機械控制工程基礎(chǔ) 課件 第一章 緒論

機械控制工程基礎(chǔ)FundamentalsofMechanicalControlEngineering第1章緒論第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第3章控制系統(tǒng)的時域分析第4章控制系統(tǒng)的頻域分析第5章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性第6章控制系統(tǒng)的校正設(shè)計第7章線性離散系統(tǒng)初步一、課程學(xué)時和學(xué)習(xí)平臺1.課程學(xué)時建議總學(xué)時為40-50學(xué)時，其中實驗學(xué)時為6學(xué)時。2.學(xué)習(xí)平臺-超星泛雅網(wǎng)絡(luò)平臺《機械控制工程基礎(chǔ)》/course/205765018.html學(xué)習(xí)平臺配有教案，PPT，電子版教材，部分章節(jié)視頻，每章測驗，作業(yè)，習(xí)題庫等；《機械控制工程基礎(chǔ)》是關(guān)于控制理論在機械工程中應(yīng)用的課程。自動控制理論通常包括以下內(nèi)容：經(jīng)典控制理論

線性定?？刂葡到y(tǒng)分析與校正；線性離散控制系統(tǒng)分析；現(xiàn)代控制理論線性系統(tǒng)狀態(tài)空間分析；非線性控制系統(tǒng)分析；智能控制理論

專家系統(tǒng)，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，遺傳算法。二、課程介紹建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)時域分析系統(tǒng)頻域分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷系統(tǒng)的設(shè)計校正機電系統(tǒng)時域法根軌跡法頻域法穩(wěn)定性快速性準確性123465性能指標數(shù)學(xué)模型三、課程的結(jié)構(gòu)框架教材各章：第1章緒論第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第3章控制系統(tǒng)的時域分析第4章控制系統(tǒng)的頻域分析第5章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性第6章控制系統(tǒng)的校正設(shè)計第7章線性離散系統(tǒng)初步經(jīng)典控制理論第一章緒論第一節(jié)控制論的發(fā)展第二節(jié)控制系統(tǒng)的工作原理與組成第三節(jié)

控制系統(tǒng)的基本要求核心要點：了解控制理論的發(fā)展歷程；掌握自動控制的基本概念；

掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理和組成；

掌握控制系統(tǒng)的基本要求。

機械控制工程是研究自動控制理論在機械工程中應(yīng)用的一門學(xué)科。在第一次工業(yè)革命時期，自動控制技術(shù)就應(yīng)用到機械工程中，實現(xiàn)了機械制造和生產(chǎn)過程的自動化。一、控制論的發(fā)展第一節(jié)

控制論的發(fā)展自動控制技術(shù)是指在沒有人直接參與的情況下，利用外部裝置，使機器設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。例如：數(shù)控機床按照預(yù)先編寫好的程序自動地加工工件;工業(yè)鍋爐內(nèi)的溫度或壓力自動地維持恒定;導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)準確瞄準并精準地打擊目標;無人駕駛飛機按照預(yù)先設(shè)定好的軌跡自動地升降和飛行。

在尋求解決自動控制裝置性能的問題過程中，產(chǎn)生了自動控制理論。自動控制理論是一門理論性較強的科學(xué)，它研究控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計等一般性理論，是方法論，并不能直接解決工程實際中的具體技術(shù)問題，但是它對工程實踐具有重要的指導(dǎo)作用。

自動控制理論不僅僅是學(xué)術(shù)研究者關(guān)心的課題，也是工程技術(shù)人員的必修課。在工業(yè)生產(chǎn)和交通運輸?shù)雀鱾€領(lǐng)域中，機械系統(tǒng)的應(yīng)用是最為廣泛的，因此建立以機械工程為應(yīng)用背景的“機械控制工程”這門學(xué)科具有重要的意義。一、控制論的發(fā)展第一節(jié)

控制論的發(fā)展一、控制論的發(fā)展第一節(jié)

控制論的發(fā)展

經(jīng)典控制理論(20世紀40年代)線性定常系統(tǒng)單輸入單輸出微分方程，傳遞函數(shù)解決單機自動化或局部自動化，例如：爐溫，水位，電機轉(zhuǎn)速控制等。研究內(nèi)容：研究單輸入單輸出的線性系統(tǒng)的控制問題；1788年，詹姆斯.瓦特發(fā)明了蒸汽機離心調(diào)速器，被西方國家認為是最早的自動控制技術(shù)。代表人物和事件：19世紀歐洲的工業(yè)革命促進了自動控制技術(shù)的發(fā)展，也促進了經(jīng)典控制理論的形成。東漢的張衡研制的候風(fēng)地動儀

