機(jī)械工程控制基礎(chǔ)-學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與題解-第1章-緒--論

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與題解（修訂版）第1章 緒 論內(nèi)容提要 1.1 機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(wù) 1.1.1 系統(tǒng)及廣義系統(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(yùn)動規(guī)律的一個(gè)有機(jī)整體。 系統(tǒng)各元素之間存在著非常緊密的聯(lián)系，而且，系統(tǒng)與外界也存在一定的聯(lián)系。系統(tǒng)及其與外界的關(guān)系如圖1.1-1所示，其中.輸入是指外界對系統(tǒng)的作用，輸出是指系統(tǒng)對外界的作用。 系統(tǒng)可大可小可繁可簡，甚至可“實(shí)”可“虛”，完全由研究的需要而定，因而將它們統(tǒng)稱為為廣義系統(tǒng)。

2、系統(tǒng)輸出輸入圖1.l-l 系統(tǒng)及其與外界的聯(lián)系 1.1.2 機(jī)械工程控制論的研究對象 機(jī)械工程控制論實(shí)質(zhì)上足研究機(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題。具體地說，它研究機(jī)械工程廣義系統(tǒng)在一定的外界條件（即輸入或激勵(lì)、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(gè)動態(tài)歷程，研究這一系統(tǒng)與其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系。 1.1.3 機(jī)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，機(jī)械工程控制論的任務(wù)可以分為以下五方面： （1） 已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的輸出，即系統(tǒng)分析問題； （2） 已

3、知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，設(shè)計(jì)輸入，即最優(yōu)控制問題； （3） 已知輸入和理想輸出，設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即最優(yōu)設(shè)計(jì)問題； （4） 已知輸出，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸入中的有關(guān)信息.此即濾波與預(yù)測問題； （5） 已知系統(tǒng)的輸和輸出，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)即系統(tǒng)辨識問題。 1.2 系統(tǒng)及其模型 1.2.1 系統(tǒng)的特性 （1）系統(tǒng)的性能不僅與構(gòu)成系統(tǒng)的元素有關(guān)，而且還與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)； （2）系統(tǒng)具有層次性； （3）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； （4）系統(tǒng)是運(yùn)動的，具有定的動態(tài)特性。 1.2.2 機(jī)械系統(tǒng) 以實(shí)現(xiàn)一定的機(jī)械運(yùn)動、輸出一定的機(jī)械能，以及承受一定的機(jī)械載荷為目的的系統(tǒng)稱為機(jī)械系統(tǒng)。對于機(jī)械

4、系統(tǒng)，其輸入和輸出分別稱為“激勵(lì)”和“響應(yīng)”。 1.2.3 系統(tǒng)模型 系統(tǒng)的模型包括實(shí)物模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型等等，而數(shù)學(xué)模型又包括靜態(tài)模型和動態(tài)模型。動態(tài)模型在一定的條件下可以轉(zhuǎn)換成靜態(tài)模型。在控制理論或控制工程中，一般關(guān)心的是系統(tǒng)的動態(tài)特勝，因此，往往需要采用動態(tài)數(shù)學(xué)模型。一般所指的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 1.3 反 饋 1.3.1 系統(tǒng)方框圖及其組成 系統(tǒng)方框圖由許多對信號（量）進(jìn)行單向傳遞的元件方框和些連線組成，表征了系統(tǒng)各元件之間及系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的關(guān)系。 系統(tǒng)方框圖包括以下三個(gè)基本的單元： （1）引出點(diǎn)（分支點(diǎn)） 表示信號的引出或信號的分支，箭頭表示

5、信號的傳遞方向，線上標(biāo)記信號的名稱，如圖1.3-1（a）所示。 （2）比較點(diǎn)（相加點(diǎn)） 表示兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號進(jìn)行相加或相減運(yùn)算?！?”表示信號相加，“-”表示信號相減，如圖1.3-1（b）所示。 （3）元件方框 方框中寫入元件、部件的名稱，進(jìn)入箭頭表示其輸入信號，引出箭頭表示其輸出信號，如圖l.3-1（c）所示。 1.3.2 信息及信息反饋 信息 一切能表達(dá)一定意義的信號、符號和密碼等統(tǒng)稱為信息，也可定義為事物運(yùn)動的狀態(tài)或方式。 反饋（信息反饋） 將系統(tǒng)的輸出以一定的方式返回到系統(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。xxx（a）圖1.3-1 系統(tǒng)方框圖的基本組成單元x1x2

6、x1 x2（b）xixo（c）元件名稱 1.3.3 內(nèi)反饋和外反饋 內(nèi)反饋 在系統(tǒng)或過程中存在的各種自然形成的反饋，稱為內(nèi)反饋。它是系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)元素之間相互耦合的結(jié)果。內(nèi)反饋是造成機(jī)械系統(tǒng)存在一定的動態(tài)特性的根本原因。紛繁復(fù)雜的內(nèi)反饋的存在，使得機(jī)械系統(tǒng)變得異常復(fù)雜。讀者對于機(jī)械系統(tǒng)中普遍存在的內(nèi)反饋現(xiàn)象應(yīng)引起足夠的重視。 外反饋 在自動控制系統(tǒng)中，為達(dá)到某種控制目的而人為加入的反饋，稱為外反饋。 1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求 1.4.1 控制系統(tǒng)的基本概念 控制 通過對一定對象實(shí)施一定的操作，使其按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動或變化的過程。 被控對象 在控制理論和控制技術(shù)中，運(yùn)動規(guī)律或狀態(tài)需

