机械工程控制基础 第1章 20100425[1]讲解

1、材料学院 机械工程控制基础机械工程控制基础 主讲教师：叶春生 Tel华中科技大学材料学院 华中科技大学材料学院 机械工程控制基础机械工程控制基础 第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念 第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型 第三章第三章 控制系统的时域分析法控制系统的时域分析法 第四章第四章 频域分析法频域分析法 第五章第五章 控制系统的稳定性控制系统的稳定性 第六章第六章 控制系统的校正控制系统的校正 华中科技大学材料学院 第第1 1章章 绪论绪论 1.1 1.1 控制理论的研究对象与任务控制理论的研究对象与任务 1.2 1.2 系统及其

2、模型系统及其模型 1.3 1.3 反馈反馈 1.4 1.4 系统的几种分类及对控制系统的基本要求系统的几种分类及对控制系统的基本要求 1.5 1.5 机械制造的发展与控制理论的应用机械制造的发展与控制理论的应用 1.6 1.6 控制理论发展的简单回顾控制理论发展的简单回顾 1.7 1.7 本课程的特点与学习方法本课程的特点与学习方法 华中科技大学材料学院 17651765年，瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制年，瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制 蒸气机蒸气机 19481948年，维纳年，维纳控制论或关于在动物和机器中控制论或关于在动物和机器中 控制和通信的科学控制和通信的科学产生产生 404

3、06060年代年代 经典控制理论（频域法为主）经典控制理论（频域法为主） 60607070年代年代 现代控制理论（时域法为主现代控制理论（时域法为主) ) 7070年代以后年代以后 大系统控制理论大系统控制理论 自动控制自动控制 在没有人直接参与的情况下，采用控制装在没有人直接参与的情况下，采用控制装 置或机械使被控制对象达到预期的目标置或机械使被控制对象达到预期的目标 。 自动控制理论发展简史自动控制理论发展简史 发展简史发展简史 华中科技大学材料学院 自动控制研究的内容自动控制研究的内容 经典控制理论经典控制理论 现代控制理论现代控制理论 经典控制理论经典控制理论 主要研究对象主要研究对象

4、: :对单输入单输出线性定常系统对单输入单输出线性定常系统 的分析和设计问题。的分析和设计问题。 现代控制理论现代控制理论 主要研究对象主要研究对象: :多输入、多输出、时变参数、多输入、多输出、时变参数、 高精度复杂系统的分析和设计问题。高精度复杂系统的分析和设计问题。 华中科技大学材料学院 研究对象研究对象数学工具数学工具分析方法分析方法局限性局限性 经典经典 控制控制 理论理论 单单I/OI/O 线性定常线性定常 系统系统 微分方程，微分方程， 传递函数传递函数 时域法时域法 频域法频域法 根轨迹法根轨迹法 对复杂多变对复杂多变 量系统、时量系统、时 变和非线性变和非线性 系统无能为系统

5、无能为 力力 现代现代 控制控制 理论理论 多输入多输入- - 多输出变多输出变 系数，非系数，非 线性等系线性等系 统统 线性代数、线性代数、 矩阵理论矩阵理论 状态状态 空间法空间法 比较繁琐比较繁琐 （但由于计（但由于计 算机技术的算机技术的 迅速发展，迅速发展， 已克服已克服) ) 华中科技大学材料学院 引言引言 在工程和科学的发展过程中，自动控制起 着重要的作用除了在宇宙飞船、导弹制导和 飞机驾驶系统等领域中，自动控制系统具有特 别重要的作用之外，它巳变成现代机器制造业现代机器制造业 和工业生产过程中的重要而不可缺少的组成部和工业生产过程中的重要而不可缺少的组成部 分分例如，在生产过

6、程中对压力、温度、湿度、 粘性和流量的控制，自动控制都是其重要的组 成部分；在机器制造业和其它许多部门中，象 机器零件的加工、处理和装配，都广泛地采用 着自动控制 华中科技大学材料学院 热力系统的例子热力系统的例子 蒸蒸汽汽 冷水 热水 温度计 图1-1 热力系统的人工反馈控制 排排水水 华中科技大学材料学院 热力系统的自动反馈控制热力系统的自动反馈控制 自自动动控控制制器器 热热水水 冷冷水水 蒸蒸汽汽 温温度度测测 量量装装置置 排排水水 图图1 1- -2 2 热热力力系系统统的的自自动动反反馈馈控控制制 控控制制阀阀 华中科技大学材料学院 控制系统示例控制系统示例 放大运算 环节 执行

