機械工程控制基礎(chǔ)概論

機械工程控制基礎(chǔ)概論第一頁，共七十頁，2022年，8月28日自動控制理論簡介主要闡述有關(guān)自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論機械工程廣泛引入控制理論：數(shù)控機床；工業(yè)機器人；微細(xì)工程；機床動態(tài)分析、動態(tài)測試；精密儀器；產(chǎn)品質(zhì)量檢測系統(tǒng)；空間技術(shù)等。第二頁，共七十頁，2022年，8月28日自動控制理論經(jīng)典控制理論：50年代形成的理論體系。研究單輸入－單輸出線性定常系統(tǒng)的設(shè)計分析問題。理論基礎(chǔ)是描述系統(tǒng)輸入－輸出關(guān)系的傳遞函數(shù)?，F(xiàn)代控制理論：60末為適應(yīng)宇航技術(shù)發(fā)展的需要而出現(xiàn)的新技術(shù)，現(xiàn)正向大系統(tǒng)和人工智能理論等方面發(fā)展。研究多輸入－多輸出變參數(shù)、時變系統(tǒng)的設(shè)計分析問題。理論基礎(chǔ)是描述系統(tǒng)狀態(tài)空間法。第三頁，共七十頁，2022年，8月28日總學(xué)時（39）第一章緒論（3學(xué)時）第二章系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（9學(xué)時）第三章時間響應(yīng)分析（9學(xué)時）第四章頻率特性分析（7學(xué)時）第五章系統(tǒng)的穩(wěn)定性（8學(xué)時）第六章系統(tǒng)的性能指標(biāo)與校正（3學(xué)時）第四頁，共七十頁，2022年，8月28日第一章緒論第五頁，共七十頁，2022年，8月28日1.1機械工程控制論的研究對象與任務(wù)1.2系統(tǒng)及其模型1.3反饋1.4系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求1.5機械制造的發(fā)展與控制理論的應(yīng)用1.6控制理論發(fā)展的簡單回顧1.7本課程的特點與學(xué)習(xí)方法第六頁，共七十頁，2022年，8月28日§1機械工程控制論研究的對象和任務(wù)一、控制工程研究的對象與任務(wù)1、對象工程控制論實質(zhì)上是研究工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題第七頁，共七十頁，2022年，8月28日具體地說，它研究的是工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)在一定的外界條件作用下，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)部固有的特性（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)歷程第八頁，共七十頁，2022年，8月28日初始狀態(tài)固有特性輸入輸出系統(tǒng)可大可小，可繁可簡，可實可虛例：

uiRCLu0第九頁，共七十頁，2022年，8月28日第十頁，共七十頁，2022年，8月28日系統(tǒng)的動力學(xué)方程：f(t)------系統(tǒng)的輸入（激勵）y(t)-------系統(tǒng)的輸出（響應(yīng)）mf(t)kcy(t)mf(t)F(c)F(k)第十一頁，共七十頁，2022年，8月28日mp2+cp+k-----為方程左端的算子，它由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定，反映了與外界無關(guān)的系統(tǒng)本身的固有特性；1-----為方程右端的算子，反映了與外界的關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生變化，這一算子一般也會發(fā)生改變。第十二頁，共七十頁，2022年，8月28日第十三頁，共七十頁，2022年，8月28日顯然，y(t)（就是微分方程的解）是由系統(tǒng)的初始狀態(tài)、系統(tǒng)的固有特性、系統(tǒng)與輸入之間的關(guān)系以及輸入所決定的；也可以說它代表了系統(tǒng)在一定外界條件下的動態(tài)歷程。第十四頁，共七十頁，2022年，8月28日工程控制論研究的問題：1系統(tǒng)、輸入已知，求輸出

