机械工程控制基础1-绪论..ppt

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1、0主讲人：张燕主讲人：张燕 Tel：15839116742机械类专业必修课机械类专业必修课机械工程控制基础机械工程控制基础1教学内容教学内容1 1、课程准备、课程准备2 2、绪、绪 论论4 4、系统的时间响应分析、系统的时间响应分析3 3、系统的数学模型、系统的数学模型5 5、系统的频率特性分析、系统的频率特性分析6 6、系统的稳定性分析、系统的稳定性分析2课程性质和特点课程性质和特点 本课程是机械类专业重要的技术基础课，主要介绍应用现代机、电、液技术构成机电液一体化系统的理论与设计方法。涉及的基础知识有工程数学、理论力学、机械设计、电工与电子技术和液压传动技术等，因此要求同学们在学习本课程时

2、应能够经常回顾上述课程的有关内容，达到温故而知新的目的。机械控制工程基础是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计，机械控制工程基础是本学科的技术基础课。课程简介3课程任务课程任务 讲述经典控制理论的基本概念、理论和分析方法。本课程的主要学习内容包括：绪论，积分变换，系统的数学模型，时间响应分析，频率特性分析，系统的稳定性分析和系统的性能指标与校正等，属于经典控制论的基本知识。学习目的学习目的 本课程的学习目的是：使学生逐步学会运用“系统和动态”的观点，以及采用控制理论的方法解决机械工程中的实际技术问题。4基本要求1.掌握经典控制理论的基本概念、基本理论与基本方法；2.能够应用

3、分析法建立简单动力学系统的数学模型；3.能够应用经典控制论分析线性定常系统的动态特性，基本掌握线性定常系统性能校正的方法；4.对于线性系统的时域和频域分析、稳定性分析和性能指标有比较深入的理解。5机械工程控制课程大纲：机械工程控制课程大纲：系统系统机械系统机械系统电器系统电器系统液压、气动系统液压、气动系统热力系统热力系统牛顿定律牛顿定律理论力学理论力学欧姆定律、克希夫定律欧姆定律、克希夫定律电工学电工学液压与气动液压与气动拉氏变换拉氏变换理论分析理论分析传递函数传递函数微分方程微分方程2 2补充补充时间响应分析时间响应分析3 3（时域分析）（时域分析）频率特性分析频率特性分析4 4（频域分析

4、）（频域分析）系统的稳定性系统的稳定性 5 5系统性能指标与校正系统性能指标与校正6 6分析系统特性分析系统特性系统系统输入输入输出输出稳、快、准稳、快、准实验数据实验数据系统辨识初步系统辨识初步9 9数学模型数学模型6本课程与其它课程的关系：本课程与其它课程的关系：机械控制工程基础机械控制工程基础电路电路大学物大学物理理电机学电机学复变函数复变函数与积分变换与积分变换模拟电子技模拟电子技术术线性代线性代数数高等数学高等数学各各 类类专业专业课课线性系线性系统统现代控现代控制理制理论论7主要参考资料1.1.机械工程控制基础（第五版）机械工程控制基础（第五版）杨叔子等编著杨叔子等编著 华中科华中

5、科技大学出版社技大学出版社 20052005年年7 7月月2.2.自动控制原理自动控制原理 卢京潮主编卢京潮主编 西北工业大学出版社西北工业大学出版社 20092009年年3.3.机械控制工程基础机械控制工程基础 朱骥北朱骥北 机械工业出版社机械工业出版社 20022002年年1 1月月4.4.控制工程基础控制工程基础 张伯鹏主编张伯鹏主编 清华大学出版社清华大学出版社 20002000年年6 6月月 5.5.自动控制理论（第三版）自动控制理论（第三版）李友善主编李友善主编 国防工业出国防工业出版社版社 20122012年年8 8月月 6.6.自动控制理论（第三版）自动控制理论（第三版）皱伯敏

6、主编皱伯敏主编 机械工业出版社机械工业出版社 20072007年年6 6月月8第一章第一章 绪论绪论1.1 发展简史概述发展简史概述1.2 研究对象与任务研究对象与任务1.3 系统及其模型系统及其模型1.4 反馈反馈1.5 反馈控制系统及其组成反馈控制系统及其组成1.6 控制系统的分类控制系统的分类1.7 控制系统的基本要求控制系统的基本要求9教学内容教学内容1.1 发展简史概述发展简史概述10 机械工业是国民经济中重要的基础工业。机械工业的核心是机械制造工业。当前机械制造技术发展的一个明显而主要的动向是越来越广泛而深刻地引入控制理论。从根本上讲，其原因是控制理论以它本身固有的辨证方法顺应了机

