控制工程 第一章 緒論

第一章緒論§1.1引言課程性質(zhì)課程研究對象及方法課程學(xué)習(xí)方法控制理論發(fā)展簡史

一、課程性質(zhì)

將機(jī)械工程與控制理論相結(jié)合，或者說利用控制論的理論和方法解決機(jī)械工程實(shí)際問題。因此課程主要內(nèi)容是控制理論的基本原理和方法。

二、課程研究對象及方法

控制工程論的研究對象就是系統(tǒng)。系統(tǒng)：由相互作用的各部分組成的具有一定功能的整體。比如一個(gè)金屬切削過程包括：上料—切削—停車—測量—卸件。另，工程測量過程包括：被測對象—傳感器—轉(zhuǎn)換電路—濾波—調(diào)幅—記錄?；蛘咭慌_(tái)機(jī)器、一臺(tái)冰箱等這些可以當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)來研究。還有一些抽象的系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)等。

①系統(tǒng)具體分為1.研究自動(dòng)控制系統(tǒng)

用自動(dòng)控制理論研究機(jī)電自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的典型特點(diǎn)是存在內(nèi)部信息反饋，而這種反饋是由專門的反饋通道進(jìn)行的，稱為“外反饋”。外加反饋：人為地從外部加到系統(tǒng)或過程上去的反饋，其目的是改善系統(tǒng)特性，使之符合特定要求（如精度、靈敏度、穩(wěn)定性等）。2.研究機(jī)械動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)“機(jī)械動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)”即動(dòng)態(tài)機(jī)械系統(tǒng)。由動(dòng)力學(xué)定理分析速度－摩檫力曲線在低速區(qū)↑，

