机械工程控制基础-绪论

0主讲人：张燕Tel械类专业必修课机械工程控制基础1教学内容1、课程准备2、绪论4、系统的时间响应分析3、系统的数学模型5、系统的频率特性分析6、系统的稳定性分析2课程性质和特点本课程是机械类专业重要的技术基础课，主要介绍应用现代机、电、液技术构成机电液一体化系统的理论与设计方法。涉及的基础知识有工程数学、理论力学、机械设计、电工与电子技术和液压传动技术等，因此要求同学们在学习本课程时应能够经常回顾上述课程的有关内容，达到温故而知新的目的。

机械控制工程基础是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计，《机械控制工程基础》是本学科的技术基础课。课程简介3课程任务

讲述经典控制理论的基本概念、理论和分析方法。本课程的主要学习内容包括：绪论，积分变换，系统的数学模型，时间响应分析，频率特性分析，系统的稳定性分析和系统的性能指标与校正等，属于经典控制论的基本知识。学习目的本课程的学习目的是：使学生逐步学会运用“系统和动态”的观点，以及采用控制理论的方法解决机械工程中的实际技术问题。4基本要求1.掌握经典控制理论的基本概念、基本理论与基本方法；2.能够应用分析法建立简单动力学系统的数学模型；3.能够应用经典控制论分析线性定常系统的动态特性，基本掌握线性定常系统性能校正的方法；4.对于线性系统的时域和频域分析、稳定性分析和性能指标有比较深入的理解。5机械工程控制课程大纲：系统机械系统电器系统液压、气动系统热力系统牛顿定律理论力学欧姆定律、克希夫定律电工学液压与气动拉氏变换理论分析传递函数微分方程2补充时间响应分析3（时域分析）频率特性分析4（频域分析）系统的稳定性5系统性能指标与校正6分析系统特性系统输入输出稳、快、准实验数据系统辨识初步9数学模型6本课程与其它课程的关系：机械控制工程基础电路大学物理电机学复变函数与积分变换模拟电子技术线性代数高等数学各类专业课线性系统现代控制理论7主要参考资料1.机械工程控制基础（第五版）杨叔子等编著华中科技大学出版社2005年7月2.自动控制原理卢京潮主编西北工业大学出版社2009年3.机械控制工程基础朱骥北机械工业出版社2002年1月4.控制工程基础张伯鹏主编清华大学出版社2000年6月

5.自动控制理论（第三版）李友善主编国防工业出版社2012年8月

6.自动控制理论（第三版）皱伯敏主编机械工业出版社2007年6月8第一章绪论1.1发展简史概述1.2研究对象与任务1.3系统及其模型1.4反馈1.5反馈控制系统及其组成1.6控制系统的分类1.7控制系统的基本要求9教学内容1.1发展简史概述10机械械工工业业是是国国民民经经济济中中重重要要的的基基础础工工业业。。机机械械工工业业的的核核心心是是机机械械制制造造工工业业。。当当前前机机械械制制造造技技术术发发展展的的一一个个明明显显而而主主要要的的动动向向是是越越来来越越广广泛泛而而深深刻刻地地引引入入控制制理理论论。从从根根本本上上讲讲，，其其原原因因是是控控制制理理论论以以它它本本身身固固有有的的辨辨证证方方法法顺顺应应了了机机械械制制造造工工程程技技术术发发展展的的趋趋势势。。控制制理理论论在在工工程程技技术术领领域域中中体体现现为为工程程控控制制论论，在在机机械械工工程程领领域域则则体体现现为为机械械工工程程控控制制论论。绪论论—控制制理理论论及及系系统统11一、、自自动动控控制制理理论论发发展展简简史史经典典控控制制理理论论（（19世纪纪初初））以传传递递函函数数为为基基础础，，研研究究单单输输入入－－单单输输出出定定常常控控制制系系统统的的分分析析与与设设计计问问题题。。时域域法法、、复复域域法法（（根根轨轨迹迹法法））、、频频域域法法现代代控控制制理理论论（（20世纪纪50年代代））研究究多多输输入入－－多多输输出出、、时时变变、、非非线线性性、、高高精精度度、、高高效效能能等等控控制制系系统统的的分分析析与与设设计计问问题题。。