機(jī)械工程控制基礎(chǔ)第1章緒論.pptx

1、機(jī)械工程控制基礎(chǔ)4031教材：機(jī)械工程控制基礎(chǔ)清華大學(xué)出版社 祝守新 邢英杰 韓連英 主編 參考教材：1控制工程基礎(chǔ)機(jī)械工業(yè)出版社 燕山大學(xué) 王益群 孔祥東 主編2控制工程基礎(chǔ)浙江大學(xué)出版社 張尚才 主編2第一章 緒論3掌握住對(duì)象不使任意活動(dòng)或超出范圍；或使其按控制者的意愿活動(dòng)。（現(xiàn)代漢語詞典）控制，是指對(duì)事物起因、發(fā)展及結(jié)果的全過程的一種把握，是能預(yù)測(cè)和了解并決定事物的結(jié)果?？刂疲?是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制器（機(jī)械裝置、電氣裝置或電子計(jì)算機(jī)）使生產(chǎn)過程或被控制對(duì)象（機(jī)器、設(shè)備）的某一物理量（溫度、壓力、液面、流量、速度、位移等）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制？例如： 電冰箱

2、自動(dòng)地控制冰箱中的溫度恒定； 無塔供水系統(tǒng)保證樓宇自動(dòng)恒壓供水； 加工中心根據(jù)加工工藝的要求，能夠自動(dòng)地按照一定的加工程序加工出所需要的工件。5自動(dòng)控制理論的組成 自動(dòng)控制理論主要由經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制論和智能控制論組成的。1. 經(jīng)典控制理論是在復(fù)數(shù)域中以傳遞函數(shù)概念為基礎(chǔ)的理論體系。主要研究單輸入、單輸出、線性定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。6自動(dòng)控制理論的組成 續(xù)12. 現(xiàn)代控制理論在時(shí)間域中以狀態(tài)變量方程概念為基礎(chǔ)的理論體系。主要研究具有高性能、高精度的多輸入多輸出系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。系統(tǒng)可以是線性的或非線性的、定常的或時(shí)變的、連續(xù)的或離散的、確定型的或隨機(jī)型的。7自動(dòng)控制理論的組成續(xù) 23. 智

3、能控制理論是一類無需人的干預(yù)就能夠獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制的理論體系。主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。主要研究具有不確定性的模型、高度的非線性及復(fù)雜的任務(wù)要求的系統(tǒng)。 經(jīng)典控制理論是自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)，又稱為控制理論基礎(chǔ)。8學(xué)習(xí)控制理論基礎(chǔ)要解決兩個(gè)問題如何分析某個(gè)給定控制系統(tǒng)的工作原理、穩(wěn)定性和過渡過程品質(zhì)；如何根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。前者主要是分析系統(tǒng)，后者是綜合與設(shè)計(jì)。9第一節(jié) 機(jī)械工程控制理論研究的對(duì)象與任務(wù) 研究對(duì)象-研究機(jī)械工程中系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。系統(tǒng)？是指同類事物按一定的關(guān)系組成的整體。就其物理形態(tài)來說可為機(jī)械、電氣、液壓及光學(xué)等工程的系統(tǒng)

4、，也有可能為社會(huì)上的、生物學(xué)上的系統(tǒng)。但無論如何，它們的動(dòng)態(tài)行為都可以用微分方程描述。這種系統(tǒng)在外界條件作用下所表現(xiàn)出來的動(dòng)態(tài)歷程，說明了系統(tǒng)輸入、模型與輸出的內(nèi)在關(guān)系。10圖1-1 質(zhì)量-阻尼-彈簧系統(tǒng)m、k及f分別代表系統(tǒng)的質(zhì)量、彈簧剛度系數(shù)及粘性阻尼系數(shù)。如果輸入x(t)代表系統(tǒng)的外力，而輸出y(t)代表系統(tǒng)的位移響應(yīng)，那么系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可由微分方程描述。其關(guān)系為舉例111.已知系統(tǒng)的參數(shù)m、k、f及輸入x(t)，確定輸出y(t)； 2.已知輸入x(t)及輸出y(t)，確定系統(tǒng)的參數(shù)m、k及f； 3.已知系統(tǒng)的參數(shù)m、k及f，給定輸出y(t)時(shí)，確定輸入x(t)。所謂系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，主要

