机械控制工程课件 第一章 绪论

*第一章绪论§1-1概述一、研究对象和任务

当前机械制造一个新的发展方向，是运用控制理论、微电子、计算机技术和机械工程等学科方面的理论和技术来提高生产效能、质量并推出新产品。

“机械控制工程”是一门控制理论和机械工程结合的新兴的技术科学，是一门边缘学科，它是研究用控制理论的基本原理解决机械工程中的实际技术问题。例：离心式飞球调速器*第一章绪论发动机

高压供油路

喷油泵

离心式飞球调速器

*第一章绪论1、组成？2、原理？3、能否很好的工作？（即在输入负载作用下，输出能否达到要求？需要一套完整的理论解决它，这套理论就是控制理论。）

可见，它实质是研究工程技术中广义系统的动力学问题，研究系统在外界条件作用下，从系统的一定初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性所决定的整个动态历程。研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。本课程主要研究当系统已定，输入已知时，求出系统的输出，并通过输出来研究系统本身的有关问题，即系统分析。

*第一章绪论例：水钟（如右图所示）这套漏壶是我国现存最完整的成组型滴漏。元代仁宗延祐三年（公元1316年）铸造*第一章绪论例：飞球调节器机械装置用来测量驱动杆的转速并利用飞球的转动来控制阀门，进而控制进入蒸汽机的蒸汽流量。*第一章绪论

学习控制工程基础所要解决的两个问题：

目的：1、分析给定控制系统的工作原理、稳定性、和过渡过程品质；

2、根据实际需要进行控制系统的设计，并用机、电、液、光等设备来实现这一系统。

前者是分析系统，后者是系统的综合和设计。无论解决哪类问题，都必须具有丰富的理论知识，同时能以系统的而不是孤立，动态的而不是静态的观点和方法来处理问题，达到预期的目的。*第一章绪论二、控制理论的发展过程

1．1765年瓦特（JamsWatt）发明了蒸汽机，1788年发明了蒸汽机离心式飞球调速器，2．1868年麦克斯威尔（J.C.Maxwell）发表“论调速器”文章；从理论上加以提高，并首先提出了“反馈控制”的概念；3．劳斯（E.J.Routh）等提出了有关线性系统稳定性的判据4．20世纪30年代奈奎斯特（H.Nyquist）的稳定性判据，伯德（H.W.Bode）的负反馈放大器；5．二次世界大仗期间不断改进的飞机、火炮及雷达等，工业生产自动化程度也得到提高；6．1948年维纳（N.Wiener）通过研究火炮自动控制系统，发表了著名的“控制论—关于在动物和机器中控制和通讯的科学”一文，奠定了控制论这门学科的基础，提出了控制论所具有的信息、反馈与控制三要素；7．1954年钱学森发表“工程控制论”*第一章绪论二、控制理论的发展过程

8．50年代末开始由于技术的进步和发展需要，并随着计算机技术的快速发展，使得现代控制理论发展很快，并逐渐形成了一些体系和新的分支；9．当前现代控制理论正向智能化方向发展，同时正向非工程领域扩展（如生物系统、医学系统、经济系统、社会系统等）。10.国内：

1949.上海交大张钟俊伺服系统，

1950.清华大学钟士模自动调节原理，

1970末清华及全国一些重点大学现代控制理论及最优控制，

80年代最优自适应辨识随机大系统鲁棒，

90年代模糊智能CIMS信息技术，网络。*第一章绪论三、控制理论的内容分类1、古典控制理论用频域法、时域法解决单输入、单输出线性定常系统的问题。时域法→在时间域内解决问题频域法→在频率域内解决问题2、现代控制理论用时域法（状态空间法）解决多输入、多输出的线性及非线性时变系统的问题及最优控制问题。*第一章绪论四、控制论的应用

现代科学和技术的发展，控制理论无论是在军事上，民用上都得到了发展。开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制；后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制；目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等；生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官；经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论。*第一章绪论四、控制论的应用

1.自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。2.自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。3.某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。*第一章绪论五、本课程的特点和学习方法

