機(jī)械控制理論

1、機(jī)械控制理論第一章第一章 緒論緒論1.3對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求1.2 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類1.1 控制工程概述控制工程概述1.1.11.1.1控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的基本概念v 系統(tǒng)：系統(tǒng)：任何一組存在某種因果關(guān)系的物理元件。任何一組存在某種因果關(guān)系的物理元件。 v 控制：控制：按照預(yù)先給定的目標(biāo)，改變系統(tǒng)行為或性能。按照預(yù)先給定的目標(biāo)，改變系統(tǒng)行為或性能。 v 自動控制：自動控制：在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置( (稱控制裝置或控制器稱控制裝置或控制器) )，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)

2、過程( (統(tǒng)稱被控對象統(tǒng)稱被控對象) )的的某個工作狀態(tài)或參數(shù)某個工作狀態(tài)或參數(shù)( (即被控量即被控量) )自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。 1.1.控制系統(tǒng)的工作原理控制系統(tǒng)的工作原理人工人工控制控制恒溫控制系統(tǒng)恒溫控制系統(tǒng)自動自動控制控制舉例：1.1.控制系統(tǒng)的工作原理控制系統(tǒng)的工作原理人工控制加熱加熱電阻絲電阻絲溫度計溫度計調(diào)壓器調(diào)壓器圖圖1.1 1.1 人工控制的恒溫箱人工控制的恒溫箱220V1.1.控制系統(tǒng)的工作原理控制系統(tǒng)的工作原理自動控制減速器減速器u電位計電位計u1功率功率放大器放大器加熱加熱電阻絲電阻絲給定信號給定信號調(diào)壓器調(diào)壓器220V電壓電壓放大器放大

3、器執(zhí)行執(zhí)行電動機(jī)電動機(jī)熱電偶熱電偶u2圖圖1.2 恒溫箱的自動控制恒溫箱的自動控制比較：比較：自動控制系統(tǒng)與人工控制系統(tǒng)非常相似。在自動控制系統(tǒng)中，測量裝置就相當(dāng)于人的眼睛，控制器則類似于人的大腦，執(zhí)行機(jī)構(gòu)好比人手。在控制過程中，它們的共同點都是要檢測偏差，并利用檢測的偏差再去糾正偏差。沒有偏差就不會有控制調(diào)節(jié)過程。值得注意的是控制系統(tǒng)沒有調(diào)節(jié)，并不等于系統(tǒng)不工作。 1.1.控制系統(tǒng)的工作原理控制系統(tǒng)的工作原理將輸出量的將輸出量的實際值與給實際值與給定值進(jìn)行比定值進(jìn)行比較，得到偏較，得到偏差信號。差信號。 通過測量通過測量元件檢測元件檢測輸出量的輸出量的實際實際 。 用偏差值用偏差值產(chǎn)生控制產(chǎn)

4、生控制調(diào)節(jié)作用調(diào)節(jié)作用去消除偏去消除偏差。差。 測量測量比較比較控制控制1.1.控制系統(tǒng)的工作原理控制系統(tǒng)的工作原理工作原理歸納如下：工作原理歸納如下：在控制系統(tǒng)中，給定量又稱為輸入量輸入量，被控制量又稱為輸出量輸出量。通常，我們把輸出量取出，送回到輸入端，并與輸入量相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋反饋。這種基于反饋原理，通過“檢測偏差，利用偏差糾正偏差”的系統(tǒng)，稱為反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)。顯然，作為反饋控制系統(tǒng)，至少應(yīng)具備有檢測檢測、比比較（或計算）較（或計算）和執(zhí)行執(zhí)行三個基本功能。1.1.控制系統(tǒng)的工作原理控制系統(tǒng)的工作原理控制系統(tǒng)要控制系統(tǒng)要解決的問題解決的問題輸出信號輸出信號的檢