线性性系系统统自自适适应应控控制制最优优控控制制鲁鲁棒棒控控制制最佳佳估估计计容容错错控控制制系统统辨辨识识集集散散控控制制大系系统统复复杂杂系系统统智能能控控制制理理论论（（20世纪纪70年代代））专家家系系统统模糊糊控控制制神经经网网络络遗传传算算法法1213我国国古古代代自自动动控控制制系系统统方方面面的的成成就就经典控制论论肇源于1788年J.Watt的蒸汽机离离心调速器器所带来的的离心调速速问题。然然而，我国国在自动控控制方面的的发明比西西方早几个世纪纪甚至十几几世纪。如1027年宋代燕肃肃所造的指指南车就是是一例。此此外，在1086~1089年苏颂和韩韩公廉制造造的水运仪仪象台，也也是应用控控制论的实实例。有关指南车车和水运仪仪象台工作作原理可参参见书本14我国古代自自动控制系系统方面的的成就●一千多年年前：铜壶壶滴漏计时时器、指南南针、各种种天文仪器器中国，埃及及和巴比伦伦出现自动动计时漏壶壶中国马钧研制出用齿齿轮传动的的自动指示示方向的指指南车15绪论—控制理论及及系统控制：以人为或自自动的方式式，通过一一定的手段段操纵受控控对象或过过程，使之之按照预定定的规律运运行，并具具有一定的的状态与性性能。161719教学内容1.2机械工程控控制理论的的研究对象象与任务20一、研究对对象2122广义系统：：可大可小，，可繁可简简，甚至可可实可虚，，完全由研研究的需要要而定。23243、系统动力力学问题分分析典型实实例a)输入相异的的单自由度度机械振动动系统参数说明：：m系统质量；；c粘性阻尼系系数；k弹簧刚度绪论—研究对象与与任务同一系统，，不同的外外界作用25b)系统动力学学方程外力f(t)作用下的系系统动力学学方程位移x(t)作用下的系系统动力学学方程绪论—研究对象与与任务左边：输出出右边：输入入26取算子p=d/dt，则力学方方程分别化化为：系统分析：：算子mp2+cp+k由m,c,k决定，反映映与外界无无关的系统统本身固有有特性。算子1和cp+k反映与外界界的关系，，同时受系系统结构和和参数的影影响，即算算子随系统统而变化。。绪论—研究对象与与任务27绪论—研究对象与与任务一般线形系系统，其动动力学方程程为：取算子p=d/dt：算子anpn+an-1pn-1+…+a1p+a0反映映系系统统本本身身的的固固有有特特性性。。算子子bmpm+bm-1pm-1+……+b1p+b0反映映系系统统与与外外界界的的联联系系。。y(t)，ý(t)，…为刻刻画画系系统统动动态态历历程程的的状状态态变变量量y(0)，ý(0)，…为系系统统在在受受外外界界作作用用前前的的初初始始状状态态y(t)为系系统统的的输输出出x(t)为系系统统的的输输入入2829工程程控控制制论论的的研研究究内内容容最优控制问题绪论论—研究究对对象象与与任任务务已知知系系统统和和系系统统的的理理想想输输出出，，设设计计输输入入，，使使系系统统的的输输出出满满足足要要求求。。已知知输输入入和和理理想想输输出出，，设设计计系系统统，，使使输输出出满满足足要要求求。。系统分析问题已知知系系统统和和输输入入，，求求系系统统的的输输出出，，并并通通过过响响应应来来研研究究系系统统本本身身的的问问题题。。最优设计问题30工程程控控制制论论的的研研究究内内容容绪论论—研究究对对象象与与任任务务输出出已已知知，，确确定定系系统统，，以以识识别别输输入入或或输输入入中中的的有有关关信信息息。。系统识别或辩识问题已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，建立系统的数学模型。工程程控控制制论论的的研研究究内内容容滤波与预测问题31例1如图图所所示示的的电电热热水水器器，，为为了了保保持持希希望望的的温温度度，，由由温温控控开开关关接接通通或或断断开开电电加加热热器器的的电电源源。。在在使使用用热热水水时时，，水水箱箱中中流流出出热热水水并并补补充充冷冷水水。。