哈工大机电控制第一章绪论胜

机电工程学院机电控制及自动化系,机械类专业技术基础课,主讲人：石胜君,课程QQ群：机电系统控制基础278669418,石胜君：20012007哈工大机电学院学习2008至今哈工大机电控制及自动化系工作地址：哈尔滨工业大学306信箱，科学园2F栋423室电话：0451-8641611913503648026E-mail:sirssj,课程简介,该课程有何用？(WHY)该课程的内容？(WHAT)如何教与学？如何考核？(HOW),本课程与其它课程的关系,课程简介,电子技术,一、该课程有何用？（WHY）,课程简介,一、该课程有何用？（WHY）,第7章机电控制系统的设计与校正,第1章绪论,第3章系统的时域分析,第2章系统的数学模型,第4章系统的频率特性分析,第6章机电控制系统的误差分析和计算,第8章计算机控制系统（拓展应用）,系统分析,二、该课程的内容？（WHAT）,课程简介,第5章机电控制系统的稳定性分析,本课程的主要目的是培养学生：掌握经典控制的基本理论（贯穿始终）掌握分析机电控制系统的基本方法（第2、3、4、5、6章）掌握设计、调试、评价机电控制系统的基本手段（第7章）,课程简介,机电系统控制基础是机械工程专业的一门技术基础课。本课程针对机电系统讲解自动控制的基本理论、自动控制系统的分析方法、设计方法及其在机电系统自动控制中的应用。,二、该课程的内容？（WHAT）,总学时：58讲课学时：46实验学时：12学分：3.5性质：机械工程专业技术基础课主要教材及参考书：教材：机电系统控制基础哈尔滨工业大学出版社主要参考书：1.杨叔子.机械工程控制基础(第六版).华中科技大学出版社.2011.2.董景新.控制工程基础(第三版).清华大学出版社.2009.3.R.C.Dorf.现代控制系统(第十一版).电子工业出版社.2012.,课程简介,三、教学与考核方法？（HOW）,拓展阅读：推荐但不仅限！,课程简介,教学形式主要采用：理论讲课小组实验课后作业,重点放在学生自主学习方面，并通过随机抽查课堂测试、大作业与实验来检验和评估学生学习效果。要求学生认真听讲，按时独立自主完成布置作业，展示自己实验结果。,三、教学与考核方法？（HOW）,课程简介,课程考核按百分制计分，考试采用累加式的考试办法，即课程的总成绩由以下几部分构成：,(1)大作业10%(2)实验20%(3)期末考试70%,三、教学与考核方法？（HOW）,本章学习目标,了解本课程的学习对象和基本内容理解控制系统中各个物理量的含义掌握控制系统的分类掌握自动控制系统的组成与基本要求掌握根据工作原理图绘制系统方框图的方法,重点：（1）开环控制与闭环控制（2）自动控制系统的组成（3）控制系统的基本要求,教学内容,1.1概述,教学内容,一、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，使之按照预定规律运行，并具有一定的状态与性能。,1.1.1控制的概念,自动控制：该操作由控制装置自动完成，无须人直接参与。即，在人不直接参与的情况下，通过控制器使被控对象（如机器设备、生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定规律变化（或运行）。,控制实例1：液面控制,控制实例2：冰箱控制系统,1.1.1控制的概念,公元1788年，英国人J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。,二、控制理论的形成及其发展,1.1.1控制的概念,钢球,套筒,弹簧,调节连杆,进汽阀,蒸汽,负载,蒸汽机,圆锥齿轮,n,c,离心调速机,维纳，MIT教授。早期进行模拟计算机研究，二战期间参与火炮控制研究，提炼出负反馈概念。1948年，维纳所著控制论的出版，标志着这门学科的正式诞生。,控制论的奠基人维纳（Wiener,N.，18941964）,1.1.1控制的概念,N.Wiener给出的反馈控制定义为：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”,1954年，我国科学家钱学森在美国运用控制论思想和方法，用英文出版工程控制论，首次把控制论推广到工程技术领域。,1.1.1控制的概念,自动控制理论是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。,经典控制理论形成时间：二十世纪40年代到50年代形成的一门独立学科。研究对象：以单输入单输出线性定常系统为主要研究对象。研究方法：以传递函数作为系统的基本数学描述，以频率法和根轨迹法作为分析和设计系统的两种方法。,1.1.1控制的概念,现代控制理论形成时间：始于二十世纪50年代末60年代初。研究对象：适于研究多输入多输出系统，这些系统可以是线性的、非线性的、定常的或时变的。研究方法：以状态空间表达式作为系统的基本数学描述，以状态空间法作为主要研究方法。最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的研究课题，近年来计算机技术和现代应用数学的结合，又使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大发展。,1.1.1控制的概念,1.1.1控制的概念,本课程学习重点,在短短的几十年里，控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着其它科学技术的发展，极大地改变了整个世界。