機(jī)械控制工程基礎(chǔ)92855.ppt

控制工程基礎(chǔ) 主講教師 王曉云 參考教材 1 楊叔子 楊克沖 機(jī)械工程控制基礎(chǔ) 第五版 武漢 華中科技大學(xué)出版社 2005年7月 2 熊良才 楊克沖 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與題解 武漢 華中科技大學(xué)出版社 2002年4月 3 朱驥北 機(jī)械控制工程基礎(chǔ) 第15版 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2005年 4 董景新 趙長(zhǎng)德 控制工程基礎(chǔ) 第3版 北京 清華大學(xué)出版社 2009年6月 5 劉叔軍 樊京 MATLAB控制系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)例 北京 清華大學(xué)出版社 2008年5月 授課方式與考核方式 授課方式以電子工業(yè)出版社 玄兆燕編寫的 機(jī)械工程控制基礎(chǔ) 為指導(dǎo) 利用多媒體課件為主 板書為輔進(jìn)行理論教學(xué) 利用MATLAB Simulink軟件開展實(shí)驗(yàn)教學(xué) 考核方式平時(shí)作業(yè)5次 占總評(píng)成績(jī)的20 實(shí)驗(yàn)2次 占總評(píng)成績(jī)的10 期末閉卷考試 占總評(píng)成績(jī)的70 出勤率低于1 3取消期末考試資格 課程性質(zhì) 控制論 經(jīng)典控制理論 現(xiàn)代控制理論 本課程的主要內(nèi)容 機(jī)械控制工程基礎(chǔ) 是控制論 Cybernetics 與機(jī)械工程技術(shù)理論之間的邊緣學(xué)科 側(cè)重介紹機(jī)械工程的控制原理 同時(shí)密切結(jié)合工程實(shí)際 是一門技術(shù)基礎(chǔ)課程 機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)明顯而重要的趨勢(shì) 越來越廣泛而深入地引入了控制理論 數(shù)控機(jī)床 工業(yè)機(jī)器人 機(jī)床動(dòng)態(tài)分析與測(cè)試 電氣液壓伺服系統(tǒng) 是科學(xué)方法論之一 強(qiáng)調(diào)用系統(tǒng)的 反饋的 控制的方法來分析研究工程實(shí)際問題 課程任務(wù)與學(xué)習(xí)要求 課程任務(wù)通過課程教學(xué) 使學(xué)生掌握經(jīng)典控制理論的基本原理和思想方法 初步培養(yǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析與校正的能力 結(jié)合后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí) 為將來在機(jī)械電子工程中解決一些實(shí)際問題打下一定的基礎(chǔ) 學(xué)習(xí)要求需要大家具備一定的數(shù)學(xué) 力學(xué) 電學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí) 還要有一定的機(jī)械工程方面的專業(yè)知識(shí) 需要大家認(rèn)真對(duì)待每次的課后練習(xí)環(huán)節(jié) 主要教學(xué)內(nèi)容 機(jī)械控制工程基礎(chǔ) 基礎(chǔ)知識(shí) 工程應(yīng)用 分析方法 基本概念 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 時(shí)域分析 頻域分析 系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù) 系統(tǒng)性能指標(biāo) 系統(tǒng)校正 緒論 2學(xué)時(shí) 拉普拉斯變換 2學(xué)時(shí) 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 8 2學(xué)時(shí) 系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析 8 2學(xué)時(shí) 系統(tǒng)的頻率特性分析 8 2學(xué)時(shí) 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 4學(xué)時(shí) 復(fù)習(xí) 2學(xué)時(shí) 課程章節(jié) 第一章緒論 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù)1 2系統(tǒng)及其模型1 3反饋1 4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 本章教學(xué)大綱 1 了解機(jī)械工程控制論的基本概念 研究對(duì)象與任務(wù) 2 掌握系統(tǒng) 模型 反饋 偏差等基本概念 3 掌握反饋控制系統(tǒng)工作原理的分析 4 掌握控制系統(tǒng)的組成 分類及基本性能要求 教學(xué)重點(diǎn) 反饋的基本概念 控制系統(tǒng)工作原理分析 控制系統(tǒng)的分類 第一章緒論 本章教學(xué)大綱 第一章緒論 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 一 控制論概述控制論是關(guān)于控制原理與控制方法的學(xué)科 它研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律 控制論 的兩個(gè)核心是信息論和反饋控制 首先創(chuàng)立控制論學(xué)科的是美國(guó)的數(shù)學(xué)家 信息理論家 NorbertWiener 諾伯特 維納 他于1948年發(fā)表了 控制論 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 控制論與其它學(xué)科結(jié)合 形成眾多的分支學(xué)科 控制論的中心思想 通過信息的傳遞 加工處理并利用反饋來進(jìn)行控制 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 1954年我國(guó)科學(xué)家錢學(xué)森出版專著 工程控制論 英文版 