第一章 控制工程基礎(chǔ)-緒論

1、機(jī)械工程控制(kngzh)基礎(chǔ)南通大學(xué)(dxu)機(jī)械工程學(xué)院 徐海黎7/19/20221第一講 緒論共六十四頁機(jī)械工程控制(kngzh)控制理論在工程技術(shù)領(lǐng)域(ln y)的體現(xiàn)在同機(jī)械工程相應(yīng)的機(jī)械工程領(lǐng)域中的體現(xiàn)即自動(dòng)控制，在無人參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象自動(dòng)地按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行或變化。7/19/20222第一講 緒論共六十四頁控制論是一門(y mn)既與技術(shù)科學(xué)又與基礎(chǔ)科學(xué)緊密相關(guān)的邊緣科學(xué)?？刂普撛谒⒑蠛芏虝r(shí)間內(nèi)便迅速滲透到許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，大大推動(dòng)了近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并從中派生出許多新型的邊緣學(xué)科，如，生物控制論，經(jīng)濟(jì)控制論，社會(huì)控制論，工程控制論等?？刂普搹慕鉀Q生產(chǎn)實(shí)踐

2、問題開始，反過來又大大促進(jìn)了生產(chǎn)技術(shù)，從而派生出“工程控制論”這一新型的技術(shù)科學(xué)。7/19/20223第一(dy)講 緒論共六十四頁自動(dòng)控制(z dn kn zh)的發(fā)展經(jīng)典起源于1788年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)離心調(diào)速器帶來的離心調(diào)速問題。主要研究對(duì)象：?jiǎn)屋斎雴屋敵鱿到y(tǒng)的輸出控制(kngzh)。數(shù)學(xué)工具：傳遞函數(shù)方法：頻率法、根軌跡法7/19/20224第一講 緒論共六十四頁7/19/20225第一(dy)講 緒論共六十四頁7/19/20226第一(dy)講 緒論共六十四頁現(xiàn)代進(jìn)入二十世紀(jì)六十年代發(fā)展起來主要研究對(duì)象：多變量系統(tǒng)的狀態(tài)變量控制數(shù)學(xué)工具矢量微分方程、矩陣論、集合論、概率論方法(fngf

3、)：狀態(tài)空間法新的先進(jìn)控制(kngzh)理論： 模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法7/19/20227第一講 緒論共六十四頁清華大學(xué)出版社 董景新編 控制工程基礎(chǔ)(jch)機(jī)械工業(yè)出版社 夏德鈐編 自動(dòng)控制理論清華大學(xué)出版社 吳麒編 自動(dòng)控制原理參考書目7/19/20228第一(dy)講 緒論共六十四頁答疑(d y)時(shí)間：每周三下午(xiw)3:00-4:30地點(diǎn)：12-3047/19/20229第一講 緒論共六十四頁第一章 緒論(xln)機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù)系統(tǒng)及其模型反饋系統(tǒng)的分類(fn li)控制系統(tǒng)的基本要求教學(xué)大綱7/19/202210第一講 緒論共六十四頁1.1機(jī)械工程控制論的

4、研究(ynji)對(duì)象與任務(wù)一、研究對(duì)象系統(tǒng)（廣義系統(tǒng)）系統(tǒng)：元素按一定規(guī)律的集合，即相互作用的兩個(gè)或兩個(gè)以上的元素構(gòu)成的整體。一般抽象成數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)研究對(duì)象包括機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)以及(yj)機(jī)械生產(chǎn)過程。7/19/202211第一講 緒論共六十四頁二、任務(wù)(rn wu)廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題動(dòng)態(tài)歷程輸入、系統(tǒng)(xtng)、輸出三者之間的關(guān)系7/19/202212第一講 緒論共六十四頁7/19/202213第一(dy)講 緒論共六十四頁上圖（a）表示組和機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)銑平面時(shí)的情況(qngkung)。當(dāng)切削力f(t)變化時(shí)，滑臺(tái)可能產(chǎn)生震動(dòng)，從而降低被加工工件的表面質(zhì)量。為了分