控制理论的中心思想是通过信息的传递、加工处理并加以反馈来进行控制，控制理论是信息学科的重要组成方面。,1.1.1控制的概念,三、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（输入或激励，包括外加控制与外加干扰）作用下，系统从某初始状态出发，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）所决定的动态过程。,研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系,1.1.1控制的概念,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,1.1.1控制的概念,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：控制对象：水箱；被控制量（输出量）：水箱的实际水温To；输入量：用户希望的水温Ti；干扰：由放出热水并注入冷水或水箱散热等原因导致的水箱内水温下降。,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。,1.1.1控制的概念,系统工作框图如下：,考察水箱中的水温To能否保持为希望的温度Ti，建立系统的数学模型，在已知输入及扰动的情况下，研究实际输出的水温To变化的规律，即为系统分析问题。,1.1.1控制的概念,例2数控机床工作台的传动系统。,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。,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。,1.1.1控制的概念,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）以识别输入或输出中的有关信息，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。,1.1.1控制的概念,目前，控制理论在机械制造领域中应用最为活跃的有下面几个主要方面：（1）在产品与设备的设计方面（2）在加工过程的研究方面（3）在机械制造过程的自动化方面（4）在动态过程或参数的测试方面,1.1.2机械与控制,三坐标数控机床,1.1.2机械与控制,机器手,1.1.2机械与控制,柔性制造系统,1.1.2机械与控制,1.1.2机械与控制,Mechatronics（机电）,Mechanics（机械学）,Electronics（电子学）,1.1.3机电一体化系统,传统的机械制造技术与控制技术和信息技术的有机结合,灵巧手（哈工大机器人所）,1.1.3机电一体化系统,玉兔号月球车,1.1.3机电一体化系统,1.1.3机电一体化系统,航天地面模拟器,1.2控制系统的分类,一、控制系统的几种分类,按反馈情况：开环控制、闭环控制、复合控制按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。按被控物理量：温度、压力、位置、速度等按系统类型：线性与非线性、定常与时变按输入信号变化规律：恒值、随动、程序控制按系统内部传输信号的性质：连续与离散按输入输出信号的数目：单输入-单输出、多输入-多输出,1.2控制系统的分类,开环控制系统,控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，信号从给定值到被控量是单向传递的。,系统的输出量不会对系统的控制作用产生影响。,1.2控制系统的分类,反馈：将系统的输出部分或全部地返回到系统的输入端并共同作用于系统的过程。,二、反馈系统,开环控制例1：步进电机驱动的数控加工机床,1.2控制系统的分类,1.2控制系统的分类,转台速度开环控制系统原理及框图,开环控制例2：直流电动机转速控制系统,开环控制,如电动机负载的增减、磁场电流的变化、功率放大器电源的波动,开环控制系统自身无法纠正由于扰动作用产生的偏差,1.2控制系统的分类,转速表,眼：,脑：,手：,人工控制：,观测转速,检测装置,将转速实际值与希望值进行比较,根据偏差进行调节，使转速恢复到希望值,比较环节,执行环节,直流电动机转速控制系统,1.2控制系统的分类,闭环控制系统,偏差：被控量的实际测量值与给定值之差。,闭环控制系统：能够根据偏差进行控制，只要被控量偏离给定值，系统就会自动纠偏，不断修正偏差量的系统。,典型闭环系统方框图,1.2控制系统的分类,偏差,n,放大器,ur,+,-,+,-,i,电动机,检测：,用测速发电机来测量电动机的转速，输出电压uf与转速n成比例关系，即uf=kn。,1.2控制系统的分类,闭环控制实例1：直流电动机转速控制系统,uf,u,比较：,给定电压ur与反馈电压uf=kn进行比较，偏差u=uruf=urkn。,1.2控制系统的分类,闭环控制实例1：直流电动机转速控制系统,执行：,偏差u经放大器放大后得到电压ud，即可控制电动机加速或减速，使电动机转速趋向于希望值。,1.2机电控制系统的分类,ud,uf,u,闭环控制实例1：直流电动机转速控制系统,自动控制过程：,n,ud,uf,u,n,1.2控制系统的分类,ud,uf,u,闭环控制实例1：直流电动机转速控制系统,方框图：,闭环控制,1.2控制系统的分类,闭环控制实例1：直流电动机转速控制系统,人工控制系统：通过人眼观测，人脑比较，人手执行，改变电位器滑动触头位置，ur变ud变n变；手相当于执行机构改变电动机转速n值。