機(jī)械工程控制基礎(chǔ)(1)-課件

控制工程基礎(chǔ)FundamentalsofControlEngineering課程目的及要求

通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的辨證思維能力，提高學(xué)生運(yùn)用科學(xué)方法分析解決問(wèn)題的能力.本課程是工科大學(xué)生必須具備的重要理論知識(shí),它將加強(qiáng)數(shù)理基礎(chǔ)與知識(shí)之間的聯(lián)系，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和今后的工作打下良好的基礎(chǔ)。要求掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理，組成，機(jī)電系統(tǒng)的建模；掌握分析控制系統(tǒng)的時(shí)域分析方法和頻域分析方法。第一章緒論1.1研究對(duì)象與任務(wù)

1.1研究對(duì)象與任務(wù)

如圖，就系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系而言，工程控制論(包括機(jī)械工程控制論)的內(nèi)容大致可歸納為如下五個(gè)方面；當(dāng)系統(tǒng)已定、輸入(或激勵(lì))已知時(shí)，求出系統(tǒng)的輸出(或響應(yīng))，并通過(guò)輸出來(lái)研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問(wèn)題，此即系統(tǒng)的分析問(wèn)題.(2)當(dāng)系統(tǒng)已定時(shí)，確定輸入，且所確定的輸入應(yīng)使得輸山盡可能符合給定的最佳要求，此即最優(yōu)控制問(wèn)題；1.1研究對(duì)象與任務(wù)

(3)當(dāng)輸入已知時(shí)，確定系統(tǒng)，且所確定的系統(tǒng)應(yīng)使得輸出盡可能符合給定的最佳要求，此即最優(yōu)設(shè)計(jì)問(wèn)題；

(4)當(dāng)輸出已知時(shí)，確定系統(tǒng)，以識(shí)別輸入或輸入中的有關(guān)信息，此即濾波與預(yù)測(cè)問(wèn)題；

(5)當(dāng)輸入與輸出均已知時(shí)，求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，此即系統(tǒng)識(shí)別或系統(tǒng)辨識(shí)問(wèn)題。本課程主要是以經(jīng)典控制理論來(lái)研究問(wèn)題(1)；1.2系統(tǒng)及其模型

一.系統(tǒng)

系統(tǒng)具有如下特性：（1）系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關(guān)，而且還與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)；（2）系統(tǒng)的內(nèi)容比組成系統(tǒng)各元素的內(nèi)容要豐富得多；（3）系統(tǒng)往往具有表現(xiàn)出在時(shí)域、頻域或空域等域內(nèi)的動(dòng)態(tài)特性。

二.機(jī)械系統(tǒng)

以實(shí)現(xiàn)一定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、輸出一定的機(jī)械能，以及承受一定的機(jī)械載荷為目的的系統(tǒng)，稱為機(jī)械系統(tǒng)。1.3反饋

一個(gè)系統(tǒng)的輸出，部分或全部地被反過(guò)來(lái)用于控制系統(tǒng)的輸入，稱為系統(tǒng)的反饋。系統(tǒng)之所以有動(dòng)態(tài)歷程，系統(tǒng)及其輸入、輸出之間之所以有動(dòng)態(tài)關(guān)系，就是由于系統(tǒng)本身有著信息的反饋.

反饋是工程控制論中一個(gè)具有關(guān)鍵作用的概念，也可以說(shuō)，它是研究廣義系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本立足點(diǎn)?？刂普摰闹行乃枷刖褪恰胺答伩刂啤?。1.3反饋

1.4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

偏差：系統(tǒng)的輸入量與反饋量之差或之和（即比較環(huán)節(jié)的輸出值）?？刂屏浚罕豢貙?duì)象的輸入量。由于往往是偏差的某種函數(shù)，因此，也可將偏差看成為控制量。擾動(dòng)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(dòng)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。人工控制：在人的直接參與下，使被控對(duì)象的被控制量按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)或變化的控制方式。自動(dòng)控制：在無(wú)人直接參與的情況下，利用一組裝置使被控對(duì)象的被控制量按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)或變化的控制方式。自動(dòng)控制系統(tǒng)：被控對(duì)象和參與實(shí)現(xiàn)其被控制量自動(dòng)控制的裝置或元、部件的組合。

1.4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

二.系統(tǒng)的幾種分類1.對(duì)廣義系統(tǒng)，可按反饋分(1)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)(2)閉環(huán)系統(tǒng)1.4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