---------系統(tǒng)分析2系統(tǒng)已知，確定輸入，得到最佳輸出

----------最優(yōu)控制3輸入已知，確定系統(tǒng)，得到最佳輸出

----------最優(yōu)化設(shè)計4輸出已知，確定系統(tǒng)，識別輸入信息

-----------預(yù)測5輸入輸出已知，確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

-----------系統(tǒng)的辯識第十五頁，共七十頁，2022年，8月28日2本課程任務(wù)用經(jīng)典控制理論來解決系統(tǒng)分析問題，并適當(dāng)解決系統(tǒng)的辯識問題實際系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型結(jié)果建立模型分析(微分方程）第十六頁，共七十頁，2022年，8月28日§2系統(tǒng)及其模型一、系統(tǒng)我們所研究的“系統(tǒng)”就是由相互聯(lián)系、相互作用的若干部分構(gòu)成，而且有一定的目的或一定的運動規(guī)律的一個整體。第十七頁，共七十頁，2022年，8月28日組成系統(tǒng)的各個部分，可以是元件，也可以是下一級的系統(tǒng)，后者稱為“子系統(tǒng)”；而整個系統(tǒng)又可以是上一層系統(tǒng)的子系統(tǒng)；必須注意，一個系統(tǒng)的特性并不能看成是組成它的元件或子系統(tǒng)的特性的簡單總和。第十八頁，共七十頁，2022年，8月28日二、機械系統(tǒng)以實現(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)機械系統(tǒng)的輸入稱為“激勵”，一般是外界對系統(tǒng)的作用輸出稱為“響應(yīng)”，一般是系統(tǒng)的變形或位移第十九頁，共七十頁，2022年，8月28日一個系統(tǒng)的輸入有兩種如果是人為地、有意識地加上去的，往往稱為“控制”；而如果是偶然要素產(chǎn)生的，無法加以人為控制的，則稱為“擾動”第二十頁，共七十頁，2022年，8月28日三、靜態(tài)模型與動態(tài)模型用數(shù)學(xué)方法描述的抽象的理論模型，用來表達(dá)一個系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間，或系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的關(guān)系的模型稱為“數(shù)學(xué)模型”第二十一頁，共七十頁，2022年，8月28日若以作用在機器上的力F(t)為激勵，以機器的振動位移y(t)作為響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為：N(t)F(t)m機器隔振墊y(t)mF(t)y(t)kc一臺機器放在隔振墊上。第二十二頁，共七十頁，2022年，8月28日若以地基振動位移x(t)為激勵，以機器的振動位移y(t)為響應(yīng)時的數(shù)學(xué)模型：稱為為系統(tǒng)的動態(tài)模型隔振墊N(t)m機器y(t)x(t)my(t)x(t)kc一臺機器放在隔振墊上。第二十三頁，共七十頁，2022年，8月28日稱為為系統(tǒng)的靜態(tài)模型第二十四頁，共七十頁，2022年，8月28日靜態(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)下的特性；動態(tài)模型則用于研究系統(tǒng)在迅變載荷作用下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性。靜態(tài)模型一般以代數(shù)公式描述，而動態(tài)模型則需要以微分方程或是其離散形式------差分方程描述。第二十五頁，共七十頁，2022年，8月28日1.3反饋

一定義一個系統(tǒng)的輸出，部分或全部地被反過來用于控制系統(tǒng)的輸入，稱為系統(tǒng)的反饋。系統(tǒng)之所以有動態(tài)歷程，系統(tǒng)及其輸入、輸出之間所以有動態(tài)關(guān)系，就是由于系統(tǒng)本身有信息的反饋第二十六頁，共七十頁，2022年，8月28日比較系統(tǒng)反饋輸入輸出+=輸入±輸出第二十七頁，共七十頁，2022年，8月28日電機工作臺輸入指令輸出位移檢測系統(tǒng)+-二機械工程中的反饋控制第二十八頁，共七十頁，2022年，8月28日三機械系統(tǒng)的內(nèi)在反饋mf(t)cy(t)k第二十九頁，共七十頁，2022年，8月28日四反饋的分類正反饋和負(fù)反饋使總的輸出增加的反饋調(diào)節(jié)為正反饋。杠桿浮子Hr閥門2Q2Q1閥門1正反饋第三十頁，共七十頁，2022年，8月28日負(fù)反饋：使總輸出減小的反饋調(diào)節(jié)。負(fù)反饋使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定杠桿浮子Hr閥門2Q2Q1閥門1負(fù)反饋第三十一頁，共七十頁，2022年，8月28日外反饋和內(nèi)反饋外反饋：人為加入的反饋電機工作臺輸入指令輸出位移檢測系統(tǒng)+-第三十二頁，共七十頁，2022年，8月28日內(nèi)反饋：自然形成的反饋mf(t)cy(t)k第三十三頁，共七十頁，2022年，8月28日總結(jié)：控制論的中心思想就是“反饋控制”微分方程體現(xiàn)了系統(tǒng)本身存在著反饋微分方程的解體現(xiàn)了由于系統(tǒng)本身反饋的存在與外界對系統(tǒng)的作用的存在而決定的系統(tǒng)的動態(tài)歷程。第三十四頁，共七十頁，2022年，8月28日1.4系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求一、分類1、按反饋情況分（1）開環(huán)控制系統(tǒng)（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)第三十五頁，共七十頁，2022年，8月28日開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)僅受輸入量和擾動量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個控制過程中對系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響。輸入裝置指令系統(tǒng)輸入控制裝置伺服驅(qū)動裝置工作臺工作臺位置系統(tǒng)輸出數(shù)控機床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖第三十六頁，共七十頁，2022年，8月28日優(yōu)點：簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力第三十七頁，共七十頁，2022年，8月28日閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器對象或過程輸入量輸出量測量元件閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量第三十八頁，共七十頁，2022年，8月28日系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖杠桿浮子H閥門2Q2Q1閥門1浮子杠桿閥門1水箱HrQ1Q2H第三十九頁，共七十頁，2022年，8月28日控制器直流電機工作臺磁尺