首先把控制論推廣到工程技術(shù)領(lǐng)域 機(jī)械工程控制論研究機(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題 研究的對(duì)象 系統(tǒng) 廣義系統(tǒng) 研究的任務(wù) 動(dòng)力學(xué)問題研究的領(lǐng)域 機(jī)械工程領(lǐng)域 二 機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 系統(tǒng) 按一定規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合 系統(tǒng)的要素 元素 元素之間的聯(lián)系 系統(tǒng)與外界的交互作用 外界對(duì)系統(tǒng)的作用 系統(tǒng)對(duì)外界的作用 輸入 激勵(lì) 干擾 擾動(dòng) 輸出 響應(yīng) 系統(tǒng)的框圖 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 機(jī)械工程中的廣義系統(tǒng) 元件 部件 儀器 設(shè)備 加工過程 操作設(shè)備 測(cè)量 車間 部門 工廠 企業(yè) 企業(yè)集團(tuán) 全球制造行業(yè)等 如 機(jī)器系統(tǒng) 生命系統(tǒng) 社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng) 生產(chǎn)系統(tǒng) 思維 學(xué)習(xí) 工作 廣義系統(tǒng) 具備系統(tǒng)要素的一切事物或?qū)ο?1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 系統(tǒng) 非控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 人工控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制系統(tǒng) 非控制系統(tǒng) 僅具有由人工開 關(guān)兩種狀態(tài)的系統(tǒng) 如 攪拌機(jī) 視頻鏈接 教室里的照明系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的可變輸出 能按照要求由參考輸入或控制輸入進(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng) 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 如 空調(diào) 自動(dòng)控制系統(tǒng) 教室中的風(fēng)扇 人工控制系統(tǒng) 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 根據(jù)自己的生活和學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn) 列舉控制系統(tǒng)的例子問題 1 普通全自動(dòng)洗衣機(jī)2 全自動(dòng)照相機(jī)的閃光系統(tǒng) 調(diào)焦系統(tǒng)3 飲水機(jī) 微波爐4 抽水馬桶水箱的液面自動(dòng)調(diào)節(jié)器 液面控制 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 生物 醫(yī)學(xué) 環(huán)境 經(jīng)濟(jì)管理等其它 機(jī)器人 導(dǎo)彈制導(dǎo) 核動(dòng)力等高新領(lǐng)域 宇航 火箭 飛船 衛(wèi)星 道路交通 信號(hào)燈控制 車牌自動(dòng)識(shí)別 日常 冰箱 洗衣機(jī) 空調(diào) 農(nóng)業(yè) 恒溫大棚 農(nóng)業(yè)自動(dòng)化機(jī)械 應(yīng)用范圍 工業(yè) 數(shù)控機(jī)床 軋鋼機(jī) 恒溫箱等 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 蒸汽機(jī)離心調(diào)速器 工業(yè) 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)模擬圖 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用 第一章緒論 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 在日常生活中的應(yīng)用 第一章緒論 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 道路交通的應(yīng)用 車牌自動(dòng)識(shí)別 第一章緒論 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 人形機(jī)器人 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 勇氣號(hào)火星探測(cè)器 美國(guó) 2004 第一章緒論 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 自動(dòng)火炮 導(dǎo)彈制導(dǎo)等高新領(lǐng)域的應(yīng)用 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 在雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 海洋探測(cè)機(jī)器人 1990年日本海洋科技中心研制的 海溝號(hào) 纜控式無人潛水器 左 及其在大海中工作時(shí)的情況 右 第一章緒論 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 瑞典博福斯公司研制的 雙鷹 水下掃雷機(jī)器人 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 恒溫恒濕試驗(yàn)箱又名環(huán)境試驗(yàn)箱 實(shí)驗(yàn)各種材料的耐熱 耐寒 耐干 耐濕性能 適合電子 電器 食品 車輛 金屬 化學(xué) 建材等實(shí)驗(yàn) 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 