機(jī)電控制工程基礎(chǔ)

機(jī)電控制工程基礎(chǔ)多媒體教學(xué)課件指導(dǎo)老師：葉俊杰副教授蘇玉鑫教授教材《機(jī)電控制工程基礎(chǔ)》主編：左鍵民副主編：盛英葉俊杰副教授

辦公室：北校區(qū)主樓3區(qū)249聯(lián)系方式：QQ:35402105ronkey6000@Tel二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第一章緒論第三章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析第四章控制系統(tǒng)的頻率特性分析第五章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析第六章控制系統(tǒng)的性能分析第七章控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)第九章線性離散控制系統(tǒng)機(jī)電控制工程基礎(chǔ)第一章緒論（一）控制系統(tǒng)的工作原理及組成（二）控制系統(tǒng)的基本類型（三）控制系統(tǒng)的基本要求（四）控制工程理論發(fā)展歷史基本要求：（1）了解控制系統(tǒng)的基本類型（2）了解對控制系統(tǒng)的基本要求及控制理論發(fā)展歷史（3）掌握控制原理及系統(tǒng)的組成重點(diǎn)：掌握反饋控制原理及系統(tǒng)組成第一章緒論

第一節(jié)控制系統(tǒng)的工作原理及其組成一、概述控制是指控制主體按照給定的條件和目標(biāo)，對控制客體施加影響的過程和行為。自動(dòng)控制就是在沒有人直接參與的條件下，利用控制裝置使被控對象（如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的某些物理量（或工作狀態(tài)）能自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律變化或運(yùn)行。隨著計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展，為自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，使自動(dòng)控制技術(shù)不僅大量應(yīng)用于空間技術(shù)、科技、工業(yè)、交通管理等領(lǐng)域，而且自動(dòng)控制的概念和分析問題的方法也向其它領(lǐng)域滲透。東風(fēng)-41洲際導(dǎo)彈電動(dòng)平衡車電信1號美國轟炸我國大使館現(xiàn)場

我們所見到的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其功用及其組成是多種多樣的，結(jié)構(gòu)有簡有繁，它可以是只控制一個(gè)物理量（如溫度、壓力、電壓）的簡單系統(tǒng)；也可以是一個(gè)具體的工程系統(tǒng)，也可以是抽象的社會系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)或經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等。自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用不僅能使生產(chǎn)設(shè)備或過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，極大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和改善人民生活條件等方面都起著極其重要的作用。自動(dòng)控制是一門必不可少的科學(xué)技術(shù)。二、控制系統(tǒng)工作原理以恒溫控制系統(tǒng)為例，分析其控制過程。人工控制實(shí)現(xiàn)恒溫控制自動(dòng)控制圖1-1人工控制的恒溫箱調(diào)整變壓器電壓調(diào)整熱量：[動(dòng)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。[實(shí)質(zhì)]檢測偏差再糾正偏差。1.人工控制恒溫箱123Part1.2.1

控制系統(tǒng)的工作原理圖1-2恒溫箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)給定值（要求的溫度）—由給定信號電壓控制測量元件—熱電偶，把溫度轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號放大元件—電壓、功率放大器執(zhí)行元件—執(zhí)行電動(dòng)機(jī)受控對象—恒溫箱被控量—恒溫箱的溫度干擾—工件、環(huán)境溫度等偏差信號—當(dāng)溫度偏低時(shí)，經(jīng)放大器放大執(zhí)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)減速器、調(diào)壓器動(dòng)觸頭移動(dòng)電流加大溫度升高溫度達(dá)到給定值2.恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)人工恒溫箱：溫度計(jì)溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差u=0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。[動(dòng)態(tài)過程]恒溫箱實(shí)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(shí)際溫度u2比較得到溫度偏差信號u=u1-u2比較自動(dòng)控制系統(tǒng)和人工控制系統(tǒng)測量裝置人的眼睛控制器人腦執(zhí)行機(jī)構(gòu)人手

共同的特點(diǎn)：檢測偏差，并用檢測到的偏差去糾正偏差，偏差是通過反饋建立起來的。

控制系統(tǒng)的工作原理：

1）檢測輸出量的實(shí)際量；

2）將實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差值；

3）用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差。這種基于反饋原理，通過“檢測偏差再糾正偏差”的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的控制過程可以用系統(tǒng)的職能框圖清晰而形象地表示。反饋——輸出量的返回過程表示輸出量通過測量裝置將信號的全部或部分返回輸出端，使之與輸入量進(jìn)行比較，比較產(chǎn)生的結(jié)果稱為偏差。在人工控制中，這一偏差是通過人眼觀測后，由人腦判斷、決策得出的；在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，偏差則是通過反饋，由控制器進(jìn)行比較、計(jì)算產(chǎn)生的。[實(shí)質(zhì)]檢測偏差糾正偏差圖1-3恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)職能方塊圖比較元件引出點(diǎn)信號方向方框表示元部件負(fù)號表示負(fù)反饋綜上所述控制系統(tǒng)的工作原理：檢測輸出量（被控制量）的實(shí)際值；將輸出量的實(shí)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。常用術(shù)語1.受控對象——被操縱的機(jī)器、設(shè)備2.控制裝置——對受控對象起控制作用的設(shè)備總體被控量（輸出量）——在工作過程中需要加以控制的物理量4.輸入量（給定值）——控制輸出量變化規(guī)律的信號5.擾動(dòng)——除控制信號外，一切對系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生影響的因素6.自動(dòng)控制——在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱受控對象，使被控量等于希望值。干擾