试试说说明明该该系系统统工工作作原原理理并并画画出出系系统统的的方方框框图图。。解：：在电电热热水水器器系系统统中中，，水水箱箱内内的的水水温温需需要要控控制制，，即即水水箱箱为为控制制对对象象。水水的的实实际际温温度度是是被控控制制量量，或或系系统统的的输出出量量，设设为为To，输输入入量量为为用用户户希希望望的的温温度度，，设设为为Ti；由由于于放放出出热热水水并并注注入入冷冷水水或或水水箱箱散散热热等等原原因因而而使使水水箱箱内内水水温温下下降降为为系系统统的的干干扰扰。。当To=Ti时，，测测温温元元件件将将实实际际温温度度转转化化成成电电信信号号，，与与温温控控开开关关预预先先设设定定的的信信号号进进行行比比较较得得到到的的偏偏差差信信号号为为0，此此时时加加热热器器不不工工作作，，水水箱箱中中的的水水保保持持希希望望的的温温度度。。当当注注入入冷冷水水使使To下降降时时，，偏偏差差不不为为0，电电控控开开关关接接通通电电源源使使电电加加热热器器工工作作对对水水加加热热，，直直到到To=Ti为止止。。绪论论—研究究对对象象与与任任务务32系统统工工作作框框图图如如下下：：若要要考考察察水水箱箱中中的的水水温温To能否否保保持持为为希希望望的的温温度度Ti，并通通过过实实际际输输出出的的水水温温To与希希望望的的温温度度Ti之间间的的差差别别，，考考察察各各个个组组成成部部分分的的参参数数是是否否合合理理，，即即为为系统统分分析析问问题题。绪论论—研究究对对象象与与任任务务33教学学内内容容1.3系统统及及其其模模型型34系统统，，广广义义系系统统？？系统统：按一一定定规规律律联联系系在在一一起起的的元元素素的的集集合合。。广义义系系统统：：具有有系系统统要要素素的的一一切切事事物物和和对对象象；；可可大大可可小小，，可可繁繁可可简简，，甚甚至至可可实实可可虚虚，，完完全全由由研研究究的的需需要要而而定定。。绪论论—系统统及及其其模模型型35例如如：：研究究某某一一产产业业集集团团（（甚甚至至包包括括现现在在所所谓谓的的““虚虚拟拟企企业业””或或““企企业业动动态态联联盟盟””））或或某某一一机机器器制制造造厂厂应应如如何何调调整整产产品品生生产产以以适适应应市市场场变变化化的的需需要要时时，，此此集集团团或或此此厂厂就就是是一一个个广广义义系系统统，，市市场场情情况况是是输输入入，，产产品品生生产产情情况况是是输输出出。。研究究某某台台机机床床在在切切削削过过程程中中的的动动力力学学问问题题时时，，切切削削本本身身可可作作为为一一广广义义系系统统；；研究究机机床床所所加加工工的的工工件件的的某某些些质质量量指指标标时时，，这这一一工工件件本本身身可可以以作作为为一一广广义义系系统统；；研究究机机床床操操作作者者在在加加工工过过程程中中的的作作用用时时，，操操作作者者本本身身或或操操作作者者的的思思维维等等可可作作为为一一广广义义系系统统。。绪论论—系统统及及其其模模型型36绪论论—系统统及及其其模模型型二、、机机械械系系统统机械械系系统统：：以实实现现一一定定的的机机械械运运动动，，承承受受一一定定的的机机械械载载荷荷为为目目的的，，由由机机械械元元件件组组成成的的系系统统。。概念念说说明明激励励：：外界界对对系系统统的的作作用用。。（输输入入））响应应：：系统统的的变变形形或或位位移移。。（输输出出））系统统控控制制：：激励励由由人人为为有有意意识识的的添添加加。。扰动动：：由系系统统偶偶然然因因素素产产生生而而一一般般无无法法完完全全认认为为控控制制的的激励励。。37三、、系系统统模模型型绪论论—系统统及及其其模模型型系统统的的模模型型包包括括实物模型、、物理模型型和数学模模型等等。数学模型：：一种用数学学方法所描描述的抽象象的理论模模型，用来来表达一个个系统内部部各部分之之间，或系系统与其他他外部环境境之间的关关系。数学模型又又包括静态模型和动态模型模型是研究系统统、认识系系统、描述述系统以及及分析系统统的工具。