机械控制原理01

1、2006年8月控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院 控制原理是一门专业基础课，主要是学习如何从动力学角度认识和理解事物发展变化的本质属性及其动态过程,以及如何从动力学角度进行工程系统,特别是机械系统的动力学分析、设计和控制。 例如工业机器人就是一种复杂的动力学系统.机械手要沿一条指定的空间运动轨迹将工件从一个位置搬运到另一个位置,除了要考虑机构学、运动学的问题外，还必须考虑诸如惯性力、弹性力、耦合力、摩擦力等动力学问题。控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化

2、学院1. 绪论2. 系统的数学模型3. 时间响应分析4. 频率特性分析5. 稳定性分析6. 系统的性能指标与校正实验1：典型环节及其时间响应实验2：频域响应实验 实验3：线性系统稳定性分析及其校正 控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院1.1 及自动控制系统的概念本章主要介绍自动控制理论的一些基本概念.本章主要教学内容END控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院是指一事物对另一事物所施加的，这种约束具有以下特点 这种约束具有某种不确定性； 这种不确定性的变

3、化可借助信息来表示; 控制的过程就是不断减少这种不确定性的过程。例1.机构运动的约束具有不确定性，但没有利用信息来减少其不确定性,因此控制的精度不高。1 控制的定义例2.倒立摆的起摆过程具有严重的不确定性,但由于充分利用了系统的信息,从而实现精确的起摆控制.控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院 在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器）,使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数(即被控量)自动地按照预定的规则运行。例3 程控机床:自动进刀切削，加工出预期的几何形状直线、圆弧等各种差补

4、控制，进给量控制,等等。2. 自动控制控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院3. 人工与自动控制系统的比较 观测恒温箱内的温度(被控制量). 与要求的温度(给定值)进行比较得到温度偏差的大小和方向. 根据偏差大小和方向调节调压器,控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值.实质: 检测偏差 纠正偏差(1)人工控制恒温箱123控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院(2)恒温箱自动控制系统 温度偏差信号经电压、功率放大后,用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动

5、调压器动触头.当温度偏高时,动触头向减小电流的方向运动,反之加大电流,直到温度达到给定值为止,此时,偏差u=0,电机停止转动. 恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号 u=u1-u2控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院(3) 自动控制系统与人工系统的比较 用传感器代替人的感觉器官进行系统状态检测； 用控制器代替人的大脑进行误差比较，产生控制信号； 用机电装置代替人的手、脚等作执行机构和能量转换装置。相对于人工系统，自动控制系统具有更高的精度，更快的响应

6、速度和更好的可靠性，其工作效率也远非人工系统可比。 但是自动控制系统远比人工系统复杂，其制造、运行、维护的成本也远比人工系统高。控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院(1)信息信息-系统状态变量不确定性变化量的一种测度。u 系统所能提供的信息越多，对系统控制的不确定性就越少，控制精度就可能越高。u 控制系统所关心的是诸如位移、速度、压力等系统信息的传递。因为它们能反映系统的运动状态，有利于消除控制的不确定性。而不象传动系统那样更关心系统功率、能量的传递。u 信息需要通过一定的载体来体现和被利用。如何通过适当的载体，获取和传递

7、有效的信息，是控制系统设计应当考虑的问题。1.信息与信号控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院(2)信号-用于传递、发送信息的载体,它具有一定的能量,并以一定的物质形式出现。如：u 在控制系统中，由于电信号传递、处理最为方便，因此常将各种物理量的信号转换成电信号，如位移、速度、压力、温度、声音等。上、下课的铃声，交叉路口的红绿灯，夏季暴雨前的狂风，炸雷惊响前的闪电u 但在信号的转换和传递中不可避免的存在着诸如转换精度、干扰信号等问题，而导致信息损失，从而影响控制精度。因此在信号处理时，如何降低这种信息损失，也是设计控制系统应

