机电控制工程基础（第一章）

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,机电控制工程基础,多媒体教学课件,指导老师,：,学 生,：,机电控制工程基础,第一章 绪论,第一节 控制系统的工作原理及其组成,一、概述,自动控制就是在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定的规律变化或运行。,例如 人造卫星按指定的轨道运行并始终保持正确的姿态，使它的太阳能电池一直朝向太阳，无线电天线一直指向地球；,现代数字计算机迅速的发展，为自动控制技术的应用开辟了广阔的前景，使自动控制技术不仅大量应用于空间技术、科技、工业、交通管理、环境卫生等领域，而且自动控制的概念和分析问题的方法也向其它领域渗透。,例如 政治、经济等领域的各种体系；,自然界中的各种生物学系统。,生物系统 研究两种细菌的竞争，个数分别为,X1,和,X2,控制输入量 化学药品的量,要求： 在给定的时间内，如何使,X1,达到最少，而同时使,X2,达到尽可能大的数量。,电网的电压和频率自动地维持不变；,金属切削机床的速度在电网电压或负载发生变化时，能自动保持近似地不变。,我们所见到的自动控制系统，其功用及其组成是多种多样的，结构有简有繁，它可以是只控制一个物理量（如 温度、压力、电压）的简单系统；也可以是一个具体的工程系统，也可以是抽象的社会系统、生态系统或经济系统等。,自动控制技术的广泛应用不仅能使生产设备或过程实现自动化，极大地提高劳动生产率和产品的质量，改善劳动条件，而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术和改善人民生活条件等方面都起着极其重要的作用。,自动控制是一门必不可少的科学技术。,二、控制系统工作原理,以恒温控制系统为例，分析其控制过程。,人工控制,实现恒温控制,自动控制,图,1-1,人工控制的恒温箱,动态过程,观测恒温箱内的温度（被控制量）,与要求的温度（给定值）进行比较得到温度偏差的大小和方向,根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。,实质,检测偏差再纠正偏差,。,1.,人工控制恒温箱,1,2,3,Part 1.2.1,控制系统的工作原理,人工调节的过程可以归结为：,1,）,观察由测量元件（温度计,),测出的恒温箱的温度（被控量）；,2,）,与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏差的大小和方向；,3,）,根据偏差的大小和方向进行控制。移动调压器，使电流减小（或增大）从而使温度降低（或升高），使温度达到给定值为止。,图,1-2,恒温箱的自动控制系统,给定值（要求的温度）,由给定信号电压 控制,测量元件,热电偶，把温度转换成对应的电压,信号,放大元件,电压、功率放大器,执行元件,执行电动机,受控对象,恒温箱,被控量,恒温箱的温度,干扰,工件、环境温度等,偏差信号,当温度偏低时， 经放大器放大 执行电动机转动 减速器、调压器动触头移动 电流加大 温度升高 温度达到给定值,温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差,u=0,电机停止转动。,动态过程,2.,恒温箱自动控制系统,恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压,u,2,恒温箱期望温度由电压,u,1,给定，并与实际温度,u,2,比较得到温度偏差信号,u=u,1,-u,2,比较自动控制系统和人工控制系统,测量装置 人的眼睛,控制器 人脑,执行机构 人手,共同的特点：检测偏差，并用检测到的偏差去纠正偏差，偏差是通过反馈建立起来的。,反馈,输出量的返回过程,表示输出量通过测量装置将信号的全部或部分返回输出端，使之与输入量进行比较，比较产生的结果称为偏差。,在人工控制中，这一偏差是通过人眼观测后，由人脑判断、决策得出的；,在自动控制系统中，偏差则是通过反馈，由控制器进行比较、计算产生的。,控制系统的工作原理：,1,） 检测输出量的实际量；,2,） 将实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差值；,3,） 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。,这种基于反馈原理，通过“检测偏差再纠正偏差”的系统称为反馈控制系统。控制系统的控制过程可以用系统的职能框图清晰而形象地表示。,图,1-3,恒温箱温度自动控制系统职能方块图,系统原理方块图,实质,检测偏差,纠正偏差,综上所述,控制系统的工作原理：,检测输出量（被控制量）的实际值；,将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；,用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。