38绪论—系统及其模模型动态模型：：用于研究系系统在迅变变载荷作用用下或在系系统不平衡衡状态下的的特性，表表现为微分分方程或差差分方程。。静态模型—现时输出决决定于现时时输入；动动态模型型—现时输出决决定于以前前输入的历历史。静态模型：：反映系统在在恒定载荷荷或缓变载载荷作用下下或在系统统平衡状态态下的特性性，表现为代数数方程。如弹簧模模型。动态模型在在一定的条条件下可以以转换成静静态模型。。39绪论—控制系统及及模型静态模型和和动态模型型分析示例例——机器隔振系系统40绪论—控制系统及及模型若以机器m为隔离体，，以F(t)为激励(不考虑y(t))，以位移x(t)为响应，应应用牛顿第第二定律列列出该系统统的动力学学方程为：：若仍以机器器m为隔离体，，以y(t)为激励(不考虑F(t))，以位移x(t)为响应，应应用牛顿第第二定律列列出该系统统的动力学学方程为：：(a)(b)方程(a),(b)即为该系统统的动态模模型。41绪论—控制系统及及模型若系统运动动很慢，即即有：则上式（a），（b）可化为：：此即系统的的静态模型，实际上x(t)与y(t)之间是一种种代数关系系，即代数方程式式。42教学内容1.4反馈43教学内容反馈：系统的输出出不断地、、直接或间间接地、部部分或全部部地返回，，并作用于于系统。444546数控机床的的工作台的的驱动系统统反馈控制装装置4748根据反馈的的作用，可可分为：49绪论—系统反馈思考题：骑自行车过过程中信息息流动与反反馈？？？？反馈结构图图人骑自行车车时，总是是希望具有有一定的理理想状态（（比如速度度、方向、、安全等）），人脑根根据这个理理想状态指指挥四肢动动作，使自自行车按预预定的状态态运动，此此时，路面面的状况等等因素会对对自行车的的实际状态态产生影响响，使自行行车偏离理理想状态，，人的感觉觉器官感觉觉自行车的的状态，并并将此信息息返回到大大脑，大脑脑根据实际际状态与理理想状态的的偏差调整整四肢动作作，如此循循环往复。。其信息流流动与反馈馈过程可用用下图表示示。工作原理501.5反馈系统的的组成与方方框图5153控制任务：：通过调整滑滑动调压器器的滑动端端的位置来来控制煤气气流量，从从而保持加加热炉炉温温恒定。被控对象：：加热炉被控量（输输出量）：：加热炉炉温温给定量（输输入量）：：Ur测量环节：：热电偶控制装置：：放大器、电电动机、减减速器扰动：干扰并破坏坏系统，使使系统不能能按预期性性能输出信信号。54加热炉T阀门Q减速器θ2电动机θm放大器U给定电位计Ur放大器Ur热电偶ε炉温反馈控控制系统的的方框图55反馈控制系系统框图绪论—控制系统及及模型被控部分给定环节：：即给出输入入信号的环环节，用于于确定被控控对象的目目标值。测量环节：：用于测量被被控量。比较环节：：将输入信号号与反馈信信号相比较较获得偏差差信号。放大及运算算环节：将偏差信号号处理放大大，以便推推动执行环环节。执行环节：：接收放大环环节的信号号，驱动被被控对象按按照预期的的规律运行行。比较环节56反馈控制系系统框图反馈系统主要由控制制部分与被被控部分组组成。控制部分的的功能是接受指令令信号和被被控部分的的反馈信号号，并对被被控部分发发出控制信信号。被控部分的的功能则是接受控控制信号、、发出反馈馈信号，并并在控制信信号的作用用下实现被被控运动。。绪论—控制系统及及模型被控部分比较环节57一个反馈控控制系统的的工作过程程大体上分分为以下几几个步骤：：测量被控制制量的实际际值；将实际值与与给定值进进行比较，，求出偏差差的大小与与方向；根据偏差的的大小与方方向进行控控制以纠正正偏差。简单的讲，，反馈控制制系统的工工作过程就就是一个“检测偏差差并用以纠纠正偏差””的过程。利用偏差概念，正反馈和负负反馈又可表述为为：正反馈：凡是能使系系统的偏差差的绝对值值增大的反反馈；负反馈：凡是能使系系统的偏差差的绝对值值减小的反反馈。绪论—控制系统及及模型反馈自动控控制系统的的特点：利用输入信息与与反馈至输输入处的信信息之间的的偏差对系统统的输出进进行控制，使被控对对象按一定定的规律运运动。