绪论副本副本

1、1 中国马钧研制出用 齿轮传动的自动指 示 方 向 的 指 南 车 （235年） 英国J. Watt用离心式 调速器控制蒸汽机的 速度（1788年） 2 美国MIT Servomechanism Laboratory 研制出第一台 数控机床(1952) 美国 George Devol研 制出第一台工业机器 人样机(1954) 3 前苏联第一座投入使用 的太空空间站 (1974) 美国第一架航天飞机 原型机企业号(1977) 4 薄板连铸连轧生产线 机器人搬运 汽车焊接生产线 5 1. 绪论 1. 典型环节及其时间响应 2. 系统的数学模型 6. 系统的性能指标与校正 5. 稳定性分析 4. 频

2、率特性分析 3. 时间响应分析 3. 线性系统稳定性分析及 其校正 2. 频域响应实验 6 n 杨叔子等. 机械工程控制基础，华中科技大学出版社， 2005、2013，第5、6版 n 董景新等.控制工程基础,清华大学出版社,2003，第2版 n 李友善.自动控制原理(上册),国防工业出版社，1980 n 裴润等.自动控制原理(上册),哈尔滨工业大学出版社, 2006 n 杨前明等.机械工程控制基础，华中科技大学出版社， 2010 7 本章教学内容本章教学内容 1.1 机械工程控制论的研 究对象与任务 1.2 系统及其模型 1.4 系统的分类及对控制 系统的基本要求 1.3 反馈 本章教学目的本

3、章教学目的 本章的教学旨在使同学 们对本课程的教学内容 有个大致了解，对控制 理论、控制系统的有关 概念有个基本认识，对 机械系统动力学分析方 法能有初步的体会。 8 1.1 机械工程控制论的研究对象及任务 n控制 指一事物对另一事物所施加的强制性约束，对控制系统 而言，这种约束是让某个物理量按一定规律变化。具有以下特点： p具有某种不确定性； p这种不确定性的变化可借助信息来表示； p控制的过程就是不断减少这种不确定性的过程。 n控制论（Cybernetics） 关于在动物和机器中控制和通讯的科 学，研究的是更为广泛的系统里更为一般的控制规律。 n工程控制论 控制论在工程技术领域中的应用，是

4、以一般工程 系统为研究对象，研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。 n机械工程控制论 控制论在机械工程中的应用，主要以机械系 统为研究对象。本课程主要是应用古典控制理论研究单输入单输出 线性系统中系统与其输入、输出之间的动态关系。 9 1.1 机械工程控制论的研究对象及任务：举例 作用着不 同输入的 同一个机 械 系 统 00 )0()0( )()()()( yyyy tftkytyctym 00 )0()0( )()()()()( yyyy tkxtxctkytyctym )()()( 2 tftykcpmp )()()()( 2 txkcptykcpmp dt d p 系统动力 学方程

5、或 数学模型 10 1.2 系统及其模型系统及其模型 n系统系统 由相互联系、相互作用的若干部分或元素，以一定的结 构组成的具有特定功能的整体，即具有以下特性 1.2.1 系统系统 具有整体性 具有相对独立性 具有特定的结构 具有一定的功能，或一定的目的性 要点： (1) 系统整体特性不是组成系统的各元件特性的简单迭加； (2) 系统性能除了与组成系统的元件的性能有关还与元件间相互 结合的形式有关。 11 n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（包括液压系统），如轧 机、机床、交通工具等。 1.2.2 机械系统机械系统 机械系统的激励：外界对

6、系统的作用，也称为系统输入，通 常表现为力/扭矩（载荷）。该作用如果是有意施加的通常可 称之为“控制”，否则就被视为“扰动”。 机械系统的响应：系统在输入作用下所产生的输出，通常表 现为位移（角位移）或变形。 1.2 系统及其模型系统及其模型 12 1.2.3 静态模型与动态模型静态模型与动态模型 n数学模型数学模型 用数学方法并依据物理或专业定律描述一个系统 内部各部分之间、系统与其外部环境之间相互关系的理论模型。 n静态模型静态模型 反映系统在恒定或缓变载 荷作用下，或在平衡状态下的系统特性的 数学模型。静态模型一般用代数方程描述。 n动态模型动态模型 反映系统在迅变载荷作用 下，或在系统

