機械工程控制基礎1-緒論

02015.9主講人：高愛華機械與動力工程學院機械類專業(yè)必修課機械工程控制基礎1教學內容1、課程準備2、緒論4、系統(tǒng)的時間響應分析3、系統(tǒng)的數學模型5、系統(tǒng)的頻率特性分析6、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析2課程性質本課程是機械類專業(yè)重要的技術基礎課，主要介紹應用現(xiàn)代機、電、液技術構成機電液一體化系統(tǒng)的理論與設計方法。涉及的基礎知識有工程數學、理論力學、機械設計、電工與電子技術和液壓傳動技術等，因此要求同學們在學習本課程時應能夠經常回顧上述課程的有關內容，達到溫故而知新的目的。課程簡介3本課程與其它課程的關系：機械控制工程基礎電路理論大學物理信號與系統(tǒng)復變函數拉氏變換模擬電子技術線性代數微積分各類專業(yè)課線性系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論4

課程的性質和特點

控制論為理論基礎，研究機械工程中廣義系統(tǒng)的動力學問題，同時，它又是一種方法論，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設計《機械控制工程基礎》是本學科的技術基礎課。學習內容本課程的主要學習內容有：緒論，積分變換，系統(tǒng)的數學模型，時間響應分析，頻率特性分析，系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和系統(tǒng)的性能指標與校正等，屬于經典控制論的基本知識。學習目的本課程的學習目的是：使學生逐步學會運用“系統(tǒng)和動態(tài)”的觀點，以及采用控制理論的方法解決機械工程中的實際技術問題。5基本要求1、掌握經典控制理論的基本概念、基本理論與基本方法；2、能夠應用分析法建立簡單動力學系統(tǒng)的數學模型；3、能夠應用經典控制論分析線性定常系統(tǒng)的動態(tài)特性，基本掌握線性定常系統(tǒng)性能校正的方法；4、對于線性系統(tǒng)的時域和頻域分析、穩(wěn)定性分析和性能指標有比較深入的理解。67機械工程控制課程大綱：系統(tǒng)機械系統(tǒng)電器系統(tǒng)液壓、氣動系統(tǒng)熱力系統(tǒng)牛頓定律理論力學歐姆定律、克希夫定律電工學液壓與氣動拉氏變換理論分析傳遞函數微分方程2補充時間響應分析3（時域分析）頻率特性分析4（頻域分析）系統(tǒng)的穩(wěn)定性5系統(tǒng)性能指標與校正6分析系統(tǒng)特性系統(tǒng)輸入輸出穩(wěn)、快、準實驗數據系統(tǒng)辨識初步9數學模型8主要參考資料1、機械工程控制基礎（第四版）楊叔子等編著華中科技大學出版社2002年1月2、機械控制工程基礎朱驥北機械工業(yè)出版社2002年1月3、控制工程基礎張伯鵬主編清華大學出版社2000年6月

4、控制理論基礎王顯正主編科學技術出版社2000年1月91011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122.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133.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145.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

“反饋控制的思想”15教學內容第一講控制系統(tǒng)及其研究對象和任務16

機械工業(yè)是國民經濟中重要的基礎工業(yè)。機械工業(yè)的核心是機械制造工業(yè)。當前機械制造技術發(fā)展的一個明顯而主要的動向是越來越廣泛而深刻地引入控制理論。從根本上講，其原因是控制理論以它本身固有的辨證方法順應了機械制造工程技術發(fā)展的趨勢?？刂评碚撛诠こ碳夹g領域中體現(xiàn)為工程控制論，在機械工程領域則體現(xiàn)為機械工程控制論。

緒論—控制理論及系統(tǒng)17緒論—控制理論及系統(tǒng)一、控制理論與控制系統(tǒng)1、基本概念

控制：以人為或自動的方式，通過一定的手段操縱受控對象或過程，使之按照預定的規(guī)律運行，并具有一定的狀態(tài)與性能?？刂茖嵗?：液面控制檢測偏差消除偏差實施控制18控制論與其它學科結合，形成眾多的分支學科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，處理與反饋進行控制工程技術19控制實例2：冰箱控制系統(tǒng)緒論--控制理論及系統(tǒng)20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21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22緒論—研究對象與任務研究對象：工程技術中的廣義動力學系統(tǒng)。廣義動力學系統(tǒng)在一定的外界條件下（輸入或激勵，包括外加控制與外加干擾）作用下，從系統(tǒng)的一定的初始狀態(tài)出發(fā)，所經歷的由其內部固有特性（系統(tǒng)結構與參數所決定的特性）所決定的動態(tài)歷經過程。研究系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關系232、工程控制論的內容劃分