控制器直流電機傳動機構(gòu)工作臺磁尺第四十頁，共七十頁，2022年，8月28日特點：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。第四十一頁，共七十頁，2022年，8月28日半閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：反饋信號通過系統(tǒng)內(nèi)部的中間信號獲得。精度比閉環(huán)低穩(wěn)定性高第四十二頁，共七十頁，2022年，8月28日控制器直流電機工作臺光電編碼器控制器直流電機傳動機構(gòu)工作臺光電編碼器nx(t)第四十三頁，共七十頁，2022年，8月28日2、按輸出變化規(guī)律分（1）自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)（恒值系統(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。第四十四頁，共七十頁，2022年，8月28日加熱電阻絲~220V調(diào)壓器人工控制的恒溫箱溫度計第四十五頁，共七十頁，2022年，8月28日加熱電阻絲~220V調(diào)壓器熱電偶給定信號比較電壓放大器功率放大器執(zhí)行電動機減速器u2u1++u恒溫箱自動控制系統(tǒng)第四十六頁，共七十頁，2022年，8月28日給定信號電壓功率放大器控制電機減速器調(diào)壓器恒溫箱(控制對象)熱電偶u1u2uuanvu溫度t(被控量)擾動恒溫箱自動控制系統(tǒng)功能框圖第四十七頁，共七十頁，2022年，8月28日（2）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。如數(shù)控加工系統(tǒng)。第四十八頁，共七十頁，2022年，8月28日（3）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。第四十九頁，共七十頁，2022年，8月28日3按系統(tǒng)信號的性質(zhì)分（1）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。（2）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。第五十頁，共七十頁，2022年，8月28日典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖給定環(huán)節(jié)：確定被控制對象的“目標(biāo)值”控制部分給定環(huán)節(jié)放大及運算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對象測量環(huán)節(jié)+-xix0比較環(huán)節(jié)xb第五十一頁，共七十頁，2022年，8月28日測量環(huán)節(jié)：測量被控量，并將被控量轉(zhuǎn)換成便于傳送的另一物理量（一般為電量）控制部分給定環(huán)節(jié)放大及運算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對象測量環(huán)節(jié)+-xix0比較環(huán)節(jié)xb第五十二頁，共七十頁，2022年，8月28日比較環(huán)節(jié)：輸入信號xi與測量環(huán)節(jié)發(fā)出的有關(guān)被控變量xo的反饋xb兩相比較，并得到一個小功率的偏差信號?？刂撇糠纸o定環(huán)節(jié)放大及運算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對象測量環(huán)節(jié)+-xix0比較環(huán)節(jié)xb第五十三頁，共七十頁，2022年，8月28日放大及運算環(huán)節(jié)：將偏差信號作必要的校正，然后進(jìn)行功放以便推動執(zhí)行環(huán)節(jié)；控制部分給定環(huán)節(jié)放大及運算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對象測量環(huán)節(jié)+-xix0比較環(huán)節(jié)xb第五十四頁，共七十頁，2022年，8月28日執(zhí)行環(huán)節(jié)：接受放大環(huán)節(jié)送來的控制信號，驅(qū)動被控對象按照預(yù)期的規(guī)律運行；執(zhí)行環(huán)節(jié)一般是一個有源的功率放大裝置，工作中要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換?？刂撇糠纸o定環(huán)節(jié)放大及運算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對象測量環(huán)節(jié)+-xix0比較環(huán)節(jié)xb第五十五頁，共七十頁，2022年，8月28日二、控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)動態(tài)特性：

系統(tǒng)在受到外加信號作用下，輸出量隨著時間變化的全過程輸入輸出txo(t)第五十六頁，共七十頁，2022年，8月28日（1）系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠回復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的首要條件。第五十七頁，共七十頁，2022年，8月28日xo(t)t發(fā)散（不穩(wěn)定）收斂（穩(wěn)定）第五十八頁，共七十頁，2022年，8月28日（2）響應(yīng)的快速性指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差的快速程度。第五十九頁，共七十頁，2022年，8月28日xo(t)tts誤差帶第六十頁，共七十頁，2022年，8月28日（3）響應(yīng)的準(zhǔn)確性指在調(diào)整過程結(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；是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。一般用穩(wěn)態(tài)誤差ess表示。第六十一頁，共七十頁，2022年，8月28日xo(t)teSS第六十二頁，共七十頁，2022年，8月28日注意：1、系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性必須建立在系統(tǒng)是穩(wěn)定的基礎(chǔ)上2、對系統(tǒng)的要求是穩(wěn)、快、準(zhǔn)兼顧3、三項指標(biāo)存在矛盾第六十三頁，共七十頁，2022年，8月28日1.5機械制造的發(fā)展與控制理論的應(yīng)用控制理論在機械制造領(lǐng)域中應(yīng)用的幾個主要方面：在機械制造過程自動化方面在對加工過程的研究方面在產(chǎn)品與設(shè)備的設(shè)計方面在動態(tài)過程或參數(shù)的測試方面第六十四頁，共七十頁，2022年，8月28日1.6控制理論發(fā)展的簡單回顧一千多年前：銅壺滴漏計時器、指南針、各種天文儀器時間刻度浮子銅壺滴漏第六十五頁，共七十頁，2022年，8月28日1788年：J.Watt發(fā)明蒸汽機調(diào)速器1868年：J.C.Maxwell發(fā)表《調(diào)速器》，提出反饋控制的概念及穩(wěn)定性條件