機(jī)械控制工程基礎(chǔ)

1、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)

2、行理論教學(xué)； 利用MATLAB/Simulink軟件開展實驗教學(xué)。,考核方式 平時作業(yè)5次，占總評成績的20%； 實驗2次，占總評成績的10%； 期末閉卷考試，占總評成績的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，同時密切結(jié)合工程實際，是一門技術(shù)基礎(chǔ)課程。,機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展的一個明顯而重要的趨勢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)床動態(tài)分析與測試、電氣液壓伺服系統(tǒng),是科學(xué)方法論之一，強(qiáng)

3、調(diào)用系統(tǒng)的、反饋的、控制的方法來分析研究工程實際問題。,.,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，還要有一定的機(jī)械工程方面的專業(yè)知識。需要大家認(rèn)真對待每次的課后練習(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,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） 拉普拉斯變

4、換（2學(xué)時） 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 （8+2學(xué)時） 系統(tǒng)的時間響應(yīng)分析 （8+2學(xué)時） 系統(tǒng)的頻率特性分析 （8+2學(xué)時） 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 （4學(xué)時） 復(fù)習(xí) （2學(xué)時）,課程章節(jié),.,第一章 緒 論,1.1 機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(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：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

5、學(xué)大綱,.,第一章 緒論,1.1 機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(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)科的是美國的數(shù)學(xué)家、信息理論家(Norbert Wiener)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象與任務(wù),.,第一章 緒論,1954年我國科學(xué)家錢學(xué)森出版專著工程控制論(英文版)，

6、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)的動力學(xué)問題,研究的對象：系統(tǒng)（廣義系統(tǒng)） 研究的任務(wù)：動力學(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象,1.1 機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(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,外界對系統(tǒng)的作用,系統(tǒng)對外界的作用,輸入(激勵) 干擾(擾動),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、測量; 車間、部門、工廠、企業(yè)

7、、 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象與任務(wù),.,第一章 緒論,如: 空調(diào),自動控制系統(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象與任務(wù),.,第一章 緒論,1.1 機(jī)械工程控制論

8、的研究對象與任務(wù),.,第一章 緒論,根據(jù)自己的生活和學(xué)習(xí)經(jīng)驗，列舉控制系統(tǒng)的例子 問題：1）普通全自動洗衣機(jī) 2）全自動照相機(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調(diào)節(jié)器,液面控制,1.1 機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(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)、核動力等高新領(lǐng)域,宇航：火箭、飛船、衛(wèi)星,道路交通：信號燈控制、車牌自動識別,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

9、程控制論的研究對象與任務(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象與任務(wù),.,道路交通的應(yīng)用車牌自動識別,第一章 緒論,1.1 機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(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象與任務(wù),.,勇氣號火星探測器（美國，2004）,第一章 緒論,1.1 機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(wù),.,第一章 緒論,自動火炮、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

10、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象與任務(wù),.,海洋探測機(jī)器人,1990年日本海洋科技中心 研制的“海溝號”纜控式無人潛水器（左）及其在大海中工作時的情況（右）,第一章 緒論,1.1 機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(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象與任務(wù),.,第一章 緒論,恒溫恒濕試驗箱又名環(huán)境試驗箱，實驗各種材料的耐熱、耐寒、耐干、耐濕性能。適合電子、電器、食品、車輛、金屬、化學(xué)、建材等實驗,1.1 機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(wù),.,三、機(jī)械工程控制論的研究任務(wù),第一章 緒論,動力學(xué)問題

11、 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動態(tài)歷程； 研究這一過程中，系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系。,即輸入或激勵，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，我們通過一個簡單的例子，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象與任務(wù),.,第一章 緒論,（a）,（b）,整理得：,（a）解：,（

12、b）解：,動力學(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)對輸入的響應(yīng)（系統(tǒng)的輸出）：y(t),系統(tǒng)的輸入或激勵: f(t)， x(t),代表了系統(tǒng)在一定外界條件下的動態(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

13、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，對系統(tǒng)施加何種輸入， 能使系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng)（即y(t)）？ 3. 對于確定的輸入，系統(tǒng)應(yīng)具有什么特性， 才能使系統(tǒng)實現(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)),基本的動力學(xué)問題,1.1 機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(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)計問題 濾波與預(yù)測問題 系統(tǒng)辨識問題,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)計輸入,已知輸入和理想輸出時，設(shè)計系統(tǒng),輸出已知，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸入中的的有關(guān)信息,已知系統(tǒng)

14、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)在時間域、頻率域或空間域等領(lǐng)域內(nèi)的動態(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),定義以實現(xiàn)一定的機(jī)械運動，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)研究某臺機(jī)床切削加工過程中的動力學(xué)問題時； 當(dāng)研究此臺機(jī)床加工的工件的某些質(zhì)量

15、指標(biāo)時； 當(dāng)研究此臺機(jī)床的操作者在加工過程中的作用時；,輸入激勵（外界對系統(tǒng)的作用，如載荷等） 輸出響應(yīng)（系統(tǒng)對外界的作用，如變形、位移）,1.2 系統(tǒng)及其模型,.,第一章 緒論,激勵,控制輸入人為地、有意識地加上去；,擾動偶然因素產(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)的動態(tài)性能，揭示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)與動態(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