5、析這個(gè)系統(tǒng)，首先將動(dòng)力滑臺(tái)連同銑刀抽象成如圖（b）所示的質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)的力學(xué)模型。7/19/202214第一(dy)講 緒論共六十四頁質(zhì)量(zhling)阻尼彈簧（m-c-k）單自由度系統(tǒng)其中：m質(zhì)量(zhling)（kg）C粘性阻尼系數(shù)（Ns/m）K彈簧剛度（N/m）f(t)外力（N），為系統(tǒng)輸入（激勵(lì)）y(t)質(zhì)量塊位移（m），為系統(tǒng)輸出（響應(yīng)）7/19/202215第一講 緒論共六十四頁研究系統(tǒng)在力f(t)作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程(fngchng)如下：7/19/202216第一(dy)講 緒論共六十四頁三、最常見研究問題：已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)（m,c,k）、輸入(shr)，求

6、輸出 系統(tǒng)分析已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)（m,c,k）、輸出， 求輸入 最優(yōu)控制已知系統(tǒng)輸入、輸出，求系統(tǒng)的參數(shù) 最優(yōu)設(shè)計(jì) 教材P47/19/202217第一(dy)講 緒論共六十四頁1.2系統(tǒng)(xtng)及其模型一、系統(tǒng)由相互聯(lián)系相互作用的各部分組成，有一定目的或一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一個(gè)整體(zhngt)。研究的廣義系統(tǒng)可大可小、可實(shí)可虛、可繁可簡(jiǎn)。不是對(duì)其本身進(jìn)行研究，而是抽象成數(shù)學(xué)模型。7/19/202218第一講 緒論共六十四頁二、機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一定(ydng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、輸出一定(ydng)的機(jī)械能，以及承受一定(ydng)的機(jī)械載荷為目的的系統(tǒng)輸入輸出稱為“激勵(lì)”與“響應(yīng)”，激勵(lì)一般是對(duì)系統(tǒng)的作用，

7、如加在系統(tǒng)的載荷，響應(yīng)則指系統(tǒng)的變形或位移。激勵(lì)如果是人為加上則稱作“控制”，非人為加上則稱為“擾動(dòng)”。7/19/202219第一(dy)講 緒論共六十四頁三、模型用數(shù)學(xué)方法描述的抽象的理論模型，表達(dá)(biod)系統(tǒng)內(nèi)部及其與外部的關(guān)系，又稱數(shù)學(xué)模型一般以微分方程形式或者差分方程、傳遞函數(shù)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖等進(jìn)行描述7/19/202220第一(dy)講 緒論共六十四頁上圖地基(dj)振動(dòng)位移x(t)為激勵(lì)，機(jī)器位移y(t)為響應(yīng)。則對(duì)機(jī)器有：k7/19/202221第一(dy)講 緒論共六十四頁即：7/19/202222第一(dy)講 緒論共六十四頁1.3反饋(fnku)一、定義一個(gè)系統(tǒng)的輸出，部分

8、或全部地被反過來用于控制系統(tǒng)的輸入，稱為系統(tǒng)的反饋。反饋調(diào)節(jié)完全可以看成是一種原因(yunyn)與結(jié)果不斷相互作用的關(guān)系。反饋有兩種方式：正反饋、負(fù)反饋。7/19/202223第一講 緒論共六十四頁二.示例(shl)優(yōu)點(diǎn)：控制方式簡(jiǎn)單(jindn)；缺點(diǎn)：從驅(qū)動(dòng)電路到工作臺(tái)這整個(gè)“傳遞鏈”中的任一環(huán) 的誤差均會(huì)影響工作臺(tái)的移動(dòng)精度或定位精度。7/19/202224第一講 緒論共六十四頁檢測(cè)裝置隨時(shí)測(cè)定工作臺(tái)的實(shí)際位置（即其輸出信息）；反饋送回輸入端，與控制指令比較；根據(jù)工作臺(tái)實(shí)際位置與目的位置之間的誤差(wch)，決定控制動(dòng)作，達(dá)到消除誤差(wch)的目的。7/19/202225第一(dy)講