三 機(jī)械工程控制論的研究任務(wù) 第一章緒論 動(dòng)力學(xué)問題 機(jī)械工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)在一定的外界條件作用下 從一定的初始狀態(tài)出發(fā) 經(jīng)歷由其內(nèi)部的固有特性所決定的整個(gè)動(dòng)態(tài)歷程 研究這一過程中 系統(tǒng)及其輸入 輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系 即輸入或激勵(lì) 包括外加控制與外界干擾 即由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的特性 下面 我們通過一個(gè)簡(jiǎn)單的例子 讓大家更深刻的理解 機(jī)械工程控制論的研究任務(wù) 這一問題 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 同一系統(tǒng) 不同的輸入 例1 1彈簧 質(zhì)量 阻尼單自由度系統(tǒng) 系統(tǒng) a 系統(tǒng) b m c k單自由度系統(tǒng) 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 a b 整理得 a 解 b 解 動(dòng)力學(xué)方程 y t 即微分方程的解 它是由系統(tǒng)的初始條件 系統(tǒng)的固有特性 系統(tǒng)的輸入及系統(tǒng)與輸入之間的關(guān)系所決定 系統(tǒng)的固有特性 mp cp k 2 系統(tǒng)與外界之間的關(guān)系 1 cp k 系統(tǒng)對(duì)輸入的響應(yīng) 系統(tǒng)的輸出 y t 系統(tǒng)的輸入或激勵(lì) f t x t 代表了系統(tǒng)在一定外界條件下的動(dòng)態(tài)歷程 令p d dt 微分算子 系統(tǒng) a mp cp k y t f t 系統(tǒng) b mp cp k y t cp k x t 2 2 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 問題 系統(tǒng)的輸入與系統(tǒng)的固有特性如何影響y t 三者之間表現(xiàn)為何種關(guān)系 2 系統(tǒng)確定并已知時(shí) 對(duì)系統(tǒng)施加何種輸入 能使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng) 即y t 3 對(duì)于確定的輸入 系統(tǒng)應(yīng)具有什么特性 才能使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng) 求輸出 求輸入 求系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)參數(shù) 基本的動(dòng)力學(xué)問題 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 研究任務(wù) 系統(tǒng)分析問題最優(yōu)控制問題最優(yōu)設(shè)計(jì)問題濾波與預(yù)測(cè)問題系統(tǒng)辨識(shí)問題 已知系統(tǒng)和輸入 求系統(tǒng)的響應(yīng) 或輸出 并通過響應(yīng)來研究系統(tǒng)本身的問題 已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出 設(shè)計(jì)輸入 已知輸入和理想輸出時(shí) 設(shè)計(jì)系統(tǒng) 輸出已知 確定系統(tǒng) 以識(shí)別輸入或輸入中的的有關(guān)信息 已知系統(tǒng)的輸入與輸出 求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù) 即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 1 1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù) 第一章緒論 1 2系統(tǒng)及其模型 一 系統(tǒng)系統(tǒng)具有如下特性 系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關(guān) 而且還與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān) 系統(tǒng)的內(nèi)容比組成系統(tǒng)的各元素的內(nèi)容要豐富很多 系統(tǒng)往往具有表現(xiàn)在時(shí)間域 頻率域或空間域等領(lǐng)域內(nèi)的動(dòng)態(tài)特性 1 2系統(tǒng)及其模型 1 2系統(tǒng)及其模型 第一章緒論 二 機(jī)械系統(tǒng) 定義 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) 如 切削加工過程 工件 操作者 當(dāng)研究某臺(tái)機(jī)床切削加工過程中的動(dòng)力學(xué)問題時(shí) 當(dāng)研究此臺(tái)機(jī)床加工的工件的某些質(zhì)量指標(biāo)時(shí) 當(dāng)研究此臺(tái)機(jī)床的操作者在加工過程中的作用時(shí) 輸入 激勵(lì) 外界對(duì)系統(tǒng)的作用 如載荷等 輸出 響應(yīng) 系統(tǒng)對(duì)外界的作用 如變形 位移 1 2系統(tǒng)及其模型 第一章緒論 激勵(lì) 控制輸入 人為地 有意識(shí)地加上去 擾動(dòng) 偶然因素產(chǎn)生而一般無法完全人為控制的 干擾 三 數(shù)學(xué)模型模型的定義 研究系統(tǒng) 認(rèn)識(shí)系統(tǒng) 描述系統(tǒng)與分析系統(tǒng)的一種工具 模型的種類 實(shí)物模型 物理模型和數(shù)學(xué)模型等 1 2系統(tǒng)及其模型 第一章緒論 數(shù)學(xué)模型 定量地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 揭示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 