天大材料加工控制工程基础课件01绪论

HuShengsunPrincipleofControlEngineering

inMaterialProcess主要参考书1.自动控制原理简明教程.胡寿松主编.科学出版社.2.控制理论基础.王显正,范崇论编.国防工业出版社3.现代控制系统(ModernControlSystem)(第八版).Richard.DorfRobertH.Bishop著,谢红卫等译.高等教育出版社4.ModernControlSystem(NinthEdition).Richard.DorfRobertH.Bishop著.(英文影印本).科学出版社5.自动控制理论.吴韫章主编.西安交通大学出版社6.机械控制工程基础.朱冀北主编.机械工业出版社7.自动控制原理导教·导学·导考刘慧英主编西北工业大学出版社Chapter1Introduction

1.Theprincipleofcontrolsystem2.Classificationofcontrolsystem3.Automaticcontrolofwelding4.Historyofautomaticcontrol

1.1

Theprincipleofcontrolsystem

1.Control控制：为了达到某种目的，对事物进行主动的干预、管理或操纵。Control:meansofregulating,restraining,keepinorder;check控制：就是利用控制装置（机械装置、电气装置或计算机系统等），使生产过程或被控对象（机器或电气设备等）的某些物理量（温度、压力、速度、位移等）按照特定的规律运行。2.

AutomaticcontrolandthecontrolsystemControl:humancontrolandautomaticcontrolControlprocess:measure,compare,actuate.控制过程：测量、比较、纠正偏差。[动态过程Dynamicprocess]Measure:观测恒温箱内的温度（被控制量）Compare: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Actuate: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]检测偏差再纠正偏差。humancontrol123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。[动态过程Dynamicprocess

]automaticcontrol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系统原理方块图[实质]检测偏差Measuredeviation纠正偏差Actuatedeviation自动控制：在没有人的直接参与下，利用控制装置，使生产过程或被控对象的某些物理量按照特定的规律运行。Controlprocess:measure,compare,actuate.控制过程：测量、比较、纠正偏差。Comparisonofhumancontrolsystemand

Automaticcontrolsystem：（1）measure

:operatingpersonalsenses;sensor.

（2）compare:humanbrain;controller.（3）

actuate:operatingperson;actuatingdevice.Automaticcontrolsystem:groupofcomponentsworkingtogetherinaregularrelationtoachieveadesiredpurpose.

Controlobject:machine;componentorprocess.Controldevices:actuatingdeviceorregulator.Consistof:controlobjectandcontroldevices3.Blockdiagram方块图（方框图）BlockdiagramconsistofblocksandarrowsprocessInputOutputArrow:signaltransferencedirection(inputoroutput)Block:function(therelationshipbetweeninputandoutput)processActualoutputresponseControllerDifferenceDesiredoutputresponseMeasurementdevice+_input:desiredoutput;desiredoutputresponseOutput:actualoutput;actualoutputresponse求和点(又称相加点或比较点)(Summingpoint):表示信号相加减；分支点（又称分路点）(pickoffpoint)

表示信号由此引出。Note：引出点只表示信号的引出，而不改变信号的大小。由物理系统画出控制系统的结构图（方框图）1)确定系统的输入、输出量2)掌握系统的工作原理（工作原理图）3)分清系统中的各个功能4)根据功能画出各个方块(功能块)5)根据各个功能之间的关系绘出连线Examples:4.AutomaticcontrolsystemActualheadpositionActuatormotorandreadarmControldeviceErrorDesiredheadpositionSensor+_Multivariablecontrolsystem:ProcessControllerOutputvariablesDesiredoutputresponseMeasurementAthree-axiscontrolsystemforinspectingindividualsemiconductorwaferswithahighlysensitivecamera.Thesystemforinspectusesaspecificmotortodriveeachaxistothedesiredpositioninthex-y-z-axis,respectively.Thegoalistoachievesmooth,accuratemovementineachaxis.Coordinatedcontrolsystemforaboiler-generator按控制方式分类按参量变化规律分类按控制信号形式分类按系统特性分类开环控制恒值控制连续控制线性控制系统闭环控制程序控制离散（数字）控制非线性控制系统复合控制随动控制1.2

