《机械工程控制基础》

.,机械控制工程基础,黄文怡主讲工程学院机械设计系,.,机械设计制造(教材),第一章绪论第二章拉普拉斯变换的数学方法第三章系统的数学模型第四章系统的瞬态响应与误差分析第五章系统的频率特性第六章系统的稳定性分析第七章机械工程控制系统的校正与设计,.,第一节概述第二节控制系统的基本概念第三节控制系统的基本类型第四节对控制系统的基本要求,第一章绪论,.,第一节概述,一、控制工程研究的主要内容二、控制理论的发展三、控制理论在工程中的应用四、控制理论的学习方法,.,一、控制工程研究的主要内容,控制工程主要研究有关自动控制和系统动力学的基础理论及其在工程中的应用。它是一门新兴技术科学，也是一门边缘科学，它的理论基础是控制理论。具体的讲研究用控制理论的基本原理解决电气、机械、测控、化工等一切工程系统中的控制技术问题。（图1-1）,.,离心调速器原理示意图(图1-1),稳定、准确、快速,.,工程控制理论的实质,工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题具体地说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件(即输入或激励，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；研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系,系统,输入,输出,.,学习控制工程基础要解决的两个问题,学习控制工程基础要解决两个问题：一是如何分析某个给定控制系统的工作原理、稳定性和过渡过程品质；二是如何根据实际需要来进行控制系统的设计，并用机、电、液、光等设备来实现这一系统。前者主要是分析系统，后者是综合与设计，无论解决哪类问题，都必须具有丰富的控制理论知识。,.,二、控制理论的发展,1、控制理论的产生可以追朔到1788年瓦特(J.Watt)为控制蒸汽机速度而发明的蒸汽机离心调速器，其原理示意图如图1-1所示。2、1868年，英国物理学家马克斯威尔（J.C.Maxwell）发表了第一篇关于“论调速器”的文章，首先提出了“反馈控制”的概念。3、1884年和1895年,劳斯（E.J.Routh）和霍尔维茨(A.Hurwitz)把马克斯威尔的理论扩展到用高阶微分方程描述的更为复杂的系统，并分别提出了两种著名的代数稳定性判据。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）研制出电子管振荡器，同时提出了著名的Nyquist稳定性判据。,.,二、控制理论的发展,4、1948年美国数学家维纳（N.Wiener）出版了著名的控制论关于在动物和机器中控制和通讯的科学一书，他揭示了无论机器系统、生命系统甚至社会和经济系统中，都存在一个共同本质的特点，它们都是通过信息的传递、处理与反馈这三个要素来进行控制，这就是控制论的中心思想。1950年伊万斯（W.R.Evans）提出的根轨迹法提供了寻找特征方程根的比较简易的图解方法，至此，形成了完整的经典控制理论。,.,二、控制理论的发展,5、我国著名科学家钱学森从控制论这一总题目中，把已被当时科学技术和工程实践所证明的部分分离出来，创立了“工程控制论”，并于1954年出版了工程控制论这一名著，这对控制理论的发展与应用起到了很大的推动作用。,.,二、控制理论的发展,6、50年代末与60年代初，一方面由于工业生产、火箭和空间技术的发展，出现了多变量、非线性和时变参数系统，经典控制理论已经不能满足要求；另一方面由于电子计算机技术的发展与应用，半导体和电子技术、计算技术的发展，各种传感器和自动检测技术的发展，使控制理论发展到了一个新阶段，从而产生了现代控制理论。随着科技进步特别是计算机科学的发展，控制论无论是在三要素的内涵上，还是在其深度与广度上都在发展变化着，对促进生产的发展和社会进步产生着深远的影响。