5、分如下三類 12第二節(jié) 系統(tǒng)的基本概念 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(yùn)動(dòng)規(guī)律的一個(gè)有機(jī)整體。 系統(tǒng)與外界之間的關(guān)系如下圖所示，其中， 輸入：外界對(duì)系統(tǒng)的作用； 輸出：系統(tǒng)對(duì)外界的作用。13一、自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理在各種生產(chǎn)過程和生產(chǎn)設(shè)備中，常常需要使其中某些物理量（如溫度、壓力、位置、速度等）保持恒定，或者讓它們按照一定的規(guī)律變化，要滿足這種需要，就應(yīng)該對(duì)生產(chǎn)機(jī)械或設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的控制和調(diào)整，以抵消外界的擾動(dòng)和影響。14恒溫系統(tǒng):實(shí)現(xiàn)恒溫控制有兩種方法：人工控制和自動(dòng)控制 1.人工控制圖1-2所示為人工控制的恒溫箱。恒溫箱的溫度是靠通過改變調(diào)壓器的電壓來達(dá)到控制溫度的目的。

6、箱內(nèi)溫度是由溫 度計(jì)測(cè)量的。圖1-2 人工控制的恒溫箱15觀測(cè)由測(cè)量元件（溫度計(jì)）測(cè)出的恒溫箱（被控制元件）的溫度； 與要求的溫度值（給定值）進(jìn)行比較，得出偏差的大小和方向；根據(jù)偏差大小和方向再進(jìn)行比較控制：當(dāng)溫度高于所要求的給定溫度值時(shí)，就調(diào)節(jié)調(diào)壓器動(dòng)觸頭使電壓減小，溫度降低；若溫度低于給定的值，則調(diào)節(jié)調(diào)壓器動(dòng)觸頭，使電壓增加，溫度升高；如溫度還達(dá)不到要求時(shí)，要反復(fù)進(jìn)行上面的步驟操作。 因此，人工控制的過程就是測(cè)量、求偏差、再控制以糾正偏差的過程。也就是“檢測(cè)偏差用以糾正偏差”的過程。人工控制恒溫的過程可歸結(jié)如下：162. 自動(dòng)控制 圖1-3 恒溫箱的自動(dòng)控制系統(tǒng) 對(duì)于這樣簡(jiǎn)單的控制形式，如

7、果能找到一個(gè)控制器來代替人的職能，這樣人工控制系統(tǒng)就變成自動(dòng)控制系統(tǒng)了。u2u1熱電偶給定信號(hào)加熱電阻絲電壓放大器功率放大器減速器調(diào)壓器u220V比較+執(zhí)行電動(dòng)機(jī)17 u1 給定信號(hào)電壓，控制恒溫箱的溫度。 u2 測(cè)得的電壓信號(hào)，由作為測(cè)量元件的熱電偶， 把溫度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。 u 偏差信號(hào)，測(cè)得的電壓信號(hào)u2反饋回去與給定信號(hào)u1 相比較，所得結(jié)果即為溫度的偏差信號(hào)u = u-u。經(jīng)過電壓、功率放大后，用以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，并通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向著減小電壓的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電壓，直到溫度達(dá)到給定值為止，即只有在偏差信號(hào)u 時(shí)，電動(dòng)機(jī)才停轉(zhuǎn)。這樣就

8、完成了所要求的控制任務(wù)。而所有這些裝置便組成了一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。 18圖1-4 所示為恒溫箱溫度計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)職能方塊圖。代表比較元件，箭頭代表作用方向。從圖中可以看到反饋控制的基本原理，也可以看到，各職能環(huán)節(jié)的作用是單向的，每個(gè)環(huán)節(jié)的輸出是受輸入控制的。圖1-4 恒溫箱溫度計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)職能方塊圖實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的裝置可各不相同，但反饋控制原理卻是相同的，可以說，反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制最基本的方法。 19瓦特式速度調(diào)節(jié)器工作原理20允許進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃料數(shù)量，根據(jù)希望的發(fā)動(dòng)機(jī)速度與實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)速度之差進(jìn)行調(diào)整。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的速度增大，以至于超過了希望的速度值，則速度調(diào)節(jié)器的離心力增大，從而導(dǎo)致控