7、环节 被控 对象 测量环节 - X0 反馈控制控制系统的组成反馈控制控制系统的组成 给定 环节 控制部分控制部分 特点：特点：利用偏差控制系统的输出利用偏差控制系统的输出 华中科技大学材料学院 几个定义几个定义 对象对象 是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合 在一起的，其作用是完成一个特定的动作我们称任在一起的，其作用是完成一个特定的动作我们称任 何被控物体何被控物体( (如加热炉，化学反应器或宇亩飞船如加热炉，化学反应器或宇亩飞船) )为对为对 象。象。 华中科技大学材料学院 过程定义过程定义 过程过程 宾里亚宾里亚- -韦伯斯特韦伯斯特( (Me

8、rrriam-Webster)Merrriam-Webster)字典字典 对过程的定义是：对过程的定义是：一种自然的逐渐进行地运转或发一种自然的逐渐进行地运转或发 展，其特征是，有一系列逐渐的变化以相对固定的展，其特征是，有一系列逐渐的变化以相对固定的 方法相继发生在运转或发展状态中，并且最后导致方法相继发生在运转或发展状态中，并且最后导致 一个特定的结果或状态一个特定的结果或状态；或者也可以定义；或者也可以定义为人为的为人为的 或随意的连续进行为运行状态，这种运行状态由一或随意的连续进行为运行状态，这种运行状态由一 系列被控制的动作和一直进行到某一特定结果或状系列被控制的动作和一直进行到某一

9、特定结果或状 态的有规则的运动构成我们称任何被控制的运行态的有规则的运动构成我们称任何被控制的运行 状态为过程状态为过程其具体例子如化学过程，经济学过程其具体例子如化学过程，经济学过程 和生物学过程和生物学过程 华中科技大学材料学院 温度计温度计 加热电阻丝 加热电阻丝 u 220V k 炉温开环控制系统炉温开环控制系统 开关闭合后，不开关闭合后，不 同的输入电压同的输入电压u u对应于对应于 不同的温度不同的温度t t。 华中科技大学材料学院 系统定义系统定义 系统 系统是一些部件的组合，这些部件组合在系统是一些部件的组合，这些部件组合在 一起，完成一定的任务一起，完成一定的任务系统不限于物

10、理系统系 统的概念可以应用于抽象的动态现象，如在经济学 中遇到的一些现象因此，“系统”这个词应当理 解为包含了物理学，生物学和经济学等现象的系 统 华中科技大学材料学院 H H 注注入入 控控制制器器 （比比较较、放放大大） Q Q1 1浮浮子子 流流出出 Q Q2 2 （I I） 原原理理图图 气气动动阀阀门门 物理学系统物理学系统 华中科技大学材料学院 食物网：食物链相互交错成网状的形式食物网：食物链相互交错成网状的形式 草草 上图中总共多少条食物链上图中总共多少条食物链 生物学系统生物学系统 华中科技大学材料学院 扰动定义扰动定义 扰动扰动 扰动是一种对系统的输出量产生相反作用扰动是一种

11、对系统的输出量产生相反作用 的信号的信号如果扰动产生在系统的内部，称为内扰； 扰动产生在系统外部则称为外扰外扰是系统的 输入量 工业干扰工业干扰通常是由各种电气装置（例如电动机、 电焊机、电疗机、电气开关等）中发生的电流 （或电压）的急剧变化所形成的电磁波辐射，并 作用在接收机天线上所产生的干扰。也有的电气 设备正常工作，也产生电磁波辐射，对接收机产 生干扰。 华中科技大学材料学院 1. 1.1 1 控制论的研究对象与任务控制论的研究对象与任务 广义系统动力学问题 例例1. 1. 设有一弹簧设有一弹簧 质量质量 阻尼动力系统如图所示阻尼动力系统如图所示 ，当外力，当外力F F( (t t) )

12、作用于系作用于系 统时，系统将产生运动统时，系统将产生运动 ，试写出外力，试写出外力F F( (t t) )与质与质 量块的位移量块的位移y y( (t t) )之间的之间的 动态方程。其中弹簧的动态方程。其中弹簧的 弹性系数为弹性系数为k k，阻尼器的，阻尼器的 阻尼系数为阻尼系数为f f，质量块的，质量块的 质量为质量为m m。 华中科技大学材料学院 0 i F 解：分析质量块解：分析质量块m m受力，有外力受力，有外力F F, , 弹簧恢复力弹簧恢复力 KyKy（t t） 阻尼力阻尼力 惯性力惯性力 由于由于m m受力平衡，所以受力平衡，所以 ( ) /fdy tdt 22 /md y

