機械工程控制基礎第一章

1、共三十八頁第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念一、機械工程控制論的研究(ynji)對象與任務二、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成三、控制系統(tǒng)的基本類型四、對控制系統(tǒng)的基本要求五、本課程的任務及主要內(nèi)容第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念College of mechanical & electronic engineering一、機械工程控制論的研究對象與任務系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互作用的若干部分構

2、成且具有一定運動規(guī)律的一個有機整體。是按一定規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。系統(tǒng)及廣義系統(tǒng)要素：元素元素之間的關系共三十八頁第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念College of mechanical & electronic engineering機械工程控制論實質(zhì)上是研究機械工程技術中廣義系統(tǒng)的動力學問題。具體地說，它研究的是機械工程廣義系統(tǒng)在一定的外界條件（即輸入或激勵、干擾）作用下，從系統(tǒng)的一定的初始狀態(tài)出發(fā)，所經(jīng)歷的由其內(nèi)部的固有特性（即由系統(tǒng)的結(jié)構與參數(shù)所決定的特性）所決定的整個動態(tài)歷程；研究這一系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之

3、間的動態(tài)關系。機械工程控制論的研究對象共三十八頁第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念College of mechanical & electronic engineering從系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的關系出發(fā)，根據(jù)已知條件與求解問題的不同，機械工程控制論的任務可以分為以下五種： （1）已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的輸出，即系統(tǒng)分析問題； （2）已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，設計輸入，即最優(yōu)控制問題； （3）已知輸入和理想輸出時，設計系統(tǒng)，即最優(yōu)設計問題； （4）輸出已知，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸入中的有關信息， 此即濾波與預測問題； （

4、5）已知系統(tǒng)的輸入和輸出，求系統(tǒng)的結(jié)構與參數(shù)，即系統(tǒng) 辨識問題。 機械工程控制論的研究任務 共三十八頁加熱電阻絲220V調(diào)壓器人工控制的恒溫箱 溫度計第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念College of mechanical & electronic engineering二、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成控制：通過對一定對象實施一定的操作，以使其按照預定的規(guī)律運動或變化的過程。 共三十八頁被控對象：在控制理論和控制技術中，運動規(guī)律或狀態(tài)需要控制 的裝置或元件稱為被控對象（控制對象）控制器：除被控對象以外的所有裝置，統(tǒng)稱為控制器

5、被控制量：表征被控對象運動規(guī)律或狀態(tài)的物理量 實質(zhì)上是系統(tǒng)的輸出(shch)（輸出(shch)量） 希望值：希望的被控對象運動規(guī)律或狀態(tài)的物理量 （或稱輸入量、系統(tǒng)輸入） 偏差：系統(tǒng)的輸入量與反饋量之差或之和（比較環(huán)節(jié)的輸出值） 控制量：被控對象的輸入量擾動量（干擾）：指除給定量以外，所有使得被控制量偏離 給定值的因素。擾動包括因系統(tǒng)外部因素發(fā)生變化而引起的 外擾和因系統(tǒng)內(nèi)部因素所引起的內(nèi)擾。第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁加熱電阻絲220V調(diào)壓器人

6、工控制的恒溫箱 溫度計被控對象(duxing)：恒溫箱 控制器：除恒溫箱以外的所有裝置，統(tǒng)稱為控制器。 被控制量：恒溫箱的實際溫度為被控制量（系統(tǒng)的輸出量） 希望值：希望的恒溫箱的溫度。 偏差：希望的恒溫箱的溫度與恒溫箱的實際溫度之差控制量：加熱電阻絲的輸出功率。擾動量（干擾）：恒溫箱散熱量 第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)(tioji)過程： 觀測(gunc)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量） 與要求的溫度（給定值）進行比較，得到溫度 偏