9、制閥向上移動(dòng)。這樣就會(huì)減少燃料供應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的速度減小，直至達(dá)到希望的速度時(shí)為止。當(dāng)工作于希望的速度時(shí)，高壓油將不進(jìn)入動(dòng)力油缸的任何一側(cè)。如果由于擾動(dòng)，使得實(shí)際速度下降到低于希望值，則速度調(diào)節(jié)器的離心力下降，導(dǎo)致控制閥向下移動(dòng)，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供應(yīng)增多，發(fā)動(dòng)機(jī)的速度增大，直到達(dá)到希望的速度時(shí)為止。瓦特式速度調(diào)節(jié)器工作原理21給定量也叫控制系統(tǒng)的輸入量。被控制量稱為系統(tǒng)的輸出量。 反饋就是指輸出量通過適當(dāng)?shù)臏y(cè)量裝置將信號(hào)全部或一部分返回輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較。 比較的結(jié)果叫偏差。 基于反饋基礎(chǔ)上的“檢測(cè)偏差用以糾正偏差”的原理又稱為反饋控制原理。利用反饋控制原理組成的系統(tǒng)稱為反饋控制系

10、統(tǒng)。 上述例子有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是都要檢測(cè)偏差，并用檢測(cè)到的偏差去糾正偏差，可見沒有偏差便沒有調(diào)節(jié)過程。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，這一偏差是通過反饋建立起來的。22二、 系統(tǒng)的分類 1. 按輸入輸出的關(guān)系分類 工業(yè)上用的控制系統(tǒng)，根據(jù)有無反饋?zhàn)饔?，又可分為兩類：開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)。 23(1)開環(huán)控制系統(tǒng) 當(dāng)構(gòu)成系統(tǒng)每一環(huán)節(jié)的輸入不受系統(tǒng)的輸出影響時(shí)，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。如圖1-5所示的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)時(shí)，其系統(tǒng)就屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出不對(duì)系統(tǒng)的輸入有任何影響。圖1-5 數(shù)控機(jī)床開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)24(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)當(dāng)構(gòu)成系統(tǒng)的任一環(huán)節(jié)的輸入受到系統(tǒng)

11、的輸出影響時(shí)，這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-6所示數(shù)控機(jī)床閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)由于工作臺(tái)位移（輸出）經(jīng)檢測(cè)裝置測(cè)出實(shí)際的位移后與給定的位移指令比較，從而產(chǎn)生控制作用，達(dá)到控制工作臺(tái)位移的目的。因此，如果實(shí)際的位移沒達(dá)到指令要求時(shí)，這種控制作用始終作用于工作臺(tái)，直到工作臺(tái)達(dá)到所要求的位置。 25開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便，且造價(jià)低廉。缺點(diǎn)是精度較低。 閉環(huán)控制系統(tǒng)突出的優(yōu)點(diǎn)：精度高，不管出現(xiàn)什么干擾，只要被控制量的實(shí)際值偏離給定值時(shí)，閉環(huán)控制就會(huì)產(chǎn)生控制作用來減小這一偏差。 閉環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)：這類系統(tǒng)是檢測(cè)偏差用以糾正偏差，或者說是靠偏差進(jìn)行控制。在工作過程中系統(tǒng)總會(huì)存在偏差，由于元件的慣

12、性（如負(fù)載的慣性），很容易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此精度和穩(wěn)定性是閉環(huán)系統(tǒng)存在的一對(duì)矛盾。 262.按輸出的變化規(guī)律分類 (1) 恒值系統(tǒng) 在外界作用下，系統(tǒng)的輸出能基本保持為常值的系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)。如恒溫、恒壓及恒速系統(tǒng)。(2) 隨動(dòng)系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸出能相應(yīng)于輸入在廣闊范圍里按任意規(guī)律變化的系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。如仿形車床的液壓仿形刀架，靠模為給定的系統(tǒng)輸入，刀架仿形運(yùn)動(dòng)為系統(tǒng)的輸出。(3) 程序控制系統(tǒng) 在外界作用下，系統(tǒng)的輸出按預(yù)定程序變化的系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)。如前面曾介紹過的數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)，都屬于程序控制系統(tǒng)。273.連續(xù)系統(tǒng)與采樣系統(tǒng) 如果系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)之間所傳遞的信息都是時(shí)間的連續(xù)

