機械控制工程1

1、華中科技大學機械工程控制基礎熊良才、吳波、陳良才教材： 楊叔子等,機械工程控制基礎,華中科技大學出版社,(第六版),2011參考文獻：1.胡壽松等,自動控制原理,國防工業(yè)出版社,(第三版),1994.2.李友善.自動控制原理,國防工業(yè)出版社,19803.陳康寧.機械工程控制基礎.西安交通大學出版社.1997.4.Matlab使用手冊第一章 緒論為什么要學控制論？ 1.機電一體化產品的出現(xiàn)與逐漸普及 “機”+“電”?“信息傳遞與交換” 控制論、系統(tǒng)論、 信息論、微電子技術（計算機技術）相結合的產品 2.機械系統(tǒng)朝高速、高負載、超精密、超大型或超微型等方向發(fā)展。（設計、制造、使用、維護）“動態(tài)”設

2、計: 動態(tài)設計 制造: 關注制造過程 的動態(tài)特性.使用:系統(tǒng)的動態(tài)特性(安全、性能)維護：監(jiān)測與故障預測、診斷3.動態(tài)測試、信號處理（信號與系統(tǒng)） 傳感器的選擇、信號預處理器的設計、數(shù)字信號的處理、特征提取4.生產組織管理（過程的優(yōu)化）加工狀態(tài)監(jiān)控 噴氣發(fā)動機性能監(jiān)控5.其他工程應用 軍事、航天領域 火炮、雷達、跟蹤系統(tǒng)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等 流程工業(yè) 軋鋼過程、工業(yè)窯爐、石油化工、水泥建材、玻璃、造紙等 現(xiàn)代農業(yè)生產 自動灌溉；農產品質量檢測；疫情檢測等。 其他領域 通信、交通、醫(yī)學、環(huán)境保護、經濟管理等6.個人日常生活和工作電冰箱、電飯煲、空調器、音響、收音機等等 7. 方法論 “反饋控制

3、的思想”控制：施加某種操作于對象，使其產生所期望的行為。圖1.1 蒸汽機離心調速器一、概述自動控制：由控制裝置自動完成，無需人的參與。圖1.2 液位人工控制圖1.3 液位自動控制檢測偏差實施控制消除偏差控制的三要素控制對象、控制目標、控制手段（裝置、算法等）可控性與能控性控制對象有多種運動狀態(tài)的可能性；能夠通過控制手段使控制對象的狀態(tài)達到控制目標控制論的方法論明確事物發(fā)展的多種可能性確定其中一種可能性為控制目標實施控制實現(xiàn)控制目標機械工程控制論研究機械工程技術中的廣義系統(tǒng)動力學問題。二、機械工程控制輪研究對象與任務1.系統(tǒng)：元素按一定規(guī)律組合起來的能完成一定 功能的集合。要素元素元素之間的聯(lián)系

4、系統(tǒng)與外界的交互作用外界對系統(tǒng)的作用：輸入、干擾系統(tǒng)對外界響應：輸出外界的作用信息的傳遞與交互系統(tǒng)的響應控制論：技術學科、技術哲學、科學方法論控制論強調： 對象是一個“系統(tǒng)”； 系統(tǒng)不斷“運動” (經歷動態(tài)歷程，包括內部狀態(tài)和 外部行為) “外因” (輸入、干擾)是運動的條件 “內因”(系統(tǒng)的固有特性)是運動的根據(jù)系統(tǒng)普遍存在信息的傳遞、交互與反饋是控制論的中心思想二、機械工程控制輪研究對象與任務控制論與其它學科結合，形成眾多的分支學科二、機械工程控制輪研究對象與任務經濟學生物學社會學機械工程機械工程控制論控制論經濟控制論社會控制論生物控制論工程控制論共同的本質特點：通過信息傳遞，處理與反饋進

5、行控制工程技術二、機械工程控制輪研究對象與任務系統(tǒng)的組成元素可以是子系統(tǒng)；又可是更上一層系統(tǒng)的組成元素。系統(tǒng)的層次性與相對性：廣義系統(tǒng)：具備系統(tǒng)要素的一切事物或對象機械工程中的廣義系統(tǒng)：元件、部件、儀器、設備、加工過程、操作設備、測量、車間、部門、工廠、企業(yè)、企業(yè)集團、全球制造業(yè)如：機器系統(tǒng)、生產系統(tǒng)、生命系統(tǒng)、 思維、學習、工作，社會、經濟系統(tǒng)等二、機械工程控制輪研究對象與任務2. 系統(tǒng)的動力學問題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)，所經歷的由其內部的固有特性（即由系統(tǒng)的結構與參數(shù)所決定的特性）所決定的整個動態(tài)歷程。研究系統(tǒng)及其輸

