機械控制工程基礎(chǔ)(緒論)C班

機械控制工程基礎(chǔ)本章主要內(nèi)容:

I

2

3

4機械工程控制論概述控制系統(tǒng)組成和工作原理控制系統(tǒng)的基本類型及要求Matlab語言簡介1.機械工程控制論概述1.1控制是什么1.2控制論及機械工程控制論1.3系統(tǒng)1.1控制的本意

:為了達(dá)到某種目的對事物進(jìn)行支配、管束、管制、管理、監(jiān)督、鎮(zhèn)壓。

1機械工程控制論概述

例1.[鋼鐵軋制]:軋出厚度一致的高精度鐵板溫度控制,生鐵成分控制,厚度控制,張力控制等等。1機械工程控制論概述自動控制:

在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱

）,使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行（或變化）。例2.[程控機床]:自動進(jìn)刀切削，加工出預(yù)期的幾何形狀直線、圓弧等各種差補控制，進(jìn)給量控制,等等。控制裝置或控制器被控對象被控量1機械工程控制論概述例3.控制實例-液面控制人工控制自動控制1機械工程控制論概述自動控制成為一門科學(xué)是從1945發(fā)展起來的。開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動控制。后來進(jìn)入軍事領(lǐng)域：飛機自動駕駛、火炮自動跟蹤、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動控制。目前滲透到更多領(lǐng)域：大系統(tǒng)、交通管理等。1機械工程控制論概述控制論強調(diào)：1)所研究的對象是一個系統(tǒng)；2)系統(tǒng)在不斷地運動（經(jīng)歷動態(tài)歷程、包括內(nèi)部狀態(tài)和外部行為）；3)產(chǎn)生運動的條件是外因（外界的作用：輸入、干擾）4)產(chǎn)生運動的根據(jù)是內(nèi)因（系統(tǒng)的固有特性）1.2控制論及機械工程控制論關(guān)于控制原理和控制方法的學(xué)科，研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律。1機械工程控制論概述控制論與其它學(xué)科結(jié)合，形成眾多的分支學(xué)科?？刂普摻?jīng)濟(jì)學(xué)社會學(xué)生物學(xué)工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)控制論社會控制論生物控制論工程控制論機械工程機械工程控制論1機械工程控制論概述

機械工程控制論研究機械工程系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系。即為系統(tǒng)的動力學(xué)問題。1.3關(guān)于系統(tǒng)。

1機械工程控制論概述機械系統(tǒng):實現(xiàn)一定的機械運動、輸出一定的機械能，以及承受一定的機械載荷為目的的系統(tǒng)，稱為機械系統(tǒng)。對于機械系統(tǒng)，其輸入和輸出分別稱為“激勵”和“響應(yīng)”。

1.3關(guān)于系統(tǒng)。A.系統(tǒng)：按一定的規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。B.系統(tǒng)的特性不僅與構(gòu)成系統(tǒng)的元素有關(guān)，而且與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（即元素之間的聯(lián)系）有關(guān)

1機械工程控制論概述C.系統(tǒng)的層次性和相對性：系統(tǒng)的組成元素也可以是一個系統(tǒng)（子系統(tǒng)），整個系統(tǒng)又可以是更上一層系統(tǒng)的組成元素。例4.彈簧－質(zhì)量－阻尼單自由度系統(tǒng)。分析：這是同一個系統(tǒng)，不同的外界作用1機械工程控制論概述上式中y(t)為微分方程的解，顯然它是由系統(tǒng)的初始條件，系統(tǒng)的固有特性，系統(tǒng)的輸入及系統(tǒng)與輸入之間的關(guān)系決定。1機械工程控制論概述對上例，需要研究的問題可歸納為以下三類：1)系統(tǒng)的輸入與系統(tǒng)的固有特性如何影響y(t)，三者之間表現(xiàn)為何種關(guān)系。2)系統(tǒng)確定并已知時，對系統(tǒng)施加何種輸入，能使系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng)。3)對于確定的輸入，系統(tǒng)應(yīng)具有什么特性，才能使系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng)。1機械工程控制論概述。

1機械工程控制論概述E.系統(tǒng)的特性:（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)出在時域、頻域或復(fù)域等域內(nèi)的動態(tài)特性。