,常用术语,1.,受控对象,被操纵的机器、设备,2.,控制装置,对受控对象起控制作用的设备总体,被控量（输出量）,在工作过程中需要加以控制,的物理量,4.,输入量（给定值）,控制输出量变化规律的信号,5.,扰动,除控制信号外，一切对系统输出量产生影响的因素,6.,自动控制,在没有人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受 控对象，使被控量等于希望值。,三、开环控制与闭环控制,1.,开环控制,如果系统的输出量没有与其输入量相比较，即系统的输出与输入量间不存在反馈通道，这种控制方式叫做开环控制。,开环控制系统,特点：结构简单，所用的元器件少、成本低，系统一,般也容易稳定，但对工作过程中受到的扰动或,特性参数的变化无法自动补偿。,应用：多用于系统结构参数稳定和干扰较小的场合。,如自动化流水线、自动洗衣机,1.,闭环控制（又称反馈控制）,反馈,输出量回输到输入端并与给定值（输入量）,比较的过程。,无论是由干扰造成的，还是由结构参数的变化引起的，只要输出量出现偏差，系统就自行纠偏。,控制信号沿前向通道和反馈通道闭路传送，故称闭环控制或反馈控制。,特点：,1,）能实现高精度控制,2,）输出量可能有较大的波动，严重时会使系,统无法工作,因系统按偏差调节，有时间延迟，输出量的偏离不能立即得到修正，有可能使输出量处于振荡状态，如果系统参数选择不当，不仅不能修正偏离，反而会使偏离越来越大，系统无法工作。,应用：反馈控制是最基本的控制方式，在工程获得广,泛应用。,四、闭环控制系统的组成,图,1-4,闭环控制系统的组成,1,）给定元件,产生给定信号或输入信号,例如图,1-2,中电位计里的可变电阻,2,）反馈元件,产生与输出量有一定函数关系的反,馈信号，例如图,1-2,中的热电偶,反,馈元件一般为检测元件,3,）比较元件,用来比较输入信号与反馈信号之间,的差值得到偏差信号，例如图,1-2,中电位计中差接的比较电路,4,）放大元件,对偏差信号进行放大的元件。放大,元件的输出一定要有足够的能量，,才能驱动执行元 件，实现控制功能,例如 电压放大器,功率放大器,5,）执行元件,直接对受控对象进行操作的元件,例如 伺服电动机、液压（气）马达,伺服液压（气）缸,6,）校正元件,为保证控制质量，使系统获得良好,的动、静态性能而加入系统的元件,串联校正：串接在系统前向通道上,反馈校正：接在系统的局部反馈通道中,第二节 对控制系统的基本要求,控制系统应用于不同场合，对它有不同的性能要求。但从控制工程的角度来看，对控制系统却有一些共同的要求，一般可归结为稳、快、准。,1.,稳定性,实际中，由于机械部分惯性、阻尼的存在、电路中电感、电容的存在、能源功率的限制，运动部件的加速度不会很大，速度和位移不会瞬时变化，而要经历一段时间，需要一个过程。,动态过程（过渡过程）,系统受到外加信号作,用后，输出量随时间,t,变化的,全过程。,一种过渡过程是收敛的，即过渡过程结束后，系统又趋于平衡状态，这类系统称为稳定的；,另一种过渡过程是发散的，这类系统称为不稳定的；等幅振荡也被认为是不稳定的。,显然，系统稳定是保证系统能正常工作的首要条件。,2.,快速性,指动态过程进行的时间长短。,稳和快反应了系统在控制过程中的性能,既快又稳，则过程中输出量偏离希望值小，偏离的时间短，系统的动态精度就高。,要求系统具有有一定的响应速度,3.,准确性,过渡过程结束后，输出量的希望值与实际值之差。,数控机床的加工误差小于,0.02,mm,。,一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值的,1%,以内。,同一个系统，稳、快、准是相互制约的。,提高快速性，可能会引起系统强烈振动。,改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚至精度也会变差。,分析和解决这些矛盾，将是本学科讨论的重要内容。,第三节 控制系统的基本类型,可以从不同角度对控制系统进行分类：,按信号传递路径，可分为开环、闭环控制系统,按输入量的特征，可分为恒值控制系统、程序控制系,统和伺服系统,按系统中传递信号的性质，可分为连续控制系统、离,散控制系统,根据对系统描述方法的不同可分为线性控制系统、非,线性控制系统,根据系统部件的类型可分为机电控制系统、液压控制,系统、气压控制系统,一,.,按输入量的特征,1.,恒值控制系统,系统输入量为常值,系统的基本任务是当出现扰动时，使系统的输出,量保持为恒定的希望值,工业产生中的温度、压力、流量、液面等参数,的控制电力系统的电网电压、频率控制等,2.,程序控制系统,系统输入量按预定规律变化，系统的控制过程,按预定的程序进行。,数控机床按预定程序自动地切削工件。,石油化学工业中的反应塔。,3.,伺服系统又称随动系统,系统输入量随时间任意变化。,系统输出量常是机械位移、速度、加速度、力、,力矩等机械量。,系统的基本任务是使系统输出量能快速、准确地,跟随输入量变化。,机械加工中的仿形机床。,武器装备中的火炮自动瞄准系统、雷达跟踪系,统、导弹目标自动跟踪系统,直流随动系统的原理图,直流随动系统职能方块图,图示是一个位置随动系统。该系统是用一对电位器作为位置的检测元件，它们分别把系统的输入与输出的位置信号转换成与之成比例的电信号，并进行比较。当发送电位器和接收电位器的转角相等时，则,U,r,=,U,c,，,U,e,=U,D,=,0,电动机处于静止状态。