機械控制工程學——緒論

1、控制工程基礎(chǔ)實驗課老師：王榮杰實驗課老師：王榮杰辦公室辦公室: 工學院樓工學院樓470 、444任課教師：任課教師： 蘇亦白蘇亦白辦公室辦公室: : 工學院樓工學院樓467467 本課程安排 教材 機械工程控制基礎(chǔ) 楊叔子等編著 個實驗）學時（實驗學時上課學時483240本課主要內(nèi)容自動控制的一般概念自動控制的一般概念 （第一章）（第一章）控制系統(tǒng)的數(shù)學模型控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 （第二章）（第二章）線性系統(tǒng)的時域分析法線性系統(tǒng)的時域分析法 （第三章）（第三章）線性系統(tǒng)的頻域分析法線性系統(tǒng)的頻域分析法 （第四章）（第四章）線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 （第五章

2、）（第五章）線性系統(tǒng)的校正方法線性系統(tǒng)的校正方法 （第六章）（第六章）1.0 1.0 控制理論控制理論應(yīng)用應(yīng)用(Application of Control Theofy)1.0.11.0.1 應(yīng)用實例應(yīng)用實例1.1.農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域生產(chǎn)領(lǐng)域自動灌溉系統(tǒng)自動灌溉系統(tǒng)植物溫室溫度和濕度自動控制系統(tǒng)植物溫室溫度和濕度自動控制系統(tǒng)2 2、軍事、航天軍事、航天領(lǐng)域領(lǐng)域 火炮跟蹤系統(tǒng)火炮跟蹤系統(tǒng)我國神舟載人宇宙飛船我國神舟載人宇宙飛船人造衛(wèi)星人造衛(wèi)星雷達跟蹤系統(tǒng)雷達跟蹤系統(tǒng)3、工業(yè)工業(yè)領(lǐng)域領(lǐng)域 產(chǎn)品加工和物流調(diào)配的自動控制；石油化工生產(chǎn)過程、產(chǎn)品加工和物流調(diào)配的自動控制；石油化工生產(chǎn)過程、造紙、工業(yè)窯爐

3、、軋鋼過程的自動控制等。造紙、工業(yè)窯爐、軋鋼過程的自動控制等。 寶鋼冷軋帶鋼監(jiān)測系統(tǒng)寶鋼冷軋帶鋼監(jiān)測系統(tǒng)機械手機械手4、商業(yè)商業(yè)領(lǐng)域領(lǐng)域商業(yè)商業(yè)設(shè)備、倉儲自動化設(shè)備與系統(tǒng)、物流監(jiān)控設(shè)備、倉儲自動化設(shè)備與系統(tǒng)、物流監(jiān)控管理。管理。自動送貨車自動送貨車 5、日常生活、日常生活機器狗機器狗電冰箱電冰箱空調(diào)空調(diào)6、交通車速如何保持不變？車速如何保持不變？汽車巡航定速汽車巡航定速u人工控制方式人工控制方式測量實際液面的測量實際液面的高度高度-用眼用眼實際液面高度與希望液面高度實際液面高度與希望液面高度相比較相比較-用腦用腦按比較的結(jié)果，即液面高度偏差的正負去決定控制按比較的結(jié)果，即液面高度偏差的正負去決

4、定控制動作動作-用手用手液液位控制系統(tǒng)位控制系統(tǒng)手動控制靠人的觀測與操作手動控制靠人的觀測與操作1.0.2 應(yīng)用實例分析應(yīng)用實例分析圖圖1-1水池液面控制系統(tǒng)水池液面控制系統(tǒng)圖圖1-2 1-2 液面人工控制系統(tǒng)的方框圖液面人工控制系統(tǒng)的方框圖人工人工控制中有三種職能作用：測量、比較和執(zhí)行，而在自動控制中有三種職能作用：測量、比較和執(zhí)行，而在自動控制系統(tǒng)中也必須有這三控制系統(tǒng)中也必須有這三種。種。自動控制系統(tǒng)自動檢測水位與控制閥門自動控制系統(tǒng)自動檢測水位與控制閥門1.1自動控制自動控制理論的發(fā)展歷程理論的發(fā)展歷程1 、 經(jīng)典控制理論（經(jīng)典控制理論（ 4050年代形成）年代形成）主要研究對象：主要