相當(dāng)于向系統(tǒng)輸入能量

↓，相當(dāng)于系統(tǒng)輸出能量又如車削過程，刀具以名義進(jìn)給量x切入工件，由于切削過程產(chǎn)生切削力Py，該力通過機(jī)床刀具系統(tǒng)的傳遞使刀具發(fā)生變形退讓y，而這退讓將全部反饋到輸入端，因此改變名義切削量，從而刀具實(shí)際進(jìn)給量變?yōu)閍=x-y。這純屬系統(tǒng)本身的內(nèi)在反饋。內(nèi)在朱反饋活：是機(jī)賠械動(dòng)擊力系蘇統(tǒng)與聞過程粥本身瓜內(nèi)部氏所包啄含的看反饋芒，它堅(jiān)是由凝系統(tǒng)牛內(nèi)部怖的相怕互耦臣合作糊用構(gòu)峽成的席一種庸非人摩為的享內(nèi)在閥反饋釘。一切鏡作用捉力與迅反作嘉用力渡，負(fù)刊載效慨應(yīng)都流屬于綁內(nèi)在抱反饋反，大賄部分濟(jì)持續(xù)銹運(yùn)行旅的機(jī)戴械系景統(tǒng)與絕過程博中都貓存在圣。系統(tǒng)速的典他型特理點(diǎn)是內(nèi)部皇信息徑反饋傅不是撇由專壞門的如反饋耐通道腹進(jìn)行繡，而睬是根劫據(jù)系高統(tǒng)動(dòng)嫁力學(xué)羅特性可確定的。②自動(dòng)張控制占理論包括怕：經(jīng)典女控制輕理論主要折研究軋單輸律入－撿單輸牙出線造性定榨常系示統(tǒng)。現(xiàn)代何控制態(tài)理論主要訓(xùn)研究騙多輸追入－衫多輸辭出系瓦統(tǒng)及墾時(shí)變各系統(tǒng)霧。③主要訓(xùn)研究建內(nèi)容辛：控制兼系統(tǒng)煎分析包括叨系統(tǒng)降靜態(tài)籌特性凈（靈租敏度秩、線燭性誤是差、繞分辨齒力等列）和糠動(dòng)態(tài)繭特性礎(chǔ)（穩(wěn)報(bào)定性癢、快貧速性敬、準(zhǔn)筑確性敏）的軌分析尾?？刂婆d系統(tǒng)巴設(shè)計(jì)三、銜課程巡壽學(xué)習(xí)蔬方法綜合陡運(yùn)用叔各門護(hù)學(xué)科顫知識(shí)黨：數(shù)勞學(xué)、申力學(xué)興、電塌學(xué)、粘機(jī)械線原理蜻、機(jī)械肯零件乒、機(jī)掀械制診造技俱術(shù)等理論歲性強(qiáng)慚、抽屑象理論緊聯(lián)系廁實(shí)際四、寨控制構(gòu)理論朱發(fā)展胖簡史我國鳴古代越發(fā)明水的自芬動(dòng)定錦向指猾南車或、天僻文儀棚器。17潛84年，框瓦特載發(fā)明母的蒸閑氣機(jī)醋飛球倚調(diào)速聰裝置爭。18壇68年，欄麥克聾斯威沖尓在暗“論陰調(diào)速底器”適一文伏中首密先提得出“反饋安控制”的闊概念桂，這遣是自壓動(dòng)控笛制系音統(tǒng)最袍本質(zhì)蛋的特嗓點(diǎn)，飾是自沾動(dòng)控答制理泥論的系核心拒，對平控制垂系統(tǒng)饒的理遇論研租究是尊一個(gè)志很大呆地提觸高。19鞠32年，脆勞斯杏提出墻線性室系統(tǒng)騾穩(wěn)定旦性判冠據(jù)，海進(jìn)一疤步推淘動(dòng)理濟(jì)論發(fā)勒展。錢學(xué)民森是祝中國籮工程脹控制訪論的摘?jiǎng)?chuàng)始滿人，米發(fā)表《工程扭控制汪論》，奠壓定工掀程控烤制論音的基明礎(chǔ)。發(fā)展諷分為菜三個(gè)透階段燈：經(jīng)典皮控制芹理論背景音：二得戰(zhàn)期悠間研究登對象絡(luò)：以益?zhèn)鬟f拾函數(shù)窮為工石具，勵(lì)采用都時(shí)域圓、頻贏域等瓜分析方芝法，逼研繁究單搖輸入凡－單病輸出涌的線內(nèi)性定常系熄統(tǒng)?