7、不平衡状态下的系统特性的 数学模型。动态模型一般用微分方程或差 分方程描述。 静态模型 动态模型 )()( )()()()( tFtkx tFtkxtxctxm 静态模型的输出取决于当前输入，动态模型的输出则还与历史的 输入有关，且动态模型通常包含静态模型。 13 y m F k kyymF 疲劳试验机在一定条件下可以简化 成一个质量-弹簧系统,系统输入(激 振力 ) 和系统输出(材料的变形 )之 间的关系,可借助于牛顿定律建立该 系统的动态模型： 如果 是一个恒定载荷, 则当系统处于平衡状态 时，可得到系统的静态 模型： kyF 1.2.3 静态模型与动态模型：举例静态模型与动态模型：举例

8、1.2 系统及其模型系统及其模型 14 n反馈反馈 指系统或部件的输出会反过来作用于其输入的现象。 它是系统得以产生动态响应过程的根本原因。 1.3 反馈反馈 1.3.1 机械工程中的反馈控制机械工程中的反馈控制 图1.3.2为静压轴承工作原理，它是利用反馈的原理进行工作的。 15 n反馈控制反馈控制 有意地利用系统输出来改变系统的输入，进而影响 系统输出的控制方法，也称之为闭环控制；又因它是用系统希望 输出与实际输出比较后所得到的偏差进行控制故也称为偏差控制。 1.3 反馈反馈 1.3.1 机械工程中的反馈控制机械工程中的反馈控制 无外反馈（开环系统） 反馈控制（闭环系统） 16 1.3.2

9、 机械系统的内在反馈机械系统的内在反馈 机械系统的内反馈是构成系统的各个要素之间自然而然的相互作用， 其决定了系统的动态响应过程 y m F k (a) kyymF 例如图(a)所示系统，似乎没有明显 的反馈通道，其力平衡方程为： m 1 k F - y (b) dtkyF m y 1 以其质量m的位移y为系统的输出， 则上式可改写为： 该式可用图(b)表示，显然该系统还是存在着反馈通道。 1.3 反馈反馈 17 n按反馈反馈的有无分类 开环系统、闭环系统 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 1.4.1 系统的几种分类系统的几种分类 开环系统开环系统 系统

10、中没有任何一个环节 受到系统输出反馈作用，也称为开环 控制系统。其优点是简单、稳定、可 靠，缺点是精度不高、抗扰动性能差。 闭环系统闭环系统 指系统的输入装置受到系 统输出反馈作用的系统。其优点是精 度高、抗扰动性好，缺点是结构复杂、 控制难度大。 半闭环系统半闭环系统 系统中某个环节（非输入装置）受到系统输出反馈作用，或 输入装置受到系统某个环节（非输出量）的反馈作用。 18 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 1.4.1 系统的几种分类系统的几种分类 自动调节系统自动调节系统 在外界干扰干扰作用下，系统 输出仍能基本保持为常量常量的系统（如恒温控 制、

11、液面控制系统等)。这种系统的输入多为 常值，对稳定性有较高要求。 随动系统随动系统（伺服系统） 系统输出能相应 于输入在广阔范围内按任意规律任意规律变化的系统 (如雷达跟踪、电液伺服系统等)。这种系统对 响应速度有较高要求。 程序控制系统程序控制系统 系统输出按预定程序预定程序变化 的系统(如数控加工系统等)。这类系统可以是 闭环控制，也可以是开环控制。对于闭环程 序控制系统，其性能界于以上两类系统之间。 n按输出变化规律输出变化规律分类 调节系统、随动系统、程序控制系统 19 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 1.4.1 系统的几种分类系统的几种分类

12、n按描述系统的数学模型数学模型分类 线性控制系统线性控制系统 指可用线性微分方程来描述的系统。 非线性控制系统非线性控制系统 指不能用线性微分方程来描述的系统，此种 系统包含着变量中具有非线性关系的元器件。 n按系统中传递信号的性质传递信号的性质分类 连续控制系统连续控制系统 系统中传递的信号都是模拟信号，控制规律是 用硬件组成的控制器实现的。描述此种系统的数学工具是微分 方程和拉氏变换。 离散控制系统离散控制系统 系统中传递的信号有数字信号，控制规律是用 软件实现的，计算机作为系统的控制器。描述此种系统的数学 工具是差分方程和Z变换。 20 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类