13、信號(hào)，這樣的系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)。如果在系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)參與工作時(shí)，環(huán)節(jié)之間所傳遞的信息除了有連續(xù)信號(hào)外，還有離散信號(hào)，這樣的系統(tǒng)稱為采樣系統(tǒng)或離散系統(tǒng)。 4.定常系統(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng) 描述系統(tǒng)微分方程的系數(shù)不隨時(shí)間而變化的系統(tǒng)稱為定常系統(tǒng)。其系數(shù)隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，稱為時(shí)變系統(tǒng)。 28三 .反饋控制系統(tǒng)的基本組成 一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)應(yīng)該包括給定元件、反饋元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件及校正元件等。 291.給定元件：主要用于產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)例如，調(diào)速系統(tǒng)的給定電位計(jì)。2.反饋元件：它測(cè)量被控量或輸出量，產(chǎn)生主反饋信號(hào)，該信號(hào)與輸出量存在著確定的函數(shù)關(guān)系（通常為比例關(guān)系）。例如，調(diào)速系統(tǒng)用于測(cè)

14、速的測(cè)速發(fā)電機(jī)。 3.比較元件：用來比較輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的偏差。可以是一個(gè)差接的電路，它往往不是一個(gè)專門的物理元件，有時(shí)也叫比較環(huán)節(jié)；自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、機(jī)械式差動(dòng)裝置都是物理的比較元件。304.放大元件：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大和功率放大的元件。例如，伺服功率放大器、電液伺服閥等。5.執(zhí)行元件：直接對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操作的元件。例如，執(zhí)行電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等。6.控制對(duì)象：控制系統(tǒng)所要操縱的對(duì)象，它的輸出量即為系統(tǒng)的控制量，例如，機(jī)床工作臺(tái)等。 7.校正元件：或稱校正裝置，用以提高控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。有反饋校正和串聯(lián)校正等形式 31四名詞術(shù)語 1.輸入信號(hào)（又稱輸入量、控制量或給定量）：它是控制輸

15、出量變化規(guī)律的信號(hào)。而輸入量則又廣義地泛指輸入到控制系統(tǒng)中的信號(hào)，如擾動(dòng)信號(hào)，也包括給定信號(hào)。 2.輸出信號(hào)（又稱輸出量、被控制量或被調(diào)整量）：它的變化規(guī)律是要加以控制的，應(yīng)保持與輸入信號(hào)之間有一定的函數(shù)關(guān)系。 323.反饋信號(hào)（或稱反饋）：從系統(tǒng)（或元件）輸出端取出信號(hào)，經(jīng)過變換后加到系統(tǒng)（或元件）輸入端，這就是反饋信號(hào)。當(dāng)它與輸入信號(hào)符號(hào)相同時(shí)叫正反饋。反之，叫負(fù)反饋。直接取自系統(tǒng)最終輸出端的反饋叫主反饋。主反饋一定是負(fù)反饋，否則偏差越來越大，直至使系統(tǒng)失去控制。除主反饋外，有的系統(tǒng)還有局部反饋，這主要是用來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正、補(bǔ)償或線性化而加入的335.誤差信號(hào)（或稱誤差）：它是指系統(tǒng)輸出量

16、的實(shí)際值與希望值之差。在很多情況下，希望值就是系統(tǒng)的輸入量。 這里要注意，誤差和偏差不是同一概念。只有在單位反饋系統(tǒng)中，誤差才等于偏差。 6 .擾動(dòng)信號(hào)（又稱擾動(dòng)或干擾）：除控制信號(hào)以外，對(duì)系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生影響的因素都叫擾動(dòng)。如果擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部，稱為內(nèi)擾；產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱外擾。外擾動(dòng)也是系統(tǒng)的一種輸入量。 4.偏差信號(hào)（或稱偏差）：它是控制信號(hào)與主反饋信號(hào)之差。有時(shí)也稱為作用誤差。 34第三節(jié) 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 工作在不同場(chǎng)合下的自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)它有不同的性能要求。圖示為在階躍輸入信號(hào)下，幾種系統(tǒng)的被控量的變化過程。圖中x(t)表示輸入，y(t)表示輸出?？刂葡到y(tǒng)的階躍輸入輸出35控制系統(tǒng)要能正常地工作，必須滿足穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速三方面的要求。 1. 穩(wěn)定性：由于系統(tǒng)存在著慣性，當(dāng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)匹配不妥時(shí)，將會(huì)引起系統(tǒng)的振蕩而失去工作能力。穩(wěn)定性就是指動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能否恢復(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。2. 準(zhǔn)確性：是指在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量與給定量之間的偏差，或稱為靜態(tài)精度，這也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。例如數(shù)控機(jī)床精度越