机械控制工程学——绪论

1、控制工程基础实验课老师：王荣杰实验课老师：王荣杰办公室办公室: 工学院楼工学院楼470 、444任课教师：任课教师： 苏亦白苏亦白办公室办公室: : 工学院楼工学院楼467467 本课程安排 教材 机械工程控制基础 杨叔子等编著 个实验）学时（实验学时上课学时483240本课主要内容自动控制的一般概念自动控制的一般概念 （第一章）（第一章）控制系统的数学模型控制系统的数学模型 （第二章）（第二章）线性系统的时域分析法线性系统的时域分析法 （第三章）（第三章）线性系统的频域分析法线性系统的频域分析法 （第四章）（第四章）线性系统的稳定性分析线性系统的稳定性分析 （第五章

2、）（第五章）线性系统的校正方法线性系统的校正方法 （第六章）（第六章）1.0 1.0 控制理论控制理论应用应用(Application of Control Theofy)1.0.11.0.1 应用实例应用实例1.1.农业农业生产领域生产领域自动灌溉系统自动灌溉系统植物温室温度和湿度自动控制系统植物温室温度和湿度自动控制系统2 2、军事、航天军事、航天领域领域 火炮跟踪系统火炮跟踪系统我国神舟载人宇宙飞船我国神舟载人宇宙飞船人造卫星人造卫星雷达跟踪系统雷达跟踪系统3、工业工业领域领域 产品加工和物流调配的自动控制；石油化工生产过程、产品加工和物流调配的自动控制；石油化工生产过程、造纸、工业窑炉

3、、轧钢过程的自动控制等。造纸、工业窑炉、轧钢过程的自动控制等。 宝钢冷轧带钢监测系统宝钢冷轧带钢监测系统机械手机械手4、商业商业领域领域商业商业设备、仓储自动化设备与系统、物流监控设备、仓储自动化设备与系统、物流监控管理。管理。自动送货车自动送货车 5、日常生活、日常生活机器狗机器狗电冰箱电冰箱空调空调6、交通车速如何保持不变？车速如何保持不变？汽车巡航定速汽车巡航定速u人工控制方式人工控制方式测量实际液面的测量实际液面的高度高度-用眼用眼实际液面高度与希望液面高度实际液面高度与希望液面高度相比较相比较-用脑用脑按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决

4、定控制动作动作-用手用手液液位控制系统位控制系统手动控制靠人的观测与操作手动控制靠人的观测与操作1.0.2 应用实例分析应用实例分析图图1-1水池液面控制系统水池液面控制系统图图1-2 1-2 液面人工控制系统的方框图液面人工控制系统的方框图人工人工控制中有三种职能作用：测量、比较和执行，而在自动控制中有三种职能作用：测量、比较和执行，而在自动控制系统中也必须有这三控制系统中也必须有这三种。种。自动控制系统自动检测水位与控制阀门自动控制系统自动检测水位与控制阀门1.1自动控制自动控制理论的发展历程理论的发展历程1 、 经典控制理论（经典控制理论（ 4050年代形成）年代形成）主要研究对象：主要

5、研究对象：单输入单输入单输出线性定常系统单输出线性定常系统主要分析方法主要分析方法: 传递函数，频率法，传递函数，频率法，PID调节器调节器 (频域频域)主要主要数学工具：常微分方程和复变函数。数学工具：常微分方程和复变函数。自动控制是一门年轻的学科自动控制是一门年轻的学科,它在它在20世纪世纪40年代末才形成。年代末才形成。经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论智能智能控制理论控制理论2 、现代控制理论（、现代控制理论（ 6070年代形成年代形成）主要主要研究对象：多输入研究对象：多输入多输出系统、时变系统多输出系统、时变系统主要主要分析方法分析方法:状态空间分析法，最优控制状态空

