第二講熊良才、陳

1、制作：華中科技大學(xué)熊良才、吳波、陳良才西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院主講教師：劉雪梅機(jī)械工程控制基礎(chǔ) 1.1 引言 1.2 控制工程的發(fā)展 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 1.4 控制理論在機(jī)械制造業(yè)工業(yè)中的應(yīng)用 1.5 課程主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排制作：華中科技大學(xué)熊良才、吳波、陳良才對(duì)控制系統(tǒng)，可從不同的角度分類1.按反饋情況開環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)沒有反饋回路，輸出對(duì)系統(tǒng)無(wú)控制作用。如：步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床、普通洗衣機(jī) 家用電烤箱、微波爐、普通電風(fēng)扇四、控制系統(tǒng)的分類制作：華中科技大學(xué)熊良才、吳波、陳良才閉環(huán)控制系統(tǒng)：有反饋回路，輸出對(duì)系統(tǒng)有控制作用。如：前例中的離心調(diào)速系統(tǒng) 伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床 恒溫箱(冰箱、

2、空調(diào)) 人騎自行車2. 按給定信號(hào)的形式 恒值系統(tǒng) / 隨動(dòng)系統(tǒng) / 程序控系統(tǒng)3. 按是否滿足疊加原理 線性系統(tǒng) / 非線性系統(tǒng)4. 按參數(shù)是否隨時(shí)間變化 定常系統(tǒng) / 時(shí)變系統(tǒng)5. 按信號(hào)傳遞的形式 連續(xù)系統(tǒng) / 離散系統(tǒng)6. 按輸入輸出變量的多少 單變量系統(tǒng) / 多變量系統(tǒng)本課程只涉及：線性、定長(zhǎng)、連續(xù)、單輸入單輸出系統(tǒng)五、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1. 穩(wěn)：（基本要求） 系統(tǒng)由于存在慣性，當(dāng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)分配不當(dāng)時(shí)，將會(huì)引起系統(tǒng)的振蕩，以致越來(lái)越遠(yuǎn)離平衡位置而失去工作的能力。穩(wěn)定性是指系統(tǒng)抵抗動(dòng)態(tài)過程振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應(yīng)該隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而收斂，并最后回

3、到初始的平衡狀態(tài)。控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定，與外界因素?zé)o關(guān)。2. 準(zhǔn)：（穩(wěn)態(tài)要求） 是衡量系統(tǒng)工作性能的指標(biāo)，是指在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量之間的偏差程度。控制精度 ，以穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)衡量。五、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求3. 快：（動(dòng)態(tài)要求） 快速性指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快慢程度。注： 由于被控對(duì)象的具體情況不同，因此各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)準(zhǔn)快的要求各有側(cè)重。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性相互制約，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求合理選擇。制作：華中科技大學(xué)熊良才、吳波、陳良才 1.1 引言 1.2 控制工程的發(fā)展 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 1.4 控制理論在機(jī)械制造

4、業(yè)工業(yè)中的應(yīng)用 1.5 課程主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排第一章 緒論 機(jī)電工業(yè)是我國(guó)最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，而傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品正在向機(jī)電一體化方向發(fā)展。機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是控制自動(dòng)化。 機(jī)電控制型產(chǎn)品技術(shù)含量高，附加值大，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，形成機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展的主流。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外機(jī)電結(jié)合型產(chǎn)品，諸如典型的工業(yè)機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床，自動(dòng)導(dǎo)引車等都應(yīng)用了廣泛的控制理論。1.4 控制理論在機(jī)械制造業(yè)工業(yè)中的應(yīng)用控制工程理論在機(jī)械制造領(lǐng)域中應(yīng)用最為活躍的主要有： 1、在機(jī)械制造過程中自動(dòng)化方面。機(jī)械制造過程正在向“自動(dòng)化”與“最優(yōu)化”“可靠性”方向結(jié)合，以及機(jī)電一體化的方向發(fā)展，如機(jī)床的數(shù)字

5、控制；自適應(yīng)控制和柔性自動(dòng)生產(chǎn)線；工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用；部件及產(chǎn)品的自動(dòng)裝配；產(chǎn)品的自動(dòng)和半自動(dòng)測(cè)量和檢驗(yàn)；計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS等。 2、在加工過程的研究方面?，F(xiàn)代生產(chǎn)一方面是生產(chǎn)效率越來(lái)越高；一方面是加工精度越來(lái)越高。使加工過程中的“動(dòng)態(tài)效應(yīng)”不容忽視。這就要求把加工過程如實(shí)的作為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)加以研究。制作：華中科技大學(xué)熊良才、吳波、陳良才 3、在產(chǎn)品與設(shè)備設(shè)計(jì)方面。在充分考慮產(chǎn)品與設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能的條件下，密切結(jié)合其工作過程，建立它們的數(shù)學(xué)模型，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的研究。 4、在動(dòng)態(tài)過程或參數(shù)測(cè)試方面。以往的測(cè)量一般是建立在靜態(tài)基礎(chǔ)上（特別是幾何量的測(cè)量），而