5、研究對象：單輸入單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)單輸出線性定常系統(tǒng)主要分析方法主要分析方法: 傳遞函數(shù)，頻率法，傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 (頻域頻域)主要主要數(shù)學工具：常微分方程和復變函數(shù)。數(shù)學工具：常微分方程和復變函數(shù)。自動控制是一門年輕的學科自動控制是一門年輕的學科,它在它在20世紀世紀40年代末才形成。年代末才形成。經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論智能智能控制理論控制理論2 、現(xiàn)代控制理論（、現(xiàn)代控制理論（ 6070年代形成年代形成）主要主要研究對象：多輸入研究對象：多輸入多輸出系統(tǒng)、時變系統(tǒng)多輸出系統(tǒng)、時變系統(tǒng)主要主要分析方法分析方法:狀態(tài)空間分析法，最優(yōu)控制狀態(tài)空

6、間分析法，最優(yōu)控制所所用數(shù)學工具：微分方程、線性代數(shù)及數(shù)值計算。用數(shù)學工具：微分方程、線性代數(shù)及數(shù)值計算。3 、智能控制、智能控制技術(shù)（技術(shù)（ 90年代開始發(fā)展年代開始發(fā)展） 智能控制智能控制方法在較深層次上模擬人類大腦的思維判斷過程方法在較深層次上模擬人類大腦的思維判斷過程，通，通過過模擬人類思維判斷的各種算法實現(xiàn)控制模擬人類思維判斷的各種算法實現(xiàn)控制。主要主要有模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等。有模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等。三種理論應(yīng)用情況三種理論應(yīng)用情況經(jīng)典理論：接近經(jīng)典理論：接近90現(xiàn)代理論：現(xiàn)代理論：10智能理論：智能理論：0.01以內(nèi)以內(nèi)由此可見，經(jīng)典控制理論是基

7、礎(chǔ)，它非常有成效地解決單由此可見，經(jīng)典控制理論是基礎(chǔ)，它非常有成效地解決單輸入輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計，是解決一般工單輸出線性定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計，是解決一般工程問題的基本方法。程問題的基本方法。一、工程控制論研究的是當系統(tǒng)與輸入已知時，求系統(tǒng)的輸出，并通過輸出來研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問題，研究這一系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系。1.2課程課程研究對象與任務(wù)研究對象與任務(wù)例1 小車運動系統(tǒng)ump2+cp+k 為方程左邊的算子，它由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)為方程左邊的算子，它由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定，反映了與外界無關(guān)的系統(tǒng)本身的固有特性。與參數(shù)所決定，反映了與外界無關(guān)的系統(tǒng)本身的固有特性。

8、u1為方程為方程的右邊的算子，反映了系統(tǒng)與外界的關(guān)系。的右邊的算子，反映了系統(tǒng)與外界的關(guān)系。 )()()(2tftykcpmp令令p=d/dt 則則m-c-k系統(tǒng)系統(tǒng)f(t)y(t)dttdydtdyyytftkydttdycdttydm)()0(,)0()()()()(0022二、機械工程控制的具體方法，已知系統(tǒng)的數(shù)學二、機械工程控制的具體方法，已知系統(tǒng)的數(shù)學模型和輸入，分析系統(tǒng)的輸出，并根據(jù)分模型和輸入，分析系統(tǒng)的輸出，并根據(jù)分析計算結(jié)果對系統(tǒng)進行校正，以期達到較析計算結(jié)果對系統(tǒng)進行校正，以期達到較理想的輸出狀態(tài)。理想的輸出狀態(tài)。三、本課是一門理論分析課，主要研究線性控制三、本課是一門理論

