《机械控制工程基础》-1绪论

1、控制工程基础控制工程基础 专业技术基础课专业技术基础课课程性质课程性质: :课程特点：课程特点：内容丰富，技术更新快，内容丰富，技术更新快，紧密联系实际，应用非常广泛。紧密联系实际，应用非常广泛。前导课程：前导课程：高等数学、大学物理、复变函数、高等数学、大学物理、复变函数、电路理论、机械制造技术基础等电路理论、机械制造技术基础等 复习：复变函数复习：复变函数Laplace变换变换自学：自学：Matlab编程。编程。课外补充：课外补充：n教材： 朱骥北主编.机械控制工程基础.机械 工业版社，1999.n参考书目：n杨叔子、杨克冲主编 机械控制工程基础。北京；机械工业出版社，2005；n许贤良、

2、王传礼主编 控制工程基础 。北京；国防工业出版社，2008；n董景新、赵常德主编 控制工程基础 。北京；清华大学出版社，1992n . . .课程教材与主要参考书课程教材与主要参考书 工程控制基础工程控制基础课程说明课程说明教学目标：教学目标： 1. 对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维 方法进行科学分析，以找出问题本质和有效的解决方法方法进行科学分析，以找出问题本质和有效的解决方法2. 如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。达到预定的技

3、术经济指标，为实现最佳控制打下基础。 控制论为理论基础，研究机械工程中广义系统控制论为理论基础，研究机械工程中广义系统的动力学问题；同时，它又是一种方法论。学习本的动力学问题；同时，它又是一种方法论。学习本课程的目的在于使学生结合工程实际，应用经典控课程的目的在于使学生结合工程实际，应用经典控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中的问题其中的问题 。教学内容：教学内容：主要教学内容主要教学内容基础知识基础知识分析方法分析方法 基本概念基本概念控制系统结构体系控制系统结构体系控制系统数学模型控制系统数学模型工工程程控控制制技技术术时域分析时域

4、分析频域分析频域分析系统稳定性判据系统稳定性判据工程应用工程应用系统性能指标系统性能指标 系统校正系统校正 学时安排学时安排一绪论一绪论 4 4 学时学时二物理系统的数学模型和传递函数二物理系统的数学模型和传递函数 6 6 学时学时三瞬态响应和误差分析三瞬态响应和误差分析 8 8 学时学时四频率特性分析四频率特性分析 8 8 学时学时五系统的稳定性五系统的稳定性 6 6 学时学时六系统的综合与校正六系统的综合与校正 4 4 学时学时 复习（实验）：复习（实验）： 4 4学时学时总学时：总学时： 4040学时学时 主要考核环节主要考核环节l课后习题（课后习题（15%）独立完成作业，按时交作业。独

5、立完成作业，按时交作业。到课率、迟到早退情况、回答问题情况、上到课率、迟到早退情况、回答问题情况、上课情况等。课情况等。 l课堂学习（课堂学习（15%）l考试（考试（70%）考试方式：闭卷，题型为单项选择、简答、考试方式：闭卷，题型为单项选择、简答、计算、图解等。计算、图解等。考试要求：搞清基本概念，注意解题方法和考试要求：搞清基本概念，注意解题方法和技巧，注意理论联系实际。技巧，注意理论联系实际。 控制工程基础n1. 绪绪 论论n学习目的 1.搞清控制系统的工作原理、组成及其分类2.了解对控制系统的基本要求3.了解控制工程的发展概况 n内容提要 本章主要阐述控制系统的工作原理、组成及其分类，

6、 重点：控制系统的工作原理 难点：确定系统的输入量和输出量；寻找反馈通道 引言引言控制系统的控制：人工控制与自动控制。控制系统的控制：人工控制与自动控制。自动控制自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器（外加的设备或控制装置），使生产用控制器（外加的设备或控制装置），使生产过程或控制对象（机器、设备）的某个工作状过程或控制对象（机器、设备）的某个工作状态或参数（温度、压力、流量、位移速度等）态或参数（温度、压力、流量、位移速度等）自动地按照预定的规律运行。自动地按照预定的规律运行。 在现代科学技术的众多领域中，自动控制在现代科学技术的众多领域中，自动控

7、制技术起着越来越重要的作用。技术起着越来越重要的作用。控制无处不在控制无处不在 海洋探测机器人海洋探测机器人1990年日本海洋科技中心 研制的“海沟号”缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右） 智能楼宇的控制智能楼宇的控制可视对讲、室内报警、远程家电控制可视对讲、室内报警、远程家电控制.机机电电 机电一体化EV充电系统充电系统电池管理系统电池管理系统汽车照明、汽车照明、电动转向、空调、电动转向、空调、音响、雨刷、安全音响、雨刷、安全报警、电动门窗报警、电动门窗.电电 子子机械机械驱动控制系统驱动控制系统电机驱动系统电机驱动系统控制控制控制控制控制工程基础n1.1 控制系统的工作原理