9、 緒論共六十四頁一般控制系統(tǒng)的工作原理及原理圖：檢測(cè)實(shí)際輸出量；將實(shí)際值與給定值進(jìn)行比較；用偏差(pinch)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用消除偏差(pinch)。7/19/202226第一(dy)講 緒論共六十四頁給定元件：用于產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。測(cè)量元件：用于測(cè)量被測(cè)量量（輸出量），產(chǎn)生與被控量有確定函數(shù)關(guān)系（通常為比例或與其導(dǎo)數(shù)成比例）的反饋信號(hào)。比較元件：用于比較輸入信號(hào)和反饋信號(hào)，并產(chǎn)生偏差信號(hào)，有些比較元件與測(cè)量元件是結(jié)合在一起的。放大元件：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行(jnxng)幅值或功率放大，以及信號(hào)形式變換。執(zhí)行元件：直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件。被控對(duì)象：控制系統(tǒng)所要控制的對(duì)象。7/19/20222

10、7第一(dy)講 緒論共六十四頁三、特點(diǎn)控制作用由偏差引起。一旦出現(xiàn)偏差就產(chǎn)生控制作用，控制作用總是使系統(tǒng)的被控制量自動(dòng)(zdng)沿減小或消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)按偏差控制（調(diào)節(jié)）從信號(hào)的途徑看，輸出信號(hào)通過測(cè)量元件回送到輸入端，使信號(hào)通路閉合，構(gòu)成閉合通路，稱為閉環(huán)，回送信號(hào)的過程稱為反饋，這一系統(tǒng)反饋聯(lián)結(jié)的方式是負(fù)反饋，因此稱為負(fù)反饋閉環(huán)控制。7/19/202228第一(dy)講 緒論共六十四頁7/19/202229第一(dy)講 緒論共六十四頁7/19/202230第一(dy)講 緒論共六十四頁7/19/202231第一(dy)講 緒論共六十四頁 在飛行器的儀表中，為了將陀螺(或其它測(cè)量元件

11、)測(cè)得的姿態(tài)角的數(shù)據(jù)，傳遞到比較遠(yuǎn)的地方(如駕駛室的儀表板上)，就要進(jìn)行轉(zhuǎn)角的遠(yuǎn)距離傳送，可以利用圖示隨動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)上述要求。該系統(tǒng)的任務(wù)就是(jish)保持輸出軸始終緊緊跟蹤輸入軸變化，又由于輸入軸位置是未知的時(shí)間函數(shù)，所以該系統(tǒng)是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)。7/19/202232第一(dy)講 緒論共六十四頁 系統(tǒng)的工作原理如下：利用兩個(gè)電位器R1和R2分別把輸入(shr)軸和輸出軸的轉(zhuǎn)角r和c變成相應(yīng)的電壓，然后把這兩個(gè)電壓反向串聯(lián)(相減)即得與角度偏差 成比例的電壓 ，該電壓經(jīng)過放大器放大后加到電動(dòng)機(jī)上，電動(dòng)機(jī)的軸經(jīng)減速器和輸出軸相聯(lián)，并且同時(shí)帶動(dòng)電位器R2的電刷移動(dòng)，如 ，則 ，放大后的電壓u

12、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向最終應(yīng)使c向r接近，使 減小。最后，兩者取得一致， ，則 ，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)進(jìn)入平衡狀態(tài)(假定元件沒有死區(qū))。這樣，就保證了輸出軸緊緊地跟隨著輸入軸的變化。 7/19/202233第一(dy)講 緒論共六十四頁7/19/202234第一(dy)講 緒論共六十四頁1.4 系統(tǒng)(xtng)的分類（1）按控制方式分：開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)按給定量（輸入）的變化規(guī)律分：恒值控制系統(tǒng)（恒值調(diào)節(jié)(tioji)系統(tǒng)）隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)7/19/202235第一講 緒論共六十四頁1.4 系統(tǒng)(xtng)的分類（2）按系統(tǒng)反應(yīng)特性分：連續(xù)(linx)控制系統(tǒng)和離散（數(shù)字