參數(shù)與動(dòng)態(tài)性能之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式 數(shù)學(xué)模型 靜態(tài)模型 動(dòng)態(tài)模型 反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性 用于研究系統(tǒng)在迅變載荷作用下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性 在一定條件下 動(dòng)態(tài)模型可以轉(zhuǎn)換為靜態(tài)模型 代數(shù)公式描述 微分方程或差分方程來描述 動(dòng)態(tài)模型是描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)歷程的 機(jī)械工程控制論研究的是機(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題 所以往往需要采用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 即需要建立微分方程或差分方程來描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 1 2系統(tǒng)及其模型 第一章緒論 1 3反饋 一 反饋的定義 反饋是機(jī)械工程控制論中一個(gè)最基本 最重要的概念 系統(tǒng)的輸出不斷直接或經(jīng)過中間變換后全部或部分地返回到輸入端 并與輸入共同作用于系統(tǒng)的過程 系統(tǒng)之所以有動(dòng)態(tài)歷程 系統(tǒng)及其輸入 輸出之間之所以有動(dòng)態(tài)關(guān)系 就是由于系統(tǒng)本身存在著信息的反饋 二 反饋的種類內(nèi)反饋與外反饋例1 2發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)例1 3質(zhì)量 彈簧 阻尼單自由度系統(tǒng) 1 3反饋 2 正反饋與負(fù)反饋 第一章緒論 例1 2發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng) 控制原理 如果負(fù)載變化使 增大 離心機(jī)構(gòu)滑套上移液壓滑閥上移 動(dòng)力活塞下移 油門關(guān)小 減小直到滑閥回復(fù)到中位 回到設(shè)定值 通過離心機(jī)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際輸出值 并與設(shè)定值進(jìn)行比較 反過來作用于系統(tǒng) 形成反饋 進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出 發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖 1 3反饋 第一章緒論 例1 3質(zhì)量 彈簧 阻尼單自由度系統(tǒng) m c k單自由度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 動(dòng)力學(xué)方程 或 即 m c k單自由度系統(tǒng)方框圖 信息交互 反饋 1 3反饋 第一章緒論 在這兩個(gè)例子 反饋在本質(zhì)上都是信息的傳遞與交互 但從具體形式上看 則有所不同 對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)來說 離心調(diào)速器是人為附加的反饋控制裝置 其目的在于抵抗由于負(fù)載變化這一干擾引起的輸出軸轉(zhuǎn)速的變化 這種反饋稱為外反饋 而質(zhì)量 彈簧 阻尼系統(tǒng)中存在的反饋則為內(nèi)反饋 這種反饋是系統(tǒng)內(nèi)部的信息交互 反映了系統(tǒng)內(nèi)部各元素之間互為因果的聯(lián)系關(guān)系 反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 1 3反饋 第一章緒論 1 內(nèi)反饋在系統(tǒng)或過程中存在的各種自然形成的反饋 是系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)元素之間相互耦合的結(jié)果 是造成機(jī)械系統(tǒng)存在一定動(dòng)態(tài)特性的根本原因 2 外反饋在控制系統(tǒng)中 為達(dá)到某種控制目的而人為加入的反饋 生活小實(shí)例 生病生病 看病 吃藥 打針 手術(shù) 恢復(fù)健康生病 自身調(diào)節(jié)恢復(fù)健康 外反饋 內(nèi)反饋 1 3反饋 第一章緒論 2 負(fù)反饋與正反饋 1 負(fù)反饋輸出偏離設(shè)定值時(shí) 反饋?zhàn)饔檬馆敵銎x程度減小 并力圖達(dá)到設(shè)定值 被控量 目標(biāo)值 如 發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)液面自動(dòng)調(diào)節(jié)器數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)動(dòng)物捕食火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)學(xué)習(xí)和工作中的負(fù)反饋 測(cè)偏與糾偏 1 3反饋 第一章緒論 2 正反饋輸出偏離設(shè)定值時(shí) 反饋?zhàn)饔檬馆敵銎x程度加劇 如 疾病自激振蕩器機(jī)器疲勞破壞火藥爆炸 熱核反應(yīng)學(xué)習(xí)和工作中的正反饋 1 3反饋 第一章緒論 三 反饋控制系統(tǒng)及其組成 在工程技術(shù)領(lǐng)域中 越來越多地采用了自動(dòng)控制系統(tǒng) 在這種系統(tǒng)中 往往有著 反饋控制 1 定義一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中 偏差是基于反饋建立起來的 自動(dòng)控制的過程就是 測(cè)偏與糾偏 的過程 這一原理又稱為反饋控制原理 利用此原理組成的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng) 它具備測(cè)量 比較和執(zhí)行三個(gè)基本功能 