单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,机 械 控 制 工 程 基 础,教材：王伟机械控制工程基础,参考：董景新控制工程基础,胡寿松自动控制原理,绪芳胜彦现代控制工程,MATLAB在控制系统分析与设计中的应用类的书籍,1,第一章,绪 论一,、,概述,1,、,自动控制与自动控制系统,自动控制：,就是在没有人直接参与的情况下，使生产过程或被控对象的某些物理量准确地按照预期的规律变化，使其具有希望的状态和功能。,自动控制系统：,能够实现自动控制任务的系统。,2,2、经典控制理论及经典控制理论,控制理论分为,经典控制理论,和,现代控制理论。,经典控制理论：以,传递函数,为基础，研究,单输入单输出,的线性连续系统的分析和设计问题。,现代控制理论：以,状态空间法,为基础，研究,多输入、多输出、变参数、非线性、高精度、高效能,等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最佳滤波、系统辩识、自适应控制等理论都是这一领域的主要研究课题，其基础是计算机技术和现代应用数学。,3,经典控制可以利用硬件电路实现，也可以用计算机来实现，但现代控制是无论如何离不开计算机的。,自动控制理论的发展：它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。如二战时期的飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等。60年代开始向以控制论、信息论和仿生学为基础的智能控制理论发展。,4,3、历 史 回 顾,公元前14001100年，中国、埃及和巴比伦相继出现自动计时漏壶，人类产生了最早期的控制思想。,5,公元1788年，英国人J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。,6,维纳，MIT教授。早期进行模拟计算机研究，二战期间参与火炮控制研究，提炼出负反馈概念。1948年，维纳所著控制论的出版，标志着这门学科的正式诞生。,控制论的奠基人美国科学家维纳（Wiener,N.，18941964）,7,第一颗人造卫星（苏联，1957年）,8,第一颗载人飞船（苏联，1961年）,9,人类首次登上月球（美国，1969年）,10,首架航天飞机（美国，1981年）,11,首次冲出太阳系（美国，1989年）,12,仿人机器人（日本，2001年）,13,神州五、六、七、八、九号载人航天成功（中国，2003、2005、2008、2011、2012）,14,嫦娥一号（中国，2007年）,15,4、,本课程的主要内容及学习方法,本课程主要讲述以机械设备和机械制造过程为对象的经典控制理论。包括：,1）,控制系统分析：对已知的系统的静态和动态性能（一般概括为稳定性、快速性和准确性）进行分析，看它们是否满足要求，并提出改进措施。,2）,控制系统设计：根据所要求的系统性能指标来设计控制系统。也称控制系统的综合。,16,二,、,控制理论在机械制造中的应用,1、,研究机械工程技术中广义系统的动力学问题,分析问题：系统已定，输入已知，求系统的输出,最优控制：系统已知，确定输入，使系统尽可能符合给定的最佳要求,最优设计：输入已知，确定系统，使输出尽可能符合给定的最佳要求,滤波与预测：输出已知，确定系统，以识别输入或输入输出中的有关信息,系统辩识：输入输出均已知，求出系统的结论和参数-数学模型,17,2、在机械制造过程自动化方面,生产设备与控制设备复杂程度和技术经济指标的高要求，使得机械制造过程自动化技术向数控机床、多维计算机控制设备、柔性自动生产线、无人化车间乃至设计、制造、管理一体化的计算机集成制造系统、网络化的制造系统发展。,3、加工过程的研究方面,高生产效率和高加工精度，使得加工过程中的“动态效应”不容忽视。这就要求把加工过程如实地作为一个动态系统加以研究。,18,在充分考虑产品与设备的动态特性的条件下，密切结合其工作过程，探索建立它们数学模型，使用计算机及其网络进行设计。,4、产品设计方面,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处理方法都与控制理论息息相关。,5、动态过程和参数的测试方面,在充分考虑产品与设备的动态特性的条件下，密切结合其工作过程，探索建立它们数学模型，使用计算机及其网络进行设计。,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处理方法都与控制理论息息相关。,在充分考虑产品与设备的动态特性的条件下，密切结合其工作过程，探索建立它们数学模型，使用计算机及其网络进行设计。,19,三、机械工程控制系统的基本组成,工作台位置控制系统,20,工作台位置控制原理方框图,反馈控制系统基本组成,21,给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号。,反馈元件：测量被调节量或输出量，产生主反馈信号，该信号与输出量存在固定的函数关系。,比较元件：用来比较输入信号与反馈信号之间的偏差。,放大元件：对偏差信号进行放大。,执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。如执行电机。,控制对象：控制系统所要操纵的元件。如机床，工作台。,校正元件：用于稳定控制系统，提高性能。,22,1、从结构上分为开环控制与闭环控制（反馈控制）,1）开环控制系统：系统的输出量对系统控制作用没有影响。