,自动控制系统：电位器滑动触头位置不变，ur不变，uf变u变ud变n变；执行机构依据定义指的是放大器。,执行环节有差异,1.2控制系统的分类,闭环控制例2：伺服电机驱动的数控加工机床,1.2控制系统的分类,开环系统：系统的方框图没有反馈回路。,闭环系统：系统的方框图存在反馈回路。,1.2控制系统的分类,1.2控制系统的分类,闭环控制例3：模拟火炮随动系统,开环控制系统和闭环控制系统比较：,1.2控制系统的分类,把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程。同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合的，故也称为闭环控制。,1、反馈的概念,2、反馈的分类,负反馈：若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反馈。显然，负反馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程，又称偏差控制。正反馈：与负反馈定义相反。,1.2控制系统的分类,复合控制系统,将开环控制和闭环控制适当地结合在一起，构成开环-闭环控制系统，能取得较好的效果。,1.2控制系统的分类,(a)按输入前馈补偿的复合控制,(b)按扰动前馈补偿的复合控制,1.2机电控制系统的分类,1、按系统性能来分,三、其它几种常用的分类方法,1.2机电控制系统的分类,2、按输入信号变化规律来分,1.2机电控制系统的分类,3、按系统内部传输信号的性质来分,1.2机电控制系统的分类,4、按输入、输出信号的数目来分,1.3控制系统的组成与基本要求,控制系统的一般组成形式（反馈控制）,给定环节：即给出输入信号的环节，用于确定被控对象的目标值。,测量环节：用于测量被控量。,比较环节：将输入信号与反馈信号相比较获得偏差信号。,放大及运算环节：将偏差信号处理放大，以便推动执行环节。,执行环节：接收放大环节的信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。,1.3.1控制系统的基本组成,输入信号(xi)：用于控制输出量变化规律的信号；输出信号(xo)：作为输入的结果，与输入信号有确定关系；反馈信号(xb)：输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号；偏差信号()：输入信号与反馈信号之差；误差信号：输出量的实际值与希望值之差(xo)实际-(xo)希望；扰动信号：偶然的、无法加以人为控制的信号。,1.3.1控制系统的基本组成,建立自动控制系统方框图的步骤（1）分析控制系统的工作原理，找出被控对象。（2）分清系统的输入量、输出量。（3）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。（4）按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连接起来。,1.3.1控制系统的基本组成,被控对象,被控量,被控量的目标值设定,控制量,扰动量,1.3.1控制系统的基本组成,活塞油缸,油门,运算放大,执行,被控对象,检测,比较,控制器,控制部分,被控部分,1.3.1控制系统的基本组成,1、稳（稳定性）是指动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能力。稳定性是对控制系统最基本的要求。对于稳定的恒值系统，被控量因扰动而偏离期望值后，经过一个过渡过程，被控量应恢复到原来的期望值状态；对于稳定的随动系统，被控量应能始终跟随输入量的变化。,1.3.2自动控制系统的基本要求,2、快（快速性）指动态过程（过渡过程）进行的时间长短。过渡时间持续很长，将使系统长久的出现大偏差，同时也说明系统响应很迟钝，难以复现快速变化的指令信号。稳和快反映了系统在控制过程中的性能。,1.3.2自动控制系统的基本要求,3、准（准确性）指系统过渡到新的平衡工作状态以后，或系统受扰动重新恢复平衡之后，最终保持的精度，反映了动态过程后期的性能。“准”通常用系统的稳态误差来表示。,1.3.2自动控制系统的基本要求,几点说明：“稳”与“快”是说明系统动态过程（过渡过程）品质。“准”是说明系统的稳态（静态）品质稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定，与外部条件无关。系统的过渡过程产生的原因：系统中存在着一些不同性质的储能元件，这些储能元件的能量不可能突变；系统具有的能源功率有限，因而运动加速度有限。,由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、快、准的要求是有所侧重的。例如随动系统对快要求较高，而恒值控制系统则对稳限制严格。在同一个系统中，上述三方面的性能要求通常是相互制约的。,1.3.2自动控制系统的基本要求,本课程的特点,本课程是一门非常重要的技术基础课，是机电学院平台课程。它是针对机械对象的控制，结合经典控制理论形成的一门课程。本门课程主要介绍经典控制理论，研究怎样将其与机电系统相结合，并应用于机电系统的自动控制。本课程在高等数学、理论力学、电工电子学等知识的基础上，使学生掌握机电系统自动控制的基本原理及必要的实用知识。值得指出的是，尽管经典控制理论在六十年代已完全发展成熟，但它并不过时，