機械工程控制基礎概論

機械工程控制基礎概論第1頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shù)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(tǒng)；空間技術等。第2頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月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(tǒng)的設計分析問題。理論基礎是描述系統(tǒng)輸入－輸出關系的傳遞函數(shù)?，F(xiàn)代控制理論：60末為適應宇航技術發(fā)展的需要而出現(xiàn)的新技術，現(xiàn)正向大系統(tǒng)和人工智能理論等方面發(fā)展。研究多輸入－多輸出變參數(shù)、時變系統(tǒng)的設計分析問題。理論基礎是描述系統(tǒng)狀態(tài)空間法。第3頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月總學時（39）第一章緒論（3學時）第二章系統(tǒng)的數(shù)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(tǒng)的穩(wěn)定性（8學時）第六章系統(tǒng)的性能指標與校正（3學時）第4頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章緒論第5頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1機械工程控制論的研究對象與任務1.2系統(tǒng)及其模型1.3反饋1.4系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)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本課程的特點與學習方法第6頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月§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(tǒng)的動力學問題第7頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月具體地說，它研究的是工程技術中的廣義系統(tǒng)在一定的外界條件作用下，從系統(tǒng)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(tǒng)的結構與參數(shù)所決定的特性）所決定的整個動態(tài)歷程第8頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月初始狀態(tài)固有特性輸入輸出系統(tǒng)可大可小，可繁可簡，可實可虛例：

uiRCLu0第9頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)的動力學方程：f(t)------系統(tǒng)的輸入（激勵）y(t)-------系統(tǒng)的輸出（響應）mf(t)kcy(t)mf(t)F(c)F(k)第11頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月mp2+cp+k-----為方程左端的算子，它由系統(tǒng)本身的結構與參數(shù)所決定，反映了與外界無關的系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)生變化，這一算子一般也會發(fā)生改變。第12頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月顯然，y(t)（就是微分方程的解）是由系統(tǒng)的初始狀態(tài)、系統(tǒng)的固有特性、系統(tǒng)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(tǒng)在一定外界條件下的動態(tài)歷程。第14頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月工程控制論研究的問題：1系統(tǒng)、輸入已知，求輸出

---------系統(tǒng)分析2系統(tǒng)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(tǒng)，得到最佳輸出----------最優(yōu)化設計4輸出已知，確定系統(tǒng)，識別輸入信息-----------預測5輸入輸出已知，確定系統(tǒng)結構參數(shù)

-----------系統(tǒng)的辯識第15頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月2本課程任務用經典控制理論來解決系統(tǒng)分析問題，并適當解決系統(tǒng)的辯識問題實際系統(tǒng)數(shù)學模型結果建立模型分析(微分方程）第16頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月§2系統(tǒng)及其模型一、系統(tǒng)我們所研究的“系統(tǒng)”就是由相互聯(lián)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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月組成系統(tǒng)的各個部分，可以是元件，也可以是下一級的系統(tǒng)，后者稱為“子系統(tǒng)”；而整個系統(tǒng)又可以是上一層系統(tǒng)的子系統(tǒng)；必須注意，一個系統(tǒng)的特性并不能看成是組成它的元件或子系統(tǒng)的特性的簡單總和。第18頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月二、機械系統(tǒng)以實現(xiàn)一定的機械運動、輸出一定的機械能，以及承受一定的機械載荷為目的的系統(tǒng)稱為機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)的輸入稱為“激勵”，一般是外界對系統(tǒng)的作用輸出稱為“響應”，一般是系統(tǒng)的變形或位移第19頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月一個系統(tǒng)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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月三、靜態(tài)模型與動態(tài)模型用數(shù)學方法描述的抽象的理論模型，用來表達一個系統(tǒng)內部各部分之間，或系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的關系的模型稱為“數(shù)學模型”第21頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月若以作用在機器上的力F(t)為激勵，以機器的振動位移y(t)作為響應的數(shù)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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月若以地基振動位移x(t)為激勵，以機器的振動位移y(t)為響應時的數(shù)學模型：稱為為系統(tǒng)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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月稱為為系統(tǒng)的靜態(tài)模型第24頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)模型反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性；動態(tài)模型則用于研究系統(tǒng)在迅變載荷作用下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性。靜態(tài)模型一般以代數(shù)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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3反饋