7、械制造工程技术发展的趋势。控制理论在工程技术领域中体现为工程控制论，在机械工程领域则体现为机械工程控制论。绪论绪论控制理论及系统控制理论及系统控制理论及系统控制理论及系统11一、自动控制理论发展简史一、自动控制理论发展简史经典控制理论（经典控制理论（19世纪初）世纪初）以传递函数为基础，研究单输入单以传递函数为基础，研究单输入单输出定常控制系统的分析与设计问题。输出定常控制系统的分析与设计问题。时域法、复域法（根轨迹法）、时域法、复域法（根轨迹法）、频域法频域法现代控制理论（现代控制理论（20世纪世纪50年代）年代）研究多输入多输出、时变、研究多输入多输出、时变、非线性、高精度、高效能等控制系

8、统的分析与设计问题。非线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。线性系统线性系统 自适应控制自适应控制 最优控制最优控制 鲁棒控制鲁棒控制 最佳估计最佳估计 容错控制容错控制 系统辨识系统辨识 集散控制集散控制 大系统复杂系统大系统复杂系统智能控制理论（智能控制理论（20世纪世纪70年代）年代）专家系统专家系统 模糊控制模糊控制 神经网络神经网络 遗传算法遗传算法1213我国古代自动控制系统方面的成就我国古代自动控制系统方面的成就 经典控制论肇源于经典控制论肇源于1788年年J.Watt的蒸汽机离心调的蒸汽机离心调速器所带来的离心调速问题。然而，我国在自动控速器所带来的离心调速问题。然而

9、，我国在自动控制方面的发明比西方制方面的发明比西方早几个世纪甚至十几世纪早几个世纪甚至十几世纪。如。如1027年宋代燕肃所造的指南车就是一例。此外，在年宋代燕肃所造的指南车就是一例。此外，在10861089年苏颂和韩公廉制造的水运仪象台，也是年苏颂和韩公廉制造的水运仪象台，也是应用控制论的实例。应用控制论的实例。有关指南车和水运仪象台工作原理可参见书本有关指南车和水运仪象台工作原理可参见书本14我国古代自动控制系统方面的成就一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文仪器中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车 15绪论绪论控制理论及系统控制理论及系统

10、控制理论及系统控制理论及系统控控 制：制：以人为或自动的方式，通过一定的手段操以人为或自动的方式，通过一定的手段操纵受控对象或过程，使之按照预定的规律运行，并纵受控对象或过程，使之按照预定的规律运行，并具有一定的状态与性能。具有一定的状态与性能。161719教学内容教学内容1.2 机械工程控制理论的研究对象机械工程控制理论的研究对象与任务与任务20一、研究对象一、研究对象2122 广广义义系系统统：可可大大可可小小，可可繁繁可可简简，甚甚至至可可实实可可虚虚，完完全由研究的需要而定。全由研究的需要而定。23243 3、系统动力学问题分析典型实例、系统动力学问题分析典型实例 a)a)输入相异的单

11、自由度机械振动系统输入相异的单自由度机械振动系统参数说明：参数说明：m m系统质量；系统质量；c c粘性阻尼系数；粘性阻尼系数；k k弹簧刚度弹簧刚度绪论绪论研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务同一系统，不同的外界作用同一系统，不同的外界作用25b)b)系统动力学方程系统动力学方程A外力外力f(t)作用下的系统动力学方程作用下的系统动力学方程A位移位移x(t)作用下的系统动力学方程作用下的系统动力学方程绪论绪论研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务左边：输出左边：输出右边：输入右边：输入26取算子取算子p=d/dt，则力学方程分别化为：，则力学方程分别化为

12、：系统分析：系统分析：系统分析：系统分析：A算子算子mp2+cp+k由由m,c,k决定，反映与外界无关的系决定，反映与外界无关的系统本身固有特性。统本身固有特性。A算子算子1和和cp+k 反映与外界的关系，同时受系统结构和反映与外界的关系，同时受系统结构和参数的影响，即算子随系统而变化。参数的影响，即算子随系统而变化。绪论绪论研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务27绪论绪论研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务一般线形系统，其动力学方程为：一般线形系统，其动力学方程为：一般线形系统，其动力学方程为：一般线形系统，其动力学方程为：取算子取算子p=d/dt：A