，F(xiàn)代路控制秤理論背景呈：20世紀(jì)饅五、踐六十鄭年代研究睛對象振：采巖用狀耕態(tài)空筋間法誓，研用究多息輸入微－多核輸出系統(tǒng)抗、線叉性－氧非線太性系癢統(tǒng)、擴(kuò)定常關(guān)－時(shí)丙變系統(tǒng)盼。智能余控制障理論背景掠：技嚴(yán)術(shù)革懲命和粒大規(guī)真模復(fù)播雜系掃統(tǒng)的肥發(fā)展研究瘦對象月：所紐奉謂“攝智能垃”是浮針對樸人腦口的思妙維、套推理貿(mào)、決策功惱能而顏言。§1.證2控制面系統(tǒng)錄的基紐奉本工恨作原屠理控制從系統(tǒng)睜要解塵決的最基棍本問線題就是赤如何怠使受寧控對釀象的短被控風(fēng)量按餅照給史定的叮規(guī)律墻變化刷。系統(tǒng)蒜控制殲分人工炕控制肉和自明動(dòng)控雖制。人工斥控制勤：被控?fù)螌ο笤欤汉愕K溫箱被控狀量：磁溫度控制須要求燭：以夏一定林精度秋保持賢恒溫磁箱中癥溫度態(tài)為某心一給首定值觀測獲－眼漲求偏沖差－扁大腦因糾釣正偏援差－佳手自動(dòng)支控制太：觀測歲－熱恢電偶膜求范偏差傻－自酷動(dòng)控棄制器管糾頸正偏糖差－域電機(jī)自動(dòng)旁控制仆：在無表人直糧接參芹與下障，利巾用控榨制器筐（機(jī)牲械、菊電氣準(zhǔn)裝置范或計(jì)區(qū)算機(jī)婦）操竹縱被礦控對沃象的訊某一寫物理嚇量（耗溫度奇、壓升力、指流量配、溫獅度等研）使訪之準(zhǔn)酒確地坑按預(yù)滔期規(guī)千律執(zhí)羊行。繪制療自動(dòng)充控制階系統(tǒng)丘方框仆圖目輪的：為了攪便于乎分析話并直槽觀地論表示敵系統(tǒng)化各組讓成部溜分間社的相音互影敘響和安信號(hào)怖傳遞完關(guān)系趴。組成：環(huán)節(jié)：系下統(tǒng)的輸每一注個(gè)具翅有一伍定功絞能的米組成低部分吃。帶箭按頭的懂作用橡線：環(huán)休節(jié)間龍信號(hào)滾的傳癢遞。⊕：比己較元性件：分支違點(diǎn)繪圖統(tǒng)時(shí)應(yīng)拳注意菌：輸入夜量繪頑在最岸左邊瞞，輸喊出量課繪在顧最右厘邊；每個(gè)尚環(huán)節(jié)類具有置單向芳性，幟系統(tǒng)戲中的躁信號(hào)宰只能圓沿著插箭頭照方向總進(jìn)行過單向兔傳遞帶，輸潛出不米能反鋼過來妨影響喘輸入蚊；對整拖個(gè)系圓統(tǒng)來痛說，紋輸出望量只鈔有一劑個(gè)，喪而輸享入量歷則有姑兩個(gè)放：給初定值+干擾稠；方框生中帶凱箭頭約的作被用線疫只表鈴示信參號(hào)的縫傳遞委方向北，而來不表言示實(shí)扶際物喂流的鴉流動(dòng)顯方向喊。觀測計(jì)算郵偏差糾正尼偏差例如受控斯對象季：被控故量：干擾鉤：改變蓋被控浴量的侄機(jī)構(gòu)暴：測量材元件后：給定寇值：偏差服：執(zhí)行由機(jī)構(gòu)艷：恒溫瞧箱溫度電壓海、煤堵氣量械波動(dòng)敘等調(diào)壓棄器熱電狠偶電壓V1ΔV=驚V比1-柔V2執(zhí)行椒機(jī)構(gòu)幻玉：電刪機(jī)例：逗如圖躺是烘撥爐溫陡度控回制系羨統(tǒng)，矮控制鵝的任捧務(wù)是敘保持由爐溫辭恒定廚，試拍說明塔工作鏟原理圣，并唉繪制效系統(tǒng)裝方框那圖。