Classificationof

controlsystem1.open-loopcontrolsystemandclosed-loopcontrolsystem

Anopen-loopcontrolsystemutilizesanactuatingdevicetocontroltheprocessdirectlywithoutusingfeedback.processInputOutputprocessActuatingdeviceOutputDesiredoutputresponse开环控制系统：控制系统的输出量不影响系统的控制作用，即系统中输出端与输入端之间无反馈通道。开环控制系统的特点：结构简单，调整方便，系统稳定性好，成本低。系统无自动纠偏功能。开环控制系统的精度：取决于系统校准的精度和系统中元器件特性的稳定程度。processOutputControllerComparisonDesiredoutputresponseMeasurementAnclosed-loopcontrolsystemusesameasurementoftheoutputandfeedbackofthissignaltocompareitwiththedesiredoutput(referenceorcommand)processActualoutputresponseControllerDifferenceDesiredoutputresponseMeasurementdevice+_processActualoutputActuatorErrordesiredoutputSensor+_ControldeviceFeedbackMeasuredoutput闭环控制系统：系统的输出与输入间存在着反馈通道，即系统的输出对控制作用有直接影响的系统。闭环系统的特点：由于采用反馈控制，系统具有自动纠偏功能，因而控制精度较高．由于存在有反馈，若系统中的元件及其参数不匹配，将引起系统振荡。系统复杂、成本较高。反馈控制理论(feedbackcontroltheory)：

偏差是基于反馈建立的，自动控制的过程就是“测偏与纠偏”的过程。反馈控制的特点：一是反馈存在，二是根据偏差进行控制或调节。反馈控制系统：采用反馈控制的自动控制系统（一般采用负反馈控制）。闭环与开环系统相比较：闭环系统抗干扰能力强，具有自动纠偏功能。而开环系统则无此纠正能力，因而一般来说，闭环较开环系统的精度为高。开环系统结构较简单，实现容易。一般应首先考虑开环控制系统。闭环系统在设计时要着重考虑稳定性问题。闭环系统主要用于要求高，干扰影响大（需要抗干扰能力）的系统。闭环自动控制系统的基本组成闭环自动控制系统的组成控制元件用于产生输入信号（或称控制信号）。反馈元件主要指用于主反馈通道中的元件。若在主反馈通道中不设反馈元件，即输出为主反馈信号时，称为单位反馈。比较元件用来比较输入及反馈信号，并得出二者差值的偏差信号放大元件把弱的信号放大以推动执行元件动作执行元件根据输入信号的要求直接对控制对象进行操作控制对象就是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校正元件它不是反馈控制系统所必须具有的。它的作用是改善系统的控制性能闭环自动控制系统的名词术语输入信号（输入量、控制量、给定量）控制输出量变化规律的信号输出信号（输出量、被控制量、被调节量）输出是输入的结果，与输入信号保持有确定的关系反馈信号输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号称反馈信号

反馈：正反馈，负反馈；主反馈一定是负反馈偏差信号为输入信号与主反馈信号之差误差信号指输出量实际值与希望值之差扰动信号偶然的无法加以人为控制的信号

扰动：根据产生的部位，分内扰与外扰反馈量－较节比环被控量控制对象调节部分执行部分控制环节反馈环节给定值给定部分：基准输入环节检测部分：反馈环节；核心是传感器,主反馈一定是负反馈；比较部分：给定与反馈比较得到偏差，得到实际输入量；调节部分与执行部分：控制环节（控制器）；核心是控制方法和控制规律执行部分：常常采用电机、机械等机构。2.按参量变化规律分类恒值控制系统：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、弧焊电源的恒流特性控制等。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）：输入量的变化规律是预先未知的随时间变化的函数，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、雷达系统、焊缝自动跟踪系统等。按照预先确定的顺序，或按照一定逻辑顺序逐次对各个阶段进行控制。条件（连锁）控制：若设定的条件成立时，使机器运行E.g.一般机械的控制时间控制：某台机器的操作经过规定的时间后，使下一个机器运行E.g.交通信号灯E.g.洗衣机顺序控制：使机器按着制定的操作顺序运行E.g.马达和机械的顺序启动E.g.氖灯广告程序控制3.按控制信号形式分类(输入输出与时间的关系)：连续控制系统：各个环节的输入信号和输出信号都是连续时间的函数。离散（数字）控制系统：系统中有一处或数处的信号是以脉冲序列或数字编码形式出现的。采样控制系统：