8、及其组成n1.1.1工作原理工作原理 n实现恒温控制有人工控制和自动控制两种办法。 n图1.1 人工控制的恒温箱控制工程基础n人工调节过程可归结如下：n 1观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱内的温度（被控制量）。n 2与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏差的大小和方向。n 3根据偏差的大小和方向再进行控制。当恒温箱内温度高于所要求的给定温度值时，就移动调压器使电流减小，温度降低。若温度低于给定的值，则移动调压器，使电流增加，温度升到正常范围。控制工程基础图图1.2恒温箱的自动控制系统恒温箱的自动控制系统 n控制系统的工作原理工作原理如下：n1检测输出量的实际值。n2将实际值与给定值（输入

9、量）进行比较得出偏差值。n3用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。这种基于反馈原理、通过“检测偏差再纠正偏差”的系统称为反馈控制系统。可见，作为反馈控制系统至少应具备测量、测量、比较（或计算）和执行比较（或计算）和执行三个基本功能。 控制工程基础控制工程基础 图.3 恒温箱温度自动控制系统职能框图 系统方框图由许多对信号量进行单向传递的元件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。它包括三个基本的单元:(1)引出点(分支点):表示信号的引出或信号的分支，箭头表示信号的 传递方向，线上标记信号的名称，如图(a)所示。(2)比较点(相加点):表示两个或两个以上的信号

10、进行相加或相减。 “+”表示信号相加；“-”表示信号相减，如图(b)所示。(3)元件方框:方框中写入元部件的名称，进入箭头表示其输入信 号；引出箭头表示其输出信号，如图(c)所示。1.1.2 系统方系统方框图框图n1.1.3反馈的概念反馈的概念反馈：将系统的输出以一定的方式返回到将系统的输出以一定的方式返回到系统的输入端并共同作用于系统的过程，系统的输入端并共同作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。称为反馈或信息反馈。反馈是控制系统中一个最基本、最重要的反馈是控制系统中一个最基本、最重要的概念。概念。控制工程基础外反馈（反馈控制）：外反馈（反馈控制）：相对于被控对象而言，由附加的反馈控相对于被

11、控对象而言，由附加的反馈控制装置引起的信息交互。制装置引起的信息交互。内反馈：内反馈：系统内部的信息交互；系统内部的信息交互；反映系统内部元素之间互为因果的联系关系；反映系统内部元素之间互为因果的联系关系；反映系统的动态特性。反映系统的动态特性。控制工程基础控制工程基础n1.2 自动控制系统的分类n1.2.1 按控制系统有无反馈来分n（1）开环控制系统n系统只是根据输入量和干扰量进行控制，而输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响，这样的系统称为开环控制系统。n步进驱动的数控机床、普通洗衣机、家用电烤箱、微波炉等。 23开环控制系统例1被控制对象：炉子

12、被控制对象：炉子被控制量（输出量）：炉温被控制量（输出量）：炉温控制装置：开关控制装置：开关K K和电热丝，对和电热丝，对 被控制量起控制作用。被控制量起控制作用。图14 人工控制的电加热炉 24开环控制系统例2如图如图1-21-2所示，为一个所示，为一个典型的液位控制系统，典型的液位控制系统，H H为为液面高度液面高度( (又称液位又称液位) )，控制，控制的目的在于保持液面高度不的目的在于保持液面高度不变。变。 如果由于阀门如果由于阀门V1V1的开度的开度变化而引起输出流量发生变变化而引起输出流量发生变化时，必然引起液位化时，必然引起液位H H的变的变化，为了保持化，为了保持H H不变必需

13、人不变必需人为地控制阀门为地控制阀门V2V2的开度来改的开度来改变输入的流量，以维持液面变输入的流量，以维持液面高度高度H H不变。不变。 图图1 16 6 液位控制系统液位控制系统示意图示意图25n但是液位但是液位H H的变化却不会自动使阀门的变化却不会自动使阀门V2V2开度发生变开度发生变化，也就是说系统的输出量化，也就是说系统的输出量( (液面高度液面高度) )对系统的对系统的控制作用控制作用( (输入流量输入流量) )没有任何影响没有任何影响 。n这种这种输出量对控制作用没有任何影响输出量对控制作用没有任何影响，或者说，或者说控控制器与控制对象之间只有单向作用而没有反向作制器与控制对象

