机械工程控制基础.ppt

0,2012.9,机械与动力工程学院,机械类专业必修课,1,教学内容,1、课程准备,2、绪论,4、系统的时间响应分析,3、系统的数学模型,5、系统的频率特性分析,6、系统的稳定性分析,2,课程性质本课程是机械类专业重要的技术基础课，主要介绍应用现代机、电、液技术构成机电液一体化系统的理论与设计方法。涉及的基础知识有工程数学、理论力学、机械设计、电工与电子技术和液压传动技术等，因此要求同学们在学习本课程时应能够经常回顾上述课程的有关内容，达到温故而知新的目的。,课程简介,3,本课程与其它课程的关系：,4,课程的性质和特点,机械控制工程基础是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计机械控制工程基础是本学科的技术基础课。,学习内容本课程的主要学习内容有：绪论，积分变换，系统的数学模型，时间响应分析，频率特性分析，系统的稳定性分析和系统的性能指标与校正等，属于经典控制论的基本知识。学习目的本课程的学习目的是：使学生逐步学会运用“系统和动态”的观点，以及采用控制理论的方法解决机械工程中的实际技术问题。,5,基本要求1、掌握经典控制理论的基本概念、基本理论与基本方法；2、能够应用分析法建立简单动力学系统的数学模型；3、能够应用经典控制论分析线性定常系统的动态特性，基本掌握线性定常系统性能校正的方法；4、对于线性系统的时域和频域分析、稳定性分析和性能指标有比较深入的理解。,6,7,主要参考资料1、机械工程控制基础（第四版）杨叔子等编著华中科技大学出版社2002年1月2、机械控制工程基础朱骥北机械工业出版社2002年1月3、控制工程基础张伯鹏主编清华大学出版社2000年6月4、控制理论基础王显正主编科学技术出版社2000年1月,8,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,9,2.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,10,3.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,11,5.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”,12,教学内容,第一讲控制系统及其研究对象和任务,13,机械工业是国民经济中重要的基础工业。机械工业的核心是机械制造工业。当前机械制造技术发展的一个明显而主要的动向是越来越广泛而深刻地引入控制理论。从根本上讲，其原因是控制理论以它本身固有的辨证方法顺应了机械制造工程技术发展的趋势。控制理论在工程技术领域中体现为工程控制论，在机械工程领域则体现为机械工程控制论。,绪论控制理论及系统,14,绪论控制理论及系统,一、控制理论与控制系统,1、基本概念,控制：以人为或自动的方式，通过一定的手段操纵受控对象或过程，使之按照预定的规律运行，并具有一定的状态与性能。,控制实例1：液面控制,15,控制实例2：冰箱控制系统,绪论-控制理论及系统,16,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、机械工程控制轮研究对象与任务,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,17,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,18,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,19,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,20,绪论研究对象与任务,研究对象：工程技术中的广义动力学系统。,广义动力学系统在一定的外界条件下（输入或激励，包括外加控制与外加干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部固有特性（系统结构与参数所决定的特性）所决定的动态历经过程。,研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系,21,2、工程控制论的内容划分,控制论、量子论与相对论被人们誉为20世纪上半叶的3项科学革命。,经典控制理论：（4050年代末）以传递函数为基础，研究单输入单输出定常控制系统的分析与设计问题。(自动调节器、伺服系统）,现代控制理论：（60年代初现在）研究多输入多输出、时变、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。（航天系统，导弹系统，人造卫星）,绪论研究对象与任务,大系统理论：（70年代初现在）通常所说的大系统，指的是包括工程技术、社会经济、生物、生态等各个领域的复杂系统。（如地球资源、能源、人口问题、世界模型）,22,22,2、工程控制论的内容划分,控制论cybernetics、量子论与相对论被人们誉为20世纪上半叶的3项科学革命。,经典控制理论：以传递函数为基础，研究单输入单输出定常控制系统的分析与设计问题。,现代控制理论：研究多输入多输出、时变、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。