一個(gè)典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制部分由以下幾個(gè)環(huán)節(jié)組成.1.4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

給定元件：控制系統(tǒng)中主要用于產(chǎn)生給定信號(hào)（輸入信號(hào)、希望值）的元件。反饋元件（測(cè)量元件）：控制系統(tǒng)中用于測(cè)量被控量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號(hào)的元件。反饋信號(hào)與輸出量之間往往存在確定的函數(shù)關(guān)系。比較元件：控制系統(tǒng)中用以比較輸出信號(hào)與反饋信號(hào)，并求取偏差信號(hào)的元件。有時(shí)并非為物理元件，可能通過(guò)物理定律或其他定律實(shí)現(xiàn)。放大元件：控制系統(tǒng)中對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行幅值放大或功率放大的元件。執(zhí)行元件：控制系統(tǒng)中直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操作的元件。

1.4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程大體上可分為以下幾個(gè)步驟：1).測(cè)量被控制量的實(shí)際值。2).將實(shí)際值與給定值進(jìn)行比較，求出偏差的大小與方向。3).根據(jù)偏差的大小與方向進(jìn)行控制以糾正偏差。簡(jiǎn)單地講，閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程就是一個(gè)“檢測(cè)偏差并用以糾正偏差”的過(guò)程。因此，閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度一般比開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的要高。按反饋的作用不同，還可以將反饋分為正反饋和負(fù)反饋。其中，凡能使系統(tǒng)的偏差的絕對(duì)值增大的反饋，就稱為正反饋；而能使系統(tǒng)的偏差的絕對(duì)值減小的反饋，則稱為負(fù)反饋。1.4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

三.對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求(1)系統(tǒng)的穩(wěn)定性：指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。(2)響應(yīng)的快速性：這是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的?？焖傩允侵府?dāng)系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快速程度。(3)響應(yīng)的準(zhǔn)確性：是指在調(diào)整過(guò)程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量之間的偏差，或稱為靜態(tài)精度，這也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。1.4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

根據(jù)控制系統(tǒng)示意圖繪制其控制方框圖，對(duì)于弄清控制系統(tǒng)組成和工作原理具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。在解題時(shí)，首先要明確系統(tǒng)中哪個(gè)元件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要控制，即弄清控制對(duì)象。在此基礎(chǔ)上，明確系統(tǒng)的輸出即為控制對(duì)象的實(shí)際狀態(tài)，輸入即是控制對(duì)象的理想狀態(tài)。有了控制對(duì)象、輸入和輸出等因素后，就可以按照信息流動(dòng)和傳遞的方式，根據(jù)相應(yīng)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，繪制出控制系統(tǒng)方框圖了。

四、自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖的繪制步驟（1）分析控制系統(tǒng)的工作原理，找出被控對(duì)象。（2）分清系統(tǒng)的輸入量、輸出量。（3）按照控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的定義，找出相應(yīng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。（4）按信息流動(dòng)的方向?qū)⒏鱾€(gè)環(huán)節(jié)用元件方框和連線連接起來(lái)。1.7本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法

本課程是一門比較抽象的技術(shù)基礎(chǔ)課.它以數(shù)學(xué)、物理及有關(guān)學(xué)科為其理論基礎(chǔ)，以機(jī)械工程中有關(guān)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為其抽象、概括與研究的對(duì)象，運(yùn)用信息的傳遞、處理與反饋進(jìn)行控制這一正確的思維方法與觀點(diǎn)，在數(shù)理基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程之間架起一道橋梁，將兩者緊密結(jié)合起來(lái)。在學(xué)習(xí)本課程時(shí)，既要十分重視拙象思維，了解一般規(guī)律，又得充分注意結(jié)合實(shí)際，聯(lián)系專業(yè)，努力實(shí)踐；既要善于從個(gè)性中概括出共性，又要善于從共性出發(fā)深刻了解個(gè)性，努力學(xué)習(xí)用廣義系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法去抽象與解決實(shí)際問(wèn)題，去開(kāi)拓提出、分析與解決問(wèn)題的思路。例題

例1.1設(shè)電熱水器如圖所示。為了保持希望的溫度，由溫控開(kāi)關(guān)接通或斷開(kāi)電加熱器的電源。在使用熱水時(shí)，水箱中流出熱水并補(bǔ)充冷水。試說(shuō)明該系統(tǒng)工作原理并畫(huà)出系統(tǒng)的方框圖。