,.,二、控制理论的发展,控制理论发展大体可分三个阶段：第一阶段：20世纪4050年代为经典控制论发展时期。经典控制论的内容是以微分方程、传递函数为基础，主要研究单输入、单输出控制系统的分析和设计问题，对线性定常系统，这种方法是成熟而有效的。,.,二、控制理论的发展,第二阶段：20世纪6070年代为现代控制论发展时期，这期间随着计算机技术的发展和空间技术的进步，产生了把经典控制论中的高阶常微分方程转化为一阶微分方程组来描述系统的方法，即所谓状态空间法，这种方法可以解决多输入、多输出问题，对非线性、时变系统也有效。该方法是自适应控制、自学习控制、最优控制、最优滤波（卡尔曼滤波）的基础。,.,二、控制理论的发展,第三阶段：20世纪70年代末至今，控制论向着“大系统理论”和“智能控制论”发展。“大系统理论”是用控制和信息的观点研究大系统的结构方案、总体设计中的分析方法和协调问题。“智能控制论”是研究与模拟人类活动的机理。现代科学揭示，人体是一个具有高度自组织、自适应、自调节能力的生命有机体，是具有非线性、时变和随机性、模糊性的特大系统。研究具有仿人智能的工程控制和信息处理问题，以使具有高度复杂性、高度不确定性的系统达到人们对控制系统越来越高的要求。,.,三、控制理论在工程中的应用,1、军事2、数控机床、加工中心3、机器人4、机电一体化系统5、动态测试6、机械动力系统性能分析7、液压系统的动态特性分析8、生产过程控制,.,四、控制理论特点及学习方法,本课程特点：（1）比较抽象（2）起点高（3）系统性强学习本门课程应以新的视角分析和考虑问题。学习本门课程要能以系统的而不是孤立的、动态的而不是静态的观点和方法来思考和解决问题。掌握控制理论的基本概念、基本理论和基本方法并注意结合实际，为解决工程中的控制问题打下基础。,.,五、本课程参考书,杨叔子主编机械工程控制基础华中理工大学出版社朱骥北主编机械控制工程基础机械工业出版社胡寿松主编自动控制原理科学出版社董景新编著控制工程基础清华大学出版社王积伟编著控制工程基础高等教育出版社,.,第二节控制系统的基本概念,一、控制系统的基本工作原理二、开环、闭环和复合控制系统三、闭环控制系统的基本组成,.,一、控制系统的基本工作原理,系统：是由相互制约的各个部分组成的具有一定功能的有机整体。自动控制系统：能够进行自动控制的一整套设备或装置。通常由控制器（控制装置）和被控对象两大部分组成。被控对象是指系统中需要加以控制的机器、设备或生产过程；控制器是指能够对被控对象产生控制作用的设备的总体。控制系统的任务就是使被控制对象的物理量按照预先给定的控制规律变化。,.,一、控制系统的基本工作原理,实现自动控制的优点：1、提高生产率、降低能源消耗。2、减轻体力和脑力劳动。3、生产安全、废品少、产品质量高。,.,温度,人工控制的恒温箱（图1-2）,.,自动控制的恒温箱（图1-3）,.,实现控制的三个基本步骤,不论采用人工控制还是自动控制都具有以下的共同点：一是要检测被控制量的实际值；二是被控制量的实际值要与给定值进行比较得出偏差值；三是要用偏差值产生控制调节作用再去消除偏差。总结：检测偏差，消除偏差,.,反馈控制原理,反馈是指对系统的被控制量进行测量，并加以处理（取其一部分或全部、或其函数等）后，再返回输入端与系统的给定量进行比较的过程。如果反馈量对给定量起增强作用，则称为正反馈；反之，如果反馈量对给定量起减弱作用，则称为负反馈。通常，控制系统采用负反馈。基于负反馈基础上的“检测偏差并用以消除偏差”的控制原理，称为反馈控制原理。利用反馈控制原理组成的系统称为反馈控制系统。,.,固有反馈（或内在反馈）,固有反馈是指没有外加的检测装置，但是，变量与变量之间相互制约，构成了闭合的因果关系。例如机械传动系统、机械加工系统、直流电机系统等。从控制理论的角度，它们都是一个反馈控制过程，因而都可以用控制理论加以解决。