機械控制工程基礎第一章

機械控制工程基礎第一章第1頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才教材：

楊叔子等,機械工程控制基礎,華中科技大學出版社,(第六版),2011參考文獻：1.胡壽松等,自動控制原理,科學出版社,(第五版),2009.2.李友善.自動控制原理,國防工業(yè)出版社,2010.3.陳康寧.機械工程控制基礎.西安交通大學出版社.2005.4.Matlab使用手冊第2頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才第一章緒論為什么要學控制論？1.機電一體化產(chǎn)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(shù)（計算機技術(shù)）相結(jié)合的產(chǎn)品第3頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才2.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(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：監(jiān)測與故障預測、診斷第4頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才3.動態(tài)測試、信號處理（信號與系統(tǒng)）傳感器的選擇、信號預處理器的設計、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)動機性能監(jiān)控第5頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才5.其他工程應用

軍事、航天領(lǐng)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(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、環(huán)境保護、經(jīng)濟管理等6.個人日常生活和工作電冰箱、電飯煲、空調(diào)器、音響、收音機等等

7.方法論“反饋控制的思想”第6頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才控制：施加某種操作于對象，使其產(chǎn)生所期望的行為。圖1.1蒸汽機離心調(diào)速器一、概述第7頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才自動控制：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施控制消除偏差第8頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才控制的三要素控制對象、控制目標、控制手段（裝置、算法等）可控性與能控性控制對象有多種運動狀態(tài)的可能性；能夠通過控制手段使控制對象的狀態(tài)達到控制目標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實施控制實現(xiàn)控制目標第9頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才機械工程控制論研究機械工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)動力學問題。二、機械工程控制論研究對象與任務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)的響應第10頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才控制論：技術(shù)學科、技術(shù)哲學、科學方法論控制論強調(diào)：對象是一個“系統(tǒng)”；系統(tǒng)不斷“運動”(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)是運動的條件“內(nèi)因”(系統(tǒng)的固有特性)是運動的根據(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、機械工程控制論研究對象與任務第11頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才二、機械工程控制論研究對象與任務控制論與其它學科結(jié)合，形成眾多的分支學科經(jīng)濟學生物學社會學機械工程機械工程控制論控制論經(jīng)濟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：通過信息傳遞，處理與反饋進行控制工程技術(shù)第12頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才二、機械工程控制論研究對象與任務系統(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(chǎn)系統(tǒng)、生命系統(tǒng)、思維、學習、工作，社會、經(jīng)濟系統(tǒng)等第13頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才二、機械工程控制論研究對象與任務2.系統(tǒng)的動力學問題研究的是機械工程廣義系統(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。第14頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才二、機械工程控制論研究對象與任務例：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)響應第15頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才系統(tǒng)分析問題：已知系統(tǒng)和輸入，求輸出（或響應），并通過響應來研究系統(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，使實際輸出滿足要求。最優(yōu)設計問題：已知輸入，設計系統(tǒng)，使輸出滿足要求。濾波與預測問題：設計或選擇合適的系統(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)學模型。研究任務第16頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才1.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(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、反饋第17頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才例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(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中位，w回到設定值油門關(guān)小，w減小w反過來對系統(tǒng)產(chǎn)生作用第18頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才例2.加工過程刀具刀架系統(tǒng)r切削運動s-a切削+力y+理想零件加工過程示意圖零件第19頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才例3.

第20頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才

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：第21頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才

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(diào)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：消除偏離第22頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才以發(fā)動機離心調(diào)速系統(tǒng)為例被控對象：發(fā)動機被控量：轉(zhuǎn)速w被控量的目標值設定：預緊彈簧四、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第23頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才反饋控制系統(tǒng)的組成特點：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)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)偏離給定值的量第24頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才對控制系統(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(qū)動的數(shù)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)的分類第25頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才閉環(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)控機床恒溫箱(冰箱、空調(diào))人騎自行車1.按反饋情況第26頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才自動調(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(shù)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)律分第27頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才連續(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