5、測的檢測被控量被控量控制目的控制目的受控對象受控對象1.1.控制系統(tǒng)的工作原理控制系統(tǒng)的工作原理2.2.控制系統(tǒng)的方框圖控制系統(tǒng)的方框圖擾動量擾動量被控量被控量熱電偶熱電偶給定信號給定信號電壓、電壓、功率放功率放大器大器執(zhí)行電機(jī)執(zhí)行電機(jī)減速器減速器調(diào)壓器調(diào)壓器溫度溫度t恒溫箱恒溫箱（被控對象）（被控對象）圖圖1.3 恒溫箱自動控制系統(tǒng)職能框圖恒溫箱自動控制系統(tǒng)職能框圖 代表比較元件代表比較元件 代表信號的傳遞及方向代表信號的傳遞及方向 代表一個環(huán)節(jié)代表一個環(huán)節(jié) u u1 1u u2 3.3.日常生活中的控制系統(tǒng)日常生活中的控制系統(tǒng)1.1.人手取書人手取書輸入輸入書的位置書的位置大腦大腦輸出輸出

6、肌肉肌肉手臂手臂眼睛眼睛手的位置手的位置圖圖1.4 人手取書方框圖人手取書方框圖2.2.汽車行駛的位置控制汽車行駛的位置控制實際路線實際路線希望路線希望路線大腦大腦輸出輸出方向盤方向盤汽車汽車眼睛眼睛輸入輸入圖圖1.5 汽車行駛的位置控制框圖汽車行駛的位置控制框圖3.3.日常生活中的控制系統(tǒng)日常生活中的控制系統(tǒng)3.3.液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)圖1.6 液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖iq0qh人工控制浮球控制3.3.日常生活中的控制系統(tǒng)日常生活中的控制系統(tǒng)典型應(yīng)用典型應(yīng)用: 廁所水箱廁所水箱4.4.控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成主反饋主反饋局部反饋局部反饋執(zhí)行執(zhí)行元件元件被控被控對象對象放大、變放大、變換

7、元件換元件擾動擾動串聯(lián)校串聯(lián)校正元件正元件并聯(lián)校并聯(lián)校正元件正元件反饋元件反饋元件給定給定元件元件比 較比 較元件元件輸出輸出圖圖1.7 典型反饋控制系統(tǒng)框圖典型反饋控制系統(tǒng)框圖5.5.控制系統(tǒng)的物理本質(zhì)控制系統(tǒng)的物理本質(zhì) 控制過程是一種信息處理及能量轉(zhuǎn)移的過程。因此，提高信息處理能力，以最短的時間和(或)最小的代價(能量消耗最小)實現(xiàn)系統(tǒng)按預(yù)定的規(guī)律進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，就是控制系統(tǒng)設(shè)計所要解決的中心問題。1.1.2 1.1.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用1.控制思想的溯源控制思想的溯源u中國，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺中國，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺(1400B.C. 1100B

8、.C.)。孫武著。孫武著孫子兵法孫子兵法(600B.C.)西漢漏壺u亞歷山大的亞歷山大的希羅希羅發(fā)明神殿自動門和分發(fā)圣水等發(fā)明神殿自動門和分發(fā)圣水等自動裝置自動裝置(100年年)u中國中國馬鈞馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車(235年年)u中國明代中國明代宋應(yīng)星宋應(yīng)星所著所著天工開物天工開物記載有程序控制記載有程序控制思想思想(CNC)的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖(1637年年)1.1.2 1.1.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用u英國英國J. WattJ. Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度(1

9、788(1788年年) )是一種典型的自動化裝置。是一種典型的自動化裝置。 1.1.2 1.1.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用1.1.2 1.1.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用u英國英國J. C. MaxwellJ. C. Maxwell發(fā)表發(fā)表“論調(diào)速器論調(diào)速器”(On Governors)(On Governors)論文論文(1868(1868年年) )u英國英國E.J. RouthE.J. Routh建立建立RouthRouth判據(jù)判據(jù)(Routh-Hurwitz Stability (Routh-Hurwitz Stability Criteria)(187