6、入、輸出三者之間的動態(tài)關系。二、機械工程控制輪研究對象與任務例：彈簧-質量-阻尼單自由度系統(tǒng)(a)(b)初始狀態(tài)：系統(tǒng)固有特性：外界作用：與外界的關系：系統(tǒng)的輸出：初始狀態(tài)、系統(tǒng)固有特性、外界作用、與外界的關系等四大因素決定系統(tǒng)響應系統(tǒng)分析問題：已知系統(tǒng)和輸入，求輸出（或響應），并通過響應來研究系統(tǒng)本身的問題。最優(yōu)控制問題：已知系統(tǒng)和理想輸出，求最優(yōu)輸入，使實際輸出滿足要求。最優(yōu)設計問題：已知輸入，設計系統(tǒng)，使輸出滿足要求。濾波與預測問題：設計或選擇合適的系統(tǒng)，以便由輸出識別輸入或輸入中的有關信息。系統(tǒng)辨識問題：已知輸入和輸出，要識別系統(tǒng)的結構和參 數(shù)，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。研究任務1.信息 定

7、義1：一切能表達一定意義的信號、符號和密碼等。 如：報紙，烽火，電報，記號、手勢等等 定義2：能夠用來消除不確定性的東西。如： 報紙（過時、適時），情報（過時，適時），足球比賽（勢均力敵，勢力懸殊），書籍（好，差）等 定義3：事物運動的狀態(tài)和方式。如： 體溫人體狀態(tài)； 設備的振動、噪聲、溫度等設備的狀態(tài) 設計圖紙產品狀態(tài)（產品信息） 工藝卡制造過程狀態(tài)（工藝信息） 三、反饋例1. 控制原理：負載減小，使w增加反饋：系統(tǒng)的輸出不斷地、直接或間接地、全部或部分地返回，并作用于系統(tǒng)。離心機構滑套上移液壓滑閥上移，動力活塞下移，離心滑套下移滑閥回復中位，w回到設定值油門關小，w減小w反過來對系統(tǒng)產生作

8、用例2. 加工過程刀具刀架系統(tǒng)r切削運動s-a切削+力y+理想零件加工過程示意圖零件例3. 外反饋(反饋控制)：附加反饋控制裝置引起信息交互內反饋： 負反饋：輸出(被控量)偏離設定值(目標值)時，反饋作用使輸出偏離程度減小，并力圖達到設定值。如：離心調速系統(tǒng) 液面控制 動物捕食 火炮自動瞄準 學習和工作中的負反饋 。檢測偏差實施控制糾正偏差 正反饋： 輸出偏離初始值（或穩(wěn)定值）時，反饋作用使輸出偏離程度加劇如：三極管 倒立擺 疾病、火藥爆炸、熱核反應 學習和工作中的正反饋 。反饋的作用：加劇偏離反饋的作用：消除偏離以發(fā)動機離心調速系統(tǒng)為例被控對象：發(fā)動機被控量：轉速w被控量的目標值設定：預緊彈

9、簧四、反饋控制系統(tǒng)的組成控制信息傳遞與反饋：控制方框圖：給定比較放大執(zhí)行測量控制對象控制部分被控部分反饋控制系統(tǒng)的組成特點：利用偏差控制系統(tǒng)的輸出基本物理量：被控量、給定量、控制量、擾動量被控量：(即系統(tǒng)的輸出量),表征被控對象運動規(guī)律 xb給定量系統(tǒng)的輸入量或被控對象理想狀態(tài)(控制目標) xi控制量：直接作用于被控對象的物理量，即被控對象的輸入量擾動量：所有使被控對象狀態(tài)偏離給定值的量 對控制系統(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，輸出對系統(tǒng)無控制作用。如：步進驅動的數(shù)控機床、普通洗衣機 家用電烤箱、微波爐、普通電風扇五、控制系統(tǒng)的分類閉環(huán)控制系統(tǒng)：有反饋回路，輸出對系統(tǒng)有控制作用。如：前例中的離心調速系統(tǒng) 伺服驅動的數(shù)控機床 恒溫箱(冰箱、空調) 人騎自行車1.按反饋情況自動調節(jié)系統(tǒng)(恒值系統(tǒng))：系統(tǒng)的輸出保持常量。如：離心調速系統(tǒng)、恒溫箱、液面控制等 為閉環(huán)系統(tǒng)隨動系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出相應于輸入按任意規(guī)律變化。如：炮瞄雷達系統(tǒng)、仿形加工、動物捕食等多為閉環(huán)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出按預定程序變化。如：數(shù)控機床、全自動洗衣機等開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)2. 按輸出量的變化規(guī)律分連續(xù)控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)位移控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)速度控制系