,绪论研究对象与任务,23,3、系统动力学问题分析典型实例,a)输入相异的单自由度机械振动系统,参数说明：m系统质量；c粘性阻尼系数；k弹簧刚度,绪论研究对象与任务,24,b)系统动力学方程,外力f(t)作用下的系统动力学方程,位移x(t)作用下的系统动力学方程,绪论研究对象与任务,25,取算子p=d/dt，则力学方程分别化为：,系统分析：,算子mp2+cp+k由m,c,k决定，是与外界无关的系统本身固有特性。,算子1和cp+k是与外界的联系，受系统结构和参数的影响，即算子随系统而变化。,绪论研究对象与任务,26,绪论研究对象与任务,y(0)和(0)由系统的初始状态、固有特性和系统与输入之间的关系以及输入所决定。,y(t)代表t瞬间动态位移，(t)由代表t瞬间速度的变化情况，因此y、。描述了系统动态历程，而y独立则刻画不足。,研究内容划分：,求响应，即输出y(t)；,求激励，即输入f(t),x(t)；,求固有特性参数，即系统的m,c,k；,27,绪论研究对象与任务,一般动力学系统分析：,取算子p=d/dt：,算子anpn+an-1pn-1+a1p+a0反映系统本身的固有特性。,算子bmpm+bm-1pm-1+b1p+b0反映系统与外界的联系。,参数y(t)，(t)，为系统的状态变量，y(0)，(0)，为系统的初始状态或初始变量。,28,4、研究任务,系统分析问题,最优控制问题,最优设计问题,滤波与预测问题,系统识别或辩识问题,绪论研究对象与任务,29,例1如图所示的电热水器，为了保持希望的温度，由温控开关接通或断开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明该系统工作原理并画出系统的方框图。,解：在电热水器系统中，水箱内的水温需要控制，即水箱为控制对象。水的实际温度是被控制量，或系统的输出量，设为To，输入量为用户希望的温度，设为Ti；由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使水箱内水温下降为系统的干扰。,当To=Ti时，测温元件将实际温度转化成电信号，与温控开关预先设定的信号进行比较得到的偏差信号为0，此时加热器不工作，水箱中的水保持希望的温度。当注入冷水使To下降时，偏差不为0，电控开关接通电源使电加热器工作对水加热，直到To=Ti为止。,绪论研究对象与任务,30,系统工作框图如下：,若要考察水箱中的水温To能否保持为希望的温度Ti，并通过实际输出的水温To与希望的温度Ti之间的差别，考察各个组成部分的参数是否合理，即为系统分析问题。,绪论研究对象与任务,31,例2图示为数控机床工作台的传动系统。如果考虑传动系统的制造误差，为了使工作台均匀移动，试确定其输入。此即最优控制问题。,若系统的输入已知（例如电动机转速），要求确定系统且其输出符合工作台均匀移动的要求，即为最优设计问题。,绪论研究对象与任务,32,例3电子称的原理如下图。显示即为输出，重物的重量为输入，要求确定系统（即电子称）以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题。,若输入（重物）和输出（显示）已知，求系统的结构和参数，即建立系统的数学模型，此即系统识别或系统辩识问题。,绪论研究对象与任务,33,三、本讲小结,了解控制并认识控制系统,控制论的研究对象,控制论的研究任务或内容,绪论小结1,34,思考题：,绪论思考题,举例说明生活中控制问题。,35,教学内容,第二讲反馈及系统模型,36,1.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,37,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,38,外反馈：人为反馈（闭环系统、开环系统）,绪论系统反馈,39,内反馈：耦合反馈（系统或过程中自然形成的反馈）,内反馈实例分析单自由度系统,绪论系统反馈,40,状态方程表示：,取,有：,状态方程用方框图表示为：,y1和y2之间具有信息交互作用，本质上是弹簧的位能与质量的动能之间的转换。y2本身的交互作用就是阻尼消耗能量的过程。,绪论系统反馈,41,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,42,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,43,1给定环节；2比较环节；3校正环节；4放大环节；5执行机构；6被控对象；7检测装置,闭环控制系统的结构及基本环节,设定被控制量的给定值的装置,将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量，多用差动放大器实现负反馈,一般由传动装置和调节机构组成。执行机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值,要进行控制的设备或过程,控制系统所控制的物理量（被控量）,检测被控制量，并将其转换为与给定量相同的物理量,44,开环控制：只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题输入控制输出输出不参与控制系统没有抗干扰能力适用范围：输入量已知、控制精度要求不高、扰动作用不大。,闭环控制：把输出量的一部分检测出来,反馈到输入端,与给定信号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产生控制作用,使输出量按照要求的规律变化；输入控制输出，输出参与控制检测偏差、纠正偏差具有抗干扰能力结构复杂,45,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,46,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,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。