机电工程控制基础绪论

,机电工程控制基础,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片文字樣式,第二層,第三層,41,机电工程控制基础,控制论,现代控制理论,“,机电工程控制基础,”,是控制论与机电工程技术理论之间的交叉学科，侧重介绍机械工程的控制原理，同时密切结合工程实际，是一门技术基础课程。,机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势,越来越广泛而深入地引入了控制理论。,是科学方法论之一，强调用系统的、反馈的、控制的方法来分析研究工程实际问题。,经典控制理论,数控机床、工业机器人、机床动态分析与测试、电气液压伺服系统,大学物理,理论力学,机电工程控制理论,电机与拖动,模拟电子技术,线性代数,高等数学,复变函数、,拉普拉斯变换,电路理论,信号与系统,机械原理,该课程与其它课程的关系，如下图所示：,机电工程控制基础,基础知识,工程应用,分析方法,基本概念,控制系统结构体系,控制系统数学模型,时域分析,频域分析,系统稳定性判据,系统性能指标,系统校正,课堂教学内容,1,绪论,2,控制系统的数学模型,(,除,2.2,、,2.5),3,系统的时间响应与快速性分析,(,除,3.5),4,稳态误差与准确性分析,5,控制系统的频域分析,6,控制系统的稳定性,7,系统的性能分析与校正,其它章节内容为课外自学内容,基础知识,教学用书,机电工程控制基础,吴炳胜主编 冶金工业出版社,教辅用书,自动控制原理,胡寿松,等编,国防工业出版社,机械工程控制基础,杨叔子、杨克冲等编著 华中科技大学出版社,第一章 绪论,1.1,概述,1.2,自动控制系统的基本概念,1.3,对控制系统的基本要求,1.4,自动控制简史,1.5,控制工程实践,1.6,本课程的特点与学习方法,自动控制技术及理论已经广泛应用于机械、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应堆等各个领域。,自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。,在机电工程问题上，机械、电气、液压和计算机被广泛采用，而且常常互相渗透、相互配合，这就需要结合机电液系统阐述工程上共同遵循的基本控制规律，即,“,机电工程控制基础,”,。,控制论概述,控制论是关于控制原理与控制方法的学科，它研究事物变化和发展的一般规律。,“,控制论,”,的两个核心是信息论和反馈控制。,首先创立控制论学科的是美国的数学家、信息理论家,(Norbert Wiener),诺伯特,维纳，他于,1948,年发表了,“,控制论,”,。,1954,年我国科学家钱学森出版专著,工程控制论,(,英文版,),，首先把控制论推广到工程技术领域。,控制论,经济学,社会学,生物学,工程技术,经济控制论,社会控制论,生物控制论,工程控制论,机械工程,机械工程控制论,控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。,（机电工程控制论）,自动控制技术应用于军事、航天领域,火炮、雷达、跟踪系统； 人造卫星；宇宙飞船。,自动控制技术应用于工业生产过程,轧钢；工业窑炉；石油化工；水泥建材；玻璃、造纸等,自动控制技术应用于现代农业生产,自动灌溉；农产品质量检测等。,自动控制技术应用于其他领域,生物：人口控制，药物动力学,金融：货币控制,家庭：电饭煲，洗衣机，空调，冰箱,例,.,钢铁轧制,:,轧出厚度一致的高精度铁板存在温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。,举例：智能楼宇的控制,可视对讲、室内报警、远程家电控制,.,在日常生活中,道路交通的应用,车牌自动识别,勇气号火星探测器（美国）,机械工程控制论,研究机械工程技术中广义,系统,的,动力学,问题,研究的,对象,：系统（广义系统）,研究的,任务,：动力学问题,研究的,领域,：机械工程领域,1,、系统,按一定规律联系在一起的元素的集合。,系统的要素,元素,元素之间的联系,系统与外界的交互作用,外界对系统的作用,系统对外界的作用,输入,(,激励,),、,干扰,(,扰动,),输出,(,响应,),机械工程中的广义,系统：元件、部件、仪器、设备；加工过程、操作设备、测量；车间、部门、工厂、企业、企业集团、全球制造行业等,2,、动力学问题,:,系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。,这一过程中，,系统,及其,输入,、,输出,三者之间的,动态关系,即为系统的,动力学问题,。,系统的输入与系统的固有特性已知，如何影响输出？,2.,系统确定并已知时，对系统施加何种输入，能使系统实现预期的响应（即输出,y,(,t,),）？,3.,对于确定的输入输出，系统应具有什么特性， 才能使系统实现预期的响应？,求输出,求输入,求系统,(,结构参数,),基本的动力学问题,3,、（数学）模型,定义：研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种工具。,种类：实物模型、物理模型和数学模型等。,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；,在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。,微分方程或差分方程来描述,动态模型是描述系统的动态历程的，机械工程控制论研究的是机械工程技术中广义系统的动力学问题，所以往往需要采用动态数学模型，即需要建立微分方程或差分方程来描述系统的动态特性。,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；,代数公式描述,控制,：对对象施加某种操作，使其产生所预期的行为,。,自动控制,：该操作由控制装置自动完成，无须人直接参与,。,即，在人不直接参与的情况下，通过控制器使被控对象（如机器设备、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）。,学习机电工程控制基础要解决两个问题：,1,、如何分析某个给定控制系统的,工作原理、稳定性、过渡品质,；,2,、如何根据实际需要来,进行控制系统的设计,，并用机电液光等设备来实现这一设计系统。,例,手动控制：,观测实际水位，将实际水位与要求的水位值相比较，得出两者偏差。,根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。,被控对象？,被控量？,例 改进,自动控制：,Q,2,变大,H,减小，浮子下降,杠杆倾斜,阀门开大,Q,1,变大,Q,1,=Q,2,，液面重新稳定。,Q,2,变小,H,变大，浮子上升,杠杆倾斜,阀门关小,Q,1,变小,Q,1,=Q,2,，液面重新稳定。,缺点：出水量越多，水位就越低，,偏离期望值就越远，误差越大。控,制的结果，总存在着一定的误差值。