,.,职能方框图,把表示系统的组成、各元件作用关系及信号传递（或流通）关系的图形称为职能方框图。,.,控制系统中常用的概念和术语的含义说明,输出量（或称输出信号、被控制量）：是指控制系统中需要加以控制的物理量。系统的输出量常用符号xo(t)表示。输入量（或称输入信号、给定值、给定量）：是指输入给控制系统用以控制输出量变化规律的物理量它作用于系统输入端，直接地或间接地表示系统输出量的期望值（给定值）。系统的输入量常用符号xi(t)表示.扰动量（或称扰动信号）：指那些能使输出量偏离预定要求（期望值）的意外干扰因素。反馈量（或称反馈信号）：是指把输出量取出并直接或经转换以后送回到输入端与输入信号进行比较的物理量。,.,二、开环、闭环和复合控制系统,控制系统按其有无反馈作用和反馈作用的方式可分为三类：1、开环控制系统2、闭环控制系统3、复合控制系统,.,开环控制系统,如果系统的输出量和输入量之间没有反馈作用，输出量对系统的控制过程不发生影响时，这样的系统称为开环控制系统。图1-5是数控线切割机的进给系统.,.,数控线切割机的进给系统(图1-5),.,开环控制系统职能方框图（图1-6）,.,开环控制系统优缺点：,1、结构简单，成本低。2、动作快，较稳定。3、有了误差无法自动调整。,.,闭环控制系统,如果系统的输出量与输入量之间具有反馈联系，即输出量对系统的控制过程有直接影响，这样的系统称为闭环控制系统。闭环控制系统是按照反馈控制原理工作的，又称为反馈控制系统。这种系统的信号传递路线构成闭合回路（闭环）。前面介绍的离心调速器控制系统和恒温箱温度恒定自动控制系统都是闭环控制系统。,.,直流伺服电机速度伺服控制系统（图1-8）,.,直流伺服电机速度控制系统职能方框图（图1-9）,.,闭环系统的优缺点,1、可以自动的纠正和补偿输出量误差，提高控制精度。,2、结构复杂，成本高。,3、参数选择不适当将会引起闭环控制系统振荡，甚至不能工作。,.,复合控制系统,在输出和输入之间同时存在开环控制和闭环控制的系统，称为复合控制系统。它实质上是在闭环控制系统的基础上，用开环通路提供一个补偿的输入作用，如图1-11所示。,.,复合控制系统(图1-11）,这种系统兼有开环和闭环两种系统的优点，因而可大大提高系统的性能。,.,三、闭环控制系统的基本组成,串联校正元件,给定元件反馈元件(检测元件)比较元件放大变换元件执行元件（驱动元件）被控对象校正元件（校正装置）,.,给定元件,用来产生控制信号或输入信号（输入量）的元件。例如数控机床进给系统的输入装置、恒温箱控制系统的给定电位器就是给定元件。,.,反馈元件(检测元件),用来测量（输出量）被控制量的实际值，并经过处理，转换为与输出量有一定函数关系的反馈量的元件。检测元件大多是将非电量转换为电量的元件。,.,它是用来对输入信号和反馈信号进行比较，得出偏差信号的元件。比较元件实际上是信号综合环节（可以相减或相加），它往往不是一个专门的物理元件，有时也叫比较环节。例如：离心调速器的套筒比较机构、恒温箱自动控制系统中的比较电路等。,比较元件,.,它是对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件。如电压、电流、功率放大器、可控硅整流调压装置和电液伺服阀等。,放大变换元件,.,它接收放大变换元件发出的控制信号，直接驱动被控对象工作，使输出量按照预期的规律运行。例如前述例子中的调压器、直流电机等均为此类元件。,执行元件（驱动元件）,.,它是控制系统需要进行控制的装置、设备或过程等。被控对象中要进行控制的物理量或参数称为被控制量（输出量）。例如前述例子中的蒸汽机、恒温箱等。,被控对象（控制对象）,.,它是为改善系统的性能而加入系统中的辅助元件（装置），而不是闭环控制系统必须具有的元件（装置）。串联在系统前向通道内的校正元件称为串联校正装置；接成反馈形式的校正元件称为并联校正装置。常用的电子调节器、测速发电机等均可作为此类元件。