一定義一個系統(tǒng)的輸出，部分或全部地被反過來用于控制系統(tǒng)的輸入，稱為系統(tǒng)的反饋。系統(tǒng)之所以有動態(tài)歷程，系統(tǒng)及其輸入、輸出之間所以有動態(tài)關系，就是由于系統(tǒng)本身有信息的反饋第26頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月比較系統(tǒng)反饋輸入輸出+

=輸入±輸出第27頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月電機工作臺輸入指令輸出位移檢測系統(tǒng)+-二機械工程中的反饋控制第28頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月三機械系統(tǒng)的內在反饋mf(t)cy(t)k第29頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月負反饋：使總輸出減小的反饋調節(jié)。負反饋使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定杠桿浮子Hr閥門2Q2Q1閥門1負反饋第31頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月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(tǒng)+-第32頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月內反饋：自然形成的反饋mf(t)cy(t)k第33頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月總結：控制論的中心思想就是“反饋控制”微分方程體現(xiàn)了系統(tǒng)本身存在著反饋微分方程的解體現(xiàn)了由于系統(tǒng)本身反饋的存在與外界對系統(tǒng)的作用的存在而決定的系統(tǒng)的動態(tài)歷程。第34頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求一、分類1、按反饋情況分（1）開環(huán)控制系統(tǒng)（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)第35頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)僅受輸入量和擾動量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個控制過程中對系統(tǒng)的控制不產生任何影響。輸入裝置指令系統(tǒng)輸入控制裝置伺服驅動裝置工作臺工作臺位置系統(tǒng)輸出數(shù)控機床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖第36頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點：簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月閉環(huán)控制系統(tǒng)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(tǒng)框圖反饋量第38頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)的原理結構圖杠桿浮子H閥門2Q2Q1閥門1浮子杠桿閥門1水箱HrQ1Q2H第39頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月特點：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(tǒng)參數(shù)變化不敏感缺點：存在穩(wěn)定、振蕩、超調等問題，系統(tǒng)性能分析和設計麻煩。第41頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月半閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：反饋信號通過系統(tǒng)內部的中間信號獲得。精度比閉環(huán)低穩(wěn)定性高第42頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月2、按輸出變化規(guī)律分（1）自動調節(jié)系統(tǒng)（恒值系統(tǒng)）系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿帐潜ＷC在任何擾動作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。第44頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月加熱電阻絲~220V調壓器人工控制的恒溫箱溫度計第45頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月加熱電阻絲~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(tǒng)第46頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月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

u1u2

uuanvu溫度t(被控量)擾動恒溫箱自動控制系統(tǒng)功能框圖第47頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）程序控制系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律預先確知，輸入裝置根據(jù)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(shù)控加工系統(tǒng)。第48頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）隨動系統(tǒng)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(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律。如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動瞄準系統(tǒng)等。第49頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月3按系統(tǒng)信號的性質分（1）連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)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(tǒng)通常采用微分方程描述。（2）離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。第50頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月典型閉環(huán)控制系統(tǒng)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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月測量環(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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月比較環(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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月放大及運算環(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)xb第54頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月執(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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月二、控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)動態(tài)特性：

系統(tǒng)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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）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)能夠回復平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的首要條件。第57頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月xo(t)t發(fā)散（不穩(wěn)定）收斂（穩(wěn)定）第58頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）響應的快速性指當系統(tǒng)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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月xo(t)tts誤差帶第60頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(tǒng)工作性能的重要指標。一般用穩(wěn)態(tài)誤差ess表示。第61頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月xo(t)teSS第62頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：1、系統(tǒng)的快速性和準確性必須建立在系統(tǒng)是穩(wěn)定的基礎上2、對系統(tǒng)的要求是穩(wěn)、快、準兼顧3、三項指標存在矛盾第63頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shù)的測試方面第64頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月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