6、间分析法，最优控制所所用数学工具：微分方程、线性代数及数值计算。用数学工具：微分方程、线性代数及数值计算。3 、智能控制、智能控制技术（技术（ 90年代开始发展年代开始发展） 智能控制智能控制方法在较深层次上模拟人类大脑的思维判断过程方法在较深层次上模拟人类大脑的思维判断过程，通，通过过模拟人类思维判断的各种算法实现控制模拟人类思维判断的各种算法实现控制。主要主要有模糊控制、人工神经网络控制、专家控制等。有模糊控制、人工神经网络控制、专家控制等。三种理论应用情况三种理论应用情况经典理论：接近经典理论：接近90现代理论：现代理论：10智能理论：智能理论：0.01以内以内由此可见，经典控制理论是基

7、础，它非常有成效地解决单由此可见，经典控制理论是基础，它非常有成效地解决单输入输入单输出线性定常系统的分析与设计，是解决一般工单输出线性定常系统的分析与设计，是解决一般工程问题的基本方法。程问题的基本方法。一、工程控制论研究的是当系统与输入已知时，求系统的输出，并通过输出来研究系统本身的有关问题，研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。1.2课程课程研究对象与任务研究对象与任务例1 小车运动系统ump2+cp+k 为方程左边的算子，它由系统本身的结构为方程左边的算子，它由系统本身的结构与参数所决定，反映了与外界无关的系统本身的固有特性。与参数所决定，反映了与外界无关的系统本身的固有特性。

8、u1为方程为方程的右边的算子，反映了系统与外界的关系。的右边的算子，反映了系统与外界的关系。 )()()(2tftykcpmp令令p=d/dt 则则m-c-k系统系统f(t)y(t)dttdydtdyyytftkydttdycdttydm)()0(,)0()()()()(0022二、机械工程控制的具体方法，已知系统的数学二、机械工程控制的具体方法，已知系统的数学模型和输入，分析系统的输出，并根据分模型和输入，分析系统的输出，并根据分析计算结果对系统进行校正，以期达到较析计算结果对系统进行校正，以期达到较理想的输出状态。理想的输出状态。三、本课是一门理论分析课，主要研究线性控制三、本课是一门理论

9、分析课，主要研究线性控制系统，所用数学工具主要是系统，所用数学工具主要是线性微分方程线性微分方程和和Laplace变换变换及及Foruier变换变换，前期，前期的基的基础知识础知识主要是主要是工程力学工程力学和和电工学电工学。1.3 1.3 反馈反馈工作台工作台步进电机步进电机驱动电路驱动电路控制命令控制命令移动量移动量（输入）（输入）（输出）（输出）丝杠丝杠工作台工作台步进电机步进电机驱动电路驱动电路控制命令控制命令移动量移动量（输入）（输入）（输出）（输出）丝杠丝杠放大器放大器工作台无反馈控制原理图工作台无反馈控制原理图工作台有反馈控制原理图工作台有反馈控制原理图例：数控例：数控机床工作台

10、的驱动系统机床工作台的驱动系统反馈反馈:将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入 信号信号比较的过程，称为反馈。比较的过程，称为反馈。 内内反馈反馈:在系统中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。在系统中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。外外反馈反馈:在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加 入入的反馈，称为外反馈。的反馈，称为外反馈。正反馈正反馈:反馈信号与输入信号相加，使偏差信号增大的反馈。反馈信号与输入信号相加，使偏差信号增大的反馈。负反馈负反馈:反馈信号与输入信号相减，使偏差信号减小

11、的反馈。反馈信号与输入信号相减，使偏差信号减小的反馈。1、按、按反馈情况分反馈情况分开环系统开环系统：一个系统以所需要的方框图表示而没一个系统以所需要的方框图表示而没有反馈回路。有反馈回路。1.4.1、系统的几种分类1.4系统系统分类及基本要求分类及基本要求开环控制的优缺点：开环控制的优缺点：结构简单，所用元器件少；结构简单，所用元器件少； 系统没有抗扰动功能，系统没有抗扰动功能，精度低，精度低，因而大限制了系统的应用范围。因而大限制了系统的应用范围。输入装置电机转速开环控制系统闭环系统：一个系统以所需要的方框图表示而存在反馈回路。闭环控制的优点：闭环控制的优点： 设计不合理时，将出现设计不合