13、）控制系統(tǒng) 按執(zhí)行元件的物理性質(zhì)分：電氣控制系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)氣壓控制系統(tǒng)機(jī)械控制系統(tǒng)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)7/19/202236第一講 緒論共六十四頁開環(huán)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。開環(huán)系統(tǒng)(xtng)的輸出量不對(duì)系統(tǒng)(xtng)的控制發(fā)生作用。數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)原理圖：7/19/202237第一講 緒論共六十四頁閉環(huán)控制系統(tǒng)(xtng)（1）控制裝置與被控(bi kn)對(duì)象之間既有順向作用，又有反向聯(lián)系的控制。數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)系統(tǒng)原理圖：7/19/202238第一講 緒論共六十四頁閉環(huán)控制系統(tǒng)(xtng)（2）典型(d

14、inxng)閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)方框圖優(yōu)點(diǎn)：精度高缺點(diǎn)：存在穩(wěn)定性問題，元件慣性引起振蕩，系統(tǒng)不穩(wěn)定。7/19/202239第一講 緒論共六十四頁復(fù)合(fh)控制系統(tǒng)開環(huán)控制方式(fngsh)和閉環(huán)控制方式(fngsh)組合在一起的控制方式(fngsh)。在閉環(huán)回路的基礎(chǔ)上，附加一個(gè)輸入信號(hào)或擾動(dòng)作用的順饋信號(hào)，以提高系統(tǒng)的精度。7/19/202240第一講 緒論共六十四頁恒值控制系統(tǒng)(kn zh x tn)又稱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，鎮(zhèn)定(zhndng)系統(tǒng)。在外界干擾作用下，系統(tǒng)的輸出仍能保持為常量的系統(tǒng)。其分析設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是要求系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。如前面講過的蒸汽機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)。7/19/20224

15、1第一講 緒論共六十四頁隨動(dòng)系統(tǒng)(xtng)又稱跟蹤系統(tǒng)。外界條件作用下，系統(tǒng)的輸出能相應(yīng)于輸入在廣闊的范圍內(nèi)按任意規(guī)律變化。對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)來說，輸入信號(hào)是隨機(jī)的，其變化規(guī)律事先無法(wf)確定，要求輸出能迅速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化，其分析和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究系統(tǒng)的跟隨性能。國防工業(yè)的火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)、機(jī)械加工設(shè)備的伺服機(jī)構(gòu)、天文望遠(yuǎn)鏡的跟蹤系統(tǒng)。7/19/202242第一講 緒論共六十四頁程序(chngx)控制系統(tǒng)又稱過程控制系統(tǒng)。外界條件作用下，系統(tǒng)的輸出按預(yù)定程序變化。其輸入量為已知給定的時(shí)間函數(shù)。程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)相似，只是輸入信號(hào)的變化規(guī)律是預(yù)先確定的。程序控制系統(tǒng)可

16、以是開環(huán)系統(tǒng)，也可以是閉環(huán)系統(tǒng)。應(yīng)用實(shí)例：仿形銑床(xchung)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)械手控制系統(tǒng)。7/19/202243第一講 緒論共六十四頁連續(xù)(linx)系統(tǒng)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都是連續(xù)時(shí)間的函數(shù)。線性系統(tǒng)：組成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性的，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以用線性微分方程描述。在線性微分方程中，只含輸入量或輸出量各階導(dǎo)數(shù)的一次項(xiàng)。非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一個(gè)以上(yshng)的元件的特性是非線性的系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型要用非線性微分方程描述。7/19/202244第一講 緒論共六十四頁離散系統(tǒng)系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號(hào)是以脈沖序列或數(shù)字編碼形式出現(xiàn)(chxin)的。離散