9、分析課，主要研究線性控制系統(tǒng)，所用數(shù)學工具主要是系統(tǒng)，所用數(shù)學工具主要是線性微分方程線性微分方程和和Laplace變換變換及及Foruier變換變換，前期，前期的基的基礎(chǔ)知識礎(chǔ)知識主要是主要是工程力學工程力學和和電工學電工學。1.3 1.3 反饋反饋工作臺工作臺步進電機步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動電路控制命令控制命令移動量移動量（輸入）（輸入）（輸出）（輸出）絲杠絲杠工作臺工作臺步進電機步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動電路控制命令控制命令移動量移動量（輸入）（輸入）（輸出）（輸出）絲杠絲杠放大器放大器工作臺無反饋控制原理圖工作臺無反饋控制原理圖工作臺有反饋控制原理圖工作臺有反饋控制原理圖例：數(shù)控例：數(shù)控機床工作臺

10、的驅(qū)動系統(tǒng)機床工作臺的驅(qū)動系統(tǒng)反饋反饋:將檢測出來的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入將檢測出來的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入 信號信號比較的過程，稱為反饋。比較的過程，稱為反饋。 內(nèi)內(nèi)反饋反饋:在系統(tǒng)中存在的各種自然形成的反饋，稱為內(nèi)反饋。在系統(tǒng)中存在的各種自然形成的反饋，稱為內(nèi)反饋。外外反饋反饋:在自動控制系統(tǒng)中，為達到某種控制目的而人為加在自動控制系統(tǒng)中，為達到某種控制目的而人為加 入入的反饋，稱為外反饋。的反饋，稱為外反饋。正反饋正反饋:反饋信號與輸入信號相加，使偏差信號增大的反饋。反饋信號與輸入信號相加，使偏差信號增大的反饋。負反饋負反饋:反饋信號與輸入信號相減，使偏差信號減小

11、的反饋。反饋信號與輸入信號相減，使偏差信號減小的反饋。1、按、按反饋情況分反饋情況分開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)：一個系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而沒一個系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而沒有反饋回路。有反饋回路。1.4.1、系統(tǒng)的幾種分類1.4系統(tǒng)系統(tǒng)分類及基本要求分類及基本要求開環(huán)控制的優(yōu)缺點：開環(huán)控制的優(yōu)缺點：結(jié)構(gòu)簡單，所用元器件少；結(jié)構(gòu)簡單，所用元器件少； 系統(tǒng)沒有抗擾動功能，系統(tǒng)沒有抗擾動功能，精度低，精度低，因而大限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。因而大限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。輸入裝置電機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)：一個系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而存在反饋回路。閉環(huán)控制的優(yōu)點：閉環(huán)控制的優(yōu)點： 設(shè)計不合理時，將出現(xiàn)設(shè)計不合

12、理時，將出現(xiàn)不穩(wěn)定不穩(wěn)定。在開環(huán)控制系統(tǒng)中。在開環(huán)控制系統(tǒng)中不存在同樣的問題。不存在同樣的問題。由此帶來的問題：由此帶來的問題：抗干擾能力強，穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好等。抗干擾能力強，穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好等。電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2、 按輸出變化規(guī)律分自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)：在外界干擾作用下，系統(tǒng)的輸出仍能基本：在外界干擾作用下，系統(tǒng)的輸出仍能基本保持為常量的系統(tǒng)。保持為常量的系統(tǒng)。隨動（伺服）系統(tǒng)隨動（伺服）系統(tǒng)：在外界條件作用下，系統(tǒng)的輸出能相：在外界條件作用下，系統(tǒng)的輸出能相應(yīng)于輸入在廣闊范圍內(nèi)按任意規(guī)律變化的系統(tǒng)。應(yīng)于輸入在廣闊范圍內(nèi)按任意規(guī)律變化的系統(tǒng)。（高射炮（高射炮跟蹤敵機系統(tǒng)）

13、跟蹤敵機系統(tǒng)） 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)：在外界條件作用下，系統(tǒng)的輸出按預定的：在外界條件作用下，系統(tǒng)的輸出按預定的程序變化的系統(tǒng)。（數(shù)控機床）程序變化的系統(tǒng)。（數(shù)控機床） 3、閉環(huán)控制系統(tǒng)組成 u輸入環(huán)節(jié)：它是給出輸入信號輸入環(huán)節(jié)：它是給出輸入信號 的環(huán)節(jié)，用于確定被控對象的的環(huán)節(jié)，用于確定被控對象的“目標值目標值”。u反饋環(huán)節(jié)：它用于測量被控變量，并將其轉(zhuǎn)換為便于傳送的另一物理量。反饋環(huán)節(jié)：它用于測量被控變量，并將其轉(zhuǎn)換為便于傳送的另一物理量。u比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)：輸入信號與反饋信號進行比較，得到：輸入信號與反饋信號進行比較，得到偏差信號偏差信號 u控制環(huán)節(jié)：對偏差信號進行放大運算，給出控制