三、開環(huán)控制與閉環(huán)控制

1.開環(huán)控制如果系統(tǒng)的輸出量沒有與其輸入量相比較，即系統(tǒng)的輸出與輸入量間不存在反饋通道，這種控制方式叫做開環(huán)控制。

開環(huán)控制系統(tǒng)

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，所用的元器件少、成本低，系統(tǒng)一般也容易穩(wěn)定，但對工作過程中受到的擾動(dòng)或特性參數(shù)的變化無法自動(dòng)補(bǔ)償。應(yīng)用：多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和干擾較小的場合。如自動(dòng)化流水線、自動(dòng)洗衣機(jī)

1.閉環(huán)控制（又稱反饋控制）

反饋——輸出量回輸?shù)捷斎攵瞬⑴c給定值（輸入量）比較的過程。

無論是由干擾造成的，還是由結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起的，只要輸出量出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)就自行糾偏?？刂菩盘栄厍跋蛲ǖ篮头答佂ǖ篱]路傳送，故稱閉環(huán)控制或反饋控制。

特點(diǎn)：1）能實(shí)現(xiàn)高精度控制

2）輸出量可能有較大的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會使系統(tǒng)無法工作因系統(tǒng)按偏差調(diào)節(jié)，有時(shí)間延遲，輸出量的偏離不能立即得到修正，有可能使輸出量處于振蕩狀態(tài)，如果系統(tǒng)參數(shù)選擇不當(dāng)，不僅不能修正偏離，反而會使偏離越來越大，系統(tǒng)無法工作。

四、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

圖1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

給定元件給定或輸入信號比較元件輸入和反饋信號偏差校正元件放大元件執(zhí)行元件反饋元件飛彈閉環(huán)控制系統(tǒng)非常復(fù)雜1）給定元件——產(chǎn)生給定信號或輸入信號，例如圖1-2中的熱電阻2）反饋元件——產(chǎn)生與輸出量有一定函數(shù)關(guān)系的反饋信號，例如圖1-2中的熱電偶,反饋元件一般為檢測元件3）比較元件——用來比較輸入信號與反饋信號之間的差值得到偏差信號，例如圖1-2

中電位計(jì)中差接的比較電路4）放大元件——對偏差信號進(jìn)行放大的元件。放大元件的輸出一定要有足夠的能量，才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)控制功能例如電壓放大器,功率放大器5）執(zhí)行元件——直接對受控對象進(jìn)行操作的元件例如伺服電動(dòng)機(jī)、液壓（氣）馬達(dá)伺服液壓（氣）缸6）校正元件——為保證控制質(zhì)量，使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能而加入系統(tǒng)的元件串聯(lián)校正：串接在系統(tǒng)前向通道上反饋校正：接在系統(tǒng)的局部反饋通道中

第二節(jié)對控制系統(tǒng)的基本要求

控制系統(tǒng)應(yīng)用于不同場合，對它有不同的性能要求。但從控制工程的角度來看，對控制系統(tǒng)卻有一些共同的要求，一般可歸結(jié)為穩(wěn)、快、準(zhǔn)。1.穩(wěn)定性實(shí)際中，由于機(jī)械部分慣性，當(dāng)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)分配不當(dāng)時(shí)，將會引起系統(tǒng)的振動(dòng)而失去工作能力穩(wěn)定性指系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡的能力系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)后應(yīng)該隨著時(shí)間收斂最后回到平衡狀態(tài)動(dòng)態(tài)過程（過渡過程）——系統(tǒng)受到外加信號作用后，輸出量隨時(shí)間t變化的全過程。

一種過渡過程是收斂的，即過渡過程結(jié)束后，系統(tǒng)又趨于平衡狀態(tài)，這類系統(tǒng)稱為穩(wěn)定的；

另一種過渡過程是發(fā)散的，這類系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定的；等幅振蕩也被認(rèn)為是不穩(wěn)定的。顯然，系統(tǒng)穩(wěn)定是保證系統(tǒng)能正常工作的首要條件。

2.快速性指動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行的時(shí)間長短，消除偏差的快速程度。（導(dǎo)彈系統(tǒng)）

穩(wěn)和快反應(yīng)了系統(tǒng)在控制過程中的性能既快又穩(wěn)，則過程中輸出量偏離希望值小，偏離的時(shí)間短，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度就高。要求系統(tǒng)具有有一定的響應(yīng)速度