13、dt 式中：式中：F Fi i是作用于质量块上的是作用于质量块上的 主动力，约束力以及惯性力。主动力，约束力以及惯性力。 将各力代入上等式，则得将各力代入上等式，则得 M F(t) k f y(t) 华中科技大学材料学院 2 2 ( )( ) ( )( ) d y tdy t mfKy tF t dtdt 式中：ym的位移（m）； f阻尼系数（Ns/m); K 弹簧刚度（N/m)。 将上式的微分方程标准化 2 2 ( )( )1 ( )( ) m d y tf dy t y tF t KdtKdtK 华中科技大学材料学院 输入输入F F(t)(t) 外界作用外界作用 )()()()(tftky

14、tcytym 0 )0(yy 0 )0(yy )()()()()(tkxtxctkytcytym 0 )0(yy 0 )0(yy 系统固有特性系统固有特性 初始状态初始状态 输入输入x(t)x(t) （位移）外界作用（位移）外界作用 系统固有特性系统固有特性 初始状态初始状态 华中科技大学材料学院 1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型 若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则叫若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则叫 做开坏控制系统做开坏控制系统 开环控制系统开环控制系统 控制器对象或过程 输出量输入量 系统 输出量 输入量 华中科技大学材料学院 基本电学问题 RLC网络 Vtid

15、c Ri dt di L 1 0 1 etid c dt dV i cdt di R dt id L 1 2 2 0 )0(ii 0 )0(ii L C R C u r u i 华中科技大学材料学院 机电系统微分方程：电枢电压控制直流电动机机电系统微分方程：电枢电压控制直流电动机 电枢回路电压平衡方程电枢回路电压平衡方程 )()()( )( tutEtiR dt tdi L aaaa a a SM 负载 m J a E a R m a u a L m f a i C M 直流电动机模型直流电动机模型 华中科技大学材料学院 电磁转矩方程电磁转矩方程 )(tiCM amm 电动机轴上转矩平衡方程电

16、动机轴上转矩平衡方程 )()( )( tMMtf dt td J Cmmm m m 华中科技大学材料学院 基本动力学问题分析基本动力学问题分析 华中科技大学材料学院 华中科技大学材料学院 1. 1.3 3 反馈反馈 华中科技大学材料学院 反馈控制反馈控制 反馈控制反馈控制 反馈控制是这样一种控制过程，它能反馈控制是这样一种控制过程，它能 够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量 与参考输入量与参考输入量( (或者任意变化的希望的状态或者任意变化的希望的状态) )之间之间 的偏差，而且其工作也正是基于这一偏差基础之的偏差，而且其工作也正是基于这一偏差基

17、础之 上的上的在这里，反馈控制仅仅是对无法预计的扰动 (即那些预先无法知道的扰动)而设计的，因为对于 可以预计的或者是已知的扰动来说，总是可以在系 统中加以校正的，因而对于它们的测量是完全不必 要的 华中科技大学材料学院 锅炉汽包水位控制系统锅炉汽包水位控制系统 工业过程中的反馈控制系统例子工业过程中的反馈控制系统例子 调节器 汽包 变送器 主蒸汽 过热器 省煤器 执行器 给水调节阀给水泵 给水 华中科技大学材料学院 反馈控制系统反馈控制系统 反馈控制系统反馈控制系统 反馈控制系统是一种能对输出量反馈控制系统是一种能对输出量 与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的与参考输入量进行比较，并力

18、图保持两者之间的 既定关系的系统，它利用输出量与参考输入量的既定关系的系统，它利用输出量与参考输入量的 偏差来进行控制偏差来进行控制因该指出，反馈控制系统应不 限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济 学和生物学；也存在着反馈控制系统例如，人 的机体在某种意义上说、就类似于一个只有许多 控制变的量化工设备在这种运输和化学反应网 络的过程控制中，包含着许多控制回路事实上、 人的机体是一个极其复杂的反馈控制系统 华中科技大学材料学院 闭环控制系统闭环控制系统 凡是系统输出信号对控制作用能有直接影响的系 统，都叫做闭环系统 闭环控制系统 控制器对象或过程 测量元件 输出量输入量 华中科技大学材料学