受控齡對象撥：被控枯量：干擾泰：改變嘗被控偏量的攀機(jī)構(gòu)寬：測量丟元件暈：給定叫值：偏差梨：執(zhí)行椅機(jī)構(gòu)礙：烘爐溫度煤氣名量波檢動(dòng)等控制愉閥熱電者偶電壓UTΔV=朋UT-UR執(zhí)行免機(jī)構(gòu)督：電匆動(dòng)機(jī)結(jié)論嘩：通過嬸測量妻將輸購出量鄭返回閃到輸悄入端須，稱板系統(tǒng)溜具有腥反饋友；偏差鴉是基徐于反厭饋建棒立的減；自動(dòng)松控制海過程兩就是趴一個(gè)“測懂偏與疫糾偏”的桌過程持，這樣一原坊理稱川為反饋帆控制歉原理，利說用此慌原理早組成微的系歲統(tǒng)稱章為反饋扁控制黨系統(tǒng)?！?.配3自動(dòng)躺控制溪系統(tǒng)產(chǎn)的幾姨種分旗類一、斧按系鋤統(tǒng)有遲無反堪饋分義類1.開環(huán)館系統(tǒng)特點(diǎn)旗：只有蘆前向地通道紹，無磨反饋疲通道鉗，因脂此系油統(tǒng)的賓輸出竄對控支制無些影響牲。輸出模量受李擾動(dòng)急影響穿大，艇抗干墻擾能京力差粘?？刂瓢辆攘魅Q殊于組視成系工統(tǒng)各孫元件條的精快度。結(jié)構(gòu)摘簡單院，成眠本低野，維榴護(hù)容小易，私只適遺用于勢精度僅要求參不高裁的場合裕。2.閉環(huán)紗系統(tǒng)廚（反推饋系縫統(tǒng)）特點(diǎn)觀：有前勺向通押道和削反饋皇通道你，具免有自溜動(dòng)修渴正輸不出量越的能兔力?？刂谱⒕绕撸瑧]抗干往擾能馬力強(qiáng)戴，適定用于格精度奧要求探高而榆復(fù)雜雞的系鞠統(tǒng)。系統(tǒng)柿元件給多，顏結(jié)構(gòu)奇復(fù)雜朽。系統(tǒng)購存在宋“穩(wěn)柜定性底”問訪題。注：一個(gè)寨控制信系統(tǒng)彩只有乏一個(gè)顯主反纏饋通皂道，蘿但可地以有后幾個(gè)握局部茫反饋日通道涂。反饋弱控制濱系統(tǒng)載基本印組成此：控制響對象近：被控轎制的閘設(shè)備臘或過斃程。控制旋元件仔：產(chǎn)生送輸入癢信號(hào)記（或迫控制疤信號(hào)胳）。反饋攜元件：主怎反饋抹通道宴中元妖件，洗一般折用于釣檢測軟。單位場反饋?zhàn)锵到y(tǒng)：主骨反饋陶通道之不設(shè)固置元奪件。執(zhí)行輛元件犬：根據(jù)慮輸入理信號(hào)族要求美控制掛受控備對象感。比較狂元件斜：比較飾輸入悅信號(hào)見及反羽饋信躬號(hào)，唱并產(chǎn)鞋生偏尸差信淹號(hào)。放大澤元件其：放大啞微弱庫的偏仇差信蔬號(hào)以疾推動(dòng)羨執(zhí)行笛元件非。校正位元件各：改善盛系統(tǒng)尼性能撇，不少是系鐘統(tǒng)必杠須的遣。基本館術(shù)語諷：輸入逆信號(hào)（給熔定量重、輸足入量耕、控碌制量題）匆：輸休入到卷系統(tǒng)宮中的信號(hào)眉。輸出熄信號(hào)（輸枕出量賊、被葬控量鑒、被知調(diào)節(jié)料量）背：受且控對傻象的眾輸出信躺號(hào)。擾動(dòng)螞信號(hào)庸：由外狹界擾恐動(dòng)或克系統(tǒng)泄內(nèi)部辟影響女產(chǎn)生姻，可拴由輸爪入端或中鋸間環(huán)橫節(jié)引羽入，晚一般擺也算松作輸巧入信摔號(hào)。反饋拍信號(hào)：輸選出信柄號(hào)經(jīng)誼反饋適元件窩變換告后加得到輸微入端絕的信著號(hào)。正反隸饋：軌反饋禿信號(hào)循與輸根入信誕號(hào)極綠性相脊同。負(fù)反世饋：穩(wěn)反饋默信號(hào)績與輸作入信瘡號(hào)極車性相興反。偏差局信號(hào)勢：輸入渡信號(hào)襯與主慘反饋雅信號(hào)揀之差帆。誤差蒜信號(hào)集：實(shí)際租輸出啊量與跳期望而值之迅差。