13、算子算子an pn+an-1 pn-1+a1 p+a0反映系统本身的固有反映系统本身的固有特性。特性。A算子算子bm pm+bm-1 pm-1+b1 p+b0反映系统与外界的反映系统与外界的联系。联系。y(t)，(t)，为刻画系统动态历程的状态变量为刻画系统动态历程的状态变量 y(0)，(0)，为系统在受外界作用前的初始状态为系统在受外界作用前的初始状态y(t)为系统的输出为系统的输出x(t)为系统的输入为系统的输入2829工程控制论的研究内容工程控制论的研究内容 A最优控制问题最优控制问题绪论绪论研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务已知系统和系统的理想输出，设计输入，使系

14、统的输已知系统和系统的理想输出，设计输入，使系统的输出满足要求。出满足要求。已知输入和理想输出，设计系统，使输出满足要求。已知输入和理想输出，设计系统，使输出满足要求。A系统分析问题系统分析问题已知系统和输入，求系统的输出，并通过响应来研究已知系统和输入，求系统的输出，并通过响应来研究系统本身的问题。系统本身的问题。A最优设计问题最优设计问题30工程控制论的研究内容工程控制论的研究内容 绪论绪论研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息。输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息。A系统识别或辩识问题系统识别或辩识问题已知系统

15、的输入和输出，求系统的结构与参数，建立已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，建立系统的数学模型。系统的数学模型。工程控制论的研究内容工程控制论的研究内容 A滤波与预测问题滤波与预测问题31例例1 如图所示的电热水器，为了保持希望的温度，由温控开关接通或断如图所示的电热水器，为了保持希望的温度，由温控开关接通或断开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明该系统工作原理并画出系统的方框图。该系统工作原理并画出系统的方框图。解：解：在电热水器系统中，水箱内的水在电热水器系统中，水箱内的水温需要控制，即水箱为温需

16、要控制，即水箱为控制对象控制对象。水。水的实际温度是的实际温度是被控制量被控制量，或系统的，或系统的输输出量出量，设为，设为To，输入量为用户希望的温，输入量为用户希望的温度，设为度，设为Ti；由于放出热水并注入冷水；由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使水箱内水温下或水箱散热等原因而使水箱内水温下降为系统的干扰。降为系统的干扰。当当To=Ti时，测温元件将实际温度转化成电信号，与温控开关预先设时，测温元件将实际温度转化成电信号，与温控开关预先设定的信号进行比较得到的偏差信号为定的信号进行比较得到的偏差信号为0，此时加热器不工作，水箱中，此时加热器不工作，水箱中的水保持希望的温度。当注入冷

17、水使的水保持希望的温度。当注入冷水使To下降时，偏差不为下降时，偏差不为0，电控开，电控开关接通电源使电加热器工作对水加热，直到关接通电源使电加热器工作对水加热，直到To=Ti为止。为止。绪论绪论研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务32系统工作框图如下：系统工作框图如下：系统工作框图如下：系统工作框图如下：若要考察水箱中的水温To能否保持为希望的温度Ti，并通过实际输出的水温To与希望的温度Ti之间的差别，考察各个组成部分的参数是否合理，即为系统分析问题。绪论绪论研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务研究对象与任务33教学内容教学内容1.3 系统及其模型系统及其模型34

18、u 系统，广义系统？系统，广义系统？系统系统：按一定规律联系在一起的元素的集合。按一定规律联系在一起的元素的集合。广广义义系系统统：具具有有系系统统要要素素的的一一切切事事物物和和对对象象；可可大大可可小小，可繁可简，甚至可实可虚，完全由研究的需要而定。可繁可简，甚至可实可虚，完全由研究的需要而定。绪论绪论系统及其模型系统及其模型系统及其模型系统及其模型35例如：例如：u研研究究某某一一产产业业集集团团（甚甚至至包包括括现现在在所所谓谓的的“虚虚拟拟企企业业”或或“企企业业动动态态联联盟盟”）或或某某一一机机器器制制造造厂厂应应如如何何调调整整产产品品生生产产以以适适应应市市场场变变化化的的需

19、需要要时时，此此集集团团或或此此厂厂就就是是一一个个广广义系统，市场情况是输入，产品生产情况是输出。义系统，市场情况是输入，产品生产情况是输出。u研研究究某某台台机机床床在在切切削削过过程程中中的的动动力力学学问问题题时时，切切削削本本身身可作为一广义系统；可作为一广义系统；u研研究究机机床床所所加加工工的的工工件件的的某某些些质质量量指指标标时时，这这一一工工件件本本身可以作为一广义系统；身可以作为一广义系统；u研研究究机机床床操操作作者者在在加加工工过过程程中中的的作作用用时时，操操作作者者本本身身或或操作者的思维等可作为一广义系统。操作者的思维等可作为一广义系统。绪论绪论系统及其模型系统

