了稳定性 若要改善系统的稳定性 又会减慢系统的控制过程 影响了系统的快速性 分析和解决这些矛盾 优化系统的控制性能 将是本学科讨论的重要内容 1 2控制论在机械学中作用 一 在机械振动学中的作用 二 在提高机械加工精度学科上的应用 当刀具以名义进给x切人工件时 由切削过程特性产生切削力Py 在Py作用下 又位机床 工件系统发生变形退让y 从而减少了刀具的实际进给量 刀具的实际进给量变成a x y 如上图所示 这样 对于切削过程的动态特性 切削自激振动的分析 完全可以应用控制理论有关稳定性理论进行分析 从而提出控制切削过程 抑制切削振动的有效途径 三 机械电子一体化设备中的应用 数控机床 机器人 装配机器人 焊接机器人 四 其他的自动化机械 磁悬浮轴承 静压轴承 静电悬浮轴承 液压轧钢机 冲压成型自动化设备 1 3本书将控制论的内容 系统的分析 三个性能 系统的校正 主要是经典控制论的基