機械工程控制基礎概論

1、機械工程控制基礎概論第1頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四自動控制理論簡介主要闡述有關自動控制技術的基礎理論機械工程廣泛引入控制理論：數控機床；工業(yè)機器人；微細工程；機床動態(tài)分析、動態(tài)測試；精密儀器；產品質量檢測系統；空間技術等。第2頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四自動控制理論經典控制理論：50年代形成的理論體系。研究單輸入單輸出線性定常系統的設計分析問題。理論基礎是描述系統輸入輸出關系的傳遞函數?，F代控制理論：60末為適應宇航技術發(fā)展的需要而出現的新技術，現正向大系統和人工智能理論等方面發(fā)展。研究多輸入多輸出變參數、時變系統的設計分析問題。理論基

2、礎是描述系統狀態(tài)空間法。第3頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四總學時（39）第一章 緒論（3學時）第二章 系統的數學模型（9學時）第三章 時間響應分析（9學時）第四章 頻率特性分析（7學時）第五章 系統的穩(wěn)定性（8學時）第六章 系統的性能指標與校正（3學時）第4頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四第一章 緒 論第5頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四1.1 機械工程控制論的研究對象與任務1.2 系統及其模型1.3 反饋1.4 系統的分類及對控制系統的基本要求1.5 機械制造的發(fā)展與控制理論的應用1.6 控制理論發(fā)展的簡單回顧1.7

3、本課程的特點與學習方法第6頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四1 機械工程控制論研究的對象和任務一、控制工程研究的對象與任務1、 對象工程控制論實質上是研究工程技術中廣義系統的動力學問題第7頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四具體地說，它研究的是工程技術中的廣義系統在一定的外界條件作用下，從系統的一定的初始狀態(tài)出發(fā)，所經歷的由其內部固有的特性（即由系統的結構與參數所決定的特性）所決定的整個動態(tài)歷程第8頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四初始狀態(tài)固有特性輸入輸出系統可大可小，可繁可簡，可實可虛例： uiRCLu0第9頁，共70頁，202

4、2年，5月20日，2點54分，星期四第10頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四系統的動力學方程：f(t)-系統的輸入（激勵）y(t)-系統的輸出（響應）mf(t)kcy(t)mf(t)F(c)F(k)第11頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四mp2+cp+k-為方程左端的算子，它由系統本身的結構與參數所決定，反映了與外界無關的系統本身的固有特性；1-為方程右端的算子，反映了與外界的關系，當系統發(fā)生變化，這一算子一般也會發(fā)生改變。第12頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四第13頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四顯然

5、，y(t)（就是微分方程的解）是由系統的初始狀態(tài)、系統的固有特性、系統與輸入之間的關系以及輸入所決定的；也可以說它代表了系統在一定外界條件下的動態(tài)歷程。第14頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四工程控制論研究的問題：1 系統、輸入已知，求輸出 -系統分析2 系統已知，確定輸入，得到最佳輸出 -最優(yōu)控制3 輸入已知，確定系統，得到最佳輸出 -最優(yōu)化設計4 輸出已知，確定系統，識別輸入信息 -預測5 輸入輸出已知，確定系統結構參數 -系統的辯識第15頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四2 本課程任務用經典控制理論來解決系統分析問題，并適當解決系統的辯識問題實

6、際系統數學模型結果建立模型分析(微分方程）第16頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四2 系統及其模型一、系統我們所研究的“系統”就是由相互聯系、相互作用的若干部分構成，而且有一定的目的或一定的運動規(guī)律的一個整體。第17頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四組成系統的各個部分，可以是元件，也可以是下一級的系統，后者稱為“子系統”；而整個系統又可以是上一層系統的子系統；必須注意，一個系統的特性并不能看成是組成它的元件或子系統的特性的簡單總和。第18頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四二、機械系統以實現一定的機械運動、輸出一定的機械能，以及承

7、受一定的機械載荷為目的的系統稱為機械系統機械系統的輸入稱為“激勵”，一般是外界對系統的作用輸出稱為“響應”，一般是系統的變形或位移第19頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四一個系統的輸入有兩種如果是人為地、有意識地加上去的，往往稱為“控制”；而如果是偶然要素產生的，無法加以人為控制的，則稱為“擾動”第20頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四三、靜態(tài)模型與動態(tài)模型用數學方法描述的抽象的理論模型，用來表達一個系統內部各部分之間，或系統與外部環(huán)境之間的關系的模型稱為“數學模型”第21頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四若以作用在機器上的力F