對于蔬單位索反饋成系統(tǒng)岸，偏狀差信走號(hào)＝欄誤差蘋信號(hào)二、按控愈制作龍用的趴特點(diǎn)里分類按給聲定的病參考監(jiān)輸入武信號(hào)貿(mào)的不債同分說類：1.恒值榮控制丘系統(tǒng)給定你量和御被控間量要寨求恒辱定，c(添t)釋=r敬(t恢)=售co娘ns杜t。2.隨動(dòng)奏控制個(gè)系統(tǒng)輸出幸量能志夠準(zhǔn)財(cái)確迅石速地肅跟隨拾變化步的輸師入量送，c(疏t)描=r門(t衡)。3.程序泊控制殘系統(tǒng)輸出權(quán)量按途預(yù)定踢程序勾變化毫，c(限t)冶=r鉗(t市)，其扯中r(午t)為一嬸已知戰(zhàn)時(shí)間脹函數(shù)系的系財(cái)統(tǒng)。附錄航拉普彩拉斯簡變換簡稱繼拉氏抵變換俊?！?拉氏裳變換一、幼定義原函覆數(shù)f(沙t)若滿振足狄個(gè)里赫豆利條臥件，柳則下棵列積悶分稱妄為原師函數(shù)f(熱t(yī))的拉鵲氏變題換。二、乒典型慎時(shí)間壓函數(shù)鋪的拉哥氏變霉換1.單位哄階躍倍函數(shù)x(釣t)粉=羊1(典t)或x(霞t)糟=夫KL(聲s)蒜=勾1/捏s或L(怨s)涼=羞K刊/s是分求析系皺統(tǒng)動(dòng)識(shí)態(tài)性臣能時(shí)腿應(yīng)用項(xiàng)最多犯的信繳號(hào)。2.指數(shù)您函數(shù)x(懸t)疲=Ae-αtL(婦s)會(huì)=A失/（s+α）A、α均為鳳常數(shù)XY3.搖4速度但（斜糕坡）糠函數(shù)巡壽、加蓮速度卸（拋黑物線姑）函編數(shù)x(免t)得=嫌A潔t季x跳(t賓)何=枝A·t2/離2F(鍵s)班=A查/s2F(捆s)私=A喜/s3這兩柔種信亞號(hào)在倒隨動(dòng)灣系統(tǒng)表分析唯中最賽常見統(tǒng)。5.脈沖光函數(shù)δ(爽t)萌=奮0鐮t斜=0∞穴t意≠0L(草s)僅=16.正弦墊函數(shù)x(冤t)榜=As攀in莖wtL(瓶s)攤=絡(luò)A扶w互/(啞s2+魂w2)§2拉氏準(zhǔn)變換窄定理一、航線性么定理若L豎[封f1(t敞)]煮=絞F1(s杏)，L劑[f2(t拳)]爬=賭F2(s強(qiáng))則L須[αf1(t咽)下+βf2(t吸)己]搞=αF1(s歷)扁+βF2(s首)時(shí)間烏函數(shù)抄和的各拉氏哭變換捐等于震各時(shí)碌間函橡數(shù)拉殲氏變譜換之瓣和。二、濃平穩(wěn)繡定理若L立[幼f(t截)承]格=柿F(s射)，則L湖[興e-αtf1(t硬)廈]漏=麥F1(皂s鐘+α)三、櫻微分舍定理若L工[鈔f(t冷)勿]爺=早F(s攏)則L飛[d增f亦(t象)洗/dt]涂=sF請(s)當(dāng)初裁始條取件f(艱0尿)膝=敘0L細(xì)[dnf(t膀)搖/dtn]宋=snF(廳s)當(dāng)初犁始條紅件f(鄉(xiāng)豐0)扁=奏f’(0劇)=桶f"(0棒)=…=0例.d3x0(t除/)隨/哈d禾t3+添2d2x0(t復(fù))爐/術(shù)dt2+蜘3d快x0(t變)晉/dt+助x0(t膚)姻=飄2d推xi(t男)/踏dt揚(yáng)+xi(t)化簡S3X0(s剃)腫+哪2S2X0(s萍)痰+蔑3S途X0(s虜)量+詢X0(s聲)幣=屢2S槳Xi繞(s心)禍+Xi六(s)四、正積分蟲定理若L仆[氧f(t濟(jì))眉]妖=疲F(s潮)則L[∫f(冬t)dt]受=屋F(臨s)怠/吼s當(dāng)初玻始條津件∫f(瞞0)dt=浴0L[∫(n薯)f(借t)dt]陷=職F(坑s)爹/sn當(dāng)初始蓋條件∫f(意0)dt=…=∫(n伸)f(方0)dt=0五、徑終值膀定