控制工程基礎(chǔ)章

1、控制工程基礎(chǔ)章第1頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三1-1 概 述控制人工控制自動(dòng)控制目標(biāo)：使被控對(duì)象按指定規(guī)律變化機(jī)械工程控制基礎(chǔ)機(jī)械工程控制論一、控制理論的發(fā)展（一）“控制”問(wèn)題的提出（二）經(jīng)典自動(dòng)控制理論的發(fā)展（一）現(xiàn)代控制理論二、機(jī)械制造的發(fā)展和控制理論的應(yīng)用第一章 緒 論第2頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三一、控制理論的發(fā)展1. 蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的人工控制眼、轉(zhuǎn)速表 蒸汽機(jī)手、閥門大腦希望恒定轉(zhuǎn)速M(fèi)實(shí)際n 蒸汽機(jī)負(fù)載Mn進(jìn)汽量Q閥門眼 腦手測(cè)速表希望恒定轉(zhuǎn)速（1）原理圖控制某個(gè)主體使其他對(duì)象按照 一定的目的來(lái)動(dòng)作；反饋將輸出反回輸入端的過(guò)程；偏

2、差輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差?？刂频幕具^(guò)程就是“檢測(cè)偏差用以糾正偏差”的過(guò)程（一）“控制”問(wèn)題的提出（2）控制系統(tǒng)方框圖第3頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三2. 蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制（1）原理圖 兩者的基本原理相同，都是建立在“檢測(cè)偏差用以糾正偏差”的基礎(chǔ)之上。（2）控制系統(tǒng)方框圖離心機(jī)構(gòu) 蒸汽機(jī)負(fù)載MnAB進(jìn)汽量Q閥門滑套n1被控對(duì)象檢測(cè)、比較機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)離心機(jī)構(gòu) 蒸汽機(jī)閥門比較機(jī)構(gòu)給定NgM實(shí)際nQ第4頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三（二）經(jīng)典自動(dòng)控制理論的發(fā)展1788 瓦特：蒸汽機(jī)離心調(diào)速器1868 J.C. Maxwell：“反饋控制”概念

3、1882 李亞普諾夫：系統(tǒng)穩(wěn)定性的嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義1884 E.J. Routh：線性系統(tǒng)代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)1932 H. Nyquist：頻域穩(wěn)定性判據(jù) H.W. Bode：對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖 Harris：傳遞函數(shù)1945：第一部經(jīng)典控制理論書籍伺服機(jī)構(gòu)出版1948 N.Wiener：發(fā)表著名的控制論形成完整的經(jīng)典控制理論1950 W.R. Evans：根軌跡法1954 錢學(xué)森：發(fā)表著名的工程控制論 創(chuàng)立工程控制論這門學(xué)科研究復(fù)域內(nèi)(頻域)單輸入/出、線性非時(shí)變系統(tǒng)傳遞函數(shù)(頻率響應(yīng)函數(shù))穩(wěn)定性快速性準(zhǔn)確性第5頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三（三）現(xiàn)代控制理論的發(fā)展時(shí)域內(nèi)、利用狀態(tài)

4、空間分析，研究多輸入、多輸出、非線性、時(shí)變系統(tǒng)的最優(yōu)控制、系統(tǒng)識(shí)別等問(wèn)題。50年代未60年代初：產(chǎn)生現(xiàn)代控制理論關(guān)鍵問(wèn)題能否建立反映過(guò)程或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型能否對(duì)此模型提供有效的算法與程序1956年前蘇聯(lián)邦特略京提出極大值原理1957年美國(guó)貝爾曼(R.I.Bellman)提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論提出Kalman濾波1960年美國(guó)卡曼(R.E. Kalman)70年代：自適應(yīng)控制計(jì)算機(jī)控制模 糊控制專 家控制智 能控制 本課程著重研究有關(guān)機(jī)電控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題第6頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三二、機(jī)械制造的發(fā)展和控制理論的應(yīng)用成品人的感覺(jué)器官加工對(duì)象人體、手需求干擾人腦特