控制論、量子論與相對論被人們譽為20世紀上半葉的3項科學革命。經典控制理論：（40~50年代末）以傳遞函數為基礎，研究單輸入－單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設計問題。(自動調節(jié)器、伺服系統(tǒng)）現(xiàn)代控制理論：（60年代初~現(xiàn)在）研究多輸入－多輸出、時變、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析與設計問題。（航天系統(tǒng)，導彈系統(tǒng)，人造衛(wèi)星）緒論—研究對象與任務大系統(tǒng)理論：（70年代初~現(xiàn)在）通常所說的大系統(tǒng)，指的是包括工程技術、社會經濟、生物、生態(tài)等各個領域的復雜系統(tǒng)。（如地球資源、能源、人口問題、世界模型）243、系統(tǒng)動力學問題分析典型實例

a)輸入相異的單自由度機械振動系統(tǒng)參數說明：m系統(tǒng)質量；c粘性阻尼系數；k彈簧剛度緒論—研究對象與任務25b)系統(tǒng)動力學方程外力f(t)作用下的系統(tǒng)動力學方程位移x(t)作用下的系統(tǒng)動力學方程緒論—研究對象與任務262728緒論—研究對象與任務一般動力學系統(tǒng)分析：取算子p=d/dt：算子anpn+an-1

pn-1+…+a1

p+a0反映系統(tǒng)本身的固有特性。算子bmpm+bm-1

pm-1+…+b1

p+b0反映系統(tǒng)與外界的聯(lián)系。參數y(t)，y(t)，…為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，y(0)，y(0)，…為系統(tǒng)的初始狀態(tài)或初始變量。294、研究任務:按系統(tǒng)、輸入、輸出三者的動態(tài)關系

系統(tǒng)分析問題最優(yōu)控制問題最優(yōu)設計問題濾波與預測問題系統(tǒng)識別或辯識問題緒論—研究對象與任務30例1

如圖所示的電熱水器，為了保持希望的溫度，由溫控開關接通或斷開電加熱器的電源。在使用熱水時，水箱中流出熱水并補充冷水。試說明該系統(tǒng)工作原理并畫出系統(tǒng)的方框圖。解：在電熱水器系統(tǒng)中，水箱內的水溫需要控制，即水箱為控制對象。水的實際溫度是被控制量，或系統(tǒng)的輸出量，設為To，輸入量為用戶希望的溫度，設為Ti；由于放出熱水并注入冷水或水箱散熱等原因而使水箱內水溫下降為系統(tǒng)的干擾。當To=Ti時，測溫元件將實際溫度轉化成電信號，與溫控開關預先設定的信號進行比較得到的偏差信號為0，此時加熱器不工作，水箱中的水保持希望的溫度。當注入冷水使To下降時，偏差不為0，電控開關接通電源使電加熱器工作對水加熱，直到To=Ti為止。緒論—研究對象與任務31系統(tǒng)工作框圖如下：

若要考察水箱中的水溫To能否保持為希望的溫度Ti，并通過實際輸出的水溫To與希望的溫度Ti之間的差別，考察各個組成部分的參數是否合理，即為系統(tǒng)分析問題。緒論—研究對象與任務32例2

圖示為數控機床工作臺的傳動系統(tǒng)。如果考慮傳動系統(tǒng)的制造誤差，為了使工作臺均勻移動，試確定其輸入。此即最優(yōu)控制問題。

若系統(tǒng)的輸入已知（例如電動機轉速），要求確定系統(tǒng)且其輸出符合工作臺均勻移動的要求，即為最優(yōu)設計問題。緒論—研究對象與任務33例3電子稱的原理如下圖。顯示即為輸出，重物的重量為輸入，要求確定系統(tǒng)（即電子稱）以識別輸入或輸入中的有關信息，此即濾波與預測問題。

若輸入（重物）和輸出（顯示）已知，求系統(tǒng)的結構和參數，即建立系統(tǒng)的數學模型，此即系統(tǒng)識別或系統(tǒng)辯識問題。緒論—研究對象與任務34三、本講小結了解控制并認識控制系統(tǒng)控制論的研究對象控制論的研究任務或內容緒論—小結135思考題：緒論—思考題舉例說明生活中控制問題。36教學內容第二講反饋及系統(tǒng)模型37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

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381.信息定義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）反饋39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)產生作用40外反饋：人為反饋（閉環(huán)系統(tǒng)、開環(huán)系統(tǒng)）緒論—系統(tǒng)反饋41內反饋：耦合反饋（系統(tǒng)或過程中自然形成的反饋）內反饋實例分析—單自由度系統(tǒng)緒論—系統(tǒng)反饋42狀態(tài)方程表示：取有：狀態(tài)方程用方框圖表示為：y1和y2之間具有信息交互作用，本質上是彈簧的位能與質量的動能之間的轉換。y2本身的交互作用就是阻尼消耗能量的過程。緒論—系統(tǒng)反饋43

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44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：彈簧長度+螺旋位移四、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45

1—給定環(huán)節(jié)；2—比較環(huán)節(jié)；3—校正環(huán)節(jié)；4—放大環(huán)節(jié)；5—執(zhí)行機構；6—被控對象；7—檢測裝置反饋控制系統(tǒng)的結構及基本環(huán)節(jié)設定被控制量的給定值的裝置將所檢測的被控制量與給定量進行比較，確定兩者之間的偏差量，多用差動放大器實現(xiàn)負反饋一般由傳動裝置和調節(jié)機構組成。執(zhí)行機構直接作用于控制對象，使被控制量達到所要求的數值要進行控制的設備或過程控制系統(tǒng)所控制的物理量（被控量）