例題

例1．2如圖所示為函數(shù)記錄儀的示意圖，它通過(guò)記錄筆記錄緩變電壓信號(hào)ui的波形。試說(shuō)明其工作原理，并繪制其控制方框圖。

例題解：

為了記錄電壓信號(hào)，記錄筆的位移需要進(jìn)行控制，因此，記錄筆為控制對(duì)象。記錄筆的實(shí)際位移L0為輸出，與電壓信號(hào)ui對(duì)應(yīng)的理想位移Li=Kui為輸入。通過(guò)設(shè)定比例系數(shù)1/K，將輸入信號(hào)Li與需要記錄的電壓ui對(duì)應(yīng)起來(lái)。記錄筆的實(shí)際位移L0通過(guò)帶動(dòng)電位器R2的滑塊，使橋式電路輸出電壓ub進(jìn)行測(cè)量，于是，在放大器兩端形成偏差電壓信號(hào)ue=ui-ub，利用ue的大小和正負(fù)對(duì)記錄筆的位置進(jìn)行控制。當(dāng)ui>ub時(shí)，偏差ue為正，該信號(hào)經(jīng)放大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)，進(jìn)而使記錄筆及滑塊正向移動(dòng)，此時(shí)偏差ue逐漸減小，直至ue為0；反之，當(dāng)ui<ub時(shí)，偏差ue為負(fù)，記錄筆及滑塊負(fù)向移動(dòng)，直至ue為0。這樣，再配合勻速走紙機(jī)構(gòu)，就能在紙上記錄出電壓信號(hào)ui的波形了。其控制方框圖如圖所示。例題

例1．3如圖所示為一液面控制系統(tǒng)。圖中Ka為放大器的增益，D為執(zhí)行電機(jī)，N為減速器。試分析該系統(tǒng)的工作原理，并在系統(tǒng)中找出控制量、擾動(dòng)量、被控制量、控制器和被控對(duì)象，試畫(huà)出相應(yīng)的系統(tǒng)控制方框圖。例題

例1．4試說(shuō)明如圖(a)所示液面自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理。若將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改為如圖(b)所示，將對(duì)系統(tǒng)工作有何影響?例題

解圖(a)所示是一種液面自功控制系統(tǒng)，以保證液面高度不變。水通過(guò)閥門控制而進(jìn)入水箱，當(dāng)水位不斷上升時(shí)，通過(guò)浮子，經(jīng)杠桿機(jī)構(gòu)使閥門關(guān)小，減少進(jìn)水流量。當(dāng)水位下降時(shí)，通過(guò)浮子反饋，經(jīng)杠桿機(jī)構(gòu)使閥門開(kāi)大。這一閉環(huán)控制系統(tǒng)，是用浮于作控制器來(lái)比較實(shí)際液面高度和所希望的液面高度，并通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)來(lái)控制閥門的開(kāi)度，對(duì)偏差進(jìn)行修正，從而保持液面高度不變，其控制方框圖如圖(c)。此系統(tǒng)為一負(fù)反饋系統(tǒng)。例題

而圖(b)中，水通過(guò)閥門控制而進(jìn)入水箱，當(dāng)水位過(guò)高時(shí)，通過(guò)浮子，經(jīng)杠桿機(jī)構(gòu)使閥門開(kāi)大，增大進(jìn)水流量。當(dāng)水位下降時(shí)，通過(guò)浮子反饋，經(jīng)杠桿機(jī)構(gòu)使閥門關(guān)小。這一閉環(huán)控制系統(tǒng)，用浮子作控制器來(lái)比較實(shí)際液面高度和所希望的液面高度，并通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)來(lái)控制閥門的開(kāi)度，但反饋的結(jié)果使偏差增大，此系統(tǒng)為一正反饋系統(tǒng)。其控制方框圖亦如圖(c)，但由于引入了不適當(dāng)?shù)恼答?，使得系統(tǒng)不穩(wěn)定，無(wú)法達(dá)到液面自動(dòng)控制的目的。作業(yè)

解圖示是一種大門開(kāi)閉自動(dòng)控制系統(tǒng)，以保證大門接要求正確開(kāi)啟和關(guān)閉。當(dāng)開(kāi)關(guān)位于“