7、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(shí)”可“虛”。 控制器 在控制系統(tǒng)中，除被控對象以外的所有裝置，統(tǒng)稱為控制器。 給定元件 控制系統(tǒng)中，主要用于產(chǎn)生給定量（輸入量、希望值）的元件。 反饋元件（測量元件） 控制系統(tǒng)中，用來測量被控量（輸出量）、產(chǎn)生反饋量的元件。反饋量與輸出量之間往往存在定的函數(shù)關(guān)系。 比較元件 控制系統(tǒng)中，用來比較輸入量與反饋量、并求取偏差量的元件。有時(shí)它并非為物理元件，可能通過物理定律或其他定律實(shí)現(xiàn)。特別是在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，比較元件是在控制程序中，用加減語句來體現(xiàn)的。 放大元件 控制系統(tǒng)中，對控制量進(jìn)行幅值放大或功率放大的元件。 執(zhí)行元件 控制

8、系統(tǒng)中，直接對被控對象進(jìn)行操作的元件。 被控制量 表征被控對象運(yùn)動規(guī)律或狀態(tài)的物理量，實(shí)質(zhì)上是系統(tǒng)的輸出（輸出量）。 希望值 希望的被控對象運(yùn)動規(guī)律或狀態(tài)的物理量（輸入量、系統(tǒng)輸入）。 偏差 系統(tǒng)的輸入量與反饋量之差或之和（比較環(huán)節(jié)的輸出量）。 控制量 被控對象的輸入量。由于往往是偏差量的某種函數(shù)，因此，也可將偏差量看成控制量。 擾動量（干擾） 除給定量以外，所有使得被控制量偏離給定值的因素。擾動量包括因系統(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。 人工控制 在人直接參與的情況下，使被榨對象的被控制量按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動或變化的控制方式。 自動控制 在無人直接參與的情況下

9、，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(yùn)動或變化的控制方式。 自動控制系統(tǒng) 被控對象和參與實(shí)現(xiàn)其被控制置自動控制的裝置或元件、部件的組合。 1.4.2 對廣義系統(tǒng)按反饋的情況進(jìn)行分類 （1）開環(huán)系統(tǒng) 當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)以所需的方框圖表示而沒有反饋回路時(shí)，稱之為開環(huán)控制系統(tǒng)或開環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)一般由給定元件、放大元件、執(zhí)行元件、被控對象等單元組成，其方框圖可表示成如圖1.4-l的形式。圖1.4-l （2）閉環(huán)系統(tǒng) 當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)以所需的方框圖表示而存在反饋回路時(shí)，稱之為閉環(huán)控制系統(tǒng)或閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)一般由給定元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件、被控對象、測量元件等單元組成，其方框圖可表示成

10、如圖l.4-2的形式。圖1.4-2 若將控制系統(tǒng)按被控對象和控制器兩部分進(jìn)行劃分，則開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)還可以分別表示成如圖l.4-3（a）、（b）的形式。（a） （b）圖1.4-3 一個(gè)閉環(huán)自動控制系統(tǒng)的工作過程大體上可分為以下幾個(gè)步驟： 測量被控制量的實(shí)際值； 將實(shí)際值與給定值進(jìn)行比較，求出俯差的大小與方向； 根據(jù)偏差的大小與方向進(jìn)行控制，以糾正偏差。 簡單地講，閉環(huán)自動控制系統(tǒng)的工作過程就是一個(gè)“檢測偏差并糾正偏差”的過程，因此，閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度一般比開環(huán)控制系統(tǒng)的要高。 按反饋的作用不同，可以將反饋分為正反饋和負(fù)反饋。其中，凡能使系統(tǒng)的偏差的絕對值增大的反饋，稱為正壓饋；而能使系統(tǒng)

11、的偏差的絕對值減小的反饋，稱為負(fù)反饋。 1.4.3 對自動控制系統(tǒng)按輸出的變化規(guī)律進(jìn)行分類 （1）自動調(diào)節(jié)系統(tǒng) 在外界干擾的作用下，系統(tǒng)的輸出仍能基本保持為常量的系統(tǒng)。也稱為鎮(zhèn)定系統(tǒng)或恒值系統(tǒng)。 （2）隨動系統(tǒng) 在外界條件的作用下，系統(tǒng)的輸出能相應(yīng)于輸入在廣闊范圍內(nèi)按任意規(guī)律變化的系統(tǒng)。 （3）程序控制系統(tǒng) 在外界條件的作用下，系統(tǒng)的輸出按預(yù)定程序變化的系統(tǒng)。 另外，廣義系統(tǒng)還可根據(jù)是否滿足疊加性而分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)中信號或變量足否全是連續(xù)量而分為連續(xù)系統(tǒng)（或模擬系統(tǒng)）和離散系統(tǒng)（或數(shù)字系統(tǒng)），根據(jù)系統(tǒng)的功能可分期溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)等等。 1.4.4 對控制系統(tǒng)的基本要