8、(t)為激勵，以機器的振動位移y(t)作為響應的數學模型為：N(t)F(t)m機器隔振墊y(t)mF(t)y(t)kc一臺機器放在隔振墊上。第22頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四若以地基振動位移x(t)為激勵，以機器的振動位移y(t)為響應時的數學模型：稱為為系統的動態(tài)模型隔振墊N(t)m機器y(t)x(t)my(t)x(t)kc一臺機器放在隔振墊上。第23頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四稱為為系統的靜態(tài)模型第24頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四靜態(tài)模型反映系統在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統平衡狀態(tài)下的特性；動態(tài)模型則

9、用于研究系統在迅變載荷作用下或在系統不平衡狀態(tài)下的特性。靜態(tài)模型一般以代數公式描述，而動態(tài)模型則需要以微分方程或是其離散形式-差分方程描述。第25頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四1. 3 反 饋 一 定 義一個系統的輸出，部分或全部地被反過來用于控制系統的輸入，稱為系統的反饋。系統之所以有動態(tài)歷程，系統及其輸入、輸出之間所以有動態(tài)關系，就是由于系統本身有信息的反饋第26頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四比較系統反饋輸入輸出+=輸入輸出第27頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四電機工作臺輸入指令輸出位移檢測系統+-二 機械工程中的

10、反饋控制第28頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四三 機械系統的內在反饋mf(t)cy(t)k第29頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四四 反饋的分類正反饋和負反饋使總的輸出增加的反饋調節(jié)為正反饋。杠桿浮子Hr閥門2Q2Q1閥門1正反饋第30頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四負反饋：使總輸出減小的反饋調節(jié)。負反饋使系統趨于穩(wěn)定杠桿浮子Hr閥門2Q2Q1閥門1負反饋第31頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四外反饋和內反饋外反饋：人為加入的反饋電機工作臺輸入指令輸出位移檢測系統+-第32頁，共70頁，2022年，5月

11、20日，2點54分，星期四內反饋：自然形成的反饋mf(t)cy(t)k第33頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四總結：控制論的中心思想就是“反饋控制”微分方程體現了系統本身存在著反饋微分方程的解體現了由于系統本身反饋的存在與外界對系統的作用的存在而決定的系統的動態(tài)歷程。第34頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四1.4 系統的分類及對控制系統的基本要求一、分類1、按 反饋情況分（1）開環(huán)控制系統（2）閉環(huán)控制系統（3）半閉環(huán)控制系統第35頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四開環(huán)控制系統系統僅受輸入量和擾動量控制；輸出端和輸入端之間不存在

12、反饋回路；輸出量在整個控制過程中對系統的控制不產生任何影響。輸入裝置指令系統輸入控制裝置伺服驅動裝置工作臺工作臺 位置系統輸出數控機床的開環(huán)控制系統框圖第36頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四優(yōu)點：簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統的元件特性和參數值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力第37頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四閉環(huán)控制系統控制器對象或過程輸入量輸出量測量元件閉環(huán)控制系統框圖反饋量第38頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四系統的原理結構圖 杠桿浮子H閥門2Q2Q1閥門1浮子

13、杠桿閥門1水箱HrQ1Q2H第39頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四控制器直流電機工作臺磁尺 控制器直流電機傳動機構工作臺磁 尺第40頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四特點：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程有直接影響。閉環(huán)的作用：應用反饋，減少偏差。優(yōu)點：精度較高，對外部擾動和系統參數變化不敏感缺點：存在穩(wěn)定、振蕩、超調等問題，系統性能分析和設計麻煩。第41頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四半閉環(huán)控制系統特點：反饋信號通過系統內部的中間信號獲得。精度比閉環(huán)低穩(wěn)定性高第42頁，共70頁，2022年，5月20日，2點

14、54分，星期四控制器直流電機工作臺光電編碼器控制器直流電機傳動機構工作臺光電編碼器nx(t)第43頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四2、按輸出變化規(guī)律分（1） 自動調節(jié)系統（恒值系統）系統輸入量為恒定值。控制任務是保證在任何擾動作用下系統的輸出量為恒值。如：恒溫箱控制、電網電壓、頻率控制等。第44頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四加熱電阻絲220V調壓器人工控制的恒溫箱 溫度計第45頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四加熱電阻絲220V調壓器熱電偶給定信號比較電壓放大器功率放大器執(zhí)行電動機減速器u2u1+u恒溫箱自動控制系統第46

