第一章机械工程控制论

1、自动控制原理教师: 谢军龙电话:mail: 能源学院制冷及低温工程系上课教材v机械工程控制基础（第6版）杨叔子等华中科技大学出版社v参考书自动控制原理（第四版）v胡寿松v科学出版社过程计算机控制v王锦标等v清华大学出版社第一章 绪论v1.1 机械工程控制论的研究对象与任务v1.2 系统及模型v1.3 反馈及其模型v1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求v1.5 机械制造的发展与控制理论的应用v1.6 控制理论发展的简单回顾v1.7 本课程的特点与学习方法1.1 机械工程控制论的研究对象与任务v工程控制论是研究工程技术中广义系统的动力学问题。它研究的是工程技术中的广义

2、系统在一定的外界条件（即输入或激励，包括外加控制与外加干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性（即由系统的结构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程；研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。质量-阻尼-弹簧单自由度系统m - 质量c - 粘性阻尼系数k - 弹簧刚度f(t)-外力y(t)-位移x(t)-支座位移令 p=d/dt研究的问题v 第一类 理论力学动力学当系统（即m,c,k)与输入f(t),x(t)已知时， 求输出y (t)。v第二类当系统（即m,c,k)与输出y(t)已知时，求输入f(t),x(t)；v第三类当系统的输入f(t),x(t)与输出y(

3、t)已知时求系统的m,c,k。线性系统的微分方程v初始输入（初始激励）系统的初始状态，即系统在受外界作用前的初始状态初始状态为零指系统处于平衡状态广义系统系统输入输出控制论研究内容v (1)系统分析问题当系统已定、输入（或激励）已知时，求出系统的输出（或响应），并通过输出来研究系统本身的有关问题v (2 )最优控制问题当系统已定时，确定输入，且所确定的输入应使得输出尽可能符合给定的最佳要求v (3 )最优设计问题当输入已知时，确定系统，且所确定的系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求v (4 )滤波与预测问题当输出已知时，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息v(5)系统识别或系统辨识问题当输

4、入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即建立系统的数学模型1.2 系统及其模型v一、系统v二、机械系统v三、静态模型和动态模型一、系统v1系统由相互联系、相互作用的若干部分构成，而且有一定的目的或一定的运动规律的一个整体。v2元件与子系统 组成系统的各个部分，可以是元件或下一级的子系统v3系统不能看成是组成它的元件或子系统的特性的简单总和。二、机械系统v以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统v机械系统的输入- “激励”如作用在系统上的力，即载荷等v机械系统的输出-“响应”一般是系统的变形或位移v控制一个系统的激励，如果是人为地、有意识地加上去

5、的，往往又称为“控制”。v扰动如果是偶然因素产生的，无法加以人为控制，则称为“扰动”。三、静态模型和动态模型v模型人们研究系统、认识系统与描述系统的一种工具。v数学模型是指一种用数学方法描述的抽象的理论模型，用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与其外部环境之间的关系力学定律v牛顿运动定律dtdxmdtdvmmaF)()(txmtvmmaF 机器与隔振垫模型阻尼器v 静态模型反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统平衡状态下的特性；v动态模型用于研究系统在迅变载荷作用下或在系统不平衡状态下的特性。v比较与区别这两类模型有很大不同，后者在形式上比前者要复杂得多，内涵要丰富得多。静态模型的系统现

6、时输出仅由其现时输入所决定，而动态模型的系统现时输出则是由其以前的输入的历史决定的。静态模型一般以代数公式描述，而动态模型则需要以微分方程，或其离散形式差分方程来描述。1.3 反 馈v 反馈是工程控制论中一个最基本、最重要的概念，是工程系统的动态模型或许多动态系统的一大特点。v系统的反馈一个系统的输出，部分或全部地被反过来用于控制系统的输入，称为系统的反馈。v系统有动态历程（即系统及其输入、输出之间有动态关系）就是由于系统本身有着信息的反馈。 一、机械工程中的反馈控制v1数控机床工作台的驱动系统开环系统闭环系统2.薄膜反馈式径向静压轴承。3.热力系统的例子热力系统的人工反馈控制蒸蒸 汽汽冷 水

7、热 水温 度 计图 1-1 热 力 系 统 的 人 工 反 馈 控 制排排水水二、机械系统的内在反馈v机械系统中广泛地存在着各种自然形成的反馈，称为“内在反馈”。v内在反馈反映系统内部各参数之间互为因果的内在联系关系，这对系统的动态性能有非常重要的影响，而且往往很难加以控制。v分析和处理系统中的内反馈问题，往往成为机械系统动态特性研究中的关键问题。质量-阻尼-弹簧单自由度系统（1）质量-阻尼-弹簧单自由度系统（2）微分方程v微分方程中输出函数及其导函数项之间的关系就是系统状态变量间的反馈关系。状态方程v令微分方程改写为矩阵形式Y=AY+BF小节v反馈是工程控制论中一个具有关键作用的概念，也可以

