機械工程控制基礎

1、華中科技大學機械工程控制(kngzh)基礎熊良才(lin ci)、吳波、陳良才(lin ci)制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁教材： 楊叔子等,機械工程控制基礎,華中科技大學出版社,(第六版),2011參考文獻：1.胡壽松等,自動控制原理,國防工業(yè)(u fn n y)出版社,(第三版),1994.2.李友善.自動控制原理,國防工業(yè)出版社,19803.陳康寧.機械工程控制基礎.西安交通大學出版社.1997.4.Matlab使用手冊制作(zhzu)：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁第一章 緒論(xln)為什么要學控制論？ 1.機電一體化產(chǎn)品的出現(xiàn)(chxin)與逐漸普及

2、“機”+“電”?“信息傳遞與交換” 控制論、系統(tǒng)論、 信息論、微電子技術（計算機技術）相結合的產(chǎn)品 制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁2.機械系統(tǒng)朝高速、高負載、超精密、超大型或超微型等方向(fngxing)發(fā)展。（設計、制造、使用、維護）“動態(tài)”設計: 動態(tài)設計 制造: 關注制造過程 的動態(tài)特性.使用:系統(tǒng)的動態(tài)特性(安全、性能)維護(wih)：監(jiān)測與故障預測、診斷制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁3.動態(tài)測試、信號處理（信號與系統(tǒng)(xtng)） 傳感器的選擇、信號預處理器的設計、數(shù)字信號的處理、特征提取4.生產(chǎn)(shngchn)組織管理（過程的優(yōu)化）加工狀態(tài)監(jiān)控

3、 噴氣發(fā)動機性能監(jiān)控制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁5.其他工程應用 軍事、航天領域 火炮、雷達、跟蹤系統(tǒng)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等 流程工業(yè) 軋鋼過程、工業(yè)窯爐、石油化工、水泥建材、玻璃、造紙等 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 自動灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質量檢測；疫情檢測等。 其他領域 通信、交通、醫(yī)學、環(huán)境保護(hunjng boh)、經(jīng)濟管理等6.個人日常生活和工作電冰箱、電飯煲、空調器、音響(ynxing)、收音機等等 7. 方法論 “反饋控制的思想”制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁控制(kngzh)：施加某種操作于對象，使其產(chǎn)生所期望的行為。圖1.1 蒸汽機離心(lxn)調器一、概述

4、制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁自動控制(z dn kn zh)：由控制裝置自動完成，無需人的參與。圖1.2 液位人工控制圖1.3 液位自動控制(z dn kn zh)檢測偏差實施控制消除偏差制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁控制(kngzh)的三要素控制(kngzh)對象、控制(kngzh)目標、控制(kngzh)手段（裝置、算法等）可控性與能控性控制對象有多種運動狀態(tài)的可能性；能夠通過控制手段使控制對象的狀態(tài)達到控制目標控制論的方法論明確事物發(fā)展的多種可能性確定其中一種可能性為控制目標實施控制實現(xiàn)控制目標制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁機械(j

5、xi)工程控制論研究機械(jxi)工程技術中的廣義系統(tǒng)動力學問題。二、機械工程控制輪研究對象(duxing)與任務1.系統(tǒng)：元素按一定規(guī)律組合起來的能完成一定 功能的集合。要素元素元素之間的聯(lián)系系統(tǒng)與外界的交互作用外界對系統(tǒng)的作用：輸入、干擾系統(tǒng)對外界響應：輸出外界的作用信息的傳遞與交互系統(tǒng)的響應制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁控制論：技術(jsh)學科、技術(jsh)哲學、科學方法論控制論強調(qing dio)： 對象是一個“系統(tǒng)”； 系統(tǒng)不斷“運動” (經(jīng)歷動態(tài)歷程，包括內部狀態(tài)和 外部行為) “外因” (輸入、干擾)是運動的條件 “內因”(系統(tǒng)的固有特性)是運動的根據(jù)系

6、統(tǒng)普遍存在信息的傳遞、交互與反饋是控制論的中心思想二、機械工程控制輪研究對象與任務制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁二、機械工程控制論研究(ynji)對象與任務控制論與其它(qt)學科結合，形成眾多的分支學科經(jīng)濟學生物學社會學機械工程機械工程控制論控制論經(jīng)濟控制論社會控制論生物控制論工程控制論共同的本質特點：通過信息傳遞，處理與反饋進行控制工程技術制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁二、機械工程控制輪研究對象(duxing)與任務系統(tǒng)的組成(z chn)元素可以是子系統(tǒng)；又可是更上一層系統(tǒng)的組成元素。系統(tǒng)的層次性與相對性：廣義系統(tǒng)：具備系統(tǒng)要素的一切事物或對象機械工程

7、中的廣義系統(tǒng)：元件、部件、儀器、設備、加工過程、操作設備、測量、車間、部門、工廠、企業(yè)、企業(yè)集團、全球制造業(yè)如：機器系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、生命系統(tǒng)、 思維、學習、工作，社會、經(jīng)濟系統(tǒng)等制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁二、機械工程控制(kngzh)輪研究對象與任務2. 系統(tǒng)(xtng)的動力學問題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)歷的由其內部的固有特性（即由系統(tǒng)的結構與參數(shù)所決定的特性）所決定的整個動態(tài)歷程。研究系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關系。制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁二、機械工程控制輪研究