若使发送电位器的动臂按逆时针方向增加一个角度,r,，,此时由于,U,r,大于,U,c,而产生一个相应极性的误差电压,U,e,，,经放大器放大后供电给直流电动机，使之带动负载和接收电位器的动臂一起旋转，一直到,r,= ,c,为止。,二、连续控制系统和离散控制系统,控制系统中各部分的信号若都是时间,t,的连续函数，则称这类系统为连续控制系统。,在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间,t,的离散信号，则称这种系统为离散控制系统。,脉冲和数码都属于离散信号。,计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统。,计算机只能接受和处理数字信号，计算机的输出经,D/A,转换加给放大器，然后再去驱动执行元件，或由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后驱动数字式执行元件。,三、线性控制系统和非线性控制系统,可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线性系统。,如果微分方程或差分方程的系数为常数，则称为线性定常系统；否则，称为线性时变系统。,用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。,第四节 控制工程发展概况,控制工程是一门新型的技术科学，也是一门边缘科学。,早在一千多年以前，我国就先后发明了铜壶滴漏计时器、指南针以及天文仪器等多种自动控制装置，这些发明促进了当时社会经济的发展。即使从,1788,年瓦特（,J.Watt),发明蒸汽机飞球调速器算起，控制工程也有了二百多年的历史。然而，控制工程作为一门科学，它的形成并迅速发展却是最近五六十年的事。,二次世界大战，控制系统的设计因缺乏系统的理论指导而多采用试凑法。,二次大战期间，由于建造飞机自动驾驶仪、雷达跟踪系统、火炮瞄准系统等军事装备的需要，推动了控制理论的飞跃发展。,1948,年威纳（,N.Wiener),发表了著名的,控制论,，从而基本上形成了经典控制理论，使控制工程有了扎实的理论支撑。,二次世界大战后，控制理论扩展到民用，在化工、炼油、冶金等工业部门得到了进一步的应用，控制理论也日渐成熟。,1954,年，我国科学家钱学森发表了,工程控制论,这一名著，为控制工程这门科学技术奠定了理论基础。,经典控制理论：以传递函数为基础，研究单输,入、单输出系统的分析和控制,问题。,现代控制理论：以状态空间法为基础，研究多,输入、多输出、时变、非线性,等系统的最优控制问题。,20,世纪,50,年代末和,60,年代，控制工程又出现了一个迅猛发展时期，这时由于导弹制导、数控技术、空间技术发展需要和计算机技术的成熟，控制理论发展到了一个新的阶段，产生了现代控制理论。特别是近十几年来，在计算机技术和现代应用数学高速发展的推动下，现代控制理论在最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等方面又有重大进展。,经典控制理论：以传递函数为基础，研究单输,入、单输出系统的分析和控制,问题。,现代控制理论：以状态空间法为基础，研究多,输入、多输出、时变、非线性,等系统的最优控制问题。,现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹,(,发射，操纵，指导及跟踪,),，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现,现代控制（,1950-Now,）,美国,MIT,的,Servomechanism Laboratory,研制出,第一台数控机床,(1952),美国,George,Devol,研制出第一台,工业机器人样机,(1954),，两年后,，,被称为机器人之父的,Joseph,Engelberger,创立了第一家机器人公司,，,Unimation,。,美国的,M. E. Merchant,提出,计算机集成制造,的概念,(1969),日本,Fanuc,公司研制出由加工中心和工业机器人组成的,柔性制造,单元,(1976),中国批准,863,高技术计划,，,包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题,(1986,),。,日本,SONY,公司二足步行机械人,SDR-4X,(2002),日本安川公司娱乐机械狗,(2001),世界第一颗人造地球卫星,(Sputnik),由苏联发射成功,(1957),苏联,东方,-号,飞船,载着加加林,进入人造地球卫星轨道,，,人类宇航时代开始,了,(1961),。,苏联发射,“,月球,”,9,号探测器,，,首次在月面软着陆成功,(1966),，三年后,(1969),，美国,“,阿波罗,”,11,号把宇航员,N. A. Armstrong,送上月球。,第一台火星探测器,Sojourner,在火星表面软着陆,(1996),旅行者,Voyager,一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索。,