8、当考虑的问题。控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院 反馈反馈 系统输出部分或全部地被反过来作用于系统的输入。2. 反馈与反馈控制(1) 反馈说明 事物自身的状态会影响其周围的环境,而该环境返过来又会使事物的状态发生变化,因此反馈是一种客观存在的现象. 机械系统的动力学特性实际上也是反馈导致的,称之为内反馈,它是系统内部各个元素之间互为因果关系的体现. 当有意将系统的输出引入到系统的输入而形成的反馈称之为外反馈.控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院 例如

9、对于图 a 所示系统，似乎没有明显的反馈通道。其力平衡方程为：kyymF 若其质量m的位移y为系统的输出，则上式可改写为：dtkyFmy1而该式可由图 b 所示框图表示。显然该系统存在内反馈。ymFk (a)m1kF-y(b)控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院负反馈 正反馈 l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1 负反馈的目的是使偏差不断减小,而正反馈只能使偏差不断增加.控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院(2)反馈控制 如图所示系统,当主轴承受到负荷

10、W后,产生偏移e,使p2增加,p1减小,从而使薄膜反馈机构下腔油压增加上腔油压减小,使薄膜产生向上的弯曲变形,导致上腔油压p1减小,下腔油压p2增加,推动轴承上移,抵消负荷的影响. 人为利用反馈,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，称之为反馈控制。n 反馈控制也称为偏差控制,它是在偏差发生了以后才进行控制.反馈控制通常指的是负反馈控制(使偏差减小的控制).控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院3. 开环与闭环控制(1) 开环控制数控机床的开环控制系统方块图优点：简单、稳定、可靠.若组成系统的元件特性和参数值比

11、较稳定,且外界干扰较小,开环控制能够保持一定的精度.缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系且控制单方向进行。控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院 输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。闭环控制也就是反馈控制。(2) 闭环控制优点：精度较高,对外部扰动和系统参数变化不敏感.缺点：存在稳定、振荡、超调等问题,系统性能分析 和设计麻烦.成本相对较高.控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院控制原理第一

12、章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院 控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。 实际的控制系统中，扰动扰动总是不可避免的，扰动分为内内部扰动部扰动和外部扰动。外部扰动。但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。6. 校正元件： 用以改善系统控制质量的装置(不同的系统校正元件的位置可能不同,甚至没有.)控制原理第一章 绪论Scho

13、ol of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院1.3 控制系统的基本要求控制系统的基本要求不稳定稳定 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。1. 稳定性控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院： 当一个实际的系统处于一个平衡的状态时，如果受到外来作用的影响，系统经过一个过渡过程仍然能够回到原来的平衡状态，称这个系统是稳定的，否则称系统不稳定。n 稳定性是控制系统正常工作的先决条件。n 控制系统稳定性由系统结构

14、所决定，与外界因素无关。n 稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时,系统输出的实际值与给定量之间的差值.输出量和输入量产生偏差时,系统消除这种偏差的快慢程度.快速性表征系统的动态性能.控制精度,以稳态误差来衡量注意：注意： 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重. 系统的稳定性、精确性、快速性相互制约,应根据实际需求合理选择.tst0 x to( )xo( )Mp22 . 快速性3. 精确性n

15、稳态误差控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院 恒值控制系统：系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。 程序控制系统：输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如：数控加工系统 随动系统（伺服系统）：输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。控制原理第一章 绪论Sch

16、ool of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院 连续控制系统： 系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。 离散（数字）控制系统： 系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院 线性控制系统： 由线性元件组成,输入输出问具有叠加性和均匀性性质.以线线性微分方程性微分方程来表述。 非线性控制系统： 系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。用非线非线性微分方程

17、性微分方程来表述。方程系数与时间的关系-定常、时变*Back控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院1.51.5 控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院1.5.1 控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院Back控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automa

18、tion武汉科技大学机械自动化学院1.5.2控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院)1 (111121212RRARRVVGAdAARRGdG21控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院Back控制原理第一章 绪论School of Mechan

19、ical Automation武汉科技大学机械自动化学院1.5.3控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院控制原理第一章 绪论School of Mechanical Automation武汉科技大学机械自动化学院控