,例,再改进,自动控制,：,当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要,求,值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。,当实际水位高于,要求水位呢？,该系统在运行时，无论何种干扰引起水位的偏差，系统都要,进行调节，最终总是使实际水位等于期望值，大大提高了控,制精度。,控制原理：,如果负载变化使,增大，,离心机构滑套上移,液压滑阀上移，动力活塞下移，油门关小，,减小,直到滑阀回复到中位，,回到设定值,通过离心机构检测系统的实际输出值，并与设定值进行比较，反过来作用于系统，形成反馈，进而调节系统的输出。,发动机离心调速系统结构原理简图,例：发动机离心调速系统,反馈,反馈是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念,反馈的定义：,系统的输出通过适当的测量装置全部或部分地返回到输入端，并与输入共同作用于系统的过程。,反馈量与输入量的比较结果叫,偏差,。,基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的原理又称为,反馈控制,原理。,利用此原理组成的系统称为,反馈控制系统,。它具备测量、比较和执行三个基本功能。,反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。,例：发动机离心调速系统,被控对象：,发动机,被控量：,转速,控制信息传递与反馈：,转速,离心机构,(,检测或感知）,偏差,杠杆,液压比例控制器,油门,表示系统结构与工作原理的物理框图：,离心调速系统控制方框图,比较,控制器,检测,被控对象,执行,运算放大,控制部分,被控部分,反馈控制方式的,优点,：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起的变动。,计算比较,给定值,E,执行,被控对象,干扰,被控量,测量,反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为,负反馈,，反之称为,正反馈,。,自动控制系统的一般组成形式,被控对象,r,(,t,),u,(,t,),c,(,t,),反馈环节,e,(,t,),给定环节,b,(,t,),放大元件,执行元件,串联校正,并联校正,比较环节,扰动,控制器,被控对象,r,(,t,),u,(,t,),c,(,t,),反馈环节,e,(,t,),给定环节,b,(,t,),比较环节,扰动,自动控制系统,被控对象,给定环节,比较环节,反馈环节,控制器,校正环节,执行环节,放大环节,并联校正,串联校正,输入信号,输出信号,反馈信号,偏差信号,误差信号,扰动信号,控制器,被控对象,r,(,t,),u,(,t,),c,(,t,),反馈环节,e,(,t,),给定环节,b,(,t,),比较环节,扰动,输入信号,:,（输入量、控制量、给定量）是指控制输出量,变化规律的信号；,输出信号,：,（输出量、被控制量、被调节量）输出是输入,的结果，它的变化规律通过控制应与输入信号,之间保持有确定的关系；,反馈信号,：,输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号称,反馈信号；,偏差信号,：,输入信号与主反馈信号之差；,误差信号,：,输出量实际值与希望值之差；,扰动信号,：,偶然的无法加以人为控制的信号；,控制系统的几种分类：,1.,按反馈情况分,开环控制系统,闭环控制系统,:,系统没有反馈回路。输出对系统没有控制作。,:,系统有反馈回路。输出对系统有控制作用。,开环系统,闭环系统,优点：构造简单，成本低。,缺点：无抗干扰能力，不能自动纠偏，控制精度较低。,优点：抗干扰能力强，稳态精度高，动态精度好,。,缺点：构造复杂，设计与制造较困难，成本较高。,如：步进电机驱动的数控机床,开环控制系统,、普通洗衣机,、微波炉,步进电机驱动的数控机床原理图,步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图,如：伺服电机驱动的数控机床,、离心调速系统,、恒温箱,(,冰箱、空调,),伺服电机驱动的数控机床原理图,伺服驱动的数控机床闭环控制系统方框图,闭环控制系统,如全自动洗衣机，既有开环控制，有用闭环控制。,2.,按给定量的运动规律分,如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。,程序控制系统,输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。,如：数控加工系统。,随动系统（伺服系统）,输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。,恒值控制系统,系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。,如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。,3,、,按系统中传递信号的性质,连续控制系统,系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。,离散（数字）控制系统,系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。,4,、,按数学模型分,线性系统,由线性元件组成，输入输出间具有叠加性和均匀性性质，以线性微分方程来表述。,非线性系统,系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。用非线性微分方程来表述。,4.,按时间概念分,：,5.,按控制量分：,定常系统,时变系统,位移控制系统,温度控制系统,速度控制系统,对控制系统的基本要求：,稳、快、准,控制系统的性能评价指标,系统的稳定性：,系统的快速性：,系统的准确性：,指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。这是系统正常工作的首要条件。,在系统稳定的前提下，当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。,调整过程结束后，输出量与给定的输入量之间的偏差。,以电梯为例说明,不同性质的控制系统，对稳定性、快速性和准确性的要求各有侧重。,在同一个控制系统中，稳定性、快速性、准确性相互制约，应根据实际需求合理选择。,如自动调节系统对稳定性要求较高。,如随动系统对响应快速性要求较高。,如数控机床对定位精度要求高。,注意：,本章教学大纲,1,、,了解机械,(,电,),工程控制论的基本概念、研究对象与任务；,2,、,掌握系统、模型、反馈、偏差等基本概念；,3,、,掌握反馈控制系统工作原理的分析；,4,、,掌握控制系统的组成、分类及基本性能要求。,教学重点：反馈的基本概念、自动控制系统工作原理分析,Thanks 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