机械控制工程学绪论

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,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,控制工程基础,实验课老师：王荣杰,办公室,:,工学院楼,470,、,444,任课教师： 苏亦白,办公室,:,工学院楼,467,本课程安排,教材,机械工程控制基础 杨叔子等编著,本课主要内容,自动控制的一般概念 （第一章）,控制系统的数学模型 （第二章）,线性系统的时域分析法 （第三章）,线性系统的频域分析法 （第四章）,线性系统的稳定性分析 （第五章）,线性系统的校正方法 （第六章）,1.0,控制理论,应用,(Application of Control Theofy),应用实例,1.,农业,生产领域,自动灌溉系统,植物温室温度和湿度自动控制系统,2,、,军事、航天,领域,火炮跟踪系统,我国神舟载人宇宙飞船,人造卫星,雷达跟踪系统,3,、,工业,领域,产品加工和物流调配的自动控制；石油化工生产过程、造纸、工业窑炉、轧钢过程的自动控制等。,宝钢冷轧带钢监测系统,机械手,4,、,商业,领域,商业,设备、仓储自动化设备与系统、物流监控,管理。,自动送货车,5,、日常生活,机器狗,电冰箱,空调,6,、交通,车速如何保持不变？,汽车巡航定速,手动控制与自动控制的比较,人工控制方式,测量实际液面的,高度,-,用眼,实际液面高度与希望液面高度,相比较,-,用脑,按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制,动作,-,用手,液,位控制系统,手动控制靠人的观测与操作,1.0.2,应用实例分析,图,1-1,水池液面控制系统,图,1-2,液面人工控制系统的方框图,自动控制,人工,控制中有三种职能作用：测量、比较和执行，而在自动控制系统中也必须有这三,种。,自动控制系统自动检测水位与控制阀门,自动控制,理论的发展历程,1,、 经典控制理论（,4050,年代形成）,主要研究对象：,单输入,单输出线性定常系统,主要分析方法,:,传递函数，频率法，,PID,调节器,(,频域,),主要,数学工具：常微分方程和复变函数。,自动控制是一门年轻的学科,它在,20,世纪,40,年代末才形成。,经典控制理论,现代控制理论,智能,控制理论,、现代控制理论（,6070,年代形成,）,主要,研究对象：多输入,多输出系统、时变系统,主要,分析方法,:,状态空间分析法，最优控制,所,用数学工具：微分方程、线性代数及数值计算。,3,、智能控制,技术（,90,年代开始发展,）,智能控制,方法在较深层次上模拟人类大脑的思维判断过程,，通过,模拟人类思维判断的各种算法实现控制,。,主要,有模糊控制、人工神经网络控制、专家控制等。,三种理论应用情况,经典理论：接近,90,现代理论：,10,智能理论：以内,由此可见，经典控制理论是基础，它非常有成效地解决单输入,单输出线性定常系统的分析与设计，是解决一般工程问题的基本方法。,一、工程控制论,研究的是当系统与输入已知时，求系统的输出，并通过输出来研究系统本身的有关问题，研究这一,系统及其输入、输出三者之间的动态关系。,课程,研究对象与任务,例,1,小车运动系统,mp,2,+cp+k,为方程左边的算子，它由系统本身的结构与参数所决定，反映了与外界无关的系统本身的固有特性。,1,为方程,的右边的算子，反映了系统与外界的关系。,令,p=d/dt,则,m-c-k,系统,f(t),y(t),二、机械工程控制的具体方法，已知系统的数学模型和输入，分析系统的输出，并根据分析计算结果对系统进行校正，以期达到较理想的输出状态。,三、本课是一门理论分析课，主要研究线性控制系统，所用数学工具主要是,线性微分方程,和,Laplace,变换,及,Foruier,变换,，前期,的基础知识,主要是,工程力学,和,电工学,。,1.3,反馈,工作台,步进电机,驱动电路,控制命令,移动量,（输入）,（输出）,丝杠,工作台,步进电机,驱动电路,控制命令,移动量,（输入）,（输出）,丝杠,放大器,工作台无反馈控制原理图,工作台有反馈控制原理图,例：数控,机床工作台的驱动系统,反馈,:,将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入,信号,比较的过程，称为反馈。,内,反馈,:,在系统中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。,外,反馈,:,在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加,入,的反馈，称为外反馈。,正反馈,:,反馈信号与输入信号相加，使偏差信号增大的反馈。,负反馈,:,反馈信号与输入信号相减，使偏差信号减小的反馈。,1,、按,反馈情况分,开环系统,：,一个系统以所需要的方框图表示而没有反馈回路。,、系统的几种分类,系统,分类及基本要求,开环控制的优缺点：,结构简单，所用元器件少；,系统没有抗扰动功能，,精度低，,因而大限制了系统的应用范围。,输入装置,电机转速开环控制系统,闭环系统,：一个系统以所需要的方框图表示而存在反馈回路。,闭环控制的优点：,设计不合理时，将出现,不稳定,。在开环控制系统中不存在同样的问题。,由此带来的问题：,抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好等。,电机转速闭环控制系统,2,、,按输出变化规律分,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。,随动（伺服）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。,（高射炮,跟踪敌机系统）,程序控制系统,：在外界条件作用下，系统的输出按预定的程序变化的系统。（数控机床）,3,、闭环控制系统组成,输入环节：它是给出输入信号,的环节，用于确定被控对象的“目标值”。,反馈环节：它用于测量被控变量，并将其转换为便于传送的另一物理量。,比较环节,：输入信号与反馈信号进行比较，得到,偏差信号,控制环节：对偏差信号进行放大运算，给出控制信号。,执行环节：接受控制信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。,闭环控制系统的特点,:,利用输入信号与反馈信号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行。,抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好等。,由此带来的问题：,设计不合理时，将出现,不稳定,。在开环控制系统中不存在同样的问题。,闭环控制系统的工作过程：,1.,测量被控制量的实际值；,2.,将实际值与给定值进行比较，求出偏差的大小与方向；,3.,根据偏差的大小与方向进行控制以纠正偏差。,1.5,对控制系统的基本要求,工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。,稳： 指动态过程的平稳性。,快： 指动态过程的快速性。,准： 指动态过程的最终精度。,1,、系统的,稳定性,：是控制系统正常工作的首要条件，且是重要条件。稳定性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。,系统在输入作用,下,，,期望,输出与输入一致。,曲线,逐渐接近输入，,系统,是稳定,的；反之,如,曲线,，,系统,是不稳定的。,2,、响应的,快速性,：当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。,快速性即动态过程进行的,时间长短,。过程时间越短，说明系统快速性越好,，,如曲线, ；,反之,说明系统响应迟钝，如曲线,。,3,、响应的,准确性,：在过渡过程结束后输出量与给定的输入量的偏差，称为静态偏差或稳定精度 。,以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。,稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。,Matlab,知识体系,(a),图工作原理：出水量与进水量一致，系统处于平衡状态，液位高度保持在给定值值。当出水量大于进水量，液位降低，浮子下沉，通过连杆使阀门开大，使得进水量增大，液位逐渐回升；当出水量小于进水量，液位升高，浮子上升，通过连杆使阀门关小，液位逐渐降低。,若将,(a),改为,(b),图，系统变成了正反馈，当出水量与进水量一致，液面高度为给定值。当出水量大于进水量，液位降低，浮子下沉，通过连杆使阀门关小，进水量越来越小，液面高度不能保持给定高度，同样当出水量小于进水量，浮子上浮，液位升高，使阀门开大，进水量增大，液位越来越高，不可能维持在给定高度,.,