机械控制原理01

控制原理机械自动化学院2006年8月

《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。本门课程理论教学内容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本门课程实验教学内容实验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

1.1控制及自动控制系统的概念1.2控制系统的模型1.3控制系统的基本要求1.4控制系统的分类1.5控制理论的发展历史1.绪论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END1.1控制及自动控制系统的概念控制是指一事物对另一事物所施加的约束，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.

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、圆弧等各种差补控制，进给量控制,等等。2.自动控制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(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(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。1.2控制系统的模型1.2.1基本概念(1)信息--系统状态变量不确定性变化量的一种测度。

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。

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。

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(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：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当考虑的问题。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.

例如对于图a所示系统，似乎没有明显的反馈通道。其力平衡方程为：

若其质量m的位移y为系统的输出，则上式可改写为：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)kF-y(b)负反馈

正反馈

l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1正/负反馈液位控制系统

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.(2)反馈控制

如图所示系统,当主轴承受到负荷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。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).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 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。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.1.2.2

闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成2.反馈元件：测量被控制量（输出量），产生反馈信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。电等系统中存在着内在反馈，这种反馈无须专门的反馈元件，是系统内部各参数相互作用产生的，如作用力与反作用力之间形成的直接反馈。注意：在机械、液压、气动、机1.

给定元件：产生给定信号或输入信号。3.比较元件：对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。4.放大元件：对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。5.执行元件：直接对受控对象进行操纵的元件，如电动机、液压马达等。

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，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动。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.)1.3

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.稳定性稳定性可以这样定义：

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。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。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。

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：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.tst0Mp2Δ2.快速性3.精确性稳态误差1.4控制系统的分类1.4.1按输入量的特征分类恒值控制系统：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。1.4.2按系统中传递信号的性质分类

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。1.4.3线性系统和非线性系统线性控制系统：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。用非线性微分方程来表述。方程系数与时间的关系->定常、时变*Back1.5

控制理论的历史和发展前期控制(1400BC-1900)经典控制(1935-1950)现代控制(1950-Now)1.5.1

前期控制（1400BC-1900）中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400BC-1100BC)。亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年).中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)。希腊Philon发明了采用浮球调节器来保持燃油液面高度的油灯。(BC250年)。中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年)中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年)英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)英国J.C.Maxwell发表“论调速器”(OnGovernors)论文(1868年)英国E.J.Routh建立Routh判据(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年)俄国A.M.Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题”(1892年)Back1.5.2

经典控制（1935-1950）美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922)。美国E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929)。美国H.S.Black提出放大器性能的负反馈方法(NegativeFeedbackAmplifier)

(1927)自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人N.Wiener

给出的定义为：

“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”

美国贝尔实验室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响应法。美国Taylor仪器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942)美国的H.Hazen发表“关于伺服结构理论”(TheoryofServome-chanism)(1934)，并在MIT建立伺服机构实验室(ServomechanismLaboratory)(1939)。美国MIT的N.Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C.Shannon提出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著《通信的数字理论》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息论的基础(1948)。MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了NicholsChartDesignMethod，R.S.Philips的工作OnNoiseinServomechanisms，以及Hurwicz

(1947)的数字控制系统(SampledDataSystem)。美国W.Evans提出根轨迹法(RootLocusMethod)

(1948)，以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。多本有关经典控制的经典名著相继出版:Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)L.A.MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms(1945)钱学森的《工程控制论》(EngineeringCybernetics)(1954)……Back1.5.3

现代控制（1950-Now）现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床(1952)美国GeorgeDevol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的JosephEngelberger创立了第一家机器人公司，Unimation。美国的M.E.Merchant提出计算机集成制造的概念(1969)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976)中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986)。日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X(2002)日本安川公司娱乐机械狗(2001)※世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961)。苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N.A.Armstrong送上月球。第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996)旅行者Voyager一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索。美国R.Bellman在RANDCoporation

数学部的支持下，发表著名的DynamicProgramming，建立最优控制的基础(1957)。苏联L.S.Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(MaximumPrinciple)(1956)。美籍匈牙利人R.E.Kalman

发表“OntheGeneralTheoryofControlSystems”等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman

滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础(1960)。美国的E.I.Jury

发表“