12、求 （l）系統(tǒng)的穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是系統(tǒng)工作的首要條件。 （2）系統(tǒng)響應(yīng)的快速性 快速性是指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與希望值之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快速程度 （3）系統(tǒng)響應(yīng)的準(zhǔn)確性 準(zhǔn)確性指在調(diào)整過程結(jié)束后，輸出量與給定的輸入量之間的偏差，也稱為靜態(tài)精度。 1.4.5 自動控制系統(tǒng)方框圖的繪制步驟 （1）分析控制系統(tǒng)的工作原理，找出被控對象； （2）分清系統(tǒng)的輸入量、輸出量； （3）按照控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的定義，找出相應(yīng)的各個(gè)環(huán)節(jié)； （4）按信息流動的方向，將各個(gè)環(huán)節(jié)用元件方框和連線連接起來.。基本要求、重點(diǎn)與難點(diǎn) 1. 基本要求 （1）了解機(jī)械工程

13、控制論的基本含義和研究對象，以及學(xué)習(xí)本課程的目的和任務(wù)；掌握廣義系統(tǒng)動力學(xué)方程的含義。 （2）了解系統(tǒng)、廣義系統(tǒng)的慨念；了解系統(tǒng)的基本特性；了解系統(tǒng)動態(tài)模型和靜態(tài)模型之間的關(guān)系。 （3）掌握反饋的含義，學(xué)會分析動態(tài)系統(tǒng)內(nèi)信息流動的過程；掌握系統(tǒng)或過程中存在的反饋。 （4）了解正反饋、負(fù)反饋、內(nèi)反饋、外反饋的概念。 （5）了解廣義系統(tǒng)的幾種分類方法；掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理、組成，學(xué)會繪制控制系統(tǒng)的方框圖。 （6）了解控制系統(tǒng)中基本名詞和基本變量。 （7）了解對控制系銃的基本要求。 2. 本章重點(diǎn) （1）學(xué)會用系統(tǒng)論、信息論的觀點(diǎn)分析廣義系統(tǒng)的動態(tài)特性、信息流，理解信息反饋的含義及其作用。 （

14、2）掌握控制系統(tǒng)的基本慨念、基本變量、基本組成和工作原理；學(xué)會繪制控制系統(tǒng)方框圖。 3. 本章難點(diǎn) 廣義系統(tǒng)的信息反饋及控制系統(tǒng)方框圖的繪制。例 題 例l 1 設(shè)電熱水囂如圖（例1.1-1）所示。為了保持希望的溫度，由溫控開關(guān)接通或斷開電加熱器的電源。在使用熱水時(shí)，水箱中流出熱水并補(bǔ)充冷水。試說明該系統(tǒng)工作原理，并畫出系統(tǒng)的方框圖。圖（例1.1-1） 解 在電熱水器系統(tǒng)中，水箱內(nèi)的水溫需要控制，即水箱為被控對象。水的實(shí)際溫度是被控制量，或稱為系統(tǒng)的輸出量，設(shè)為To：輸入量為用戶希望的溫度（給定值），設(shè)為Ti。由于放出熱水并注入冷水或水箱散熱等原因，水箱內(nèi)水溫下降，這成為該系統(tǒng)的主要干擾。 當(dāng)T

15、o=Ti時(shí)，水箱的實(shí)際水溫經(jīng)側(cè)溫元件撿測，并將實(shí)際水溫轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號，與溫控開關(guān)預(yù)先設(shè)定的信號進(jìn)行比較而得到的偏差為零，此時(shí)電加熱器不工作，水箱中的水溫保持在希望的溫度上。當(dāng)使用熱水箱注入冷水時(shí)，水溫下降，此時(shí)Touo時(shí)，偏差ue為正，該信號經(jīng)放大，驅(qū)動電動機(jī)帶動齒輪機(jī)構(gòu)，進(jìn)而使記錄筆及滑塊正向移動，此時(shí)偏差ue-逐漸減小，直到ue為零；反之，當(dāng)uiuo時(shí)，偏差ue為負(fù)，記錄筆及滑塊負(fù)向移動，直至ue 為零。這樣，再配合勻速走紙機(jī)構(gòu)，就能在紙上記錄出電壓信號ui的波形了。其控制方框圖為圖（例l.3-2）圖（例l.3-2） 說明 根據(jù)控制系統(tǒng)示意圖繪制其控制方框圖，對于弄清控制系統(tǒng)組成和工作原理具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。它既是是本章的重點(diǎn)，也是本章的難點(diǎn)。在解題時(shí)，首先要明確系統(tǒng)中哪個(gè)部分的運(yùn)動狀態(tài)需要控制，即弄清被控對象。在此基礎(chǔ)上，明確系統(tǒng)的輸出即為被控對象的實(shí)際狀態(tài)，輸入即是被控對象的埋