1、特点

1）比较抽象分析问题的方法与其他课程不同，用“系统”的、“动态的”观点来定量（定性）地分析研究问题。用抽象的数学模型分析。

2）起点比较高数学概念和知识用的比较多，拉氏变换、物理电工定律、力学三大定律、克希藿夫定律等。

3）系统性强*第一章绪论2、学习方法

1）尽量结合已学知识，并在今后的专业课学习中注意运用；

2）运用的数学工具较多，还涉及力学、电工、液压、机械原理及机械零件等多门学科，注意复习和综合运用这些知识；

3）本课程比较抽象和概括，特别注意他们的物理概念的理解，既要结合实际又要善于思考；

4）

多看参考书；

5）

重视习题。*第一章绪论3、课程的教学目标与基本要求通过本课程的学习，使学生掌握有关自动控制、自动控制系统的基本概念，掌握有关经典控制理论的基本概念、基本理论和基本方法，能够运用反馈原理解决实际中的相关问题，提高分析问题和解决问题的能力。要求掌握自动控制系统的基本组成、线性系统数学建模以及系统分析与设计的基本方法，能进行典型控制系统的分析和设计。考核采用闭卷笔试形式，学习成绩将根据平时作业及考试成绩综合评定。该课程在教学组织时应根据不同专业的特点，不同专业的要求，具有针对性的教学。在教材的选用、教学方式的组织、及课内课外时数的分配上有所区别。考核方式为闭卷笔试加平时作业。本课程将为培养学生运用控制原理的方法，分析和解决各种工程问题奠定扎实的理论基础。*第一章绪论本课程中各章节之间的关系

*第一章绪论§1-2控制系统的基本概念一、自动控制系统的基本工作原理

1、系统→是由相互制约的各部分组成的具有一定功能的整体。

2、自动控制→利用控制装置自动的操纵机器设备或生产过程使其具有希望的状态或功能。例：化工过程的反应塔

数控机床

雷达、指挥仪、火炮控制系统

人造地球卫星

……

3、自动控制系统→就是在没有人的直接参与下，利用控制器使生产过程或被控制对象的某一物理量准确地按预期的规律运行的设备或装置。

*第一章绪论

自动控制系统要解决的最基本的问题就是如何使受控对象的物理量按照给定的变化规律变化。（如液位控制、手表等）

组成：控制装置对被控对象起控制作用的设备的总体。

被控对象

要求实现自动控制的机器、设备和生产过程。

自动控制系统的基本方式：开环控制闭环控制

实现自动控制的优点：

1）提高生产效率、降低能源消耗。

2）大大减轻体力、脑力劳动。

3）生产安全、废品少、提高产品的可靠性。*第一章绪论

例:恒温箱

加热电阻丝

温度计

调压器

～220V

恒温箱人工控制系统

*第一章绪论

例:恒温箱（人工控制系统）输入信号：电流i(t)（时间的函数）输出信号：炉温T控制装置：开关k，电阻丝被控对象：炉子检测元件：温度计执行元件：调压器控制过程：检测比较调整（温度计、眼）（脑）（调压器肢体）*第一章绪论

例:恒温箱

u2

u1

电热偶

加热电阻丝

给定信号

电压放大器

功率放大器

执行电动机 减速器

调压器

⊿u

～220V

比较

恒温箱自动控制系统

*第一章绪论

例:恒温箱（自动控制系统）输入信号：电流i(t)（时间的函数）输出信号：炉温T被控对象：炉子检测元件：热电偶执行元件：电机齿轮装置比较环节：由电路实现（热电偶---可将温度信号变为电信号，由些金属冷端和热端之间有压差，不同的金属压差不同）控制过程：检测比较调整（热电偶）（电路）（电机齿轮、调压器）*第一章绪论

不管是人工控制还是自动控制，控制具有以下三个步骤：检测被控制量，将所测得的被控制量与给定值比较，得出偏差，用偏差产生的调节作用来消除偏差。“检测偏差，消除偏差”，前四个字是手段，后四个字是目的。这一过程周而复始。*第一章绪论§1-2控制系统的基本概念二、反馈控制系统及工作原理1、反馈---把输出量（被控制量）部分或全部送回输入端，并与输入信号比较的过程。2、反馈原理---基于反馈基础上的“检测偏差，纠正偏差”的控制原理。3、反馈控制系统---利用反馈原理组成的系统，亦称闭环控制系统。

a)

测量、反馈

b)

求偏差

c)

纠正偏差正反馈：凡是后输出的信息与原输出的信息起着相同的作用，使总的输出增大的反馈调节。负反馈：凡是后输出的信息与原输出的信息起着相反的作用，使总的输出减小的反馈调节。*第一章绪论§1-3控制系统的分类

一、按照系统的结构特点（即有无反馈结构）可以分类：开环控制系统、闭环控制系统。1、开环控制系统（无反馈结构）→指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制，输出量对系统的控制作用没有影响。例：电加热炉

