機械工程控制基礎第五版-第一章緒論

中南林業(yè)科技大學-機電工程學院講授人：龔中良教材：《機械工程控制基礎》（第五版）華中科技大學出版社2005.072024/9/18課程背景簡介由于現代科學技術的迅猛發(fā)展，特別是由于微電子技術、電子計算機技術的迅猛發(fā)展，作為“三論”(控制論、系統(tǒng)論、信息論)之一的控制論本身也得到了進一步的發(fā)展?？刂普摰挠^點和思維方法向各個學科和專業(yè)滲透，也給機械工程這個古老的專業(yè)注入了新的活力。機械工程控制論不僅能滿足今天自動化技術高度發(fā)展的需要，同時它與信息科學和系統(tǒng)科學緊密相關，更重要的是它提供了辯證的系統(tǒng)分析方法，即不斷從局部而且從整體上認識和分析機械系統(tǒng)，改進和完善系統(tǒng)，以滿足科技發(fā)展和工業(yè)生產的實際需要。2024/9/18課程簡介本課程是針對機械專業(yè)本科生開設的技術基礎課。該課程側重原理，其內容密切結合工程實際，是一門技術基礎課。它以控制論為理論基礎，以機械工程系統(tǒng)為研究對象的廣義系統(tǒng)動力學；同時，它又是一種方法論。2024/9/18學習本課程的目的在于使學生能以動力學的觀點而不是靜態(tài)觀點去看待一個機械工程系統(tǒng)；從整體的而不是分離的角度，從整個系統(tǒng)中的信息之傳遞、轉換和反饋等角度來分析系統(tǒng)的動態(tài)行為；能結合工程實際，應用經典控制論中的基本概念和基本方法來分析、研究和解決其中的問題。這包括兩個方面：①對機電系統(tǒng)中存在的問題能夠以控制論的觀點和思維方法進行科學分析，以找出問題的本質和有效的解決方法；②如何控制一個機電系統(tǒng)，使之按預定的規(guī)律運動，以達到預定的技術經濟指標，為實現最佳控制打下基礎。2024/9/18主要內容介紹(一)緒論控制系統(tǒng)的基本工作原理，控制系統(tǒng)的幾種分類，控制理論的發(fā)展史，對控制系統(tǒng)的基本要求。(二)控制系統(tǒng)的數學模型及傳遞函數LAPLACE變換，系統(tǒng)的數學模型，傳遞函數，典型環(huán)節(jié)的傳遞函數，系統(tǒng)的方框圖及其聯接，系統(tǒng)的信號流程圖。(三)線性系統(tǒng)的時域分析典型輸入信號，控制系統(tǒng)的時域性能指標，一階系統(tǒng)的時間響應，二階系統(tǒng)的時間響應，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。2024/9/18主要內容介紹（續(xù)）(四)頻率特性分析法頻率特性的基本概念，典型環(huán)節(jié)的頻率特性，系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性的繪制，系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性。(五)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性的基本概念，代數穩(wěn)定性判據，頻域穩(wěn)定性判據，系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。(六)系統(tǒng)的校正方法系統(tǒng)校正的一般概念，串聯校正，反饋校正。2024/9/18學時分配序號內