14、信號?？刂骗h(huán)節(jié)：對偏差信號進行放大運算，給出控制信號。 u執(zhí)行環(huán)節(jié)：接受控制信號，驅(qū)動被控對象按照預期的規(guī)律運行。執(zhí)行環(huán)節(jié)：接受控制信號，驅(qū)動被控對象按照預期的規(guī)律運行。 ixibxx 閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點: 利用輸入信號與反饋信號的偏差對系統(tǒng)的輸出進行控制，使被控對象按一定的規(guī)律運行。 抗干擾能力強，穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好等。由此帶來的問題： 設(shè)計不合理時，將出現(xiàn)不穩(wěn)定。在開環(huán)控制系統(tǒng)中不存在同樣的問題。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程：1.測量被控制量的實際值；2.將實際值與給定值進行比較，求出偏差的大小與方向；3.根據(jù)偏差的大小與方向進行控制以糾正偏差。1.5 對控制系統(tǒng)的基本要求工程上常從穩(wěn)、快

15、、準三個方面來評價控制系統(tǒng)。工程上常從穩(wěn)、快、準三個方面來評價控制系統(tǒng)。 穩(wěn)：穩(wěn)： 指動態(tài)過程的平穩(wěn)性。指動態(tài)過程的平穩(wěn)性。 快：快： 指動態(tài)過程的快速性。指動態(tài)過程的快速性。 準：準： 指動態(tài)過程的最終精度。指動態(tài)過程的最終精度。1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性：是控制系統(tǒng)正常工作的首要條件，且是重要條件。穩(wěn)定性是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復平衡狀態(tài)的能力。系統(tǒng)在輸入作用系統(tǒng)在輸入作用下下，期望期望輸出與輸入一致。輸出與輸入一致。曲線曲線逐漸接近逐漸接近輸入，輸入，系統(tǒng)系統(tǒng)是穩(wěn)定是穩(wěn)定的；反之的；反之如如曲線曲線，系統(tǒng)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。是不穩(wěn)定的。2、響應(yīng)的快速性：當系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏

16、差時，消除這種偏差的快慢程度?？焖傩约磩討B(tài)過程進行的快速性即動態(tài)過程進行的時間長短時間長短。過程時間越短，說明系統(tǒng)。過程時間越短，說明系統(tǒng)快速性越好快速性越好，如曲線如曲線 ；反之反之說明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，如曲線說明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，如曲線。3、響應(yīng)的準確性：在過渡過程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量的偏差，稱為靜態(tài)偏差或穩(wěn)定精度 。以上分析的穩(wěn)、快、準三方面的性能指標往往由于被控對以上分析的穩(wěn)、快、準三方面的性能指標往往由于被控對象的具體情況不同，各系統(tǒng)要求也有所側(cè)重，而且同一個象的具體情況不同，各系統(tǒng)要求也有所側(cè)重，而且同一個系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準的要求是相互制約的。系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準的要求是相互制約的。穩(wěn)和快

17、反映了系統(tǒng)動態(tài)過程性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)動態(tài)過程性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系統(tǒng)的動態(tài)精度高。系統(tǒng)的動態(tài)精度高。Matlab知識體系(a)圖工作原理：出水量與進水量一致，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，液位高度保持在給圖工作原理：出水量與進水量一致，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，液位高度保持在給定值值。當出水量大于進水量，液位降低，浮子下沉，通過連桿使閥門開大，定值值。當出水量大于進水量，液位降低，浮子下沉，通過連桿使閥門開大，使得進水量增大，液位逐漸回升；當出水量小于進水量，液位升高，浮子上升，使得進水量增大，液位逐漸回升；當出水量小于進水量，液位升高，浮子上升，通過連桿使閥門關(guān)小，液位逐漸降低。通過連桿使閥門關(guān)小，液位逐漸降低。若將若將(a)改為改為(b