1機械工程控制論概述機械工程控制論的內(nèi)容可歸納為如下5個方面：（A）已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的輸出，即系統(tǒng)分析問題；

（B）已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，設(shè)計輸入，即最優(yōu)控制問題；

（C）已知輸入和理想輸出時，設(shè)計系統(tǒng)，即最優(yōu)設(shè)計問題；

（D）輸出已知，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸入中的有關(guān)信息，此即濾波與預(yù)測問題；

（E）已知系統(tǒng)的輸入和輸出，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即系統(tǒng)辨識問題。

1機械工程控制論概述1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成1.2.1控制系統(tǒng)的工作原理1.2.2控制系統(tǒng)的組成恒溫箱溫度控制人工控溫自動控溫一、Examples

1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成1.2.1

控制系統(tǒng)的工作原理[動態(tài)過程]觀測恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較得到溫度偏差的大小和方向根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。1.人工控制恒溫箱1231.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成[實質(zhì)]檢測偏差再糾正偏差。人工控制恒溫箱1231.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭。當(dāng)溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時，偏差u=0,電機停止轉(zhuǎn)動。[動態(tài)過程]2.恒溫箱自動控制系統(tǒng)恒溫箱實際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度u2比較得到溫度偏差信號u=u1-u2t

u2

u

ua

n

v

u

t1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成系統(tǒng)原理方塊圖[實質(zhì)]檢測偏差糾正偏差1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成控制系統(tǒng)的工作原理從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見：給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量，也稱為參考輸入量（信號）。被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理：檢測輸出量（被控制量）的實際值將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出?？刂破鲗ο蠡蜻^程輸入量輸出量測量元件控制系統(tǒng)工作原理反饋量偏差1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計擾動的情況下，自動減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。從反饋信號的角度看，反饋有正反饋與負(fù)反饋之分。如根據(jù)自控原理，在系統(tǒng)中加上一個人為的反饋，構(gòu)成自動控制系統(tǒng)，這種反饋為外反饋。1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成

反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是“檢測偏差再糾正偏差”。這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測量、比較和執(zhí)行三個基本功能。1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成例：人騎自行車時，總是希望自行車具有一定的理想狀態(tài)（如速度，方向等），人腦根據(jù)這個理想狀態(tài)指揮四肢動作，使自行車按預(yù)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(chǎn)生影響，使得自行車偏離理想狀態(tài)，人的感覺器官感覺車子的狀態(tài)，并將此信息返回到大腦，大腦根據(jù)實際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差調(diào)整四肢動作，如此循環(huán)往復(fù)。1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成其信息流動與反饋的過程如圖所示：運動系統(tǒng)感覺器官自行車1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成例：如果負(fù)載變化，使w增加->離心機構(gòu)滑套上移->液壓滑閥上移，動力活塞下移，油門關(guān)小，w減小->直到滑閥回復(fù)中位，w回復(fù)到設(shè)定值。通過檢測系統(tǒng)的實際輸出值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，反過來又作用于系統(tǒng)，形成反饋，進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，本例中的反饋表現(xiàn)為w變化所引起的信息傳遞與交互。1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成1.2.2、控制系統(tǒng)的組成1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成給定元件+串聯(lián)校正元件放大變換元件執(zhí)行元件控制對象_+_并聯(lián)校正元件局部反饋反饋元件主反饋控制部分比較元件比較元件輸入信號

xi偏差信號

e主反饋信號

xb擾動信號輸出

xo閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成

反饋元件

測量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號。為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。

比較元件對給定信號和反饋信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號；

給定元件產(chǎn)生給定信號或輸入信號。1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成

執(zhí)行元件

直接對受控對象進(jìn)行操縱的元件；如電動機、液壓馬達(dá)等；

校正元件

用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。校正元件一般分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成

放大元件對偏差信號進(jìn)行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動執(zhí)行元件實現(xiàn)控制功能。控制系統(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為控制器。實際的控制系統(tǒng)中，擾動總是不可避免的，擾動分為內(nèi)部擾動和外部擾動，但在控制系統(tǒng)中，擾動集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控制系統(tǒng)的擾動等效為對控制對象的干擾。1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動控制系統(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)的各個環(huán)節(jié)。（4）按信息流動的方向?qū)⒏鱾€環(huán)節(jié)用元件方框和連線連接起來1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成例:分析圖示液位自動控制系統(tǒng)工作原理并繪制系統(tǒng)功能框圖節(jié)流閥節(jié)流閥H(t)放大器+E+E.電動機減速器1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成解：1、電位器滑動觸點位于中間位置，電動機停轉(zhuǎn)，閥門保持原有開度，水箱中流入水量與流出水量相等，液面保持在希望的高度。