檢測被控制量，并將其轉換為與給定量相同的物理量用來實現(xiàn)調節(jié)作用，如放大、整流，也稱為調節(jié)器或調節(jié)環(huán)節(jié)46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47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)伺服驅動的數控機床恒溫箱(冰箱、空調)

人騎自行車1.按反饋情況閉環(huán)自動控制系統(tǒng)的特點：利用輸入信息與反饋至輸入處的信息之間的偏差對系統(tǒng)的輸出進行控制，使被控對象按一定的規(guī)律運動。48開環(huán)控制：只有輸入量對輸出量產生控制作用，輸出量不參與對系統(tǒng)的控制。結構簡單、維護容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問題輸入控制輸出輸出不參與控制系統(tǒng)沒有抗干擾能力適用范圍：輸入量已知、控制精度要求不高、擾動作用不大。閉環(huán)控制：把輸出量的一部分檢測出來,反饋到輸入端,與給定信號進行比較，產生偏差,此偏差經過控制器產生控制作用,使輸出量按照要求的規(guī)律變化；輸入控制輸出，輸出參與控制檢測偏差、糾正偏差具有抗干擾能力結構復雜49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50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)速度控制系統(tǒng)3.按信號類型分4.按線性性質分5.按時變情況分6.按被控量分……51緒論—系統(tǒng)反饋騎自行車過程中信息流動與反饋反饋結構圖

人騎自行車時，總是希望具有一定的理想狀態(tài)（比如速度、方向、安全等），人腦根據這個理想狀態(tài)指揮四肢動作，使自行車按預定的狀態(tài)運動，此時，路面的狀況等因素會對自行車的實際狀態(tài)產生影響，使自行車偏離理想狀態(tài)，人的感覺器官感覺自行車的狀態(tài)，并將此信息返回到大腦，大腦根據實際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差調整四肢動作，如此循環(huán)往復。其信息流動與反饋過程可用下圖表示。工作原理52緒論—控制系統(tǒng)及模型4）機械系統(tǒng)及系統(tǒng)模型機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)：以實現(xiàn)一定的機械運動，承受一定的機械載荷為目的，由機械元件組成的系統(tǒng)。概念說明激勵：外界對系統(tǒng)的作用。響應：系統(tǒng)的變形或位移。

機械系統(tǒng)中的“激勵”與“響應”分別代表著系統(tǒng)的輸入和輸出。系統(tǒng)控制：激勵由人為有意識的添加。擾動：由系統(tǒng)偶然因素產生而一般無法完全認為控制的激勵。53系統(tǒng)靜態(tài)模型和動態(tài)模型緒論—控制系統(tǒng)及模型模型：一種用數學方法所描述的抽象的理論模型，用來表達一個系統(tǒng)內部各部分之間，或系統(tǒng)與其他外部環(huán)境之間的關系，又稱數學模型。

模型是研究系統(tǒng)、認識系統(tǒng)、描述系統(tǒng)以及分析系統(tǒng)的工具。靜態(tài)模型：反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下得特性，表現(xiàn)為代數方程。如彈簧模型。動態(tài)模型：用于研究系統(tǒng)在迅變載荷作用下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性，表現(xiàn)為微分方程或差分方程。靜態(tài)模型—現(xiàn)時輸出決定于現(xiàn)時輸入；動態(tài)模型—現(xiàn)時輸出決定于以前輸入的歷史。54緒論—控制系統(tǒng)及模型靜態(tài)模型和動態(tài)模型分析示例——機器隔振系統(tǒng)55緒論—控制系統(tǒng)及模型

若以機器m為隔離體，以F(t)

為激勵(不考慮y(t))，以位移x(t)為響應，應用牛頓第二定律列出該系統(tǒng)的動力學方程為：若仍以機器m為隔離體，以

y(t)

為激勵(不考慮F(t))，以位移x(t)為響應，應用牛頓第二定律列出該系統(tǒng)的動力學方程為：

(a)

(b)方程(a),(b)即為該系統(tǒng)的動態(tài)模型。56緒論—控制系統(tǒng)及模型若系統(tǒng)運動很慢，即有：則上式（a），（b）可化為：此即系統(tǒng)的靜態(tài)模型，實際上x(t)與y(t)之間是一種代數關系，即代數方程式。57三、對控制系統(tǒng)的基本要求58三、對控制系統(tǒng)的基本要求緒論—控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性：指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性好，則系統(tǒng)恢復平衡狀態(tài)的能力強快速性：系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產生偏差時，消除這種偏差的快速程度?？焖傩院?，則消除偏差快，或調整時間短。其表述系統(tǒng)動態(tài)特性。準確性：調整過程結束后輸出量與給定的輸入量之間的偏差程度，或稱靜態(tài)精度。準確性好，則調整過程結束后，輸出值與期望值偏差小，其表述系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性系統(tǒng)評價指標多樣，但基本和最重要是以上三種；控制系統(tǒng)設計根據