开环控制系统的优缺点：

1）结构简单，成本低。

2）动作快、较稳定（指不产生振荡）。

3）有了误差（和干扰）无法自动调整。*第一章绪论2、闭环控制系统（有反馈结构）→指控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的控制（输出量对系统的控制作用有直接的影响）。例：闭环控制系统的优缺点：

1）能自动纠正和补偿误差，提高控制精度。

2）结构复杂。

3）设计不合理（参数选择不当）情况下，容易产生振荡。*闭环控制系统与开环控制系统的区别：1）误差可调与不可调2）是否容易振荡3）结构简单与复杂

说明：如果系统的输入量能预先知道，并且不存在外部扰动时，最好采用开环系统；如果存在无法预知的扰动或系统中元件参数不稳定时，最好采用闭环控制系统。

第一章绪论解释：内在反馈（固有反馈）：没有外加的测量元件，变量之间互相制约联系，构成一个闭合连续的因果关系。例如：液压随动系统。*第一章绪论3、闭环控制系统的组成：

给定元件

典型的反馈控制系统框图

串联校正元件 执行元件

控制对象

反馈元件

放大变换元件

并联校正元件

输入信号xi

主反馈信号xb

偏差信号e

局部反馈

主反馈

输出信号

扰动

比较元件

+ - + - x0

*第一章绪论1．

给定元件：接收系统的外部指令，产生给定信号或输入信号（进入比较点信号）；2．

反馈元件：测量被控量或输出量，变换成与输入信号相同的物理量，反馈到输入端；3．

比较元件：比较输入信号和反馈信号之间的偏差，实际中有两个信号输入，输出一个信号的都是比较；4．

放大元件：对偏差信号进行放大和功率放大，使它具有足够的幅值和功率推动执行元件动作；5．

执行元件：接收放大元件发出的信号，直接对控制对象进行操作；6．

校正元件：或称校正装置，用于改善系统的控制性能，有反馈校正和串联校正；7．

控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的被控制量；

*第一章绪论信号：1．

输入信号：一般指控制输出量变化规律的信号；2．

输出信号：是输入的结果，它的变化规律通过控制应与输入信号之间保持有确定的关系；3．

反馈信号：输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号，符号与输入信号相同者为正反馈，反之为负反馈；4．偏差信号：输入信号与主反馈信号之差；5．误差信号：输出量实际值与希望值之差；6．扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号，分为内扰和外扰，也是输入量。

*第一章绪论二、按照输出量的变化规律分类：1、恒值控制系统（自衡系统）

输入为恒值，输出为恒值。（克服干扰后）例如：电炉恒温控制，飞球调速器，液位控制等。实验：稳定串激式直流电动机转速的自动控制系统无反馈（开环），结果？有反馈（闭环），结果？2、随动控制系统（输入量做不规则的变化，要求输出量跟着输入量不停地变化）。

输入量----随机的输出量----随动的

例如：火炮自动瞄准系统。

*第一章绪论3、程序控制系统

输入与输出量按预先给定的规律（程序）变化。输入量----是变化的，但变化的规律是人为给定的输出量----按输入量的变化规律而变化

例如：热处理炉炉温控制自动机床数控机床对此系统的要求：误差小、快速性好。

*第一章绪论三、按照控制系统的特性分类：1、连续控制系统（系统的一切组成部分的输出量都是其输入量的连续函数）例如：前面的例子。

线性控制系统-----用线性方程描述的系统非线性控制系统----用非线性方程描述的系统（用相平面法解决）

（线性方程的特点：叠加性、齐次性等）

2、离散控制系统（系统的某一处或某几处的信号是断续的，以脉冲或数字形式传递，但系统的输出、输入及其反馈仍为连续量）例如：数控机床。四、按照数学描述分：线性、非线性五、按时间概念分：定常系统、时变系统

*第一章绪论§1-4对闭环控制系统的要求一、控制系统的控制（调整）过程二、控制过程的时间特性指标*第一章绪论

其中：

(1)延迟时间阶跃响应第一次达到稳态值50％所需的时间。指输入的稳态值，对单位阶跃为1。

(2)上升时间响应从稳态值的10％上升到稳态值的90％所需的时间。

或响应从稳态值的5％上升到稳态值的95％所需的时间。（对过阻尼系统）

或响应从稳态值的0％上升到稳态值的100％所需的时间。

（对欠阻尼系统）

(3)峰值时间响应超过稳态值，达到第一个峰值所需要的时间。

(4)调节时间响应达到并停留在稳态值的5％或2%误差范围内所