反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的最基本的方法 沒有反饋就無法測(cè)量偏差 就無法根據(jù)偏差自動(dòng)控制系統(tǒng)糾正偏差 1 3反饋 第一章緒論 例 發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng) 發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖 被控對(duì)象 發(fā)動(dòng)機(jī) 被控量 轉(zhuǎn)速 被控量的目標(biāo)值設(shè)定 預(yù)緊彈簧設(shè)定 控制信息傳遞與反饋 轉(zhuǎn)速 離心機(jī)構(gòu) 檢測(cè)或感知 偏差 杠桿 液壓比例控制器 油門 1 3反饋 第一章緒論 表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理的物理框圖 離心調(diào)速系統(tǒng)控制方框圖 比較 控制器 檢測(cè) 被控對(duì)象 執(zhí)行 運(yùn)算放大 控制部分 被控部分 1 3反饋 第一章緒論 2 反饋控制系統(tǒng)的組成典型的反饋控制系統(tǒng)包括給定環(huán)節(jié) 測(cè)量環(huán)節(jié) 比較環(huán)節(jié) 放大運(yùn)算環(huán)節(jié) 執(zhí)行環(huán)節(jié) 被控對(duì)象等 每個(gè)組成部分的含義見教材P 6盡管不同的反饋控制系統(tǒng)是由許多起著不同作用的環(huán)節(jié)組成 但都可以看成是由控制部分和被控部分組成 反饋控制系統(tǒng)的組成 1 3反饋 第一章緒論 1 4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 一 控制系統(tǒng)的幾種分類1 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 反饋情況 開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)沒有反饋回路系統(tǒng)的輸出對(duì)系統(tǒng)沒有控制作用 系統(tǒng)有反饋回路系統(tǒng)的輸出對(duì)系統(tǒng)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 第一章緒論 如 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床 開環(huán)控制系統(tǒng) 普通洗衣機(jī) 家用電烤箱 微波爐 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床原理圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 1 4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 第一章緒論 閉環(huán)控制系統(tǒng) 如 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床 離心調(diào)速系統(tǒng) 恒溫箱 冰箱 空調(diào) 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床原理圖 伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 1 4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 按有無反饋 開環(huán)系統(tǒng) 閉環(huán)系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn) 構(gòu)造簡(jiǎn)單 成本低 缺點(diǎn) 無抗干擾能力 不能自動(dòng)糾偏 控制精度較低 優(yōu)點(diǎn) 抗干擾能力強(qiáng) 穩(wěn)態(tài)精度高 動(dòng)態(tài)精度好 缺點(diǎn) 構(gòu)造復(fù)雜 設(shè)計(jì)與制造較困難 成本較高 第一章緒論 1 4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 第一章緒論 2 按輸出量的變化規(guī)律自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 恒值系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸出保持常量隨動(dòng)系統(tǒng) 伺服系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸出相應(yīng)于輸入按任意規(guī)律變化程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸出按預(yù)定程序變化 此類系統(tǒng)同時(shí)也是閉環(huán)系統(tǒng) 此類系統(tǒng)同時(shí)也是閉環(huán)系統(tǒng) 此類系統(tǒng)可以是開環(huán)系統(tǒng) 也可以是閉環(huán)系統(tǒng) 1 4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 第一章緒論 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 如 前例中的離心調(diào)速系統(tǒng) 恒溫箱 液面自動(dòng)調(diào)節(jié)器 工業(yè)生產(chǎn)中溫度 壓力 流量 液面 速度等參數(shù)的控制 均屬此類 1 4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 第一章緒論 隨動(dòng)系統(tǒng) 如 炮瞄雷達(dá)系統(tǒng) 導(dǎo)彈目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng) 仿形機(jī)床 全自動(dòng)照相機(jī)的調(diào)焦系統(tǒng) 閃光系統(tǒng) 1 4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 第一章緒論 程序控制系統(tǒng) 如 