,例如洗衣机，浸湿、洗涤、漂洗和甩干，在洗衣机中是依次完成的。采用时基信号的交通信号灯，则是另一个例子。,2）闭环控制：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环系统。,例如：热力系统的人工（或自动）反馈控制，所有的随动系统，大多数的程序控制系统，室内冷藏设备，自动热水器。,四、自动控制系统分类,23,控制器,被控对象,控制量,被控量,给定值,r,(,t,),u,(,t,),y,(,t,),k,u,d,n,u,g,例：直流电动机调速系统,开环系统,24,优点：结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题。,缺点：对元器件要求较高、抗干扰能力差。,适用范围：输入量已知、控制精度要求不 高、扰动作用不大。,25,反映了控制量与被控制量相互间的矛盾，动静性能得到提高。,闭环系统,：,负反馈：构成按偏差调节的闭环系统,控制器,被控对象,控制量,被控量,给定值,r,(,t,),u,(,t,),y,(,t,),测量元件,偏差,e,(,t,),26,扰动：是一种对系统的输出量产生相反作用的信号。如果扰动产生在系统的内部，称为内扰；扰动产生在系统外部，称为外扰。外扰是系统的输入量。,反馈控制：反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量之间的偏差，而且其工作原理也正是基于这一偏差基础之上的。,反馈控制系统：反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与参考输入量的偏差进行控制。,27,这是一个手动控制的电加热炉的示意图。从图中可以看出，控制的过程主要有三个部分：一是测量炉温，用眼观察温度计，将读数送到大脑；二是在大脑中将读数与给定温度（700,0,C）比较，并根据比较的结果指挥手臂的动作；三是增加或减小加热电阻丝两端的电压，以使炉温尽可能接近给定值。,28,工作过程从受控对象（电加热炉）获取输出量（实际炉温），并回送到输入端（即反馈），与输入量（给定炉温）进行比较产生偏差信号（温度差），利用偏差信号经过控制器（手臂）产生控制量（电阻 丝两端的电压），从而跟踪输入量，减小跟踪误差。,29,30,u,g,k,u,d,n,u,b,例：直流电动机调速系统,按偏差调节：,n,u,b,(u,g,-u,b,),u,d,n,控制量：,u,d,=K(u,g,-u,b,),偏差信号：,u,g,-u,b,31,3）、,开环与闭环系统比较,优点,缺点,开环控制,简单，没有振荡,抗干扰能力差,闭,环控制,对外部扰动和内部参数变化不敏感,系统复杂，会有振荡、不稳定问题,32,2、按自动控制规律分类,1）恒值调节：系统的输入量为一恒值，或者随时间缓慢地变化，要求系统的输出量保持为希望的恒定值。例如：稳压电源，恒温系统。,2）随动系统：又称伺服跟踪系统。系统的输入量随时间任意变化，系统的基本任务是控制输出量以要求的精度及时平稳地复现输入量。如转速调节，位置随动等。,3）程序控制：系统的输入量按既定规律变化，系统的控制过程按照预定的程序进行。如生产线的生产过程。,33,开环控制,闭环控制(反馈控制),复合控制,按控制方式分,3、自动控制系统的基本类型,34,按,元,件,类,型,分,机械系统,电气系统,机电系统全自动照相机，光机电结合,液压系统伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台,气动系统,生物系统,35,按系统功用分,温度控制系统,压力控制系统,位置控制系统,36,线性系统,非线性系统,连续系统,定常系统,时变系统,确定性系统,不确定性系统,按系统性能分,离散系统,单变量系统,多变量系统,37,恒值控制系统,随动系统,程序控制系统,按参据量变化规律分,38,6、对控制系统的基本要求,可以归结为：,稳定性,（长期稳定性）,准确性,（精度）,快速性,（相对稳定性）,稳,准,快,39,1）稳定性：稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控制量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。不稳定的系统无法实现预定的控制任务。只有闭环系统才有稳定性问题。这是基本要求。,2）快速性：指当系统输出量与给定的输出量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。一般称为动态性能。如稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。,3）准确性：调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差，称为稳态偏差。一般用静态性能指标来描述。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。,40,7、典型输入信号,阶跃信号,斜坡信号,加速度信号,脉冲信号,正弦函数,41,42,43,44,45,46,四、本章基本要求和难点,掌握有关自动控制的基本概念，明确控制系统的任务、组成及控制装置各部分的作用。,了解系统的基本控制方式及特点，正确理解负反馈控制原理,正确理解对控制系统稳、准、快的要求,通过学习，掌握由系统工作原理图画出系统方框图的方法（本章难点）,47,