58绪论——系统的分类类1.6控制系统的的分类59按反馈情况况开环系统：：系统的输出出对系统没没有控制作作用，系统统没有反馈馈回路。如：步进驱驱动的数控控机床、普普通洗衣机机、家用电电烤箱、微微波炉等。。60闭环系统：：系统的输出出对系统有有控制作用用，系统有有反馈回路路。如：前面提提到的离心心调速系统统、伺服驱驱动的数控控机床、恒恒温箱、冰冰箱、空调调等。61按输出变化化规律6263绪论——系统的分类类1.7控制系统的的基本要求求64系统评价价指标多多样，但但基本和和最重要要是以上上三种；；控制系系统设计计根据需需要各有有侧重。。65五、自动动控制系系统方框框图的绘绘制步骤骤绪论—控制系统统的基本本要求分析控制制系统的的工作原原理，找找出被控控对象；；分清系统统的输入入量、输输出量；；按照控制制系统各各环节的的定义，，找出相相应的各各个环节节；按照信息息流动的的方向，，将各个个环节用用元件方方框和连连线连接接起来。。66回顾顾反馈及反反馈控制制的基本本概念以以及系统统的分类类（1）反馈（（6）开环系系统（2）外反馈馈（（7）闭环系系统（3）内反馈馈（4）负反馈馈（5）正反馈馈2.反馈系统统的组成成及方框框图的绘绘制2个部分5大环节3.控制系统统的基本本要求稳、快、、准67作业1：发动机离离心调速速系统：：68发动机ω阀门Q活塞油缸F液压比例控制器Q杠杆机构M调节弹簧F离心机构F控制部分分被控部分分控制器干扰运算放大环节执行环节测量环节节比较环节节给定环节节系统控制制方框图图如下：：69负反馈原原理将系统的的输出信信号引回回输入端端，与输输入信号号相比较较，利用用所得的的偏差信信号进行行控制，，达到减减少偏差差、消除除偏差的的目的。。——构成闭环环控制系系统的核核心闭环（反反馈）控控制系统统的特点点：（1）系统内内部存在在反馈，，信号流流动构成成闭回路路（2）偏差起起调节作作用70作业2:图示的液液面控制制系统，，图中K为放大器器的增益益，D为执行电电机，N为减速器器。试分分析该系系统的工工作原理理，并在在系统中中找出控控制量、、扰动量量、被控控制量、、控制器器和被控控对象。。系统中M2控制量，，Q为扰动量量，液面面高度为为被控制制量，水水箱为被被控对象象，其余余部分为为控制器器。解:图示是一一种液面面自动控控制系统统，以保保持液面面高度不不变。水水通过阀阀门控制制而进入入水箱，，当水位位不断上上升时，，通过浮浮子使电电位En变化，经经放大控控制电机机转动，，通过减减速器使使阀门关关小，减减少进水水量M2。当水位位下降时时，通过过浮子反反馈，经经电机通通过减速速器使阀阀门开大大。这一一闭环控控制系统统，是用用浮子作作比较器器来比较较实际液液面高度度和所希希望的液液面高度度，并通通过电位位信号控控制电机机来控制制阀门的的开度，，对偏差差进行修修正，从从而保持持液面高高度不变变。12n71系统控制方方框图如下下：水箱h阀门M减速器N电动机D电压及功率放大器Ed浮子Q电位器En希望液面72实例1：下图为一一恒温箱的的温度控制制系统，试试分析这个个系统的自自动调温过过程并说明明这个系统统的输出量量、输入量量、控制量量和扰动量量各是什么么，并画出出系统方框框图绪论—控制系统的的基本要求求73解：在该系统中中恒温箱内内的温度需需要被控制制，因此，，恒温箱位位被控对象象。恒温箱箱的实际温温度为被控控制量（系系统的输出出量），设设为T0(0C)；希望的恒恒温箱的温温度为系统统的输入量量（给定值值），设为为Ti(0C)；加热电阻阻丝的输出出功率为控控制量；而而恒温箱散散热量为系系统的扰动动量。恒温箱的温温度是由给给定的电压压信号u1和热电偶输输出的电压压信号u2之间的偏差差u1-u2控制的。当当T0＝Ti时，即偏差差为零，此此时系统不不工作，恒恒温箱的温温度保持在在希望的温温度上。当当外界因素素引起箱内内温度变化化时，偏差差信号u1-u2≠0，偏差经电电压和功率率放大后，，使电机的的转速和转转向发生改改变