机械工程控制基础1-绪论.优秀PPT.ppt

0主讲人：张燕主讲人：张燕 Tel：机械类专业必修课机械类专业必修课机械工程控制基础机械工程控制基础1教学内容教学内容1 1、课程准备、课程准备2 2、绪、绪 论论4 4、系统的时间响应分析、系统的时间响应分析3 3、系统的数学模型、系统的数学模型5 5、系统的频率特性分析、系统的频率特性分析6 6、系统的稳定性分析、系统的稳定性分析2课程性质和特点课程性质和特点 本课程是机械类专业重要的技术基础课，主要介绍本课程是机械类专业重要的技术基础课，主要介绍应用现代机、电、液技术构成机电液一体化系统的理应用现代机、电、液技术构成机电液一体化系统的理论与设计方法。涉及的基础学问有工程数学、理论力论与设计方法。涉及的基础学问有工程数学、理论力学、机械设计、电工与电子技术和液压传动技术等，学、机械设计、电工与电子技术和液压传动技术等，因此要求同学们在学习本课程时应能够常常回顾上述因此要求同学们在学习本课程时应能够常常回顾上述课程的有关内容，达到温故而知新的目的。课程的有关内容，达到温故而知新的目的。机械限制工程基础是一门技术学科，从方法论机械限制工程基础是一门技术学科，从方法论的角度来探讨系统的建立、分析与设计，机械限制的角度来探讨系统的建立、分析与设计，机械限制工程基础是本学科的技术基础课。工程基础是本学科的技术基础课。课程简介3课程任务课程任务 讲解并描述经典限制理论的基本概念、理论和讲解并描述经典限制理论的基本概念、理论和分析方法。本课程的主要学习内容包括：绪论，积分分析方法。本课程的主要学习内容包括：绪论，积分变换，系统的数学模型，时间响应分析，频率特性分变换，系统的数学模型，时间响应分析，频率特性分析，系统的稳定性分析和系统的性能指标与校正等，析，系统的稳定性分析和系统的性能指标与校正等，属于经典限制论的基本学问。属于经典限制论的基本学问。学习目的学习目的 本课程的学习目的是：使学生逐步学会运用本课程的学习目的是：使学生逐步学会运用“系统和动态系统和动态”的观点，以及接受限制理论的方法解的观点，以及接受限制理论的方法解决机械工程中的实际技术问题。决机械工程中的实际技术问题。4基本要求1.驾驭经典限制理论的基本概念、基本理论与基本方法；2.能够应用分析法建立简洁动力学系统的数学模型；3.能够应用经典限制论分析线性定常系统的动态特性，基本驾驭线性定常系统性能校正的方法；4.对于线性系统的时域和频域分析、稳定性分析和性能指标有比较深化的理解。5机械工程控制课程大纲：机械工程控制课程大纲：系统系统机械系统机械系统电器系统电器系统液压、气动系统液压、气动系统热力系统热力系统牛顿定律牛顿定律理论力学理论力学欧姆定律、克希夫定律欧姆定律、克希夫定律电工学电工学液压与气动液压与气动拉氏变换拉氏变换理论分析理论分析传递函数传递函数微分方程微分方程2 2补充补充时间响应分析时间响应分析3 3（时域分析）（时域分析）频率特性分析频率特性分析4 4（频域分析）（频域分析）系统的稳定性系统的稳定性 5 5系统性能指标与校正系统性能指标与校正6 6分析系统特性分析系统特性系统系统输入输入输出输出稳、快、准稳、快、准实验数据实验数据系统辨识初步系统辨识初步9 9数学模型数学模型6本课程与其它课程的关系：本课程与其它课程的关系：机械控制工程基础机械控制工程基础电路电路大学物大学物理理电机学电机学复变函数复变函数与积分变换与积分变换模拟电子技模拟电子技术术线性代线性代数数高等数学高等数学各各 类类专业专业课课线性系线性系统统现代控现代控制理制理论论7主要参考资料1.机械工程限制基础（第五版）杨叔子等编著 华中科技高校出版社 2005年7月2.自动限制原理 卢京潮主编 西北工业高校出版社 2009年3.机械限制工程基础 朱骥北 机械工业出版社 2002年1月4.限制工程基础 张伯鹏主编 清华高校出版社 2000年6月 5.自动限制理论（第三版）李友善主编 国防工业出版社 2012年8月 6.自动限制理论（第三版）皱伯敏主编 机械工业出版社 2007年6月8第一章第一章 绪论绪论1.1 发展简史概述发展简史概述1.2 探讨对象与任务探讨对象与任务1.3 系统及其模型系统及其模型1.4 反馈反馈1.5 反馈限制系统及其组成反馈限制系统及其组成1.6 限制系统的分类限制系统的分类1.7 限制系统的基本要求限制系统的基本要求9教学内容教学内容1.1 发展简史概述发展简史概述10 机械工业是国民经济中重要的基础工业。