15、頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四給定信號電壓功率放大器控制電機減速器調壓器恒溫箱(控制對象)熱電偶u1u2uuanvu溫度t(被控量)擾動恒溫箱自動控制系統功能框圖第47頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四（2）程序控制系統輸入量的變化規(guī)律預先確知，輸入裝置根據輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運動。如數控加工系統。第48頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四（3）隨動系統輸入量的變化規(guī)律不能預先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準確地復現輸入信號的變化規(guī)律。

16、如：仿形加工系統、火炮自動瞄準系統等。第49頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四3 按系統信號的性質分（1）連續(xù)控制系統系統中各部分傳遞的信號為隨時間連續(xù)變化的信號。連續(xù)控制系統通常采用微分方程描述。（2）離散（數字）控制系統系統中某一處或多處的信號為脈沖序列或數字量傳遞的系統。離散控制系統通常采用差分方程描述。第50頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四典型閉環(huán)控制系統的框圖給定環(huán)節(jié)：確定被控制對象的“目標值”控制部分給定環(huán)節(jié)放大及運算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對象測量環(huán)節(jié)+ -xix0比較環(huán)節(jié)xb第51頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四測量

17、環(huán)節(jié)：測量被控量，并將被控量轉換成便于傳送的另一物理量（一般為電量）控制部分給定環(huán)節(jié)放大及運算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對象測量環(huán)節(jié)+ -xix0比較環(huán)節(jié)xb第52頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四比較環(huán)節(jié)：輸入信號xi與測量環(huán)節(jié)發(fā)出的有關被控變量xo的反饋xb兩相比較，并得到一個小功率的偏差信號?？刂撇糠纸o定環(huán)節(jié)放大及運算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對象測量環(huán)節(jié)+ -xix0比較環(huán)節(jié)xb第53頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四放大及運算環(huán)節(jié)：將偏差信號作必要的校正，然后進行功放以便推動執(zhí)行環(huán)節(jié)；控制部分給定環(huán)節(jié)放大及運算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對象測量環(huán)節(jié)+ -xix0比較環(huán)節(jié)

18、xb第54頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四執(zhí)行環(huán)節(jié)：接受放大環(huán)節(jié)送來的控制信號，驅動被控對象按照預期的規(guī)律運行；執(zhí)行環(huán)節(jié)一般是一個有源的功率放大裝置，工作中要進行能量轉換?？刂撇糠纸o定環(huán)節(jié)放大及運算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對象測量環(huán)節(jié)+ -xix0比較環(huán)節(jié)xb第55頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四二、控制系統的基本要求系統動態(tài)特性： 系統在受到外加信號作用下，輸出量隨著時間變化的全過程輸入輸出txo(t)第56頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四（1）系統的 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統能夠回復平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性的要求

19、是系統工作的首要條件。第57頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四xo(t)t發(fā)散（不穩(wěn)定）收斂（穩(wěn)定）第58頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四（2）響應的快速性指當系統輸出量與給定的輸入量之間產生偏差時，消除這種偏差的快速程度。第59頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四xo(t)tts誤差帶第60頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四（3）響應的準確性指在調整過程結束后輸出量與給定的輸入量之間的偏差，或稱為靜態(tài)精度；是衡量系統工作性能的重要指標。一般用穩(wěn)態(tài)誤差ess表示。第61頁，共70頁，2022年，5月20日，

20、2點54分，星期四xo(t)teSS第62頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四注意：1、系統的快速性和準確性必須建立在系統是穩(wěn)定的基礎上2、對系統的要求是穩(wěn)、快、準兼顧3、三項指標存在矛盾第63頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四1.5 機械制造的發(fā)展與控制理論的應用控制理論在機械制造領域中應用的幾個主要方面：在機械制造過程自動化方面在對加工過程的研究方面在產品與設備的設計方面在動態(tài)過程或參數的測試方面第64頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四1.6 控制理論發(fā)展的簡單回顧一千多年前：銅壺滴漏計時器、指南針、各種天文儀器時間刻度浮子銅壺滴漏第65頁，共70頁，2022年，5月20日，2點54分，星期四1788年：J. Watt 發(fā)明蒸汽機調速器1868年：J. C. Maxwell發(fā)表調速器，提出反饋控制的概念及穩(wěn)定性條件。1884年：E. J. Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據。1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普