,校正元件（校正装置）,.,第三节控制系统的基本类型,一、按输入量输出量的运动规律可分为三种；二、按系统传递信号性质可分为两种。,.,按输入量输出量的运动规律可分为三种,恒值控制系统（自动调节系统）程序控制系统随动系统,.,恒值控制系统（自动调节系统）,这类系统的输入量是一个不变的恒值，系统的基本任务是排除各种干扰因素的影响，使被控制量（输出量）以一定精度等于系统的输入量。例如蒸汽机离心调速器系统、恒温箱温度控制系统等。,.,程序控制系统,这类系统的输入量是变化的，且变化规律是预先确定了的已知的时间函数。系统的任务是使输出量按预先给定的规律（程序）变化。例如，数控线切割机床进给系统、热处理炉温控制系统等都属于此类。,.,随动系统,这类系统的输入量是变化规律预先不能确定的任意时间函数，系统的任务是保证输出量以一定精度跟随输入量的变化，并能克服各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律，即输入量是随机的，而输出量是随动的（随动系统在工业领域又称为伺服系统）。,.,按系统传递信号性质可分为两种,连续控制系统离散控制系统,.,连续控制系统,系统中的运动状态和各个部分所传输的信号都是连续变化的模拟量的系统称为连续控制系统。前述的离心调速器、恒温箱温度控制系统、液压伺服系统等大多数的闭环控制系统都属于此类。,.,离散控制系统,系统中某一处或数处信号是以脉冲序列或数码的形式传递的系统称为离散控制系统。若用采样开关（采样器）将连续信号转换为脉冲形式的系统，称为脉冲控制系统；用模数（A/D）转换器将连续信号转换为数字信号并用数字控制器或数字计算机进行控制和信号处理的系统，称为数字控制系统或称计算机控制系统。,.,第四节对控制系统的基本要求,快速性,稳定性,准确性,基本要求,.,稳定性,控制系统能够正常工作的首要条件是系统必须稳定，这是对控制系统提出的最基本的要求。系统稳定性是系统本身的一种特性，由系统的结构及组成元件的参数所决定。,.,稳定性,如果在输入量的作用下系统的输出量能够达到一个新的平衡状态或扰动量去掉以后系统的输出量能够恢复到原来的平衡状态，则系统是稳定的。,.,稳定系统的时间响应曲线（图1-13）,.,不稳定系统的时间响应曲线（图1-14）,.,稳定性,系统稳定性包括两方面的含义：一是系统是稳定的，这就是系统的绝对稳定性，前面定义的稳定性就是这个含义；二是系统稳定性的程度，即相对稳定性。,.,快速性,控制系统的快速性是指当系统的输出量与给定的输入量（或输出量的期望值）之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。快速性有两方面的含义：一是系统对输入量的响应速度，它表现为当输入量施加以后，系统输出量跟随输入量变化的迅速程度；二是振荡衰减的快慢程度，它表现为系统输出量跟随输入量变化的瞬态响应过程（过渡过程）结束的迅速程度。,.,准确性,控制系统的准确性是用系统的稳态误差来衡量的。稳态误差是指输入量作用系统以后，当过渡过程结束时，输出量的实际值与输出量的期望值之间的差值。稳态误差是衡量系统工作性能的重要指标，其值越小，控制系统的准确性越好，控制精度越高。,.,小结,不同的控制系统对稳、准、快这三方面的要求是有所侧重的。对于同一个控制系统的稳、准、快这三方面的要求是相互制约的。分析和解决控制系统的稳定性、快速性和准确性，并解决它们之间的矛盾，正是本书所要讨论的主要内容。,.,习题,1、试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。2、试列举几个日常生活中的开环和闭环控制系统，并说明它们的工作原理。,.,习题,3.图1-15所示是水箱液位控制系统。试说明其工作原理，找出输入量、输出量、扰动量及被控对象，并绘制出职能方框图。,.,习题,解：图1-15所示是水箱