8、對象(duxing)與任務例：彈簧(tnhung)-質量-阻尼單自由度系統(tǒng)(a)(b)初始狀態(tài)：系統(tǒng)固有特性：外界作用：與外界的關系：系統(tǒng)的輸出：初始狀態(tài)、系統(tǒng)固有特性、外界作用、與外界的關系等四大因素決定系統(tǒng)響應制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁系統(tǒng)分析問題：已知系統(tǒng)和輸入，求輸出（或響應(xingyng)），并通過響應(xingyng)來研究系統(tǒng)本身的問題。最優(yōu)控制問題：已知系統(tǒng)和理想輸出，求最優(yōu)輸入，使實際輸出滿足要求。最優(yōu)設計問題：已知輸入，設計系統(tǒng)，使輸出滿足要求。濾波與預測問題：設計或選擇合適的系統(tǒng)，以便由輸出識別輸入或輸入中的有關信息。系統(tǒng)辨識問題：已知輸入和輸出，

9、要識別系統(tǒng)的結構和參 數(shù)，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。研究(ynji)任務制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁1.信息 定義1：一切能表達一定意義的信號、符號和密碼等。 如：報紙，烽火，電報，記號、手勢等等 定義2：能夠用來消除不確定性的東西。如： 報紙（過時、適時），情報（過時，適時），足球比賽（勢均力敵，勢力懸殊），書籍（好，差）等 定義3：事物運動的狀態(tài)和方式。如： 體溫人體狀態(tài)； 設備的振動(zhndng)、噪聲、溫度等設備的狀態(tài) 設計圖紙產(chǎn)品狀態(tài)（產(chǎn)品信息） 工藝卡制造過程狀態(tài)（工藝信息） 三、反饋(fnku)制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁例1. 加工過程刀具刀

10、架系統(tǒng)r切削運動s-a切削+力y+理想零件加工過程示意圖零件制作(zhzu)：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁 內反饋(fnku)：系統(tǒng)本身之間信息的傳輸與交換反饋：系統(tǒng)的輸出不斷地、直接或間接地、全部或部分地返回(fnhu)，并作用于系統(tǒng)。制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁 負反饋：輸出(被控量)偏離設定值(目標值)時，反饋作用使輸出偏離程度減小，并力圖達到設定值。如：離心調速系統(tǒng) 液面控制 動物捕食 火炮自動瞄準 學習(xux)和工作中的負反饋 檢測偏差實施控制糾正偏差 正反饋： 輸出偏離初始值（或穩(wěn)定值）時，反饋作用使輸出偏離程度加劇(jij)如：三極管 倒立擺

11、疾病、火藥爆炸、熱核反應 學習和工作中的正反饋 反饋的作用：加劇偏離反饋的作用：消除偏離制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁反饋控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的組成特點：利用偏差(pinch)控制系統(tǒng)的輸出基本物理量：被控量、給定量、控制量、擾動量被控量：(即系統(tǒng)的輸出量),表征被控對象運動規(guī)律xo給定量:系統(tǒng)的輸入量或被控對象理想狀態(tài)(控制目標)xi控制量：直接作用于被控對象的物理量，即被控對象的輸入量擾動量：所有使被控對象狀態(tài)偏離給定值的量 制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁對控制系統(tǒng)，可從不同(b tn)的角度分類1.按反饋(fnku)情況開環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)沒

12、有反饋回路，輸出對系統(tǒng)無控制作用。如：步進驅動的數(shù)控機床、普通洗衣機 家用電烤箱、微波爐、普通電風扇五、控制系統(tǒng)的分類制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁閉環(huán)控制系統(tǒng)(xtng)：有反饋回路，輸出(shch)對系統(tǒng)有控制作用。如：離心調速系統(tǒng)、伺服驅動的數(shù)控機床、恒溫箱(冰箱、空調)1.按反饋情況制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁自動調節(jié)(tioji)系統(tǒng)(恒值系統(tǒng))：系統(tǒng)的輸出保持常量。如：離心調速系統(tǒng)(xtng)、恒溫箱、液面控制等 為閉環(huán)系統(tǒng)隨動系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出相應于輸入按任意規(guī)律變化。如：炮瞄雷達系統(tǒng)、仿形加工、動物捕食等多為閉環(huán)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出按

13、預定程序變化。如：數(shù)控機床、全自動洗衣機等開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)2. 按輸出量的變化規(guī)律分制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁連續(xù)(linx)控制系統(tǒng)離散(lsn)控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)位移控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)速度控制系統(tǒng)3. 按信號類型分4. 按線性性質分5. 按時變情況分6. 按被控量分制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁系統(tǒng)(xtng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)(xtng)正常工作的首要條件六、對控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本要求系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)恢復平衡狀態(tài)的能力穩(wěn)定性好，則系統(tǒng)恢復平衡狀態(tài)的能力強系統(tǒng)的快速性快速性好，則消除偏差快，或調整時間短。系統(tǒng)的準確性準確性好，則調整過程結束后，輸出值與期望值偏差小制作：華中科技大學熊良才、吳波、陳良才共二十七頁內容摘要華中科技大學。制作：華中科技大學?！皺C”+“電”。2.機械系統(tǒng)朝高速、高負載、超精密、超大型或超微型等方向發(fā)展。設計: 動態(tài)設計。能夠通過控制手段使控制對象的狀態(tài)達到控制目標。1.系統(tǒng)：元素按