20、及其模型系统及其模型系统及其模型36绪论绪论系统及其模型系统及其模型系统及其模型系统及其模型二、机械系统二、机械系统二、机械系统二、机械系统机械系统：机械系统：以实现一定的机械运动，承受一定的机以实现一定的机械运动，承受一定的机械载荷为目的，由机械元件组成的系统。械载荷为目的，由机械元件组成的系统。概念说明概念说明概念说明概念说明激励：激励：外界对系统的作用。外界对系统的作用。（输入）（输入）响应：响应：系统的变形或位移。系统的变形或位移。（输出）（输出）系统控制：系统控制：激励由人为有意识的添加。激励由人为有意识的添加。扰扰 动：动：由系统偶然因素产生而一般无法完全认为控制的由系统偶然因素产

21、生而一般无法完全认为控制的 激励。激励。37三、系统模型三、系统模型三、系统模型三、系统模型绪论绪论系统及其模型系统及其模型系统及其模型系统及其模型系统的模型包括系统的模型包括实物模型、物理模型和数学模型实物模型、物理模型和数学模型等等。等等。数学模型：数学模型：一种用数学方法所描述的抽象的理论模型，一种用数学方法所描述的抽象的理论模型，用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与其他外部用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与其他外部环境之间的关系。环境之间的关系。数学模型又包括数学模型又包括静态模型静态模型和和动态模型动态模型 模型模型是研究系统、认识系统、描述系统以及是研究系统、认识系统、描

22、述系统以及分析系统的分析系统的工具工具。38绪论绪论系统及其模型系统及其模型系统及其模型系统及其模型动态模型：动态模型：用于研究系统在迅变载荷作用下或在系统不平用于研究系统在迅变载荷作用下或在系统不平衡状态下的特性，表现为微分方程或差分方程。衡状态下的特性，表现为微分方程或差分方程。静态模型静态模型现时输出决定于现时输入；现时输出决定于现时输入；动态模型动态模型现时输出决定于以前输入的历史。现时输出决定于以前输入的历史。静态模型：静态模型：反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统平衡状态下的特性，统平衡状态下的特性，表现为代数方程表现为代数方程。如弹簧

23、模型。如弹簧模型。动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。39绪论绪论控制系统及模型控制系统及模型控制系统及模型控制系统及模型静态模型和动态模型分析示例静态模型和动态模型分析示例静态模型和动态模型分析示例静态模型和动态模型分析示例机器隔振系统机器隔振系统机器隔振系统机器隔振系统40绪论绪论控制系统及模型控制系统及模型控制系统及模型控制系统及模型 若以机器若以机器m为隔离体，以为隔离体，以F(t)为激励为激励(不考虑不考虑y(t)，以，以位移位移x(t)为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学方程为：方程为：

24、若仍以机器若仍以机器m为隔离体，以为隔离体，以 y(t)为激励为激励(不考虑不考虑F(t)，以位移以位移x(t)为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学方程为：力学方程为：(a)(b)方程方程(a),(b)即为该系统的动态模型。即为该系统的动态模型。41绪论绪论控制系统及模型控制系统及模型控制系统及模型控制系统及模型若系统运动很慢，即有：若系统运动很慢，即有：则上式（则上式（a），（），（b）可化为：）可化为：此即系统的此即系统的静态模型静态模型，实际上，实际上x(tx(t)与与y(ty(t)之之间是一种代数关系，即间是一种代数关系，即代数方程式代数方程

25、式。42教学内容教学内容1.4 反馈反馈43教学内容教学内容反馈：反馈：系统的输出不断地、直接或间接地、部分或全部地返回，并作用于系统。444546数控机床的工作台的驱动系统反馈控制装置4748根据反馈的作用，可分为：根据反馈的作用，可分为：49绪论绪论系统反馈系统反馈系统反馈系统反馈思考题：思考题：骑自行车过程中信息流动与反馈？骑自行车过程中信息流动与反馈？A反馈结构图反馈结构图 人骑自行车时，总是希望具有一定的理想状态（比如速度、方向、人骑自行车时，总是希望具有一定的理想状态（比如速度、方向、安全等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预定的安全等），人脑根据这个理想状态指挥四肢

26、动作，使自行车按预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，使自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉自行车的状态，并将此信使自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉自行车的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈过程可用下图表示。如此循环往复。其信息流动与反馈过程可用下图表示。A工作原理工作原理501.5 反馈系统的组成与方框图反馈系统的组成与方框图5153控制任务：控制任务：通过调整滑动调压