5、點(diǎn)：人逐步從制造過(guò)程諸環(huán)節(jié)的直接參與中解脫出來(lái)；首先從加工(執(zhí)行）檢測(cè)控制中解脫出來(lái)人的感覺(jué)器官加工對(duì)象機(jī)器機(jī)構(gòu)需求干擾人腦體力成品需求干擾干擾檢測(cè)裝置加工對(duì)象加工設(shè)備人腦成品干擾干擾檢測(cè)系統(tǒng)加工對(duì)象加工設(shè)備計(jì)算機(jī)需求成品計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)CIMS智能制造系統(tǒng)IMSERP第7頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三控制理論在機(jī)械制造領(lǐng)域中應(yīng)用最活躍的幾個(gè)方面在機(jī)械制造過(guò)程自動(dòng)化方面 自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線數(shù)控機(jī)床、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線無(wú)人車間CIMS智能制造系統(tǒng)IMS在對(duì)加工過(guò)程的研究方面 高速切削、強(qiáng)力切削、高速空程在產(chǎn)品與設(shè)備的設(shè)計(jì)方面 經(jīng)驗(yàn)、試湊、類比設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)人工智能專

6、家系統(tǒng)（人工智能技術(shù)AI、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ANN)在動(dòng)態(tài)過(guò)程或參數(shù)的測(cè)試方面 靜態(tài)動(dòng)態(tài)第8頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三1-2 研究對(duì)象與任務(wù)系統(tǒng)輸入輸出實(shí)質(zhì)是研究工程技術(shù)領(lǐng)域廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。 研究輸入、系統(tǒng)特性、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。y(t)f(t)mkc令p=d/dt(mp2+cp+k)y(t) = f(t)y(t)x(t)y(t)mkc(mp2+cp+k)y(t) = (cp+k)x(t)第9頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三1、系統(tǒng)分析：已知系統(tǒng)、輸入，求輸出（響應(yīng)）。2、最優(yōu)控制：系統(tǒng)已確定，要求輸出盡可能符合給定的最佳要求，求

7、輸入。3、最優(yōu)設(shè)計(jì)：已知輸入，要求輸出盡可能符合給定的最佳要求，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)。4、濾波與預(yù)測(cè)：已知輸出，確定系統(tǒng)，以識(shí)別輸入或輸出的有關(guān)信息。5、系統(tǒng)辨識(shí)： 根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出分析系統(tǒng)由哪些環(huán)節(jié)組成，并求出各環(huán)節(jié)參數(shù)。即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。研究方面：第10頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三系統(tǒng)輸入輸出干擾調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)輸入輸出反饋信息給定信息真實(shí)信息干擾1-3 控制系統(tǒng)的基本概念一、反饋 1. 反饋 將系統(tǒng)輸出的全部或部分返回到輸入(1) 內(nèi)反饋系統(tǒng)本身自然形成的反饋，是系統(tǒng)處于 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的內(nèi)因(2) 外反饋人為增加的反饋第11頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20

8、日，15點(diǎn)7分，星期三2. 反饋 、動(dòng)態(tài)歷程、微分方程三者之間關(guān)系一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程可寫成微分方程，就揭示了系統(tǒng)本身狀態(tài)變量間的聯(lián)系，也就體現(xiàn)了系統(tǒng)本身存在反饋；而微分方程的解就體現(xiàn)了由于系統(tǒng)本身反饋的存在與外界對(duì)系統(tǒng)的作用的存在而決定的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)歷程?？梢哉f(shuō)，系統(tǒng)的微分方程是本身的反饋與外界對(duì)系統(tǒng)的作用這兩者的一種數(shù)學(xué)體現(xiàn)形式；系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)歷程是這兩者存在的結(jié)果；表示系統(tǒng)本身固有特性的微分方程左端算子，就表示系統(tǒng)本身反饋的情況，是系統(tǒng)這一客觀事物的內(nèi)因。反饋 、動(dòng)態(tài)歷程、微分方程三者是緊密相聯(lián)的。第12頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三例1：瓦特式蒸汽機(jī)離心調(diào)速器tMM