机械工业的核心是机械制造工业。当前机械制造技术发展的一个明显而主要的动向是越来越广泛而深刻地引入限制理论。从根本上讲，其缘由是限制理论以它本身固有的辨证方法顺应了机械制造工程技术发展的趋势。限制理论在工程技术领域中体现为工程限制论，在机械工程领域则体现为机械工程限制论。绪论绪论限制理论及系统限制理论及系统11一、自动限制理论发展简史一、自动限制理论发展简史经典限制理论（经典限制理论（19世纪初）以传递函数为基础，探讨单输世纪初）以传递函数为基础，探讨单输入单输出定常限制系统的分析与设计问题。入单输出定常限制系统的分析与设计问题。时域法、复域法（根轨迹法）、时域法、复域法（根轨迹法）、频域法频域法现代限制理论（现代限制理论（20世纪世纪50年头）探讨多输入多输出、时年头）探讨多输入多输出、时变、非线性、高精度、高效能等限制系统的分析与设计问变、非线性、高精度、高效能等限制系统的分析与设计问题。题。线性系统线性系统 自适应限制自适应限制 最优限制最优限制 鲁棒限制鲁棒限制 最佳估计最佳估计 容错限制容错限制 系统辨识系统辨识 集散限制集散限制 大系统困难系统大系统困难系统智能限制理论（智能限制理论（20世纪世纪70年头）年头）专家系统专家系统k 模糊限制模糊限制l 神经网络神经网络m 遗传算法遗传算法1213我国古代自动限制系统方面的成就我国古代自动限制系统方面的成就 经典限制论肇源于经典限制论肇源于1788年年J.Watt的蒸汽机离心调的蒸汽机离心调速器所带来的离心调速问题。然而，我国在自动限速器所带来的离心调速问题。然而，我国在自动限制方面的独创比西方早几个世纪甚至十几世纪。如制方面的独创比西方早几个世纪甚至十几世纪。如1027年宋代燕肃所造的指南车就是一例。此外，在年宋代燕肃所造的指南车就是一例。此外，在10861089年苏颂和韩公廉制造的水运仪象台，也是年苏颂和韩公廉制造的水运仪象台，也是应用限制论的实例。应用限制论的实例。有关指南车和水运仪象台工作原理可参见书本有关指南车和水运仪象台工作原理可参见书本14我国古代自动限制系统方面的成就一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文仪器中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车 15绪论绪论限制理论及系统限制理论及系统控控 制：以人为或自动的方式，通过确定的制：以人为或自动的方式，通过确定的手段操纵受控对象或过程，使之依据预定的手段操纵受控对象或过程，使之依据预定的规律运行，并具有确定的状态与性能。规律运行，并具有确定的状态与性能。161719教学内容教学内容1.2 机械工程限制理论的探讨对象机械工程限制理论的探讨对象与任务与任务20一、探讨对象一、探讨对象2122 广广义义系系统统：可可大大可可小小，可可繁繁可可简简，甚甚至至可可实实可可虚虚，完完全由探讨的须要而定。全由探讨的须要而定。23243 3、系统动力学问题分析典型实例、系统动力学问题分析典型实例 a)a)输入相异的单自由度机械振动系统输入相异的单自由度机械振动系统参数说明：参数说明：m m系统质量；系统质量；c c粘性阻尼系数；粘性阻尼系数；k k弹簧刚度弹簧刚度绪论绪论探讨对象与任务探讨对象与任务同一系统，不同的外界作用同一系统，不同的外界作用25b)b)系统动力学方程系统动力学方程A外力外力f(t)作用下的系统动力学方程作用下的系统动力学方程A位移位移x(t)作用下的系统动力学方程作用下的系统动力学方程绪论绪论探讨对象与任务探讨对象与任务左边：输出左边：输出右边：输入右边：输入26取算子取算子p=d/dt，则力学方程分别化为：，则力学方程分别化为：系统分析：系统分析：系统分析：系统分析：A算子算子mp2+cp+k由由m,c,k确定，反映与外界无关的系确定，反映与外界无关的系统本身固有特性。统本身固有特性。A算子算子1和和cp+k 反映与外界的关系，同时受系统结构和反映与外界的关系，同时受系统结构和参数的影响，即算子随系统而变更。参数的影响，即算子随系统而变更。绪论绪论探讨对象与任务探讨对象与任务27绪论绪论探讨对象与任务探讨对象与任务一般线形系统，其动力学方程为：一般线形系统，其动力学方程为：一般线形系统，其动力学方程为：一般线形系统，其动力学方程为：取算子取算子p=d/dt：A算子算子an pn+an-1 pn-1+a1 p+a0反映系统本身的固有反映系统本身的固有特性。