27、器通过调整滑动调压器的滑动端的位置来控制煤气流量，的滑动端的位置来控制煤气流量，从而保持加热炉炉温恒定。从而保持加热炉炉温恒定。被控对象：被控对象：加热炉加热炉被控量（输出量）：被控量（输出量）：加热炉炉温加热炉炉温给定量（输入量）：给定量（输入量）：Ur测量环节：测量环节：热电偶热电偶控制装置：控制装置：放大器、电动机、减放大器、电动机、减速器速器扰动：扰动：干扰并破坏系统，使系统干扰并破坏系统，使系统不能按预期性能输出信号。不能按预期性能输出信号。54加加热热炉炉T阀阀门门Q减减速速器器2电电动动机机m放放大大器器U给给定定电电位位计计Ur放大器放大器Ur热电偶热电偶炉温反馈控制系统炉温反

28、馈控制系统的方框图的方框图55反馈控制系统框图反馈控制系统框图反馈控制系统框图反馈控制系统框图绪论绪论控制系统及模型控制系统及模型控制系统及模型控制系统及模型被控部分被控部分给定环节：给定环节：即给出输入信号的环节，用于确定被控对象的目标值。即给出输入信号的环节，用于确定被控对象的目标值。测量环节：测量环节：用于测量被控量用于测量被控量。比较环节：比较环节：将输入信号与反馈信号相比较获得偏差信号。将输入信号与反馈信号相比较获得偏差信号。放大及运算环节：放大及运算环节：将偏差信号处理放大，以便推动执行环节。将偏差信号处理放大，以便推动执行环节。执行环节：执行环节：接收放大环节的信号，驱动被控对象

29、按照预期的规律运行。接收放大环节的信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。比较环节56反馈控制系统框图反馈控制系统框图反馈控制系统框图反馈控制系统框图反馈系统反馈系统主要由控制部分与被控部分组成。主要由控制部分与被控部分组成。控制部分的功能控制部分的功能是接受指令信号和被控部分的反馈信是接受指令信号和被控部分的反馈信号，并对被控部分发出控制信号。号，并对被控部分发出控制信号。被控部分的功能被控部分的功能则是接受控制信号、发出反馈信号，则是接受控制信号、发出反馈信号，并在控制信号的作用下实现被控运动。并在控制信号的作用下实现被控运动。绪论绪论控制系统及模型控制系统及模型控制系统及模型控制系统及模型

30、被控部分被控部分比较环节57一个反馈控制系统的工作过程大体上分为以下几个步骤：一个反馈控制系统的工作过程大体上分为以下几个步骤：测量被控制量的实际值；将实际值与给定值进行比较，求出偏差的大小与方向；根据偏差的大小与方向进行控制以纠正偏差。简单的讲，反馈控制系统的工作过程就是一个简单的讲，反馈控制系统的工作过程就是一个“检测偏差检测偏差并用以纠正偏差并用以纠正偏差”的过程。的过程。利用利用偏差偏差概念，概念，正反馈和负反馈正反馈和负反馈又可表述为：又可表述为：正反馈：正反馈：凡是能使系统的偏差的绝对值增大的反馈；凡是能使系统的偏差的绝对值增大的反馈；负反馈：负反馈：凡是能使系统的偏差的绝对值减小

31、的反馈。凡是能使系统的偏差的绝对值减小的反馈。绪论绪论控制系统及模型控制系统及模型控制系统及模型控制系统及模型反馈自动控制系统的特点：反馈自动控制系统的特点：利用利用输入信息与反馈至输入处的信息之间的偏差对系统的输出进行控制偏差对系统的输出进行控制，使被控对象按一定的规律运动。58绪论绪论系统的分类系统的分类1.6 控制系统的分类控制系统的分类591.1.按反馈情况按反馈情况按反馈情况按反馈情况A开环系统：开环系统：系统的输出对系统没有控制作用，系统没有系统的输出对系统没有控制作用，系统没有反馈回路。反馈回路。如：步进驱动的数控机床、普通洗衣机、家用电如：步进驱动的数控机床、普通洗衣机、家用电烤箱、微波炉等。烤箱、微波炉等。60A闭环系统：闭环系统：系统的输出对系统有控制作用，系统有反馈系统的输出对系统有控制作用，系统有反馈回路。回路。如：前面提到的离心调速系统、伺服驱动的数控机床、如：前面提到的离心调速系统、伺服驱动的数控机床、恒温箱、冰箱、空调等。恒温箱、冰箱、空调等。612.2.按输出变化规律按输出变化规律按输出变化规律按输出变化规律6263绪论绪论系统的分类系统的分类1.7 控制系统的基本要求控制系统的基本要求64系统评价指标多样，但基本和最重要是以上系统评价指标多样，但基本和最重要是以上三种；控制系统设计根据需要各有侧重。三种；控制系统设计根据需要各有侧重。