13、及对控制系统的基本要求 1.4.1 系统的几种分类：闭环控制系统的构成系统的几种分类：闭环控制系统的构成 n给定环节给定环节 产生给定信号(输入信号、 指令信号),用于确定被控对象的目标 值(期望值)。 n测量环节测量环节 检测被控变量(含输出),并转 换成可用于比较、运算的电量或数字 量。 n比较环节比较环节 将指令信号(系统响应的期 望值)与检测反馈值进行比较,产生可 用于控制器运算的偏差信号。 n放大及运算环节放大及运算环节 该环节就是系统的控 制器,其根据偏差信号产生对系统输出 进行调整的控制信号。 n 执行环节执行环节 将控制器产生的控制信号进行功率放大功率放大和能量形式能量形式的转

14、换, 以驱动被控对象按所要求的规律运动。 21 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 n系统稳定性稳定性 系统抵抗扰动恢复平衡状 态的能力。 p稳定稳定的系统当输出受扰偏离平衡状态时， 其输出能随时间的增长收敛并回到初始 平衡状态。 p稳定性稳定性是系统正常工作的先决条件先决条件。 不稳定系统稳定系统 1.4.2 对控制系统的基本要求：稳定性、快速性和准确性对控制系统的基本要求：稳定性、快速性和准确性 负反馈：误差不断减小 l1 Q1 H Q2 l2 Q1 Q2 l2 H l1 正反馈：误差不断增加 正反馈正反馈系统属于结结 构不稳定构不稳定系统，对 于这类

15、系统，不论 如何调整系统参数 都不可能使系统稳 定下来。 22 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 1.4.2 对控制系统的基本要求：稳定性、快速性和准确性对控制系统的基本要求：稳定性、快速性和准确性 n系统快速性快速性 在系统稳定的前提下，当系统输出量和输入 量之间产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度系统消除这种偏差的快慢程度。它表征系 统的动态性能。 n系统准确性准确性 在调整过程结束后，系统输出量与目标值之 间的偏差程度，常用稳态偏差稳态偏差或静态精度静态精度表示。它反映系统的 稳态性能。 n说明： 不同性质的控制系统，对稳定性、快速性和准确性的要

16、求 各有侧重； 系统的稳定性、快速性、准确性相互制约，应根据实际需 求合理选择。 23 课后作业 第五版教材 2325 页: 1.6 ，1.7 ，1.13 第六版教材 2628 页: 1.6 ，1.7 ，1.13 24 前苏联第一座投入使用 的太空空间站 (1974) 美国第一架航天飞机 原型机企业号(1977) 25 1. 绪论 1. 典型环节及其时间响应 2. 系统的数学模型 6. 系统的性能指标与校正 5. 稳定性分析 4. 频率特性分析 3. 时间响应分析 3. 线性系统稳定性分析及 其校正 2. 频域响应实验 26 1.1 机械工程控制论的研究对象及任务：举例 作用着不 同输入的 同

17、一个机 械 系 统 00 )0()0( )()()()( yyyy tftkytyctym 00 )0()0( )()()()()( yyyy tkxtxctkytyctym )()()( 2 tftykcpmp )()()()( 2 txkcptykcpmp dt d p 系统动力 学方程或 数学模型 27 1.2 系统及其模型系统及其模型 n系统系统 由相互联系、相互作用的若干部分或元素，以一定的结 构组成的具有特定功能的整体，即具有以下特性 1.2.1 系统系统 具有整体性 具有相对独立性 具有特定的结构 具有一定的功能，或一定的目的性 要点： (1) 系统整体特性不是组成系统的各元件特性的简单迭加； (2) 系统性能除了与组成系统的元件的性能有关还与元件间相互 结合的形式有关。 28 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 1.4.1 系统的几种分类：闭环控制系统的构成系统的几种分类：闭环控制系统的构成 n给定环节给定环节 产生给定信号(输入信号、 指令信号),用于确定被控对象的目标 值(期望值)。 n测量环节测量