特性。A算子算子bm pm+bm-1 pm-1+b1 p+b0反映系统与外界的反映系统与外界的联系。联系。y(t)，(t)，为刻画系统动态历程的状态变量为刻画系统动态历程的状态变量 y(0)，(0)，为系统在受外界作用前的初始状态为系统在受外界作用前的初始状态y(t)为系统的输出为系统的输出x(t)为系统的输入为系统的输入2829工程限制论的探讨内容工程限制论的探讨内容 A最优控制问题最优控制问题绪论绪论探讨对象与任务探讨对象与任务已知系统和系统的志向输出，设计输入，使系统的输已知系统和系统的志向输出，设计输入，使系统的输出满足要求。出满足要求。已知输入和志向输出，设计系统，使输出满足要求。已知输入和志向输出，设计系统，使输出满足要求。A系统分析问题系统分析问题已知系统和输入，求系统的输出，并通过响应来探讨已知系统和输入，求系统的输出，并通过响应来探讨系统本身的问题。系统本身的问题。A最优设计问题最优设计问题30工程限制论的探讨内容工程限制论的探讨内容 绪论绪论探讨对象与任务探讨对象与任务输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息。输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息。A系统识别或辩识问题系统识别或辩识问题已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，建立已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，建立系统的数学模型。系统的数学模型。工程限制论的探讨内容工程限制论的探讨内容 A滤波与预测问题滤波与预测问题31例例1 如图所示的电热水器，为了保持希望的温度，由如图所示的电热水器，为了保持希望的温度，由温控开关接通或断开电加热器的电源。在运用热水时，温控开关接通或断开电加热器的电源。在运用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明该系统工作原理水箱中流出热水并补充冷水。试说明该系统工作原理并画出系统的方框图。并画出系统的方框图。解：在电热水器系统中，水解：在电热水器系统中，水箱内的水温须要限制，即水箱内的水温须要限制，即水箱为限制对象。水的实际温箱为限制对象。水的实际温度是被限制量，或系统的输度是被限制量，或系统的输出量，设为出量，设为To，输入量为用，输入量为用户希望的温度，设为户希望的温度，设为Ti；由；由于放出热水并注入冷水或水于放出热水并注入冷水或水箱散热等缘由而使水箱内水箱散热等缘由而使水箱内水温下降为系统的干扰。温下降为系统的干扰。当当To=Ti时，测温元件将实际温度转化成电信号，与温控开关预先设时，测温元件将实际温度转化成电信号，与温控开关预先设定的信号进行比较得到的偏差信号为定的信号进行比较得到的偏差信号为0，此时加热器不工作，水箱中，此时加热器不工作，水箱中的水保持希望的温度。当注入冷水使的水保持希望的温度。当注入冷水使To下降时，偏差不为下降时，偏差不为0，电控开，电控开关接通电源使电加热器工作对水加热，直到关接通电源使电加热器工作对水加热，直到To=Ti为止。为止。绪论绪论探讨对象与任务探讨对象与任务32系统工作框图如下：系统工作框图如下：系统工作框图如下：系统工作框图如下：若要考察水箱中的水温To能否保持为希望的温度Ti，并通过实际输出的水温To与希望的温度Ti之间的差别，考察各个组成部分的参数是否合理，即为系统分析问题。绪论绪论探讨对象与任务探讨对象与任务33教学内容教学内容1.3 系统及其模型系统及其模型34u 系统，广义系统？系统，广义系统？u系统：按确定规律联系在一起的元素的集合。系统：按确定规律联系在一起的元素的集合。u广广义义系系统统：具具有有系系统统要要素素的的一一切切事事物物和和对对象象；可可大大可可小小，可繁可简，甚至可实可虚，完全由探讨的须要而定。可繁可简，甚至可实可虚，完全由探讨的须要而定。绪论绪论系统及其模型系统及其模型系统及其模型系统及其模型35例如：例如：探探讨讨某某一一产产业业集集团团（甚甚至至包包括括现现在在所所谓谓的的“虚虚拟拟企企业业”或或“企企业业动动态态联联盟盟”）或或某某一一机机器器制制造造厂厂应应如如何何调调整整产产品品生生产产以以适适应应市市场场变变更更的的须须要要时时，此此集集团团或或此此厂厂就就是是一一个个广广义义系统，市场状况是输入，产品生产状况是输出。