容課內學時

1緒論4

2系統(tǒng)的數學模型及傳遞函數8

3線性系統(tǒng)的時域分析法6

4頻率響應分析法65控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析4

6系統(tǒng)性能指標與校正(選上)4

共計理論課時:32課時,學分2.0分課程成績:閉卷考試+作業(yè)+出勤2024/9/18推薦參考書陳康寧等，《機械工程控制基礎》，西安交通大學出版社，1997。王積偉等，《控制工程基礎》，南京大學出版社，1993.。董新景等，《控制工程基礎》，清華大學出版社，1992。胡壽松等，《自動控制原理》，科學出版社，2003。2024/9/18先修課程本課程的先修課程為“高等數學”、“線性代數”、“復變函數”、““理論力學”、“機械原理”、“電工電子學”。尤其是“高等數學”、“線性代數”。本課程所分析的系統(tǒng)，涉及機械、電氣，所以在建立數學模型時，需運用到理論力學、電工、機械原理等多門課程的知識。2024/9/18第一章緒論1.1機械工程控制論的研究對象與任務1.2系統(tǒng)及其模型1.3反饋1.4控制系統(tǒng)的分類1.5對控制系統(tǒng)的基本要求本章難點廣義系統(tǒng)的信息反饋控制系統(tǒng)方框圖的繪制基本內容2024/9/181.1機械工程控制論的研究任務一、控制、自動控制及控制論二、系統(tǒng)及廣義系統(tǒng)三、機械工程控制論的研究對象四、機械工程控制論的研究任務2024/9/18一、控制、自動控制控制：對對象施加某種操作，使其產生所期望的行為自動控制：該操作由控制裝置自動完成，無須人的參與控制示例2024/9/182024/9/182024/9/182024/9/182024/9/182024/9/18熱力系統(tǒng)：2024/9/18直流電機速度控制系統(tǒng)2024/9/18控制論控制論：關于控制原理和控制方法的學科，研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律。控制三要素：被控對象、控制目標、控制裝置可控和能控：（1）被控對象必須存在多種發(fā)展的可能性；（2）可在多種可能性中通過一定的手段進行選擇控制論方法：1.了解事物面臨的可能性空間是什么；2.在可能性空間中選擇某一些狀態(tài)為目標；3.控制條件，使事物向既定的目標轉換。2024/9/18控制論（續(xù)）控制論既是一門技術學科，也是一種方法論?？刂普搶嵸|是研究廣義系統(tǒng)動力學，其核心是系統(tǒng)內部以及系統(tǒng)與外部環(huán)境的信息交互、傳遞和反饋。2024/9/18二、系統(tǒng)系統(tǒng)是由相互聯系、相互作用的若干部分構成且具有一定運動規(guī)律的一個有機整體。2024/9/18廣義系統(tǒng)2024/9/18三、機械工程控制論的研究對象機械工程控制論實質上是研究機械工程技術中廣義系統(tǒng)的動力學問題。具體地說，它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)，所經歷的由其內部的固有特性(即由系統(tǒng)的結構與參數所決定的特性)所決定的整個動態(tài)歷程；研究這一系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關系。2024/9/18例1：同一質量－阻尼－彈簧在不同的輸入時的情況。圖中，m、c、k分別代表質量、粘性阻尼系數和彈簧剛度。2024/9/182024/9/18解結構物理意義分析:2024/9/18由此可推廣到n階線性微分方程2024/9/18四、機械工程控制論的研究任務從系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的關系出發(fā)，根據已知條件與求解問題的不同可以分為以下五方面：(1)系統(tǒng)分析問題:系統(tǒng)已定,輸入已知,求輸出;(2)最優(yōu)控制問題:系統(tǒng)已定,確定輸入,且所確定的輸入應使得輸出盡可能符合給定的最佳要求;(3)最優(yōu)設計問題:輸入已知,確定系統(tǒng),且所確定的系統(tǒng)應使輸出盡可能符合給定的最佳要求;(4)濾波與預測問題:輸出已知,確定系統(tǒng)以識別輸入中的有關信息;(5)系統(tǒng)辨識問題:輸入/輸出已知,確定系統(tǒng)數學模型。2024/9/181.2系統(tǒng)及其模型一、系統(tǒng)特性二、機械系統(tǒng)三、系統(tǒng)模型2024/9/18一、系統(tǒng)特性系統(tǒng)具有如下特性

(1)系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關，而且還與系統(tǒng)的結構有關，見例2；