14、之间只有单向作用而没有反向作用的控制系统称为开环控制系统，用的控制系统称为开环控制系统，框图框图如下：如下：图17 开环控制系统框图 控制工程基础n（2）闭环控制系统）闭环控制系统 n系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，输系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生直接影响，这种系统称为出量对控制过程产生直接影响，这种系统称为闭环控制系统。反馈控制系统必是闭环控制系闭环控制系统。反馈控制系统必是闭环控制系统。统。n离心调速系统离心调速系统 恒温箱（冰箱、空调等）恒温箱（冰箱、空调等） 伺服驱动的数控机床等伺服驱动的数控机床等由11台小型电动机驱动战神汽车“Sojourner”

15、开环向闭环控制的转换例1图.8 闭环控制的电加热炉开环向闭环控制的转换例2 在上述图在上述图1-61-6的开环液的开环液位控制系统位控制系统中，加上一中，加上一个液位的自个液位的自动测量与比动测量与比较装置，如较装置，如右图所示右图所示. .液位控制闭环系统示意图n可以看到可以看到:控制系统的输出量对系统的控制作用有影控制系统的输出量对系统的控制作用有影响（响（“反馈反馈”），或控制器与控制对象之间既有顺），或控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系，故这种控制系统称为闭环控向作用又有反向联系，故这种控制系统称为闭环控制系统。制系统。那么，阀门那么，阀门V1开度变化引起输出流量和液位变化时

16、，开度变化引起输出流量和液位变化时，该装置通过测量和比较，得到实际液位与给定值的偏该装置通过测量和比较，得到实际液位与给定值的偏差，这个偏差信号通过差，这个偏差信号通过执行部件执行部件(图中的伺服电动机图中的伺服电动机)反过来使控制输入流量的阀门反过来使控制输入流量的阀门V2开度自动作相应的开度自动作相应的变化，把液位又调整到原来的高度。变化，把液位又调整到原来的高度。n闭环系统闭环系统: :控制的是控制对象的输出量控制的是控制对象的输出量 ( (被控量被控量) )，测量的是输出量与给定值之间的偏差。，测量的是输出量与给定值之间的偏差。n 因此只要出现偏差，就能自动纠偏，因此只要出现偏差，就能

17、自动纠偏，用它可以用它可以实现准确的控制实现准确的控制, ,因此因此, ,它是自动控制系统工作的它是自动控制系统工作的主要方式。主要方式。闭环控制框图 控制工程基础n（3）半闭环控制系统半闭环控制系统 n控制系统的反馈信号不是直接从系统的输出端引出，而是间接地取自中间的测量元件，则这种系统称为半闭环控制系统。 第一级直角坐标 位置控制（开环）第二级关节坐标 位置控制（闭环）控制工程基础n（4）闭环控制系统的优缺点）闭环控制系统的优缺点n抗干扰能力强，具有自动纠偏能力； n控制精度高n结构复杂，造价高n设计时要着重考虑稳定性问题控制工程基础n（5）闭环控制系统的组成）闭环控制系统的组成n由图可见

18、，闭环控制系统一般应该包括给定元件、反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正元件等。 闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成 控制工程基础n1）给定环节）给定环节 主要用于产生给定信号或输入信号。 n2）反馈环节）反馈环节 它量测被控制量或输出量，产生主反馈信号。一般，为了便于传输，主反馈信号多为电信号。因此，反馈元件通常是一些用电量来测量非电量的元件。n3）比较环节）比较环节 用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差值的偏差信号。n4）放大环节）放大环节 对偏差信号进行放大的元件。n5）执行环节）执行环节 直接对受控对象进行操纵的元件。n6校正环节校正环节 为保证控制质量，使系

19、统获得良好的动、静态性能而加入系统的元件。校正元件又称校正装置。 控制工程基础n1）输入信号（又称输入量、控制量或给定量）：）输入信号（又称输入量、控制量或给定量）：它是控制输出量变化规律的信号。而输入量则又广义地泛指输入到控制系统中的信号，如扰动信号，也包括给定信号。 n2）输出信号（又称输出量、被控制量或被调整）输出信号（又称输出量、被控制量或被调整量）：量）：它的变化规律是要加以控制的，应保持与输入信号之间有一定的函数关系。 n3）反馈信号（或称反馈）：）反馈信号（或称反馈）：从系统（或元件）输出端取出信号，经过变换后加到系统（或元件）输入端，这就是反馈信号。控制工程基础n4）偏差信号（

