機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課件第1章

1、,,機(jī)械工程控制基礎(chǔ),講授：王博郵箱：wangbo00019@163.com,1,2,教材：楊叔子等 《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》計(jì)劃學(xué)時(shí): 32 （理論課時(shí)） 1~16周 8 （實(shí)驗(yàn)課時(shí)）主要內(nèi)容: 結(jié)合機(jī)械工程講述經(jīng)典控制理論的基本內(nèi)容成績(jī): 平時(shí)成績(jī)：20% 作業(yè)：20% 考試成績(jī)：50% 實(shí)驗(yàn)成績(jī)：

2、10%,3,第1章 緒論什么是控制？控制：為達(dá)到某種目的，對(duì)某一對(duì)象施加所需的操作。 如溫度控制、人口控制、壓力控制等,4,控制實(shí)例1：發(fā)電機(jī)供電發(fā)電機(jī)要正常供電，就必須維持其輸出電壓恒定，盡量不受負(fù)荷變化和原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響。發(fā)電機(jī)是被控制的設(shè)備稱為控制對(duì)象。輸出電壓是被控制的物理量稱為被控制量。額定電壓稱為輸入量?？刂频幕救蝿?wù)：使控制對(duì)象的被控制量等于輸入量。,圖1.1 水位人工控制,5,期望水位：

3、輸入量實(shí)際水位：被控制量,控制實(shí)例2：水位人工控制,6,杠桿——水位控制器當(dāng)水位處于平衡位置時(shí)，進(jìn)水量=出水量,當(dāng)水位H下降時(shí)，進(jìn)水閥門增大，進(jìn)水量增大∴水位H上升,控制實(shí)例3：水位自動(dòng)控制,自動(dòng)控制：在無人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱控制對(duì)象。,7,自動(dòng)控制系統(tǒng):在無人直接操作的情況下，通過控制器使控制對(duì)象自動(dòng)地按照給定的規(guī)律運(yùn)行，使被控制量按照給定的規(guī)律變化。問題：水位自動(dòng)控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確的控制水位嗎？系統(tǒng)存在振

4、動(dòng)現(xiàn)象，很難預(yù)測(cè)其何時(shí)停止控制使水位到達(dá)目標(biāo)位置。自動(dòng)控制理論: 以自動(dòng)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析與綜合。,8,自動(dòng)控制理論的發(fā)展18世紀(jì)，James Watt 為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果；1877年，提出線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù);1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法—— Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)；1948年，N.Wiener出版

5、《控制論》，標(biāo)志這門學(xué)科的正式誕生。1954年，錢學(xué)森出版《工程控制論》,9,經(jīng)典控制理論在復(fù)數(shù)域內(nèi)利用傳遞函數(shù)研究單輸入—單輸出線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)快速性與響應(yīng)準(zhǔn)確性的問題。20世紀(jì)50年代及其以前的控制理論屬于經(jīng)典控制理論數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：拉普拉斯變換基本數(shù)學(xué)模型：傳遞函數(shù)主要的分析與綜合方法：時(shí)域分析法、頻率響應(yīng)法,10,現(xiàn)代控制理論在時(shí)間域內(nèi)利用狀態(tài)空間分析研究多輸入—多輸出系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。Kalman

6、20世紀(jì)60年代產(chǎn)生現(xiàn)代控制理論方法：以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)的時(shí)域法,11,控制論與其它學(xué)科結(jié)合，形成眾多的分支學(xué)科,研究對(duì)象：——研究機(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題。,1.1 機(jī)械工程控制論研究對(duì)象與任務(wù),研究系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。研究的是機(jī)械工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)在一定的外界條件（即輸入或激勵(lì)）作用下，從系統(tǒng)一定的初始狀態(tài)出發(fā)，所經(jīng)歷的由其內(nèi)部的固有特性（即由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的特性）所決定的整個(gè)動(dòng)態(tài)歷程。,

7、12,13,控制論強(qiáng)調(diào)：控制對(duì)象是一個(gè)“系統(tǒng)”系統(tǒng)不斷“運(yùn)動(dòng)” (經(jīng)歷動(dòng)態(tài)歷程)“外因” (輸入、干擾)是運(yùn)動(dòng)的條件 “內(nèi)因”(系統(tǒng)的固有特性)是運(yùn)動(dòng)的根據(jù),廣義系統(tǒng)：具備系統(tǒng)要素的一切事物或?qū)ο?。如：生命系統(tǒng)、 學(xué)習(xí)、工作，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等機(jī)械工程中的廣義系統(tǒng)：設(shè)備、加工過程、操作設(shè)備、測(cè)量、企業(yè)集團(tuán),例：質(zhì)量-阻尼-彈簧單自由度系統(tǒng),14,(a),(b),15,系統(tǒng)分析問題：已知系統(tǒng)