系统中的连续信号被采样成脉冲序列

数字控制系统：

系统中的连续信号被采样后量化成数字信号4.linearsystemandnonlinearsystem线性系统(linearsystem)：

系统的数学模型可以用线性微分方程来描述.线性系统的特性：（齐次性）和叠加性齐次性(比例性)：若x（t）→y（t）

则Kx（t）→Ky（t）叠加性：若x1（t）→y1（t），x2（t）→y2（t）则x1（t）＋x2（t）→y1（t）＋y2（t）非线性系统(nonlinearsystem)

：系统的数学模型是非线性微分方程凡是系统中有一个以上元件的特性是非线性的系统称为非线性系统。Controlengineeringisbasedonthefoundationsoffeedbacktheoryandlinearsystemanalysis,anditintegratesofconceptofnetworktheoryandcommunicationtheory.1.3WeldingqualityandAutomaticcontrolintheWelding焊接质量的概念:采用焊接工艺制造的产品的焊接接头使用性能是否满足产品设计的要求。焊接接头使用性能：力学性能，内、外部缺陷，产品焊后几何尺寸等。还有一些特殊性能要求：抗腐蚀性能，抗高温性能，导电、导磁性能，抗辐射性能，记忆性能等。直接焊接质量：焊接接头使用性能以及特殊性能。间接焊接质量：在焊接过程中，能够被焊工的感官或特制的传感器检测到的，间接决定上述直接焊接质量的有关因素。通过对间接焊接质量的实时检测与控制，来在一定程度上控制与保证直接焊接质量。常用的实时检测与控制的间接焊接质量：引弧稳定性、燃弧电流与电压、送丝速度、弧长、干伸长、熔滴过渡、飞溅、气体保护等。准确的焊缝起始点与终止点，焊缝对中、熔宽、熔深、熔透（背面熔宽）、余高、热影响区尺寸与组织等。焊接中常见的自动控制：焊接参数控制焊接电流、电压、焊接速度等。焊接位置控制焊缝位置、焊点位置等焊缝轨迹控制直线焊缝、曲线焊缝、空间曲线焊接等。焊接顺序控制自动焊中各个环节的自动切换等。焊接质量控制焊接电流波形控制、焊接熔透控制、弧长控制等。GMAW中的无飞溅引弧控制传统引弧无飞溅引弧传统引弧GMAW中的熄弧控制控制收弧普通收弧AB长度 A:8mmB:35mm1.4

Theperformancespecificationsofautomationcontrolsystem

(自动控制系统的基本要求)稳定性(Stability)：系统处于平衡状态下，受到扰动作用后，系统恢复原有平衡状态的能力。稳定是系统正常工作的前提。为了使系统在环境或参数变化时还能保持稳定，在设计时还要留有一定的稳定裕量。准确性(Accuracy)：即系统的稳态精度；常以稳态误差来衡量，即稳态时系统期望输出量和实际输出量之差的大小。稳定的系统在过渡过程（暂态）结束后所处的状态称为稳态。设计时希望稳态误差要小。例如：在恒值调速系统中，希望因负载扰动引起的稳态转速的变动要尽量小；在随动系统中，希望输出信号与输入信号尽量一致。快速性(Dynamicresponses)：即动态品质，通常用动态响应指标来衡量，如调节时间、超调量、振荡次数等。调节时间即过渡过程时间；调节时间反映系统动态过程的快速性，超调量和振荡次数反映系统过渡过程的平稳性。鲁棒性（稳健性）(Robustness):抵御各种扰动因素影响的能力，如对抗系统结构不确定性、参数不确定性以及外界干扰的能力。引起系统结构变异或参数扰动的原因是多方面的，如由于对象的建模误差、制造公