10、5Criteria)(1875年年) )u俄國俄國A.M. LyapunovA.M. Lyapunov博士論文博士論文“論運(yùn)動穩(wěn)定性的一般問題論運(yùn)動穩(wěn)定性的一般問題” (1892(1892年年) )u19321932年美國貝爾實驗室工程師奈奎斯特發(fā)表了反饋放大器年美國貝爾實驗室工程師奈奎斯特發(fā)表了反饋放大器穩(wěn)定性的著名論文，給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性的奈奎斯特判據(jù)。穩(wěn)定性的著名論文，給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性的奈奎斯特判據(jù)。2.2.經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論(20(20世紀(jì)世紀(jì)4040年代年代-60-60年代年代) )1.1.2 1.1.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用u美國MIT的N. Wiener研

11、究隨機(jī)過程的預(yù)測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表控制論(Cybernetics)一書(1948)，標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生。u我國著名科學(xué)家錢學(xué)森1954年在美國發(fā)表的工程控制論。 u伯德于1945年提出了簡便而又實用的伯德圖法。u1948年，伊文思提出了直觀而又形象的根軌跡法。1.1.2 1.1.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用3.3.現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論(20(20世紀(jì)世紀(jì)6060年代年代-)-)u蘇聯(lián)蘇聯(lián)L.S. PontryaginL.S. Pontryagin發(fā)表發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論”，提出極，提出極大值原理大值原理(1958)

12、(1958)u美國美國R. BellmanR. Bellman發(fā)表著名的發(fā)表著名的Dynamic ProgrammingDynamic Programming，建立最，建立最優(yōu)控制的基礎(chǔ)優(yōu)控制的基礎(chǔ)(1954)(1954)u美國美國MITMIT的的Servomechanism LaboratoryServomechanism Laboratory研制出第一臺數(shù)控研制出第一臺數(shù)控機(jī)床機(jī)床(1952)(1952)1.1.2 1.1.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用u世界第一顆人造地球衛(wèi)星世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)(

13、1957)u美國卡爾曼提出的狀態(tài)空間方法以及其它學(xué)者提出的極大值原理和動態(tài)規(guī)劃等方法，形成了系統(tǒng)測辨、最優(yōu)控制、自組織、自適應(yīng)系統(tǒng)等現(xiàn)代控制理論。 1.1.2 1.1.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用4.4.大系統(tǒng)理論時期大系統(tǒng)理論時期(20(20世紀(jì)世紀(jì)7070年代年代-)-)控制論由工程控制論、生物控制論向經(jīng)濟(jì)控制論、社會控制論發(fā)展。生物控制論又分化出神經(jīng)控制論、醫(yī)學(xué)控制論、人工智能研究和仿生學(xué)研究。 社會控制論把控制論應(yīng)用于社會的生產(chǎn)管理、效能運(yùn)輸、電力網(wǎng)絡(luò)、能源工程、環(huán)境保護(hù)、城市建議，以至社會決策等方面。 呼應(yīng)與西方工業(yè)革命發(fā)展相頻域復(fù)域時域與航天技術(shù)發(fā)展相呼應(yīng)系統(tǒng)辯識等

14、最佳估計最優(yōu)控制線性系統(tǒng)出）（單入經(jīng)典控制理論/出）（多入現(xiàn)（近）代控制理論/19世紀(jì)20世紀(jì)60年代初總結(jié)：發(fā)展過程1.1.2 1.1.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用1.1.2 1.1.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入研究單輸入-單輸出單輸出一類定?？刂葡到y(tǒng)的一類定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這分析與設(shè)計問題。這些理論由于其發(fā)展較些理論由于其發(fā)展較早早,現(xiàn)已臻成熟?，F(xiàn)已臻成熟。以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ),研究多輸入研究多輸入-多輸出、多輸出、時變、非線性一類控時變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計制系統(tǒng)的分析與設(shè)