,47,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,48,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,49,绪论系统反馈,骑自行车过程中信息流动与反馈,反馈结构图,人骑自行车时，总是希望具有一定的理想状态（比如速度、方向、安全等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，使自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉自行车的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈过程可用下图表示。,工作原理,50,绪论控制系统及模型,4）机械系统及系统模型,机械系统,机械系统：以实现一定的机械运动，承受一定的机械载荷为目的，由机械元件组成的系统。,概念说明,激励：外界对系统的作用。,响应：系统的变形或位移。,机械系统中的“激励”与“响应”分别代表着系统的输入和输出。,系统控制：激励由人为有意识的添加。,扰动：由系统偶然因素产生而一般无法完全认为控制的激励。,51,系统静态模型和动态模型,绪论控制系统及模型,模型：一种用数学方法所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，或系统与其他外部环境之间的关系，又称数学模型。,模型是研究系统、认识系统、描述系统以及分析系统的工具。,静态模型：反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统平衡状态下得特性，表现为代数方程。如弹簧模型。,动态模型：用于研究系统在迅变载荷作用下或在系统不平衡状态下的特性，表现为微分方程或差分方程。,静态模型现时输出决定于现时输入；动态模型现时输出决定于以前输入的历史。,52,绪论控制系统及模型,静态模型和动态模型分析示例机器隔振系统,53,绪论控制系统及模型,若以机器m为隔离体，以F(t)为激励(不考虑y(t)，以位移x(t)为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学方程为：,若仍以机器m为隔离体，以y(t)为激励(不考虑F(t)，以位移x(t)为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学方程为：,(a),(b),方程(a),(b)即为该系统的动态模型。,54,绪论控制系统及模型,若系统运动很慢，即有：,则上式（a），（b）可化为：,此即系统的静态模型，实际上x(t)与y(t)之间是一种代数关系，即代数方程式。,55,三、对控制系统的基本要求,绪论控制系统的基本要求,稳定性：指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。,快速性：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。,准确性：调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差程度，或称静态精度。,系统评价指标多样，但基本和最重要是以上三种；控制系统设计根据需要各有侧重。,56,1868年J.C.Maxwell在论调节器中一文中的调节器：,控制理论发展的简单回顾,57,一、我国古代自动控制系统方面的成就一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文仪器,中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶,中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车,58,1788年：J.Watt发明蒸气机调速器1868年：J.C.Maxwell发表调速器，提出反馈控制的概念及稳定性条件。1884年：E.J.Routh提出劳斯稳定性判据。1892年：A.M.Lyapunov提出李亚普诺夫稳定性理论。1895年：A.Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。1945年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法。,59,1948年：N.Wiener发表控制论，标志经典控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入单输出（SISO）系统的分析和控制问题；1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，进一步充实了经典控制论；1954年：钱学森发表工程控制论50年代末60年代初：现代控制理论形成；现代控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研究多输入多输出（MIMO）、时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重点开始由频域移到从