3.準(zhǔn)確性過渡過程結(jié)束后，輸出量的希望值與實(shí)際值之差。數(shù)控機(jī)床的加工誤差小于0.02mm。一般恒速、恒溫控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差都在給定值的1%以內(nèi)。

同一個(gè)系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的。提高快速性，可能會引起系統(tǒng)強(qiáng)烈振動(dòng)。改善了平穩(wěn)性，控制過程又可能很遲緩，甚至精度也會變差。分析和解決這些矛盾，將是本學(xué)科討論的重要內(nèi)容。

第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本類型

可以從不同角度對控制系統(tǒng)進(jìn)行分類：按信號傳遞路徑，可分為開環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)

按輸入量的特征，可分為恒值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)（伺服）系統(tǒng)按系統(tǒng)中傳遞信號的形式，可分為連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)系統(tǒng)是否滿足疊加原理（齊次性、可加性），分為線性控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)部件的類型可分為機(jī)電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)

一、開環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)二.按輸入量的特征

1.恒值控制系統(tǒng)

2.程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量為常值系統(tǒng)的基本任務(wù)是當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，使系統(tǒng)的輸出量保持為恒定的希望值。工業(yè)產(chǎn)生中的溫度、壓力、流量、液面等參數(shù)的控制電力系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓、頻率控制等系統(tǒng)輸入量按預(yù)定規(guī)律變化，系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進(jìn)行。數(shù)控機(jī)床按預(yù)定程序自動(dòng)地切削工件。

3.伺服系統(tǒng)又稱隨動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量隨時(shí)間任意變化。系統(tǒng)輸出量常是機(jī)械位移、速度、加速度、力、力矩等機(jī)械量。系統(tǒng)的基本任務(wù)是使系統(tǒng)輸出量能快速、準(zhǔn)確地跟隨輸入量變化。機(jī)械加工中的仿形機(jī)床。

武器裝備中的火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、導(dǎo)彈目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的原理圖直流隨動(dòng)系統(tǒng)職能方塊圖誤差電壓Ue經(jīng)放大器放大后供電給直流電動(dòng)機(jī)，使之帶動(dòng)負(fù)載和接收電位器的動(dòng)臂一起旋轉(zhuǎn)，一直到θr=θc為止。電位器：位置的檢測元件，將位置信號轉(zhuǎn)換為電信號，并進(jìn)行比較。放大器差動(dòng)電橋三、連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)中各部分的信號若都是時(shí)間t

的連續(xù)函數(shù)，則稱這類系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)各部分的信號中只要有一個(gè)是時(shí)間t

的離散信號，則稱這種系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。脈沖和數(shù)碼都屬于離散信號。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是一種常見的離散控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)只能接受和處理數(shù)字信號，計(jì)算機(jī)的輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換加給放大器，然后再去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，或由計(jì)算機(jī)直接輸出數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)字放大器后驅(qū)動(dòng)數(shù)字式執(zhí)行元件。四、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)齊次性、可加性可用線性微分方程或差分方程描述的系統(tǒng)，稱為線性系統(tǒng)。如果微分方程或差分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱為線性定常系統(tǒng)；否則，稱為線性時(shí)變系統(tǒng)。用非線性方程描述的系統(tǒng)，稱為非線性系統(tǒng)。

第四節(jié)控制工程發(fā)展概況

控制工程是一門新型的技術(shù)科學(xué)，也是一門邊緣科學(xué)。從1788年瓦特（J.Watt)發(fā)明蒸汽機(jī)飛球調(diào)速器算起，控制工程也有了二百多年的歷史。然而，控制工程作為一門科學(xué)，它的形成并迅速發(fā)展卻是最近五六十年的事。早在一千多年以前，我國就先后發(fā)明了銅壺滴漏計(jì)時(shí)器等多種自動(dòng)控制裝置，這些發(fā)明促進(jìn)了當(dāng)時(shí)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。二次大戰(zhàn)期間，由于建造飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、火炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等軍事裝備的需要，推動(dòng)了控制理論的飛躍發(fā)展。1948年威納（N.Wiener)發(fā)表了著名的《控制論》，從而基本上形成了經(jīng)典控制理論，使控制工程有了扎實(shí)的理論支撐。二次世界大戰(zhàn)后，控制理論擴(kuò)展到民用，在化工、煉油、冶金等工業(yè)部門得到了進(jìn)一步的應(yīng)用，控制理論也日漸成熟。1954年，我國科學(xué)家錢學(xué)森發(fā)表了《工程控制論》這一名著，為控制工程這門科學(xué)技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。經(jīng)典控制理論：以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入、單輸出系統(tǒng)的分析和控制問題。現(xiàn)代控制理論：以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、時(shí)變、非線性等系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。20世紀(jì)50年代末和60年代，控制工程又出現(xiàn)了一個(gè)迅猛發(fā)展時(shí)期，這時(shí)由于導(dǎo)彈制導(dǎo)、數(shù)控技術(shù)、空間技術(shù)發(fā)展需要和計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，控制理論發(fā)展到了一個(gè)新的階段，