15、計問題。系統(tǒng)具有高精問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。度和高效能的特點。經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論控制理論主要研究兩方面的問題：控制理論主要研究兩方面的問題：v1) 1) 分析：在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)已經(jīng)確定的分析：在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)已經(jīng)確定的條件下，對系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，并提出條件下，對系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，并提出改善性能的途徑。改善性能的途徑。v2) 2) 綜合：根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的任務(wù)，給出穩(wěn)綜合：根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的任務(wù)，給出穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)，要求組成一個系統(tǒng)，態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)，要求組成一個系統(tǒng)，并確定適當(dāng)?shù)膮?shù)，使系統(tǒng)滿足給定的性并確定適當(dāng)?shù)膮?shù)，使系統(tǒng)滿足給定的性能指標(biāo)

16、。能指標(biāo)。1.1.2 1.1.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用自動化自動化工業(yè)工業(yè)自動化自動化機(jī)器人機(jī)器人軍事軍事自動化自動化家庭家庭自動化自動化自動化的應(yīng)用自動化的應(yīng)用1.1.2 1.1.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動對被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、分析麻煩。1.2.1.根據(jù)有無反饋控制作用可分為兩類1.2 1.2 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制開環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控

17、制作用沒有影響。輸出端和輸入端之間存在著反饋回路，輸出量對控制過程產(chǎn)生直接影響 1.2.2 按輸入信號變化規(guī)律分類按輸入信號變化規(guī)律分類1.2 1.2 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類1恒值控制系統(tǒng) 它的輸入量是一恒定值，輸入量一經(jīng)給定，在運(yùn)行過程中就不再改變 。任務(wù)是保證在任何干擾作用下，維持系統(tǒng)的輸出量為恒定值 。例如：溫度控制系統(tǒng)。2程序控制系統(tǒng)當(dāng)輸入量為已知給定的時間函數(shù)時，稱為程序控制系統(tǒng)。 輸入量不為常數(shù)，其變化規(guī)律是預(yù)先知道的，故可預(yù)先把輸入量的變化規(guī)律編成程序，由該程序發(fā)出控制指令，在輸入裝置中再將控制指令轉(zhuǎn)換成控制信號，經(jīng)過全系統(tǒng)的作用，使被控對象按指令的要求而運(yùn)動。 1.2 1

18、.2 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類指令脈沖執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服電動機(jī)運(yùn)算控制器變換放大器工作機(jī)床反饋測量元件指令脈沖位移切削刀具舉例：用于機(jī)床切削加工的程序控制系統(tǒng)3隨動系統(tǒng)（又稱伺服控制）系統(tǒng)的輸入量是未知的，給定量的變化規(guī)律是不能預(yù)先確定的。 要求輸出量迅速而平穩(wěn)地跟隨著變化，且能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)控制信號的變化規(guī)律 。例如：火炮自動瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、導(dǎo)彈目標(biāo)自動跟蹤系統(tǒng)。 1.2 1.2 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類我國研制的地空導(dǎo)彈導(dǎo)彈的導(dǎo)引技術(shù)思考：導(dǎo)彈是怎樣盯住目標(biāo)的呢？ 1.2.3 按系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述分類能用線性微分方程描述的系統(tǒng)，稱為線性控制系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的重要特點是滿足疊加原理。1線性控制系統(tǒng)2非線性控制系統(tǒng)不能用線性微分方程描述的系統(tǒng)，稱為非線性控制系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)的重要特點是含有（那怕只有一個）非線性元件，它的輸入輸出關(guān)系要用非線性微分方程描述。1.2 1.2 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類1.2.4 按系統(tǒng)內(nèi)部的信號特征分類1連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號都是連續(xù)時間變量的系統(tǒng)稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。 2離散控制系統(tǒng)（或數(shù)字控制系統(tǒng)）系統(tǒng)中某一處或數(shù)處的信號是脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)稱為離散控制系統(tǒng)。 1.2 1.2 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的