(2)系統(tǒng)的內容比組成系統(tǒng)各元素的內容要豐富得多，見例3；

(3)系統(tǒng)往往表現出在時域、頻域等域內的動態(tài)特性。第三章第四章2024/9/18例2：對R－C－L電網絡，當元件的位置發(fā)生改變時：CRLUiUoUoiCRLUii2024/9/18例3：孤立的考察這兩個對象：考察k－m系統(tǒng)，分析各元素其動力學方程及系統(tǒng)動力學方程.mY(t)F(t)k2024/9/18二、機械系統(tǒng)以實現一定的機械運動、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)。例如：機床、動力設備、工程機械。。。對于機械系統(tǒng)，其輸入和輸出分別稱為“激勵”和“響應”。2024/9/18三、系統(tǒng)模型模型靜態(tài)模型實物模型物理模型數學模型動態(tài)模型2024/9/18例：2024/9/18靜態(tài)模型動態(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。研究系統(tǒng)在迅變載荷或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性。現時輸出僅由現時輸入決定現時輸出由其以前的歷史決定以代數公式描述微分方程或差分方程描述簡單復雜2024/9/181.3反饋一、系統(tǒng)方框圖及其組成二、信息及信息反饋的概念信息：一切能表達一定意義的信號、符號和密碼等統(tǒng)稱為信息。反饋(信息反饋)：將系統(tǒng)的輸出部分或全部地返回到系統(tǒng)的輸入端并共同作用于系統(tǒng)的過程，稱為反饋或信息反饋。三、內反饋和外反饋2024/9/18一、系統(tǒng)方框圖及其組成系統(tǒng)方框圖引出點比較點元件方框XXXX2X1X1+X2＋元件名X2X1Note：系統(tǒng)方框圖是根據元件功能進行劃分的，與第二章傳遞函數方框圖不同。2024/9/18二、信息及信息反饋的概念信息：一切能表達一定意義的信號、符號和密碼等統(tǒng)稱為信息。如：力，位移，電壓，電流。。。反饋(信息反饋)：將系統(tǒng)的輸出部分或全部地返回到系統(tǒng)的輸入端并共同作用于系統(tǒng)的過程，稱為反饋或信息反饋。2024/9/18反饋是系統(tǒng)存在動態(tài)歷程，系統(tǒng)及其輸入輸出間有動態(tài)關系的根本原因。2024/9/182024/9/18例：發(fā)動機調速系統(tǒng)2024/9/18三、內反饋和外反饋2024/9/182024/9/182024/9/181.4控制系統(tǒng)的分類一、控制系統(tǒng)的基本概念二、系統(tǒng)的分類方法三、對控制系統(tǒng)的基本要求四、自動控制系統(tǒng)方框圖的繪制2024/9/18一、控制系統(tǒng)的基本概念給定元件測量元件被控對象執(zhí)行元件運算放大元件比較環(huán)節(jié)輸入量反饋量輸出量反饋量控制部分干擾量圖1.4.1反饋控制系統(tǒng)的一般構成特點：利用偏差控制系統(tǒng)的輸出2024/9/18基本物理量：被控對象：在控制理論和控制技術中，運動規(guī)律或狀態(tài)需要控制的裝置稱為被控對象(控制對象)。被控對象可大可小，甚至可“實”可“虛”。被控制量：表征被控對象運動規(guī)律或狀態(tài)的物理量。實質上是系統(tǒng)的輸出(輸出量)希望值：希望的被控對象運動規(guī)律或狀態(tài)的物理量(或稱輸入量、系統(tǒng)輸入)。2024/9/18給定元件：控制系統(tǒng)中主要用于產生給定信號(輸入信號、希望值)的元件。反饋元件(測量元件)：控制系統(tǒng)中用于測量被控量(輸出量)，產生反饋信號的元件。信號與輸出量之間往往存在確定的函數關系。比較元件：控制系統(tǒng)中用以比較輸出信號與反饋信號，并求取偏差信號的元件。為物理元件，可能通過物理定律或其他定律實現。放大元件：控制系統(tǒng)中對輸入信號或偏差信號進行幅值放大或功率放大的元件。執(zhí)行元件：控制系統(tǒng)中直接對被控對象進行操作的元件。2024/9/18偏差：系統(tǒng)的輸入量與反饋量之差或之和(即比較環(huán)節(jié)的輸出值)。控制量：被控對象的輸入量。由于往往是偏差量的某種函數，因此，也可將偏差量看成控制量。擾動量(干擾)：指除給定量以外，所有使得被控制量偏離給定值的因素。擾動量包括因統(tǒng)外部因素發(fā)生變化而引起的外擾動量和因系統(tǒng)內部因素所引起的內擾動量?？刂破鳎涸诳刂葡到y(tǒng)中，除被控對象以外的所有裝置，統(tǒng)稱為控制器。2024/9/18人工控制：在人的直接參與下，使被控對象的被控制量按預定的規(guī)律運動或變化的控制方式。自動控制：在無人直接參與的情況下，利用一組裝置使被控對象的被控制量按預定的規(guī)律運動或變化的控制方式。自動控制系統(tǒng)：被控對象和參與實現其被控制量自動控制的裝置或元、部件的組合。2024/9/182024/9/18二、系統(tǒng)的分類方法1、對廣義系統(tǒng)，按反饋情況分類①開環(huán)系統(tǒng)②閉環(huán)系統(tǒng)2024/9/182、對自動控制系統(tǒng)，按輸出規(guī)律進行分類：①自動調節(jié)系統(tǒng)如恒溫調節(jié)系統(tǒng)（閉環(huán)系統(tǒng)）②隨動系統(tǒng)如炮描雷達系統(tǒng)（閉環(huán)系統(tǒng)）③程序控制系統(tǒng)如：數控機床閉環(huán)系統(tǒng)全自動洗衣機開環(huán)系統(tǒng)2024/9/183、是否滿足疊加性線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)4、根據系統(tǒng)中