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng) 全自動(dòng)洗衣機(jī) 微波爐 1 4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 第一章緒論 3 按信號(hào)類型4 按系統(tǒng)的性質(zhì)5 按參數(shù)的變化情況6 按控制量 連續(xù)控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng) 線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng) 定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng) 位移控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)速度控制系統(tǒng) 1 4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 第一章緒論 二 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 穩(wěn) 快 準(zhǔn) 控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 系統(tǒng)的快速性 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性 指動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力 這是系統(tǒng)正常工作的首要條件 在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下 當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí) 消除這種偏差的快速程度 調(diào)整過程結(jié)束后 輸出量與給定的輸入量之間的偏差 1 4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 以坐車的感受為例簡(jiǎn)單說明 不同性質(zhì)的控制系統(tǒng) 對(duì)穩(wěn)定性 快速性和準(zhǔn)確性的要求各有側(cè)重 在同一個(gè)控制系統(tǒng)中 穩(wěn)定性 快速性 準(zhǔn)確性相互制約 應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求合理選擇 如自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性要求較高 如隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)快速性要求較高 如數(shù)控機(jī)床對(duì)定位精度要求高 注意 1 4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 第一章緒論 第一章緒論 本章小結(jié) 機(jī)械工程控制論研究的對(duì)象與任務(wù) 系統(tǒng) 廣義系統(tǒng) 機(jī)械系統(tǒng) 動(dòng)力學(xué)問題 模型 靜態(tài)模型 動(dòng)態(tài)模型 反饋 正 負(fù)反饋 內(nèi) 外反饋 控制系統(tǒng)的分類 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 本章小結(jié) 例1 1設(shè)電熱水器如下圖所示 為了保持希望的溫度 由溫控開關(guān)接通或斷開電加熱器的電源 在使用熱水時(shí) 水箱中流出熱水并補(bǔ)充冷水 試說明該系統(tǒng)工作原理并畫出系統(tǒng)的方框圖 解 在電熱水器系統(tǒng)中 水箱內(nèi)的水溫需要控制 即水箱為被控對(duì)象 水的實(shí)際溫度是被控制量 或稱為系統(tǒng)的輸出量 輸入量為用戶希望的 溫度 給定值 由于放出熱水并注入冷水或水箱散熱等原因而使水箱內(nèi)水溫下降成為該系統(tǒng)的主要干擾 第一章緒論 補(bǔ)充習(xí)題 第一章緒論 補(bǔ)充習(xí)題 當(dāng)To Ti時(shí) 水箱的實(shí)際水溫經(jīng)測(cè)溫元件檢測(cè) 并將實(shí)際水溫轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào) 與溫控開關(guān)預(yù)先設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較而得到的偏差為零 此時(shí)電加熱器不工作 水箱中的水溫保持在希望的溫度上 當(dāng)使用熱水并注入冷水時(shí) 水溫下降 此時(shí)To Ti 則偏差不為零而使溫控開關(guān)工作 于是電源接通 電加熱器開始對(duì)水箱內(nèi)的水進(jìn)行加熱 使水溫上升 直到To Ti時(shí)為止 系統(tǒng)控制方框圖如下圖所示 第一章緒論 補(bǔ)充習(xí)題 例1 2分析圖示液位自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理并繪制系統(tǒng)功能框圖 第一章緒論 補(bǔ)充習(xí)題 解 1 電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)位于中間位置 電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) 閥門保持原有開度 水箱中流入水量與流出水量相等 液面保持在希望的高度 2 若系統(tǒng)收到擾動(dòng)使液面升高 則浮子相應(yīng)升高 通過杠桿作用使電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)下移 給電動(dòng)機(jī)提供一定的控制電壓 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過減速器減小閥門開度 使輸入流量減小 液位下降 直到電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)回到中間位置 液面恢復(fù)給定高度 第一章緒論 補(bǔ)充習(xí)題 3 若系統(tǒng)收到擾動(dòng)使液面下降