12、理时，将出现不稳定不稳定。在开环控制系统中。在开环控制系统中不存在同样的问题。不存在同样的问题。由此带来的问题：由此带来的问题：抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好等。抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好等。电机转速闭环控制系统2、 按输出变化规律分自动调节系统自动调节系统：在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本：在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保持为常量的系统。保持为常量的系统。随动（伺服）系统随动（伺服）系统：在外界条件作用下，系统的输出能相：在外界条件作用下，系统的输出能相应于输入在广阔范围内按任意规律变化的系统。应于输入在广阔范围内按任意规律变化的系统。（高射炮（高射炮跟踪敌机系统）

13、跟踪敌机系统） 程序控制系统程序控制系统：在外界条件作用下，系统的输出按预定的：在外界条件作用下，系统的输出按预定的程序变化的系统。（数控机床）程序变化的系统。（数控机床） 3、闭环控制系统组成 u输入环节：它是给出输入信号输入环节：它是给出输入信号 的环节，用于确定被控对象的的环节，用于确定被控对象的“目标值目标值”。u反馈环节：它用于测量被控变量，并将其转换为便于传送的另一物理量。反馈环节：它用于测量被控变量，并将其转换为便于传送的另一物理量。u比较环节比较环节：输入信号与反馈信号进行比较，得到：输入信号与反馈信号进行比较，得到偏差信号偏差信号 u控制环节：对偏差信号进行放大运算，给出控制

14、信号。控制环节：对偏差信号进行放大运算，给出控制信号。 u执行环节：接受控制信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。执行环节：接受控制信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。 ixibxx 闭环控制系统的特点: 利用输入信号与反馈信号的偏差对系统的输出进行控制，使被控对象按一定的规律运行。 抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好等。由此带来的问题： 设计不合理时，将出现不稳定。在开环控制系统中不存在同样的问题。 闭环控制系统的工作过程：1.测量被控制量的实际值；2.将实际值与给定值进行比较，求出偏差的大小与方向；3.根据偏差的大小与方向进行控制以纠正偏差。1.5 对控制系统的基本要求工程上常从稳、快

15、、准三个方面来评价控制系统。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。 稳：稳： 指动态过程的平稳性。指动态过程的平稳性。 快：快： 指动态过程的快速性。指动态过程的快速性。 准：准： 指动态过程的最终精度。指动态过程的最终精度。1、系统的稳定性：是控制系统正常工作的首要条件，且是重要条件。稳定性是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。系统在输入作用系统在输入作用下下，期望期望输出与输入一致。输出与输入一致。曲线曲线逐渐接近逐渐接近输入，输入，系统系统是稳定是稳定的；反之的；反之如如曲线曲线，系统系统是不稳定的。是不稳定的。2、响应的快速性：当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏

16、差时，消除这种偏差的快慢程度。快速性即动态过程进行的快速性即动态过程进行的时间长短时间长短。过程时间越短，说明系统。过程时间越短，说明系统快速性越好快速性越好，如曲线如曲线 ；反之反之说明系统响应迟钝，如曲线说明系统响应迟钝，如曲线。3、响应的准确性：在过渡过程结束后输出量与给定的输入量的偏差，称为静态偏差或稳定精度 。以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。系统的稳、快、准的要求是相互制约的。稳和快

17、反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。系统的动态精度高。Matlab知识体系(a)图工作原理：出水量与进水量一致，系统处于平衡状态，液位高度保持在给图工作原理：出水量与进水量一致，系统处于平衡状态，液位高度保持在给定值值。当出水量大于进水量，液位降低，浮子下沉，通过连杆使阀门开大，定值值。当出水量大于进水量，液位降低，浮子下沉，通过连杆使阀门开大，使得进水量增大，液位逐渐回升；当出水量小于进水量，液位升高，浮子上升，使得进水量增大，液位逐渐回升；当出水量小于进水量，液位升高，浮子上升，通过连杆使阀门关小，液位逐渐降低。通过连杆使阀门关小，液位逐渐降低。若将若将(a)改为改为(