三國時期諸葛亮發(fā)明的木牛流馬我國在自動控制方面的發(fā)明比西方國家早。北宋燕肅的指南車北宋蘇頌和韓公廉水運儀像臺1870年：麥克斯韋對瓦特的調(diào)速器建立了線性微分方程；1875年：霍爾維茨提出霍爾維茨判據(jù)；1884年：勞斯提出了勞斯判據(jù)；1932年：奈奎斯特提出了頻域穩(wěn)定性判據(jù)；1945年：伯德提出圖解法（伯德圖）用于分析系統(tǒng)特性。1948年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）數(shù)學(xué)家諾伯特.維納(N.Wiener)發(fā)表了專著：《控制論》（Cybernetics）―關(guān)于在動物和機器中控制與通訊的科學(xué)標志著經(jīng)典控制理論的誕生。1954年，我國2院院士，航天之父，科學(xué)家錢學(xué)森在美國發(fā)表了專著：《工程控制論》（EngineeringCybernetics）標志著工程控制理論的誕生，推動了控制理論在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。經(jīng)典控制理論代表人物和事件：

現(xiàn)代控制理論(20世紀60年代)解決實時控制和最優(yōu)控制問題非線性時變系統(tǒng)多輸入多輸出狀態(tài)空間方程線性系統(tǒng)理論非線性系統(tǒng)理論最優(yōu)控制理論隨機控制理論自適應(yīng)控制理論研究內(nèi)容：1956年：美國數(shù)學(xué)家貝爾曼提出最優(yōu)控制的動態(tài)規(guī)劃法；1956年：前蘇聯(lián)科學(xué)家龐特里亞金提出了極大值原理；1959年：美國數(shù)學(xué)家卡爾曼提出卡爾曼濾波器和系統(tǒng)的能控性、能觀性；1960年初，以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的現(xiàn)代控制理論應(yīng)運而生。在時域內(nèi)利用狀態(tài)空間分析解決多輸入多輸出的線性或非線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。能夠解決導(dǎo)彈，航空航天等制導(dǎo)方面的問題。解決復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的控制問題智能控制理論是以控制理論、計算機科學(xué)、人工智能、運籌學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)的理論，是人工智能與自動控制相結(jié)合的產(chǎn)物。智能控制理論能夠避開對被控對象的數(shù)學(xué)建模，集中于對目標進行識別以及知識學(xué)習(xí)和推理上，實現(xiàn)對外界環(huán)境和系統(tǒng)過程進行理解、判斷、預(yù)測和規(guī)劃，實現(xiàn)有效的控制。例如：智能機器人自動規(guī)劃路徑、避障并到達目標點；無人汽車自動駕駛；

智能控制理論(20世紀70年代)二、課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容1、學(xué)習(xí)內(nèi)容以經(jīng)典控制理論為核心，研究機械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題。研究系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系。線性定常系統(tǒng)單輸入單輸出2、課程特點本課程是一門抽象的專業(yè)核心課，以數(shù)學(xué)、物理等為理論基礎(chǔ)，以機械工程中的動力學(xué)問題為研究對象，運用控制理論的理論與方法，分析與解決機械工程中的控制問題。課程涉及拉氏變換，積分變換，理論力學(xué)，電路等基礎(chǔ)知識，還要具有一些機械制造的工程背景。一、自動控制系統(tǒng)的分類1.按輸出變化規(guī)律：恒值控制系統(tǒng)，例如：液位，溫度控制器，電機轉(zhuǎn)速隨動控制系統(tǒng)，雷達天線跟蹤系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)，智能小車的運動控制系統(tǒng)2.按工作信號特點：連續(xù)控制系統(tǒng)，離散控制系統(tǒng)3.按照系統(tǒng)特點：線性控制系統(tǒng)，非線性控制系統(tǒng)4.按照控制方向：開環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)第二節(jié)控制系統(tǒng)的工作原理與組成4、開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)（1）開環(huán)控制系統(tǒng)

信號的傳遞方向是單向的從輸入到輸出。輸出量不會對輸入量產(chǎn)生影響（無反饋）。系統(tǒng)無法自動校正誤差。特點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，無法保證較高的控制精度。例如：自動售貨機，自動洗衣機，自動生產(chǎn)線，紅綠燈交通控制?？刂破鞑竭M電機工作臺

輸

入（電壓）

輸

出（位移）數(shù)控機床工作臺進給系統(tǒng)線性系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)舉例（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)

除了輸入到輸出的正向控制，還存在由輸出返回輸入的反向控制，也叫反饋控制系統(tǒng)。特點：當擾動作用使輸出產(chǎn)生偏差時，反饋環(huán)節(jié)能夠測量輸出的偏差，并通過系統(tǒng)的控制作用糾正誤差。能保持較高的控制精度。例：離心調(diào)速系統(tǒng)，數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，

