第二讲熊良才、陈

1、制作：华中科技大学熊良才、吴波、陈良才西北工业大学明德学院主讲教师：刘雪梅机械工程控制基础 1.1 引言 1.2 控制工程的发展 1.3 自动控制系统的基本概念 1.4 控制理论在机械制造业工业中的应用 1.5 课程主要内容及学时安排制作：华中科技大学熊良才、吴波、陈良才对控制系统，可从不同的角度分类1.按反馈情况开环控制系统：系统没有反馈回路，输出对系统无控制作用。如：步进驱动的数控机床、普通洗衣机 家用电烤箱、微波炉、普通电风扇四、控制系统的分类制作：华中科技大学熊良才、吴波、陈良才闭环控制系统：有反馈回路，输出对系统有控制作用。如：前例中的离心调速系统 伺服驱动的数控机床 恒温箱(冰箱、

2、空调) 人骑自行车2. 按给定信号的形式 恒值系统 / 随动系统 / 程序控系统3. 按是否满足叠加原理 线性系统 / 非线性系统4. 按参数是否随时间变化 定常系统 / 时变系统5. 按信号传递的形式 连续系统 / 离散系统6. 按输入输出变量的多少 单变量系统 / 多变量系统本课程只涉及：线性、定长、连续、单输入单输出系统五、对控制系统的基本要求1. 稳：（基本要求） 系统由于存在惯性，当系统的各个参数分配不当时，将会引起系统的振荡，以致越来越远离平衡位置而失去工作的能力。稳定性是指系统抵抗动态过程振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。输出量偏离平衡状态后应该随着时间的延长而收敛，并最后回

3、到初始的平衡状态。控制系统的稳定性是由系统的结构所决定，与外界因素无关。2. 准：（稳态要求） 是衡量系统工作性能的指标，是指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差程度。控制精度 ，以稳态误差来衡量。五、对控制系统的基本要求3. 快：（动态要求） 快速性指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。注： 由于被控对象的具体情况不同，因此各种系统对稳准快的要求各有侧重。 系统的稳定性、准确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。制作：华中科技大学熊良才、吴波、陈良才 1.1 引言 1.2 控制工程的发展 1.3 自动控制系统的基本概念 1.4 控制理论在机械制造

4、业工业中的应用 1.5 课程主要内容及学时安排第一章 绪论 机电工业是我国最重要的支柱产业之一，而传统的机电产品正在向机电一体化方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化。 机电控制型产品技术含量高，附加值大，在国内外市场上具有很强的竞争优势，形成机电一体化产品发展的主流。当前国内外机电结合型产品，诸如典型的工业机器人，数控机床，自动导引车等都应用了广泛的控制理论。1.4 控制理论在机械制造业工业中的应用控制工程理论在机械制造领域中应用最为活跃的主要有： 1、在机械制造过程中自动化方面。机械制造过程正在向“自动化”与“最优化”“可靠性”方向结合，以及机电一体化的方向发展，如机床的数字

5、控制；自适应控制和柔性自动生产线；工业机器人的应用；部件及产品的自动装配；产品的自动和半自动测量和检验；计算机集成制造系统CIMS等。 2、在加工过程的研究方面。现代生产一方面是生产效率越来越高；一方面是加工精度越来越高。使加工过程中的“动态效应”不容忽视。这就要求把加工过程如实的作为一个动态系统加以研究。制作：华中科技大学熊良才、吴波、陈良才 3、在产品与设备设计方面。在充分考虑产品与设备的动态性能的条件下，密切结合其工作过程，建立它们的数学模型，采用计算机进行优化设计，包括计算机辅助设计和试验的研究。 4、在动态过程或参数测试方面。以往的测量一般是建立在静态基础上（特别是几何量的测量），而

6、现在以控制理论为基础，以信息技术为手段的动态测试技术发展十分迅速。动态误差、动态位移、振动、噪声、动态力与动态温度等动态物理量的测量，从基本概念、测试方法、测试手段到测试数据的处理方法无不同控制理论息息相关。 总之，控制理论、计算机技术同机械制造技术的结合、机电的结合和一体化，将促使这一领域中的试验、研究、设计、制造、管理等各个方面发生巨大的变化。制作：华中科技大学熊良才、吴波、陈良才 1.1 引言 1.2 控制工程的发展 1.3 自动控制系统的基本概念 1.4 控制理论在机械制造业工业中的应用 1.5 课程主要内容及学时安排第一章 绪论1.5 课程主要内容及学时安排第一章 自动控制的一般概念

7、 第二章 控制系统的数学模型第三章 线性系统的时域分析第四章 线性系统的频域分析第五章 系统的性能指标与校正1.5 课程主要内容及学时安排 本章小结1. 自动控制的一般概念 机械控制工程研究的问题 控制系统的基本组成 控制系统的分类 对控制系统的要求 课程研究的内容 2. 要求掌握的知识点 负反馈控制系统的特点及原理 由系统工作原理图绘制方框图第二章 系统的数学模型2.1 引言2.2 系统的微分方程2.3 拉氏变换及反变换2.4 系统的传递函数2.5 系统的传递函数方框图及其简化第二章 系统的数学模型2.1 引言数学模型 描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系 的数学表达式。 建立控制系

8、统的数学模型，并在此基础上对控制系统进行分析、综合，是控制工程的基本方法。时域模型 微分方程复域模型 传递函数、结构图、信号流图频域模型 频率特性(Bode图、Nyquist图)控制系统的数学模型建模方法实验法（系统辨识法） 给系统施加某种测试信号，记录输出响应，并用 适当的数学模型去逼近系统的输入输出特性。 解析法（机理分析法） 根据系统工作所依据的物理定律列写运动方程。 数学模型应能反映系统的内在的本质特征，同时应对模型的简洁性和精确性进行折中考虑。第二章 系统的数学模型2.1 引言2.2 系统的微分方程2.3 拉氏变换及反变换2.4 系统的传递函数2.5 系统的传递函数方框图及其简化建立

9、数学模型的一般步骤1. 分析系统工作原理和信号的传递变换的过程，确定系统和各元件的输入、输出量；2. 从输入端开始，按照信号传递变换过程，依据各变量遵循的物理学定律，依次列写出各元件、部件的动态微分方程；3. 消去中间量变，得到描述元件或系统输入、输出变量之间关系的微分方程；4. 标准化：右端输入，左端输出，导数降幂排列。线性定常系统微分方程的一般形式2. 2. 1 线性元部件及系统的微分方程例1 R-L-C 串连电路例2 弹簧质量阻尼器系统 机电控制系统的受控对象是机械系统。在机械系统中，有些构件具有较大的惯性和刚度，有些构件则惯性较小、柔性较大。在集中参数法中，我们将前一类构件的弹性忽略将其视为质量块，而把后一类构件的惯性忽略而视为无质量的弹簧。这样受控对象的机械系统可抽象为质量弹簧阻尼系统。 机械系统中以各种形式出现的物理现象，都可以简化为质量、弹簧和阻尼三个要素。电枢回路： 基尔霍夫电枢反电势： 楞次定律电磁力矩： 安培定律力矩平衡： 牛顿定律电机时间常数(s) 电机传递系数(rad/sV)消去中间变量 i, Mm , Eb 可得：例3 电枢控制式直流电动机磁场中运动的导体会产生感应电动势Faraday 小结 物理本质不同的系统，可以有相同的数学模型，从而可以抛开系统的物理属性，用同一方法进行具有普遍意义的分析研究（信息方法）。 从动态性能看，在相同