機械工程控制基礎(chǔ)第五版-第一章緒論

中南林業(yè)科技大學(xué)-機電工程學(xué)院講授人：龔中良教材：《機械工程控制基礎(chǔ)》（第五版）華中科技大學(xué)出版社2005.072024/9/18課程背景簡介由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是由于微電子技術(shù)、電子計算機技術(shù)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(xué)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(shù)高度發(fā)展的需要，同時它與信息科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)緊密相關(guān)，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(chǎn)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(shè)的技術(shù)基礎(chǔ)課。該課程側(cè)重原理，其內(nèi)容密切結(jié)合工程實際，是一門技術(shù)基礎(chǔ)課。它以控制論為理論基礎(chǔ)，以機械工程系統(tǒng)為研究對象的廣義系統(tǒng)動力學(xué)；同時，它又是一種方法論。2024/9/18學(xué)習(xí)本課程的目的在于使學(xué)生能以動力學(xué)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(zhuǎn)換和反饋等角度來分析系統(tǒng)的動態(tài)行為；能結(jié)合工程實際，應(yīng)用經(jīng)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(xué)分析，以找出問題的本質(zhì)和有效的解決方法；②如何控制一個機電系統(tǒng)，使之按預(yù)定的規(guī)律運動，以達到預(yù)定的技術(shù)經(jīng)濟指標，為實現(xiàn)最佳控制打下基礎(chǔ)。2024/9/18主要內(nèi)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(shù)學(xué)模型及傳遞函數(shù)LAPLACE變換，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，傳遞函數(shù)，典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，系統(tǒng)的方框圖及其聯(lián)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(yīng)，二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。2024/9/18主要內(nèi)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(shù)穩(wěn)定性判據(jù)，頻域穩(wěn)定性判據(jù)，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(lián)校正，反饋校正。2024/9/18學(xué)時分配序號內(nèi)

容課內(nèi)學(xué)時

1緒論4

2系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及傳遞函數(shù)8

3線性系統(tǒng)的時域分析法6

4頻率響應(yīng)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(xué)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(chǔ)》，西安交通大學(xué)出版社，1997。王積偉等，《控制工程基礎(chǔ)》，南京大學(xué)出版社，1993.。董新景等，《控制工程基礎(chǔ)》，清華大學(xué)出版社，1992。胡壽松等，《自動控制原理》，科學(xué)出版社，2003。2024/9/18先修課程本課程的先修課程為“高等數(shù)學(xué)”、“線性代數(shù)”、“復(fù)變函數(shù)”、““理論力學(xué)”、“機械原理”、“電工電子學(xué)”。尤其是“高等數(shù)學(xué)”、“線性代數(shù)”。本課程所分析的系統(tǒng)，涉及機械、電氣，所以在建立數(shù)學(xué)模型時，需運用到理論力學(xué)、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(wù)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(nèi)容2024/9/181.1機械工程控制論的研究任務(wù)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(wù)2024/9/18一、控制、自動控制控制：對對象施加某種操作，使其產(chǎn)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(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。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(zhuǎn)換。2024/9/18控制論（續(xù)）控制論既是一門技術(shù)學(xué)科，也是一種方法論?？刂普搶嵸|(zhì)是研究廣義系統(tǒng)動力學(xué)，其核心是系統(tǒng)內(nèi)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(lián)系、相互作用的若干部分構(gòu)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(zhì)上是研究機械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)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(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；研究這一系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系。2024/9/18例1：同一質(zhì)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(zhì)量、粘性阻尼系數(shù)和彈簧剛度。2024/9/182024/9/18解結(jié)構(gòu)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(wù)從系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的關(guān)系出發(fā)，根據(jù)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(yīng)使得輸出盡可能符合給定的最佳要求;(3)最優(yōu)設(shè)計問題:輸入已知,確定系統(tǒng),且所確定的系統(tǒng)應(yīng)使輸出盡可能符合給定的最佳要求;(4)濾波與預(yù)測問題:輸出已知,確定系統(tǒng)以識別輸入中的有關(guān)信息;(5)系統(tǒng)辨識問題:輸入/輸出已知,確定系統(tǒng)數(shù)學(xué)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(guān)，而且還與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，見例2；

(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，見例3；

(3)系統(tǒng)往往表現(xiàn)出在時域、頻域等域內(nèi)的動態(tài)特性。第三章第四章2024/9/18例2：對R－C－L電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)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(xué)方程及系統(tǒng)動力學(xué)方程.mY(t)F(t)k2024/9/18二、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)。例如：機床、動力設(shè)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(yīng)”。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(shù)學(xué)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(xiàn)時輸出僅由現(xiàn)時輸入決定現(xiàn)時輸出由其以前的歷史決定以代數(shù)公式描述微分方程或差分方程描述簡單復(fù)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(nèi)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(jù)元件功能進行劃分的，與第二章傳遞函數(shù)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(guān)系的根本原因。2024/9/182024/9/18例：發(fā)動機調(diào)速系統(tǒng)2024/9/18三、內(nèi)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(gòu)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(shù)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)關(guān)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(xiàn)。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)?？刂屏浚罕豢貙ο蟮妮斎肓俊Ｓ捎谕瞧盍康哪撤N函數(shù)，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(nèi)部因素所引起的內(nèi)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(yù)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(yù)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(xiàn)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(diào)節(jié)系統(tǒng)如恒溫調(diào)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(shù)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(jù)系統(tǒng)中