7、差的大小和方向 根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電 阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復到要求值。人工控制過程的實質(zhì)：檢測偏差再糾正偏差。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念College of mechanical & electronic engineering系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)方框圖由許多對信號（量）進行單向傳遞的元件方框和一些連線組成，表征了系統(tǒng)各元件之間及系統(tǒng)與外界之間進行信息交

8、換的過程。包括三個基本的單元:引出點,比較點,元件方框大腦手調(diào)壓器恒溫箱眼睛實際溫度期望溫度人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖溫度計共三十八頁 自動控制(z dn kn zh)在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產(chǎn)過程（通稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(zdng)地按照預定的規(guī)律運行。如：數(shù)控機床、室內(nèi)溫度控制、機車、船舶 及飛機自動駕駛、導彈制導等。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁加熱電阻絲220V調(diào)壓器熱電偶給定信號比較電壓放大器功率

9、放大器執(zhí)行電動機減速器u2u1u恒溫箱自動控制系統(tǒng)第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁恒溫箱自動控制系統(tǒng)工作(gngzu)原理：恒溫箱實際(shj)溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應的電壓u2 恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度 u2比較得到溫度偏差信號uu1 u2溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動 執(zhí)行電動機，并通過傳動機構拖動調(diào)壓器動觸 頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向 運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為 止，

10、此時，偏差u0，電機停止轉(zhuǎn)動。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁給定信號電壓功率放大器控制電機減速器調(diào)壓器恒溫箱(控制對象)熱電偶u1u2uuanvu溫度t(被控量)擾動恒溫箱自動控制系統(tǒng)功能框圖第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁從恒溫箱控制系統(tǒng)(kn zh x tn)功能框圖可見： 給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱

11、為系統(tǒng)輸入量。 也稱為參考(cnko)輸入量（信號）。 被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。 輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系 統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進行比較，產(chǎn)生偏 差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。 輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部 分輸出信號稱為反饋信號。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁綜上所述，控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的工作原理：檢測輸出量（被控制(kngzh)量）的實際值將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比 較得出偏差；

12、用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得 輸出量維持期望的輸出。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預計擾動的情況下，自動減少(jinsho)系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎上，其控制方式是“檢測(jin c)偏差再糾正偏差”。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic enginee

13、ring共三十八頁這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間既定關系(gun x)的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測量、比較和執(zhí)行三個基本功能。 注意：反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號是與給定信號相減，使偏差越來越小，稱為負反饋。負反饋控制是實現(xiàn)自動控制最基本(jbn)的方法。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁 開環(huán)控制(kngzh)與閉環(huán)控制(kngzh)實際(shj)的控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋作用可分為兩類： 開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)第一章 控制

14、系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁 開環(huán)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)特點：系統(tǒng)僅受輸入量和擾動量控制； 輸出端和輸入端之間不存在反饋回路； 輸出量在整個控制過程中對系統(tǒng)的控制不 產(chǎn)生任何(rnh)影響。 輸入裝置指令系統(tǒng)輸入控制裝置伺服驅(qū)動裝置工作臺工作臺 位置系統(tǒng)輸出數(shù)控機床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁優(yōu)點：簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成(z c

15、hn)系統(tǒng)的元件 特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較 小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點：精度(jn d)通常較低、無自動糾偏能力控制器對象或過程輸入量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)框圖第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁 閉環(huán)控制系統(tǒng)(xtng)特點：輸出端和輸入端之間存在反饋(fnku)回路，輸 出量對控制過程有直接影響。 閉環(huán)的作用：應用反饋，減少偏差。 優(yōu)點：精度高，對外部擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化不 敏感 缺點：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系統(tǒng)性 能分析和設計麻煩。 第一章 控制系統(tǒng)的

16、基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁控制器對象或過程輸入量輸出量測量元件閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁 閉環(huán)控制系統(tǒng)(xtng)的組成給定元件+串聯(lián)校正元件放大變換元件執(zhí)行元件控制對象_+_并聯(lián)校正元件局部反饋反饋元件主反饋控制部分比較元件比較元件輸入信號 xi偏差信號 e主反饋信號 xb擾動信號輸出 x