恒溫控制系統(tǒng)數(shù)控機床工作臺進給系統(tǒng)控制器步進電機工作臺

輸

入（電壓）

輸

出（位移）電位計光柵尺線性系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例二、反饋及反饋控制閉環(huán)控制系統(tǒng)是基于反饋控制原理工作的。反饋控制：反饋是控制理論最基本，最重要的概念，控制理論的核心思想是反饋控制。反饋：將系統(tǒng)的輸出全部或部分地返送回系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號共同作用于系統(tǒng)的過程。思考題7.判斷哪個是正、負反饋？并說出三個變量的名稱和關(guān)系。X2(S)X3(S)X1(s)_+X2(S)X3(S)X1(s)++負反饋，正反饋，X1(s)輸入，X2(s）反饋，X3(S)輸出負反饋：如果反饋信號與系統(tǒng)的輸入信號方向相反；正反饋；如果反饋信號與系統(tǒng)的輸入信號方向相同；三、閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理閥門進水出水

給定水位Q1Q2Hg放大器UaM△UUBUA減速器電位計浮子例1：水箱液位自動控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖：執(zhí)行器檢測裝置浮球杠桿電位器RPB水箱閥門給定水位Q2實際水位Q1放大器減速器電機-RPAUA比較元件原理：當出水時，浮子位置下降，帶動滑動變阻器電刷上滑，輸出電壓UB增大,電壓差通過放大器帶動電機工作，電機通過減速器打開閥門進水，當水位超過預(yù)定位置，電機反轉(zhuǎn)水閥閉合，減小進水量。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，水位恢復(fù)到預(yù)定位置。閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理：通過測量，比較和執(zhí)行三大功能實現(xiàn)閉環(huán)控制。測量－反饋元件－檢測輸出實際值，形成反饋量比較－比較元件－比較反饋量與給定輸入，得到偏差執(zhí)行－執(zhí)行元件－產(chǎn)生控制作用，消除誤差二、控制系統(tǒng)的組成1、控制系統(tǒng)的組成方框圖控制器被控對象反饋元件擾動誤差偏差輸入輸出

給定元件：主要用于產(chǎn)生給定信號或輸入信號。

反饋元件：測量被控制量或輸出量xo，產(chǎn)生主反饋信號。將

其轉(zhuǎn)換成便于傳遞的物理量，反饋到比較環(huán)節(jié)。

比較元件：用來接收輸入信號并和反饋信號進行比較，產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號e=xi-xf。

放大元件：對較弱的偏差信號作功率放大，以推動執(zhí)行元件動作。

執(zhí)行元件：直接驅(qū)動被控對象按預(yù)定規(guī)律運動的元件。

校正元件：為改善系統(tǒng)控制性能而加入系統(tǒng)中的元件。2.控制系統(tǒng)的組成元件

1）控制對象：在控制理論和控制技術(shù)中，運動規(guī)律或狀態(tài)需要控制的裝置稱為控制對象或被控對象。2）控制器：被控對象以外的所有裝置，稱為控制器。3）輸入信號：又叫輸入量、控制量或給定量。一般輸入信號是指控制輸出量變化規(guī)律的信號。4）輸出信號：又叫輸出量、被控制量或被調(diào)節(jié)量。表征被控對象

運動規(guī)律或狀態(tài)的物理量。5）反饋信號：它是輸出信號經(jīng)過反饋元件變換后加到輸入端的信號。6）偏差：系統(tǒng)的輸入量與反饋量之差，即比較環(huán)節(jié)的輸出。7）誤差信號：指輸出量的實際值與希望值之差。8）擾動信號：又叫干擾信號。偶然的人為無法控制的信號。3.控制系統(tǒng)的基本概念和術(shù)語1、穩(wěn)定性(穩(wěn))tnNgtnNg穩(wěn)定性定義：系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向以及恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性

是保證控制系統(tǒng)正常工作的首要條件。線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件和初始狀態(tài)無關(guān)。若系統(tǒng)參數(shù)匹配不當可能引起振蕩。第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本要求

穩(wěn)定性（穩(wěn)）、準確性（準）、快速性（快）2、準確性(準)準確性是指控制系統(tǒng)的控制精度，一般用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。所謂穩(wěn)態(tài)誤差是指以一定變化的輸入信號作用于系統(tǒng)后，系統(tǒng)對抗干擾重新獲得平衡狀態(tài)時，輸出量的實際值與期望值之間的誤差。穩(wěn)態(tài)誤差＝輸出實際值－期望值<=2％－5％3、快速性(快)快速性是指當系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間產(chǎn)生偏差時，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度。用超調(diào)量、動態(tài)響應(yīng)時間等指標來衡量?？焖傩院玫南到y(tǒng)，消除偏差的過渡過程時間短，因而能復(fù)現(xiàn)快速變化的輸入信號，并具有較好的動態(tài)性能