系统，市场状况是输入，产品生产状况是输出。探探讨讨某某台台机机床床在在切切削削过过程程中中的的动动力力学学问问题题时时，切切削削本本身身可可作为一广义系统；作为一广义系统；探探讨讨机机床床所所加加工工的的工工件件的的某某些些质质量量指指标标时时，这这一一工工件件本本身身可以作为一广义系统；可以作为一广义系统；探探讨讨机机床床操操作作者者在在加加工工过过程程中中的的作作用用时时，操操作作者者本本身身或或操操作者的思维等可作为一广义系统。作者的思维等可作为一广义系统。绪论绪论系统及其模型系统及其模型系统及其模型系统及其模型36绪论绪论系统及其模型系统及其模型系统及其模型系统及其模型二、机械系统二、机械系统二、机械系统二、机械系统机械系统：以实现确定的机械运动，承受确定的机机械系统：以实现确定的机械运动，承受确定的机械载荷为目的，由机械元件组成的系统。械载荷为目的，由机械元件组成的系统。概念说明概念说明概念说明概念说明激励：激励：外界对系统的作用。外界对系统的作用。（输入）（输入）响应：响应：系统的变形或位移。系统的变形或位移。（输出）（输出）系统限制：激励由人为有意识的添加。系统限制：激励由人为有意识的添加。扰扰 动：由系统偶然因素产生而一般无法完全认为限制的动：由系统偶然因素产生而一般无法完全认为限制的 激励。激励。37三、系统模型三、系统模型三、系统模型三、系统模型绪论绪论系统及其模型系统及其模型系统及其模型系统及其模型系统的模型包括系统的模型包括实物模型、物理模型和数学模型实物模型、物理模型和数学模型等等。等等。数学模型：数学模型：一种用数学方法所描述的抽象的理论模型，一种用数学方法所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，或系统与其他外部用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与其他外部环境之间的关系。环境之间的关系。数学模型又包括数学模型又包括静态模型静态模型和和动态模型动态模型 模型是探讨系统、相识系统、描述系统以及模型是探讨系统、相识系统、描述系统以及分析系统的工具。分析系统的工具。38绪论绪论系统及其模型系统及其模型系统及其模型系统及其模型动态模型：用于探讨系统在迅变载荷作用下或在系统不平动态模型：用于探讨系统在迅变载荷作用下或在系统不平衡状态下的特性，表现为微分方程或差分方程。衡状态下的特性，表现为微分方程或差分方程。静态模型静态模型现时输出确定于现时输入；现时输出确定于现时输入；动态模型动态模型现时输出确定于以前输入的历史。现时输出确定于以前输入的历史。静态模型：静态模型：反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系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，统平衡状态下的特性，表现为代数方程表现为代数方程。如弹簧模型。如弹簧模型。动态模型在确定的条件下可以转换成静态模型。动态模型在确定的条件下可以转换成静态模型。39绪论绪论限制系统及模型限制系统及模型静态模型和动态模型分析示例静态模型和动态模型分析示例静态模型和动态模型分析示例静态模型和动态模型分析示例机器隔振系统机器隔振系统机器隔振系统机器隔振系统40绪论绪论限制系统及模型限制系统及模型 若以机器若以机器m为隔离体，以为隔离体，以F(t)为激励为激励(不考虑不考虑y(t)，以，以位移位移x(t)为响应，应用牛顿其次定律列出该系统的动力学为响应，应用牛顿其次定律列出该系统的动力学方程为：方程为：若仍以机器若仍以机器m为隔离体，以为隔离体，以 y(t)为激励为激励(不考虑不考虑F(t)，以位移，以位移x(t)为响应，应用牛顿其次定律列出该系统的为响应，应用牛顿其次定律列出该系统的动力学方程为：动力学方程为：(a)(b)方程方程(a),(b)即为该系统的动态模型。即为该系统的动态模型。41绪论绪论限制系统及模型限制系统及模型若系统运动很慢，即有：若系统运动很慢，即有：则上式（则上式（a），（），（b）可化为：）可化为：此即系统的静态模型，事实上此即系统的静态模型，事实上x(t)x(t)与与y(t)y(t)之之间是一种代数关系，即代数方程式。