19、院 闭环系统的组成闭环系统的组成 由上述举例表明，尽管控制系统不同，复杂各异，由上述举例表明，尽管控制系统不同，复杂各异， 但基本组成是类同的，即闭环系统的基本组成为：但基本组成是类同的，即闭环系统的基本组成为： (1)(1)比较元件；比较元件；(2)(2)放大元件；放大元件；(3)(3)执行元件；执行元件；(4)(4)校校 正元件；正元件；(5)(5)被控对象；被控对象；(6)(6)测量元件。测量元件。 放大 整形 串联 校正 变换 放大 执行 元件 被控 对象 测量元件 并联校正 - - U(s) Y(s) 华中科技大学材料学院 自动补水装置自动补水装置 华中科技大学材料学院 离心调速器离

20、心调速器 华中科技大学材料学院 液面控制液面控制 华中科技大学材料学院 压力控制系统压力控制系统 华中科技大学材料学院 H H 注注入入 控控制制器器 （比比较较、放放大大） Q Q1 1浮浮子子 流流出出 Q Q2 2 （I I） 原原理理图图 气气动动阀阀门门 华中科技大学材料学院 希望液位实实际际液液位位 放放大大元元件件气气动动阀阀门门水水 箱箱 浮浮 子子 控制器 注入 （II） 控制系统方块图 2002-09-23 自动控制原理39 华中科技大学材料学院 图图1 1- -7 7发发电电机机- -电电动动机机调调速速系系统统 操操纵纵电电 位位计计 发发电电机机 伺伺服服电电 机机

21、减减速速器器负负载载 r 给给定定值值U Ur r 前前置置放放大大器器功功放放执执行行元元件件 被被控控量量 W Wm m 这这是是一一个个开开环环控控制制的的例例子子 + +E E- -E E r U Ur r 操操纵纵电电位位计计 R R1 1 R R2 2 R R3 3 R R4 4 放放大大器器 直直流流发发电电机机 伺伺服服电电机机 W Wd d W Wm m 发发电电机机- -电电动动机机调调速速系系统统 减减速速器器 负负载载 图图1 1- -7 7发发电电机机- -电电动动机机调调速速系系统统 操操纵纵电电 位位计计 发发电电机机 伺伺服服电电 机机 减减速速器器负负载载 r

22、 给给定定值值U Ur r 前前置置放放大大器器功功放放执执行行元元件件 被被控控量量 W Wm m 这这是是一一个个开开环环控控制制的的例例子子 + +E E- -E E r U Ur r 操操纵纵电电位位计计 R R1 1 R R2 2 R R3 3 R R4 4 放放大大器器 直直流流发发电电机机 伺伺服服电电机机 W Wd d W Wm m 发发电电机机- -电电动动机机调调速速系系统统 减减速速器器 负负载载 华中科技大学材料学院 随动系统随动系统 随动系统随动系统 随动系统是一种反馈控制系统，在这随动系统是一种反馈控制系统，在这 种系统中，输出量是机械位移、速度、或者加速种系统中，

23、输出量是机械位移、速度、或者加速 度度因此，随动系统这个术语，与位置因此，随动系统这个术语，与位置( (或速度，或速度， 或加速度或加速度) )控制系统是同义语在现代工业中，广控制系统是同义语在现代工业中，广 泛地采用着随动系统例如，采用程序指令的机泛地采用着随动系统例如，采用程序指令的机 床的全自动化操作，就可以应用随动系统来完床的全自动化操作，就可以应用随动系统来完 成成 华中科技大学材料学院 典型的位置随动系统的组成典型的位置随动系统的组成 华中科技大学材料学院 自动调整系统自动调整系统 自动调整系统自动调整系统 自动调整系统是一种反馈控制系自动调整系统是一种反馈控制系 统，统，在这种系

24、统中，参考输入或希望的输出量， 或者保持常量，或者随时间而缓慢地变化，而这 种系统的基本任务，正是要在存在扰动的情况下，基本任务，正是要在存在扰动的情况下， 将实际的输出量保持在希望的数值上用恒温器将实际的输出量保持在希望的数值上用恒温器 作为控制器的室内加温系统，就是一种自动调整作为控制器的室内加温系统，就是一种自动调整 系统系统系统中恒温器的温度给定值(即希望温度 值)，用来与室内的实际温度进行比较室外温度 变化是该系统的扰动调整系统的任务，是保证 所要求的室内温度不受室外温度变化的影响自 动调整系统的例子很多，例如，压力的自动控制 以及电压、电流和频率等电学量的自动控制 华中科技大学材料