8、和輸入，求輸出（或響應(yīng)）， 并通過輸出來研究系統(tǒng)本身的問題。最優(yōu)控制問題：已知系統(tǒng)和理想輸出，求最優(yōu)輸入， 使實(shí)際輸出盡可能符合最佳要求。最優(yōu)設(shè)計(jì)問題：已知輸入，設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使實(shí)際輸出盡可能符合最佳要求。濾波與預(yù)測(cè)問題：已知輸出，設(shè)計(jì)系統(tǒng)，識(shí)別輸入中的有關(guān)信息。系統(tǒng)辨識(shí)問題：已知輸入和輸出，求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，

9、 建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。,機(jī)械工程控制論的研究任務(wù),16,1.2 系統(tǒng)及其模型,一、系統(tǒng)由相互聯(lián)系、相互作用的若干部分構(gòu)成，有一定目的或一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一個(gè)整體。,二、機(jī)械系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)一定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，承受一定的機(jī)械載荷為目的，由機(jī)械元件組成的系統(tǒng)稱為機(jī)械系統(tǒng)。如工作機(jī)械、機(jī)床、動(dòng)力設(shè)備、交通運(yùn)載工具等,17,機(jī)械系統(tǒng)的輸入量：稱為“激勵(lì)”，指外界對(duì)系統(tǒng)的作用。

10、 如作用在系統(tǒng)上的力等?？刂屏浚ńo定量）：人為加上去的激勵(lì)，保證對(duì)象的行為達(dá)到目標(biāo)。擾動(dòng)量：偶然因素產(chǎn)生而無法完全人為控制的激勵(lì)， 妨礙對(duì)象的行為達(dá)到目標(biāo)。機(jī)械系統(tǒng)的輸出量：稱為“響應(yīng)”，指系統(tǒng)的變形或位移。,18,三、數(shù)學(xué)模型描述輸入量、輸出量及系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。分動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型。,動(dòng)態(tài)模型：研究系統(tǒng)在迅變載荷作用下或系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性。以微分方程描述，如,靜態(tài)模型：

11、研究系統(tǒng)在恒定載荷或緩慢載荷作用下或系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性。以代數(shù)方程描述，如,1.3 反饋,19,反饋（feedback）：一個(gè)系統(tǒng)的輸出，部分或全部地被反過來用于控制系統(tǒng)的輸入。以數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例內(nèi)反饋、外反饋,20,(a)無反饋——采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)數(shù)字化的輸入指令脈沖對(duì)應(yīng)數(shù)字化的位置輸出,控制裝置發(fā)出指令脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，控制工作臺(tái)的移動(dòng)量。對(duì)工作臺(tái)的實(shí)際移動(dòng)量不作檢測(cè)。,21,檢測(cè)裝置隨時(shí)測(cè)定工作臺(tái)的

12、移動(dòng)量，反饋到輸入端，與控制指令的期望值比較，根據(jù)工作臺(tái)實(shí)際移動(dòng)量與期望值之間的偏差決定控制動(dòng)作，達(dá)到消除偏差的目的。,(b)有反饋——采用伺服電動(dòng)機(jī)將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，以帶動(dòng)控制對(duì)象。,一、控制系統(tǒng)的分類1.按反饋情況分類開環(huán)系統(tǒng)：沒有反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)沒有控制作用。,1.4 系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求,22,特點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單，控制精度難以保證。如：數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)洗衣機(jī)、自動(dòng)化流水線,閉環(huán)系統(tǒng)：有反饋

13、回路。輸出量反饋到輸入端形成閉環(huán)，參與控制。,23,特點(diǎn)：輸出量返回來與輸入量比較負(fù)反饋——反饋信號(hào)與輸入量相減，根據(jù)差值即偏差進(jìn)行控制。如：伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床、恒溫箱(冰箱、空調(diào)),自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(恒值系統(tǒng))：輸出量保持常量，輸入量不變。 為閉環(huán)系統(tǒng)，如：恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng),隨動(dòng)系統(tǒng)：輸入量按事先不知道的時(shí)間函數(shù)變化， 要求輸出量跟隨輸入量的變化而變化。

14、 多為閉環(huán)系統(tǒng)，如：自動(dòng)火炮系統(tǒng)、動(dòng)物捕食等,程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出按預(yù)定程序變化。 開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，如：數(shù)控機(jī)床、全自動(dòng)洗衣機(jī)等,2.按輸出量的變化規(guī)律分類,24,25,3.按線性性質(zhì)分類,線性控制系統(tǒng)：系統(tǒng)由線性元件組成，由線性微分方程描述。 疊加性和齊次性是線性系統(tǒng)的特征。,非線性控制系統(tǒng)：由非線性微分方程描述的系統(tǒng)。非線性微分方程：微分方程的系數(shù)與自變量有關(guān)。,線性定常系統(tǒng)：線性微分方