16、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,動態(tài)模型是描述系統(tǒng)的動態(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)的動力學(xué)問題，所以往往需要采用動態(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)之所以有動態(tài)歷程，系統(tǒng)及其輸入、輸出之間之所以有動態(tài)關(guān)系，

17、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)檢測系統(tǒng)的實際輸出值，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)動機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡圖,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,動力

18、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。,對于發(fā)動機(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)部各個元素之間相互耦合的結(jié)果，是造成機(jī)械系

19、統(tǒng)存在一定動態(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，反饋作用使輸出偏離程度減小，并力圖達(dá)到設(shè)定值。,被控量,目標(biāo)值,如：發(fā)動機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng) 液面自動調(diào)節(jié)器 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng) 動物捕食 火炮自動瞄準(zhǔn) 學(xué)習(xí)和工作中的負(fù)反饋,測偏與糾偏,1.3 反饋,.,第一章 緒論,(2)正反饋 輸出偏離設(shè)定值時，反饋作用使輸出偏離程度加劇。,如： 疾病 自激振蕩器 機(jī)器疲勞破壞 火藥爆炸、

20、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 一般在自動控制系統(tǒng)中，偏差是基于反饋建立起來的 。自動控制的過程就是“測偏與糾偏”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)。它具備測量、比較和執(zhí)行三個基本功能。 反饋控制是實現(xiàn)自動控制的最基本的方法。,沒有反饋就無法測量偏差，就無法根據(jù)偏差自動控制系統(tǒng)糾正偏差,1.3 反饋,.,第一章 緒論,例：發(fā)動機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng),發(fā)動機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡圖,被控對象：,發(fā)動機(jī),被控量：,

21、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,被控對象,執(zhí)行,運算放大,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)、測量環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大運算環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)、被控對象等。 每個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,.

22、,第一章 緒論,1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(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)的輸出對系統(tǒng)沒有控制作用,:系統(tǒng)有反饋回路 系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)有控制作用,1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(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)動的數(shù)控機(jī)床原理圖,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的數(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

23、的數(shù)控機(jī)床原理圖,伺服驅(qū)動的數(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：構(gòu)造簡單，成本低。,缺點：無抗干擾能力，不能自 動糾偏，控制精度較低。,優(yōu)點：抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài) 精度高，動態(tài)精度好。,缺點：構(gòu)造復(fù)雜，設(shè)計與制造 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 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)（恒值系統(tǒng)）：系統(tǒng)的輸出保持常量 隨動系統(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)同時也是閉環(huán)系統(tǒng),此類系統(tǒng)同時也是閉環(huán)

24、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)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求,.,第一章 緒論,自動調(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)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求,.,第一章 緒論,隨動系統(tǒng),如：炮瞄雷達(dá)系統(tǒng)； 導(dǎo)彈目標(biāo)自動跟蹤系統(tǒng)； 仿形機(jī)床； 全自動照相機(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)； 全自動洗衣機(jī)； 微波爐。,1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求,.,第一章 緒論,3.按信號

25、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)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求,.,第一章 緒論,二、對控制系統(tǒng)的基本要求,穩(wěn)、快、準(zhǔn),控制系統(tǒng)的性能評價指標(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，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)的分類及對控制系統(tǒng)

26、的基本要求,以坐車的感受為例簡單說明,.,不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性的要求各有側(cè)重。,在同一個控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性相互制約，應(yīng)根據(jù)實際需求合理選擇。,如自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)對穩(wěn)定性要求較高。,如隨動系統(tǒng)對響應(yīng)快速性要求較高。,如數(shù)控機(jī)床對定位精度要求高。,注意：,1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(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象與任務(wù)；系統(tǒng)（廣義系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)）、動力學(xué)問題、模型（靜態(tài)模型、動態(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

27、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，水箱中流出熱水并補充冷水。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，即水箱為被控對象。 水的實際溫度是被控制量，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,補充習(xí)題,.,第一章 緒論,補充習(xí)題,當(dāng)To=Ti時，水箱的實際水溫經(jīng)測溫元件檢測，并將實際水溫轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號，與溫控開關(guān)預(yù)先設(shè)定的信號進(jìn)行比較而得到的偏差為零，此時電加熱器不工作，水箱中的水溫保持在希望的溫度上

28、。,當(dāng)使用熱水并注入冷水時，水溫下降，此時ToTi，則偏差不為零而使溫控開關(guān)工作。于是電源接通，電加熱器開始對水箱內(nèi)的水進(jìn)行加熱，使水溫上升，直到To=Ti時為止。系統(tǒng)控制方框圖如下圖所示：,.,第一章 緒論,補充習(xí)題,例1.2 分析圖示液位自動控制系統(tǒng)工作原理并繪制系統(tǒng)功能框圖。,.,第一章 緒論,補充習(xí)題,解： 1）電位器滑動觸點位于中間位置，電動機(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觸點下移，給電動機(jī)提供一定的控制電壓，驅(qū)動電動機(jī)通過減速器減小閥門開度，使輸入流量減小，液位下降，直到電位器滑動觸點回到中間位置，液面恢復(fù)給定高度；,.,第一章 緒論,補充