8、说，它是研究广义系统v动力学的基本立足点。v控制论的中心思想就是“反馈控制”1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求v一、系统的分类v二、控制系统的基本要求一、系统的分类（续）v1.按反馈情况分 (1）开环系统v当一个系统以所需的方框图表示而没有反馈回路时，称之为开环系统。一、系统的分类（续）v (2）闭环系统当一个系统以所需的方框图表示而存在反馈回路时，称之为闭环系统。一、系统的分类（续）v2.按输出变化规律分v (1）自动调节系统在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保持为常量的系统。一、系统的分类（续）v(2）随动系统在外界条件作用下，系统的输出能相应于输入在广阔范围内按任意规律变化的系统

9、。v(3)程序控制系统在外界条件作用下，系统的输出按预定程序变化的系统。闭环自动控制系统v主要由控制部分和被控部分组成。v控制部分的功能接受指令信号和被控部分的反馈信号，并对被控部分发出控制信号。v被控部分的功能接受控制信号、发出反馈信号，并在控制信号的作用下实现被控运动。控控制制器器对对象象或或过过程程测测量量元元件件 输入量输出量闭环控制系统的控制部分组成环节v 给定环节是给出输入信号的环节用于确定被控对象的“目标值”（或称给定值）给定环节可以用各种形式（电量、非电量、数字量、模拟量等）发出信号。v例如，数控机床进给系统的输入装置就是给定环节。闭环控制系统的控制部分组成环节v 测量环节它用

10、于测量被控变量，并将被控变量转换为便于传送的另一物理量（一般为电量）v例如，用电位计将机械转角转换为电压信号，用测速电机将转速转换成电压信号，用光栅测量装置将直线位移转换成数字信号等。测量环节是非电量的电测量环节。v比较环节在这个环节中，输入信号xi与测量环节发出来的有关被控变量xo的反馈量xb相比较，并得到一个小功率的偏差信号, =xi-xb。如幅值比较，相位比较，位移比较等。偏差信号是比较环节的输出。闭环控制系统的控制部分组成环节v放大及运算环节为了实现控制，要将偏差信号作必要的校正，然后进行功率放大，以便推动执行环节。常用的放大类型有电流放大、电气一液压放大等。v 执行环节接收放大环节送

11、来的控制信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。执行环节一般是一个有源的功率放大装置，工作中要进行能量转换。例如，把电能通过直流电机转换成机械能，驱动被控对象作机械运动。给定环节比较环节xi+-xo放大运算环节执行环节被控对象测量环节xb反馈系统组成控制部分小节v给定环节、测量环节、比较环节、校正放大环节和执行环节一起，组成了控制系统的控制部分v目的对被控对象（即被控部分）实现控制。闭环自动控制系统的特点v反馈作用v利用输入信息与反馈至输入处的信息之间的偏差对系统的输出进行控制，使被控对象按一定的规律运动。v反馈作用就是力图减小反馈信息与输入信息之间的偏差，以期尽可能获得所希望的输出。因为只要偏

12、差存在，系统的输出就要受到偏差的校正。偏差越大，校正作用越强；偏差越小，校正作用越弱，直至偏差趋向最小。 二、对控制系统的基本要求v稳定性、快速性和准确性v(1)系统的稳定性由于系统存在着惯性，当系统的各个参数分配不当时，将会引起系统的振荡而失去工作能力。稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。输出量偏离平衡状态后应该随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性的要求是系统工作的首要条件。 二、对控制系统的基本要求v(2)响应的快速性是在系统稳定的前提下提出的。是指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。v(3)响应的准确性指在调整过程结束后输出

13、量与给定的输入量之间的偏差，或称为静态精度衡量系统工作性能的重要指标v由于被控对象的具体情况不同，各种系统对稳、快、准的要求各有侧重。随动系统对响应快速性要求较高自动调整系统对稳定性提出较严格的要求。基本术语v自动控制v对象 v过程 v系统 v扰动 v反馈控制v反馈控制系统 v随动系统 v自动调整系统 v过程控制系统7反馈反馈 随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系统是同义语。在现代工业中，广泛采用着随动系统。10 过程控制过程控制 在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分

14、比例等方面的控制，称为过程控制。1.5 机械制造的发展与控制理论的应用v一、机械制造的发展人劳动工具材料微电子技术现代制造v计算机集成制造系统(CIMS)v网络化制造v智能制造系统(IMS)二、控制理论应用的主要方面v(1)在机械制造过程自动化v(2)在对加工过程的研究方面v(3)在产品与设备的设计方面v(4)在动态过程或参数的测试方面1.6 控制理论发展的简单回顾v一、我国古代水运仪象台指南车v二、控制理论的形成及其发展经典控制理论现代控制理论历史的回顾v18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。v1922年，Minorsky研制出船舶

15、操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。v1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。v1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。v19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。v19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。v19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。v从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。v从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H控制及其相关课题。v古典控制理论 以传递函数为基础研究