15、程的各項(xiàng)系數(shù)為常數(shù)。線性時(shí)變系統(tǒng)：線性微分方程的系數(shù)是時(shí)間的函數(shù)。,26,二、閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的組成控制部分：接受指令信號(hào)和反饋信號(hào)，對(duì)被控部分發(fā)出控制信號(hào)。被控部分：接受控制信號(hào)，發(fā)出反饋信號(hào)， 在控制信號(hào)作用下實(shí)現(xiàn)被控運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)：利用偏差控制系統(tǒng)的輸出。,圖1.5 閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),27,反饋控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)有：,28,比較環(huán)節(jié)：把輸入信號(hào)xi 與測(cè)量環(huán)節(jié)的反饋值 進(jìn)行比較，

16、 求出偏差信號(hào)ε=xi –放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)：將偏差信號(hào)進(jìn)行功率放大。執(zhí)行環(huán)節(jié)：接收放大環(huán)節(jié)送來的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象使被控制量達(dá)到所要求的數(shù)值。給定環(huán)節(jié)、測(cè)量環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)和執(zhí)行環(huán)節(jié)一起，組成控制部分。被控部分是控制對(duì)象。,xb,xb,29,閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的反饋控制作用：利用輸入量與反饋至輸入處的反饋量之間的偏差對(duì)系統(tǒng)的輸出進(jìn)行控制，使被控對(duì)象按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。需要控制的是輸出量，測(cè)量的是輸

17、出量對(duì)輸入量的偏差，只要偏差存在，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)糾偏，偏差越大，校正作用越強(qiáng)；偏差越小，校正作用越弱，直至偏差趨于最小值。,三、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求反饋控制系統(tǒng)中，當(dāng)輸入量發(fā)生變化時(shí)，輸出量偏離輸入量產(chǎn)生偏差，通過反饋控制的作用，經(jīng)過短暫的過渡過程，輸出量又趨于或恢復(fù)到原來的穩(wěn)態(tài)值，或按照新的輸入量穩(wěn)定下來，這時(shí)系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)過渡到新的平衡狀態(tài)。把輸出量處于變化狀態(tài)的過程稱為動(dòng)態(tài)或暫態(tài)，把輸出量處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)稱為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)

18、。,30,31,系統(tǒng)的穩(wěn)定性：系統(tǒng)抵抗動(dòng)態(tài)過程振蕩傾向和能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。 穩(wěn)定性好，則系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力強(qiáng)穩(wěn)定性是系統(tǒng)工作的必要條件，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。,對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求： ————穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性,響應(yīng)的快速性：輸出量與輸入量之間存在偏差時(shí)，消除偏差的快慢程度。,響應(yīng)的準(zhǔn)確性：系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出量與輸入量之間的偏差程度。

19、 用穩(wěn)態(tài)誤差表示,穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨輸入的精度越高。,32,本課程的任務(wù)：經(jīng)典控制論的范疇研究的兩大課題：1）對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)，如何從理論上對(duì)它的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)行定性的分析和定量的計(jì)算。2）根據(jù)系統(tǒng)性能要求，如何合理地設(shè)計(jì)校正裝置，使系統(tǒng)的性能全面地滿足技術(shù)上的要求。,1.8 本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法,33,學(xué)科基礎(chǔ)：數(shù)學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、機(jī)械振動(dòng)理論、 機(jī)械工程的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

20、等學(xué)習(xí)本課程時(shí)，不必過分追求數(shù)學(xué)論證上的嚴(yán)密性，但一定要充分注意物理概念的明晰性和數(shù)學(xué)結(jié)論的準(zhǔn)確性。,基本要求：上課注意聽講，重視習(xí)題； 注意與其它課程的聯(lián)系。,34,參考書：現(xiàn)代控制工程 【美】katsuhiko ogata著 盧伯英譯 電子工業(yè)出版社自動(dòng)控制原理 胡壽松 清華大學(xué)出版社,拉普拉斯變換,

21、拉氏變換是將時(shí)間函數(shù)f(t)變換為復(fù)變函數(shù)F(s)，或作相反變換；是求解常系數(shù)線性微分方程的工具。時(shí)域(t)變量t是實(shí)數(shù)，復(fù)頻域F(s)變量s是復(fù)數(shù)。變量s又稱“復(fù)頻率”。拉氏變換建立了時(shí)域與復(fù)頻域(s域）之間的聯(lián)系。應(yīng)用拉氏變換：（1）求解方程得到簡(jiǎn)化。且初始條件自動(dòng)包含在變換式里。（2）拉氏變換將“微分”變換成“乘法”。,算子法的角度，拉氏變換,定義算子： 這樣一來一個(gè)微分方程比如，設(shè)r、e是關(guān)于t的函數(shù)：r