6、現(xiàn)在以控制理論為基礎(chǔ)，以信息技術(shù)為手段的動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)發(fā)展十分迅速。動(dòng)態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)位移、振動(dòng)、噪聲、動(dòng)態(tài)力與動(dòng)態(tài)溫度等動(dòng)態(tài)物理量的測(cè)量，從基本概念、測(cè)試方法、測(cè)試手段到測(cè)試數(shù)據(jù)的處理方法無(wú)不同控制理論息息相關(guān)。 總之，控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)同機(jī)械制造技術(shù)的結(jié)合、機(jī)電的結(jié)合和一體化，將促使這一領(lǐng)域中的試驗(yàn)、研究、設(shè)計(jì)、制造、管理等各個(gè)方面發(fā)生巨大的變化。制作：華中科技大學(xué)熊良才、吳波、陳良才 1.1 引言 1.2 控制工程的發(fā)展 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 1.4 控制理論在機(jī)械制造業(yè)工業(yè)中的應(yīng)用 1.5 課程主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排第一章 緒論1.5 課程主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排第一章 自動(dòng)控制的一般概念

7、 第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章 線性系統(tǒng)的時(shí)域分析第四章 線性系統(tǒng)的頻域分析第五章 系統(tǒng)的性能指標(biāo)與校正1.5 課程主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排 本章小結(jié)1. 自動(dòng)控制的一般概念 機(jī)械控制工程研究的問題 控制系統(tǒng)的基本組成 控制系統(tǒng)的分類 對(duì)控制系統(tǒng)的要求 課程研究的內(nèi)容 2. 要求掌握的知識(shí)點(diǎn) 負(fù)反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及原理 由系統(tǒng)工作原理圖繪制方框圖第二章 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1 引言2.2 系統(tǒng)的微分方程2.3 拉氏變換及反變換2.4 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.5 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖及其簡(jiǎn)化第二章 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1 引言數(shù)學(xué)模型 描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系 的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 建立控制系

8、統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、綜合，是控制工程的基本方法。時(shí)域模型 微分方程復(fù)域模型 傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖、信號(hào)流圖頻域模型 頻率特性(Bode圖、Nyquist圖)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建模方法實(shí)驗(yàn)法（系統(tǒng)辨識(shí)法） 給系統(tǒng)施加某種測(cè)試信號(hào)，記錄輸出響應(yīng)，并用 適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型去逼近系統(tǒng)的輸入輸出特性。 解析法（機(jī)理分析法） 根據(jù)系統(tǒng)工作所依據(jù)的物理定律列寫運(yùn)動(dòng)方程。 數(shù)學(xué)模型應(yīng)能反映系統(tǒng)的內(nèi)在的本質(zhì)特征，同時(shí)應(yīng)對(duì)模型的簡(jiǎn)潔性和精確性進(jìn)行折中考慮。第二章 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1 引言2.2 系統(tǒng)的微分方程2.3 拉氏變換及反變換2.4 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.5 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖及其簡(jiǎn)化建立

9、數(shù)學(xué)模型的一般步驟1. 分析系統(tǒng)工作原理和信號(hào)的傳遞變換的過程，確定系統(tǒng)和各元件的輸入、輸出量；2. 從輸入端開始，按照信號(hào)傳遞變換過程，依據(jù)各變量遵循的物理學(xué)定律，依次列寫出各元件、部件的動(dòng)態(tài)微分方程；3. 消去中間量變，得到描述元件或系統(tǒng)輸入、輸出變量之間關(guān)系的微分方程；4. 標(biāo)準(zhǔn)化：右端輸入，左端輸出，導(dǎo)數(shù)降冪排列。線性定常系統(tǒng)微分方程的一般形式2. 2. 1 線性元部件及系統(tǒng)的微分方程例1 R-L-C 串連電路例2 彈簧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng) 機(jī)電控制系統(tǒng)的受控對(duì)象是機(jī)械系統(tǒng)。在機(jī)械系統(tǒng)中，有些構(gòu)件具有較大的慣性和剛度，有些構(gòu)件則慣性較小、柔性較大。在集中參數(shù)法中，我們將前一類構(gòu)件的彈性忽略將其視為質(zhì)量塊，而把后一類構(gòu)件的慣性忽略而視為無(wú)質(zhì)量的彈簧。這樣受控對(duì)象的機(jī)械系統(tǒng)可抽象為質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)。 機(jī)械系統(tǒng)中以各種形式出現(xiàn)的物理現(xiàn)象，都可以簡(jiǎn)化為質(zhì)量、彈簧和阻尼三個(gè)要素。電樞回路： 基爾霍夫電樞反電勢(shì)： 楞次定律電磁力矩： 安培定律力矩平衡： 牛頓定律電機(jī)時(shí)間常數(shù)(s) 電機(jī)傳遞系數(shù)(rad/sV)消去中間變量 i, Mm , Eb 可得：例3 電樞控制式直流電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Faraday 小結(jié) 物理本質(zhì)不同的系統(tǒng)，可以有相同的數(shù)學(xué)模型，從而可以拋開系統(tǒng)的物理屬性，用同一方法進(jìn)行具有普遍意義的分析研究（信息方法）。 從動(dòng)態(tài)性能看，在相同