20、或称偏差）：）偏差信号（或称偏差）：它是控制信号与主反馈信号之差。有时也称为作用误差。 n 控制工程基础n1.2.2 按控制作用的特点来分（1）恒值控制系统（自动调节系统）恒值控制系统（自动调节系统） 系统的输出保持恒值。必为闭环系统。系统的输出保持恒值。必为闭环系统。（2）程序控制系统：系统的输出按预定程序变化。）程序控制系统：系统的输出按预定程序变化。 (a)开环系统开环系统 图图1.6 程序控制系统程序控制系统 (b)闭环系统闭环系统控制工程基础（3）随动系统）随动系统系统的输出相应于输入按任意规律变化。炮瞄雷达系统、仿形加工。 液压仿形车床工作原理图液压仿形车床工作原理图 控制工程基础

21、n1.3 控制工程研究的对象与研究方法控制工程基础机电控制工程的研究对象系 统系 统输入输入输出输出 机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广义系机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广义系统的统的动力学动力学问题。具体地说，它研究的是机械工程广义问题。具体地说，它研究的是机械工程广义系统在一定的外界条件（即输入或激励、干扰）作用下，系统在一定的外界条件（即输入或激励、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

22、究这一的整个动态历程；研究这一系统系统及其及其输入输入、输出输出三者之三者之间的动态关系。间的动态关系。控制工程基础n广义系统广义系统：具备系统要素的一切事物或对象。就其物理形：具备系统要素的一切事物或对象。就其物理形态来说可为机械、电气、液压及光学等工程的系统，也有态来说可为机械、电气、液压及光学等工程的系统，也有可能为社会上的、生物学上的系统。但无论如何，它们的可能为社会上的、生物学上的系统。但无论如何，它们的动态行为都可以用动态行为都可以用微分方程微分方程描述。这种系统在外界条件作描述。这种系统在外界条件作用下所表现出来的动态历程，说明了系统输入、模型与输用下所表现出来的动态历程，说明了

23、系统输入、模型与输出的内在关系。出的内在关系。n机械工程中的广义系统机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加工：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、全球制造过程、操作设备、测量车间、部门、工厂企业、全球制造业等。业等。n动力学问题动力学问题：系统在外界作用（输入或激励、包括外加控：系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制或干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固制或干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）的动态历程（输出有特性（由系统的结构与参数所决定）的动态历程（输出或响应），在这一过程中，系统及其输入、

24、输出三者之间或响应），在这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即为系统的动力学问题。的动态关系即为系统的动力学问题。n下面就以大家熟悉的质量下面就以大家熟悉的质量阻尼阻尼弹簧的机械系统为例加弹簧的机械系统为例加以说明，以说明，例：质量例：质量阻尼阻尼弹簧的机械系统弹簧的机械系统系统的数学模型可由微分系统的数学模型可由微分方程描述。其关系为方程描述。其关系为图1-1 质量-阻尼-弹簧系统)(ty)(tx KB m )()()()(22txtkydttdyBdttydmdtdp 令：kBpmptxtytxtkytBpytymp221)()()()()()(且：则：控制工程基础所谓系统的动

25、态性能（基本动力学问所谓系统的动态性能（基本动力学问题），主要分如下三类：题），主要分如下三类： 1）已知系统的参数m、k、B及输入x(t)，确定输出y(t)；2）已知输入x(t)及输出y(t)，确定系统的参数m、k及B；3）已知系统的参数m、k及B，给定输出y(t)时，确定输入x(t)。 )(ty)(tx KB m 控制工程基础 就系统及其输入、输出三者之间的动态关系而言，控制工程主要研究并解决如下几个方面的问题： 1）系统已定，并且输入已知时，求出系统的输出（响应），并通过输出来研究系统本身的有关问题，即系统分析系统分析； 2）系统已定，且系统的输出也已给定，要确定系统的输入，使输出尽可能

26、符合给定的最佳要求，即系统的最优控制系统的最优控制。3）输入已知，且输出也是给定时，确定系统，使输出尽可能符合给定的最佳要求，即最优设计最优设计。 控制工程基础4 4）当输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，此即系统的识别或系统辨识。5) 5) 当系统已定时，根据输出识别输入或输入中的有关信息，此即为系统的预测。从本质上看，从本质上看，问题问题1 1）是已知系统与输入求输出；）是已知系统与输入求输出；问题问题2 2）已知系统和输出求输入；）已知系统和输出求输入；问题问题3 3）和）和4)4)是已知输入与输出求系统；是已知输入与输出求系统；问题问题5 5）是已知系统与输出和输入。）是已知系统与输出和输入。 本课程主要是以经典控制理论来研究问题本课程主要是以经典控制理论来研究问题1)1)，同时也以适当篇幅来研究其它问题。同时也以适当篇幅来研究其它问题。1.4 控制系统的基本要求n稳定性稳定性 稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。 它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的，与外部条件和初始状态无关。 控制工程基础n1.4 控制系统的基本要求n精确性精确性