控制工程基礎(chǔ)第一章

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)余建平y(tǒng)ujianpingqzu@163.com13906704615664615QQ:964006968制作：華中科技大學(xué)教材：

楊叔子等,機(jī)械工程控制基礎(chǔ),華中科技大學(xué)出版社,(第六版),2011參考文獻(xiàn)：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(jī)械工程控制基礎(chǔ).西安交通大學(xué)出版社.1997.4.Matlab使用手冊制作：華中科技大學(xué)第一章緒論為什么要學(xué)控制論？

1.機(jī)電一體化產(chǎn)品的出現(xiàn)與逐漸普及

“機(jī)”+“電”?“信息傳遞與交換”控制論、系統(tǒng)論、信息論、微電子技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)）相結(jié)合的產(chǎn)品制作：華中科技大學(xué)2.機(jī)械系統(tǒng)朝高速、高負(fù)載、超精密、超大型或超微型等方向發(fā)展。（設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)）“動態(tài)”設(shè)計(jì):動態(tài)設(shè)計(jì)制造:關(guān)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(hù)：監(jiān)測與故障預(yù)測、診斷制作：華中科技大學(xué)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(yù)處理器的設(shè)計(jì)、數(shù)字信號的處理、特征提取4.生產(chǎn)組織管理（過程的優(yōu)化）加工狀態(tài)監(jiān)控噴氣發(fā)動機(jī)性能監(jiān)控制作：華中科技大學(xué)5.其他工程應(yīng)用

軍事、航天領(lǐng)域火炮、雷達(dá)、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(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測；疫情檢測等。其他領(lǐng)域通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)管理等6.個人日常生活和工作電冰箱、電飯煲、空調(diào)器、音響、收音機(jī)等等

7.方法論“反饋控制的思想”制作：華中科技大學(xué)控制：施加某種操作于對象，使其產(chǎn)生所期望的行為。圖1.1蒸汽機(jī)離心調(diào)速器一、概述制作：華中科技大學(xué)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(shí)施控制消除偏差制作：華中科技大學(xué)控制的三要素控制對象、控制目標(biāo)、控制手段（裝置、算法等）可控性與能控性控制對象有多種運(yùn)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(dá)到控制目標(biāo)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(biāo)實(shí)施控制實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)制作：華中科技大學(xué)機(jī)械工程控制論研究機(jī)械工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)動力學(xué)問題。二、機(jī)械工程控制輪研究對象與任務(wù)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(yīng)：輸出外界的作用信息的傳遞與交互系統(tǒng)的響應(yīng)制作：華中科技大學(xué)控制論：技術(shù)學(xué)科、技術(shù)哲學(xué)、科學(xué)方法論控制論強(qiáng)調(diào)：對象是一個“系統(tǒng)”；系統(tǒng)不斷“運(yùn)動”(經(jīng)歷動態(tài)歷程，包括內(nèi)部狀態(tài)和外部行為)“外因”(輸入、干擾)是運(yùn)動的條件“內(nèi)因”(系統(tǒng)的固有特性)是運(yùn)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(jī)械工程控制輪研究對象與任務(wù)制作：華中科技大學(xué)二、機(jī)械工程控制輪研究對象與任務(wù)控制論與其它學(xué)科結(jié)合，形成眾多的分支學(xué)科經(jīng)濟(jì)學(xué)生物學(xué)社會學(xué)機(jī)械工程機(jī)械工程控制論控制論經(jīng)濟(jì)控制論社會控制論生物控制論工程控制論共同的本質(zhì)特點(diǎn)：通過信息傳遞，處理與反饋進(jìn)行控制工程技術(shù)制作：華中科技大學(xué)二、機(jī)械工程控制輪研究對象與任務(wù)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?qū)ο髾C(jī)械工程中的廣義系統(tǒng)：元件、部件、儀器、設(shè)備、加工過程、操作設(shè)備、測量、車間、部門、工廠、企業(yè)、企業(yè)集團(tuán)、全球制造業(yè)如：機(jī)器系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、生命系統(tǒng)、思維、學(xué)習(xí)、工作，社會、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等制作：華中科技大學(xué)二、機(jī)械工程控制輪研究對象與任務(wù)2.系統(tǒng)的動力學(xué)問題研究的是機(jī)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(gòu)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)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系。制作：華中科技大學(xué)二、機(jī)械工程控制輪研究對象與任務(wù)例：彈簧-質(zhì)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(guān)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(guān)系等四大因素決定系統(tǒng)響應(yīng)制作：華中科技大學(xué)系統(tǒng)分析問題：已知系統(tǒng)和輸入，求輸出（或響應(yīng)），并通過響應(yīng)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(shí)際輸出滿足要求。最優(yōu)設(shè)計(jì)問題：已知輸入，設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使輸出滿足要求。濾波與預(yù)測問題：設(shè)計(jì)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(guān)信息。系統(tǒng)辨識問題：已知輸入和輸出，要識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。研究任務(wù)制作：華中科技大學(xué)1.信息定義1：一切能表達(dá)一定意義的信號、符號和密碼等。如：報(bào)紙，烽火，電報(bào)，記號、手勢等等定義2：能夠用來消除不確定性的東西。如：報(bào)紙（過時、適時），情報(bào)（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(yùn)動的狀態(tài)和方式。如：體溫——人體狀態(tài)；設(shè)備的振動、噪聲、溫度等——設(shè)備的狀態(tài)設(shè)計(jì)圖紙——產(chǎn)品狀態(tài)（產(chǎn)品信息）工藝卡——制造過程狀態(tài)（工藝信息）三、反饋制作：華中科技大學(xué)例1.控制原理：負(fù)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(jī)構(gòu)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(fù)中位，w回到設(shè)定值油門關(guān)小，w減小w反過來對系統(tǒng)產(chǎn)生作用制作：華中科技大學(xué)例2.加工過程刀具刀架系統(tǒng)r切削運(yùn)動s-a切削+力y+理想零件加工過程示意圖零件制作：華中科技大學(xué)例3.