25、学院 过程控制系统过程控制系统 过程控制系统过程控制系统 当自动调整系统的输出量是温度、当自动调整系统的输出量是温度、 压力、流量、液面或压力、流量、液面或PHPH值值( (氢离子浓度氢离子浓度) )等这样一些等这样一些 变量时，就叫过程控制系统变量时，就叫过程控制系统过程控制在工业中获 得广泛应用象在加热炉的温度控制中，炉温是根 据预先制定的程序进行控制的，叫做程序控制程 序控制是经常采用的一种过程控制系统例如，预 先制定的程序可以是：炉温在一定的时间间隔内， 先上升到某一给定温度，然后在另一段时间间隔内 再下降到另一给定温度在这类程序控制中，给定 量是按照预先制定的规律变化的而控制器则保证

26、 炉温紧紧地跟随着给定量变化应当指出，大多数 程序控制系统都包含有随动系统，作为系统的积分 部件 华中科技大学材料学院 精馏塔工艺操作工艺要求精馏塔工艺操作工艺要求 1)1)质量指标塔顶或塔底产品之一应保证合乎规定质量指标塔顶或塔底产品之一应保证合乎规定 的纯度的纯度, , 另一产品成分亦应维持在规定范围内。另一产品成分亦应维持在规定范围内。 2)2)物料平衡物料平衡, , 能量平衡以保证塔的平稳操作，当能量平衡以保证塔的平稳操作，当 然塔压是否恒定，对塔的平稳操作有很大影响。然塔压是否恒定，对塔的平稳操作有很大影响。 3)3)约束条件为了使塔正常操作，必须满足一些约约束条件为了使塔正常操作，

27、必须满足一些约 束条件。例如：塔内部气相速度限。束条件。例如：塔内部气相速度限。 太低会使气液接触不好太低会使气液接触不好, , 塔板效率降低，太高会产生塔板效率降低，太高会产生 液泛现象，将完全破坏塔的操作。塔本身还有最高压液泛现象，将完全破坏塔的操作。塔本身还有最高压 力限，越过这个压力，容器的安全就没有保障。力限，越过这个压力，容器的安全就没有保障。 精馏塔的控制精馏塔的控制 华中科技大学材料学院 精馏塔精馏塔 华中科技大学材料学院 1)1)进料量进料量F F波动的影响波动的影响 2)2)进料成分波动的影响进料成分波动的影响 3)3)进料温度波动的影响进料温度波动的影响 4)4)塔的蒸气

28、速度和加热量波动的影响塔的蒸气速度和加热量波动的影响 5)5)回流量及冷剂量波动的影响回流量及冷剂量波动的影响 6)6)塔顶（或塔底）产品量的影响塔顶（或塔底）产品量的影响 精馏塔的干扰因素精馏塔的干扰因素 华中科技大学材料学院 正反馈和负反馈正反馈和负反馈 华中科技大学材料学院 负反馈负反馈：使系统的输出值与目标值的偏差愈来愈小：使系统的输出值与目标值的偏差愈来愈小 正反馈正反馈：使系统的输出值与目标值的偏差愈来愈大：使系统的输出值与目标值的偏差愈来愈大 正反馈并不都是不好的，有的系统需要正反馈正反馈并不都是不好的，有的系统需要正反馈 的作用。如原子弹引爆装置中要用到的裂变链式反的作用。如原

29、子弹引爆装置中要用到的裂变链式反 应。又如在植物保护中，为了消灭有害的昆虫，大应。又如在植物保护中，为了消灭有害的昆虫，大 量繁殖这种害虫的天敌。量繁殖这种害虫的天敌。 华中科技大学材料学院 发电机离心调速系统发电机离心调速系统 1. 1.4 4 系统的几种分类及对控制系统的基本要求系统的几种分类及对控制系统的基本要求 华中科技大学材料学院 发电机离心调速系统框图发电机离心调速系统框图 华中科技大学材料学院 基本特点基本特点 华中科技大学材料学院 稳定性稳定性 被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一 种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反 馈控制系统提出的最基本要求。馈控制系统提出的最基本要求。 快速性快速性 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。 稳定高射炮射角随动系统，