17、系統(tǒng)包括采樣控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。采樣控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中的連續(xù)信號(hào)被采樣成脈沖序列。數(shù)字控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中的連續(xù)信號(hào)被采樣后量化成數(shù)字信號(hào)。7/19/202245第一(dy)講 緒論共六十四頁控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本要求穩(wěn)定最基本要求(yoqi)準(zhǔn)確穩(wěn)態(tài)要求快速動(dòng)態(tài)要求7/19/202246第一講 緒論共六十四頁穩(wěn)定性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的振蕩趨向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡的能力。穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)能正常(zhngchng)工作的先決條件，任何系統(tǒng)只有在穩(wěn)定的情況下才有可能正常(zhngchng)工作。系統(tǒng)的穩(wěn)定是有裕度的，也稱為穩(wěn)定裕度。穩(wěn)定裕度越大，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度越深，系統(tǒng)抗干擾的能力就越強(qiáng)。7

18、/19/202247第一(dy)講 緒論共六十四頁準(zhǔn)確性穩(wěn)態(tài)精度，調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，輸出量與輸入量之間的偏差。將系統(tǒng)引到一個(gè)穩(wěn)定的工作(gngzu)狀態(tài)時(shí)的性能稱為穩(wěn)態(tài)性。通常它由穩(wěn)態(tài)精度來描述和刻劃，亦稱為穩(wěn)態(tài)誤差。這里誤差是指希望輸出與實(shí)際輸出的差別。7/19/202248第一(dy)講 緒論共六十四頁快速性系統(tǒng)穩(wěn)定條件下，輸出量與給定輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差過程的快速程度。動(dòng)態(tài)性能(xngnng)是指系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)，即過渡過程的性能(xngnng)。過渡過程的性能(xngnng)主要由快速性能(xngnng)和振蕩性能(xngnng)來描述。一般的對(duì)控制系統(tǒng)來說，

19、快速性是越快越好，振蕩性是越小越好，有的系統(tǒng)不允許有振蕩。例：火炮系統(tǒng)的快速性很重要 車床的給進(jìn)系統(tǒng)不允許有振蕩7/19/202249第一(dy)講 緒論共六十四頁不同類型系統(tǒng)對(duì)三者要求各有側(cè)重穩(wěn)準(zhǔn)快相互制約，快速性好，會(huì)有強(qiáng)烈振蕩，改善穩(wěn)定性，控制過程會(huì)減慢，精度也會(huì)降低。機(jī)械動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的首要問題(wnt)是穩(wěn)定性，過大振蕩會(huì)使部件過載損壞防止自振、降低噪聲、增加剛度。7/19/202250第一(dy)講 緒論共六十四頁機(jī)器人控制系統(tǒng)(kn zh x tn)CCD攝像機(jī)（Charge Coupled Device）可裝在手爪(shu zho)上，也可裝在環(huán)境中。7/19/202251第一講

20、緒論共六十四頁穩(wěn)定性防止振蕩(zhndng)準(zhǔn)確性準(zhǔn)確抓起快速性快速到位7/19/202252第一(dy)講 緒論共六十四頁控制工程基礎(chǔ)(jch)教學(xué)大綱緒論(xln)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)的時(shí)域分析控制系統(tǒng)的頻率法分析控制系統(tǒng)的校正7/19/202253第一講 緒論共六十四頁緒論(xln)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(jbn)要求7/19/202254第一講 緒論共六十四頁控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的數(shù)學(xué)模型2.1 系統(tǒng)的微分方程2.2 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.3 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖及其簡(jiǎn)化2.4 反饋(fnk

21、u)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.5 相似原理7/19/202255第一講 緒論共六十四頁控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的時(shí)域分析3.1 時(shí)間(shjin)響應(yīng)及其組成 3.2 典型輸入信號(hào)3.3 一階系統(tǒng)3.4 二階系統(tǒng)3.5 高階系統(tǒng)3.6 系統(tǒng)穩(wěn)定性的初步概念3.7 Routh穩(wěn)定判據(jù)3.8 系統(tǒng)誤差分析與計(jì)算7/19/202256第一講 緒論共六十四頁控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的頻率特性分析4.1 頻率特性概述4.2 頻率特性的圖示方法(fngf)4.3 Nyquist穩(wěn)定判據(jù)4.4 Bode穩(wěn)定判據(jù)4.5 系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性4.6 閉環(huán)頻率特性4.7 頻率特性的特征量4.8 最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng)7/19/202257第一講 緒論共六十四頁