17、o閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成第一章 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁 給定元件 產(chǎn)生給定信號(xnho)或輸入信號(xnho)。 反饋元件 測量被控制(kngzh)量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號。 為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。 注意：在機械、液壓、氣動、機電等系統(tǒng)中 存在著內(nèi)在反饋，這種反饋無須專門 的反饋元件，是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互 作用產(chǎn)生的，如作用力與反作用力之 間形成的直接反饋。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mec

18、hanical & electronic engineering共三十八頁 比較元件 對給定信號和反饋(fnku)信號進行比較，產(chǎn)生偏差 信號； 放大(fngd)元件 對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅(qū) 動執(zhí)行元件實現(xiàn)控制功能。 執(zhí)行元件 直接對受控對象進行操縱的元件；如電動機、 液壓馬達等； 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁 校正元件 用以改善(gishn)系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。控制系統(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同(gngtng)起控制作用，統(tǒng)稱為控制

19、器。實際的控制系統(tǒng)中，擾動總是不可避免的，擾動分為內(nèi)部擾動和外部擾動，但在控制系統(tǒng)中，擾動集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控制系統(tǒng)的擾動等效為對控制對象的干擾。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁三、控制系統(tǒng)的基本(jbn)類型 按輸入量的特征(tzhng)分類 恒值控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿帐潜ＷC在任何擾動作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。 如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。 程序控制系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律預先確知，輸入裝置根據(jù)輸

20、入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運動。如數(shù)控加工系統(tǒng)。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁 隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）輸入量的變化規(guī)律不能預先確知，其控制要求(yoqi)是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準確地復現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律。 如：仿形加工系統(tǒng)(xtng)、火炮自動瞄準系統(tǒng)(xtng)等。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engin

21、eering共三十八頁 按系統(tǒng)中傳遞信號(xnho)的性質(zhì)分類 連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各部分(b fen)傳遞的信號為隨時間連續(xù)變化的信號。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。 離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁 其它分類(fn li)方法 線性系統(tǒng)(xtng)和非線性系統(tǒng)(xtng) 定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng) 機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等控 制系統(tǒng) 溫度、壓力、位置等控

22、制系統(tǒng)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁四、對控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本要求 穩(wěn)定性 系統(tǒng)動態(tài)(dngti)過程的振蕩傾向及其恢復平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定的系統(tǒng)當輸出量偏離平衡狀態(tài)時，其輸出能隨時間的增長收斂并回到初始平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結(jié)構所決定，與外界因素無關。穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)內(nèi)部儲能元件的能量不可能突變所產(chǎn)生的慣性滯后作用所導致。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechan

23、ical & electronic engineering共三十八頁 準確性 控制精度，以穩(wěn)態(tài)誤差(wch)來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差(wch)：系統(tǒng)的調(diào)整（過渡）過程結(jié)束而趨于穩(wěn)定狀態(tài)時，系統(tǒng)輸出量的實際值與給定量之間的差值。 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁 快速性 輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時，系統(tǒng)消除(xioch)這種偏差的快慢程度?？焖傩员碚飨到y(tǒng)的動態(tài)性能。注意： 不同性質(zhì)(xngzh)的控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定性、精確性和快 速性要求各有側(cè)重。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應 根據(jù)實際需求合理選擇。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering共三十八頁五、本課程的任務及主要(zhyo)內(nèi)容 本課程(kchng)的任務 控制系統(tǒng)性能分析動態(tài)性能：過渡過程分析、穩(wěn)定性分析等穩(wěn)態(tài)性能：控制精度（穩(wěn)態(tài)誤差） 控制系統(tǒng)設計選擇適當?shù)目刂破骷翱刂埔?guī)律以改善控制系統(tǒng)的性能使其滿足控制