9、otnt1Ng3. 反饋控制離心機(jī)構(gòu) 蒸汽機(jī)負(fù)載MnAB進(jìn)汽量Q閥門滑套n1離心機(jī)構(gòu) 蒸汽機(jī)閥門比較機(jī)構(gòu)給定NgM實(shí)際nQ第13頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三例2：水位控制系統(tǒng)+-電位器放大器閥門進(jìn)水出水輸入給定水位Ug電機(jī)Ux要求水位浮子電位器水缸閥門放大器給定水位出水量干擾實(shí)際水位進(jìn)水量電機(jī)3. 反饋控制第14頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三 測(cè)量環(huán)節(jié)被控對(duì)象放大運(yùn)算環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)干擾比較環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)xiexo控制部分二、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)給定環(huán)節(jié)：確定被控對(duì)象的目標(biāo)值 xi ；測(cè)量環(huán)節(jié)：測(cè)量被控變量 xo，并將其轉(zhuǎn)換成便于傳遞的物理量，再反饋到比

10、較環(huán)節(jié)；比較環(huán)節(jié)：輸入信號(hào)與輸出信號(hào)在比較環(huán)節(jié)進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào) e = xi - xo；放大運(yùn)算環(huán)節(jié)：對(duì)偏差信號(hào)作功率放大，以推動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)動(dòng)作；執(zhí)行環(huán)節(jié)：驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象按預(yù)定規(guī)律運(yùn)動(dòng)。被控對(duì)象：是控制系統(tǒng)要操作的對(duì)象。干擾信號(hào)：不是由元件產(chǎn)生的，而是由系統(tǒng)外部環(huán)境或內(nèi)部因素造成的，它集中作用在被控對(duì)象上，影響系統(tǒng)輸出。第15頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三一、按反饋情況分類1、開環(huán)系統(tǒng)：當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而沒(méi)有反饋回路時(shí)，稱為開環(huán)系統(tǒng)。2、閉環(huán)系統(tǒng)：當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而存在反饋回路時(shí)，稱為閉環(huán)系統(tǒng)。1-3 系統(tǒng)分類Notes: 以同等精度元件

11、組成的系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)精度高于開環(huán)系統(tǒng)； 閉環(huán)系統(tǒng)的輸出信號(hào)對(duì)系統(tǒng)工作有控制作用，而開環(huán)系統(tǒng)無(wú)； 閉環(huán)系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，開環(huán)系統(tǒng)弱。第16頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三電位器Ug 電 壓 放大器 功 率 放大器負(fù)載UfnU1U2I測(cè)速發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)功率放大器電位器給定轉(zhuǎn)速負(fù)載實(shí)際n電壓放大器IUfUgU2U1二、按輸入變化規(guī)律分類1、定值系統(tǒng)：輸入是固定值。Ug=常數(shù)2、隨動(dòng)系統(tǒng)：輸入是未知的時(shí)間函數(shù)。Ug=隨機(jī)函數(shù)3、程控系統(tǒng)：輸入是已知的時(shí)間函數(shù)。Ug=確定性函數(shù)第17頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三三、按系統(tǒng)中信號(hào)特性分類1

12、、連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)都是連續(xù)時(shí)間變量的系統(tǒng) 線 性 系 統(tǒng)：能用線性微分方程表示的系統(tǒng)。 非線性系統(tǒng)：不能用線性微分方程表示的系統(tǒng)。2、離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中某處或多處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字信號(hào)傳遞的系統(tǒng) 此外還可按系統(tǒng)部件的物理性質(zhì)分為機(jī)械/電氣/機(jī)電/液壓等控制系統(tǒng)輸出檢測(cè)元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)D/A輸入計(jì)算機(jī)控制器A/D被控對(duì)象+-第18頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)7分，星期三系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)的快速性、響應(yīng)的準(zhǔn)確性tnNg(a) 不穩(wěn)定tnNg(b) 穩(wěn)定1-4 控制系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性由于控制系統(tǒng)中都包含儲(chǔ)能元件，若系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)，便可能引起振蕩。穩(wěn)定性是指系