2、若系統(tǒng)收到擾動使液面升高，則浮子相應(yīng)升高，通過杠桿作用使電位器滑動觸點下移，給電動機提供一定的控制電壓，驅(qū)動電動機通過減速器減小閥門開度，使輸入流量減小，液位下降，直到電位器滑動觸點回到中間位置，液面恢復(fù)給定高度；

3、若系統(tǒng)收到擾動使液面下降，則系統(tǒng)會自動加大閥門開度，使輸入流量增加，液面恢復(fù)到給定高度。1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成給定液位杠桿電位器放大器電動機減速器閥門水箱實際液位浮子節(jié)流閥節(jié)流閥H(t)放大器+E+E.電動機減速器1.2控制系統(tǒng)的工作原理和組成1.3控制系統(tǒng)基本類型及要求1.3.1控制系統(tǒng)基本類型1.3.2控制系統(tǒng)的基本要求1.3.1控制系統(tǒng)的基本類型按輸入量特征分類按傳遞信號分類按系統(tǒng)構(gòu)成分類按系統(tǒng)中元件特性按信號傳遞方向恒值控制連續(xù)控制開環(huán)控制線性控制前饋控制程序控制離散（數(shù)字）控制閉環(huán)控制非線性控制反饋控制隨動控制半閉環(huán)控制1.3控制系統(tǒng)基本類型及要求按輸入量的特征分類恒值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿?wù)是保證在任何擾動作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。隨動系統(tǒng)：輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律。如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等程序控制系統(tǒng)：輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運動。如：交通信號燈、洗衣機等1.3控制系統(tǒng)基本類型及要求按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類連續(xù)控制系統(tǒng)：

系統(tǒng)中各部分傳遞的信號為隨時間連續(xù)變化的信號。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)：

系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。1.3控制系統(tǒng)基本類型及要求其它分類系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)

機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等控制系統(tǒng)

溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)1.3控制系統(tǒng)基本類型及要求方程系數(shù)與時間的關(guān)系->定常、時變*按系統(tǒng)元件特性分類線性控制系統(tǒng)：由線性元件組成，輸入輸出間具有疊加性和均勻性性質(zhì)。以線性微分方程來表述。非線性控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中有非線性元件，輸入輸出間不具有疊加性和均勻性性質(zhì)。用非線性微分方程來表述。1.3控制系統(tǒng)基本類型及要求開環(huán)控制與閉環(huán)控制

實際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋作用可分為：開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)（全閉環(huán)半閉環(huán)）

1.3控制系統(tǒng)基本類型及要求開環(huán)控制控制器與被控對象間只有順序作用而無反向聯(lián)系且控制單方向進(jìn)行。數(shù)控機床的開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖優(yōu)點：簡單、穩(wěn)定、可靠。缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力。1.3控制系統(tǒng)基本類型及要求閉環(huán)控制

閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程有直接影響。閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。優(yōu)點：精度較高，對外部擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感缺點：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系統(tǒng)性能分析和設(shè)計麻煩。1.3控制系統(tǒng)基本類型及要求1.3.2自動控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性：系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。穩(wěn)定的擺不穩(wěn)定的擺1.3控制系統(tǒng)基本類型及要求1940年11月7日，一陣風(fēng)引起了橋的晃動，而且晃動越來越大，直到整座橋斷裂?？缭饺A盛頓州塔科馬峽谷的首座大橋，開通于1940年7月1日。只要有風(fēng)，這座大橋就會晃動。1.3控制系統(tǒng)基本類型及要求穩(wěn)定:當(dāng)擾動取消后，系統(tǒng)都能夠恢復(fù)到原有的平衡狀態(tài)。

大范圍穩(wěn)定小范圍穩(wěn)定不穩(wěn)定1.3控制系統(tǒng)基本類型及要求控制系統(tǒng)在外部