制作：華中科技大學(xué)

外反饋(反饋控制)：附加反饋控制裝置引起信息交互內(nèi)反饋：制作：華中科技大學(xué)

負(fù)反饋：輸出(被控量)偏離設(shè)定值(目標(biāo)值)時，反饋?zhàn)饔檬馆敵銎x程度減小，并力圖達(dá)到設(shè)定值。如：離心調(diào)速系統(tǒng)液面控制動物捕食火炮自動瞄準(zhǔn)學(xué)習(xí)和工作中的負(fù)反饋。。。。檢測偏差實(shí)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?zhàn)饔檬馆敵銎x程度加劇如：三極管倒立擺疾病、火藥爆炸、熱核反應(yīng)學(xué)習(xí)和工作中的正反饋。。。。反饋的作用：加劇偏離反饋的作用：消除偏離制作：華中科技大學(xué)以發(fā)動機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)為例被控對象：發(fā)動機(jī)被控量：轉(zhuǎn)速w被控量的目標(biāo)值設(shè)定：預(yù)緊彈簧四、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制作：華中科技大學(xué)反饋控制系統(tǒng)的組成特點(diǎn)：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(yùn)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(biāo))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)偏離給定值的量制作：華中科技大學(xué)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(jìn)驅(qū)動的數(shù)控機(jī)床、普通洗衣機(jī)家用電烤箱、微波爐、普通電風(fēng)扇五、控制系統(tǒng)的分類制作：華中科技大學(xué)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(diào)速系統(tǒng)伺服驅(qū)動的數(shù)控機(jī)床恒溫箱(冰箱、空調(diào))

人騎自行車1.按反饋情況制作：華中科技大學(xué)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)(恒值系統(tǒng))：系統(tǒng)的輸出保持常量。如：離心調(diào)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(yīng)于輸入按任意規(guī)律變化。如：炮瞄雷達(dá)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(yù)定程序變化。如：數(shù)控機(jī)床、全自動洗衣機(jī)等開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)2.按輸出量的變化規(guī)律分制作：華中科技大學(xué)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