间是一种代数关系，即代数方程式。42教学内容教学内容1.4 反馈反馈43教学内容教学内容反馈：系统的输出不断地、干脆或反馈：系统的输出不断地、干脆或间接地、部分或全部地返回，并作间接地、部分或全部地返回，并作用于系统。用于系统。444546数控机床的工作台的驱动系统反馈限制装置4748依据反馈的作用，可分为：依据反馈的作用，可分为：49绪论绪论系统反馈系统反馈系统反馈系统反馈思索题：骑自行车过程中信息流淌与反馈？思索题：骑自行车过程中信息流淌与反馈？A反馈结构图反馈结构图 人骑自行车时，总是希望具有确定的志向状态（比如速度、方向、人骑自行车时，总是希望具有确定的志向状态（比如速度、方向、平安等），人脑依据这个志向状态指挥四肢动作，使自行车按预定的平安等），人脑依据这个志向状态指挥四肢动作，使自行车按预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，使自行车偏离志向状态，人的感觉器官感觉自行车的状态，并将此信使自行车偏离志向状态，人的感觉器官感觉自行车的状态，并将此信息返回到大脑，大脑依据实际状态与志向状态的偏差调整四肢动作，息返回到大脑，大脑依据实际状态与志向状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流淌与反馈过程可用下图表示。如此循环往复。其信息流淌与反馈过程可用下图表示。A工作原理工作原理501.5 反馈系统的组成与方框图反馈系统的组成与方框图5153限制任务：通过调整滑动调压器限制任务：通过调整滑动调压器的滑动端的位置来限制煤气流量，的滑动端的位置来限制煤气流量，从而保持加热炉炉温恒定。从而保持加热炉炉温恒定。被控对象：加热炉被控对象：加热炉被控量（输出量）：加热炉炉温被控量（输出量）：加热炉炉温给定量（输入量）：给定量（输入量）：Ur测量环节：热电偶测量环节：热电偶限制装置：放大器、电动机、减限制装置：放大器、电动机、减速器速器扰动：干扰并破坏系统，使系统扰动：干扰并破坏系统，使系统不能按预期性能输出信号。不能按预期性能输出信号。54加加热热炉炉T阀阀门门Q减减速速器器2电电动动机机m放放大大器器U给给定定电电位位计计Ur放大器放大器Ur热电偶热电偶炉温反馈限制系统炉温反馈限制系统的方框图的方框图55反馈限制系统框图反馈限制系统框图反馈限制系统框图反馈限制系统框图绪论绪论限制系统及模型限制系统及模型被控部分被控部分给定环节：给定环节：即给出输入信号的环节，用于确定被控对象的目标值。即给出输入信号的环节，用于确定被控对象的目标值。测量环节：测量环节：用于测量被控量用于测量被控量。比较环节：比较环节：将输入信号与反馈信号相比较获得偏差信号。将输入信号与反馈信号相比较获得偏差信号。放大及运算环节：放大及运算环节：将偏差信号处理放大，以便推动执行环节。将偏差信号处理放大，以便推动执行环节。执行环节：接收放大环节的信号，驱动被控对象依据预期的规律运行。执行环节：接收放大环节的信号，驱动被控对象依据预期的规律运行。比较环节56反馈限制系统框图反馈限制系统框图反馈限制系统框图反馈限制系统框图反馈系统主要由限制部分与被控部分组成。反馈系统主要由限制部分与被控部分组成。限制部分的功能是接受指令信号和被控部分的反馈信限制部分的功能是接受指令信号和被控部分的反馈信号，并对被控部分发出限制信号。号，并对被控部分发出限制信号。被控部分的功能则是接受限制信号、发出反馈信号，被控部分的功能则是接受限制信号、发出反馈信号，并在限制信号的作用下实现被控运动。并在限制信号的作用下实现被控运动。绪论绪论限制系统及模型限制系统及模型被控部分被控部分比较环节57一个反馈限制系统的工作过程大体上分为以下几个步骤：一个反馈限制系统的工作过程大体上分为以下几个步骤：测量被限制量的实际值；测量被限制量的实际值；将实际值与给定值进行比较，求出偏差的大小与方向；将实际值与给定值进行比较，求出偏差的大小与方向；依据偏差的大小与方向进行限制以订正偏差。依据偏差的大小与方向进行限制以订正偏差。简洁的讲，反馈限制系统的工作过程就是一个简洁的讲，反馈限制系统的工作过程就是一个“检测偏差检测偏差并用以订正偏差并用以订正偏差”的过程。的过程。利用偏差概念，正反馈和负反馈又可表述为：利用偏差概念，正反馈和负反馈又可表述为：正反馈：凡是能使系统的偏差的确定值增大的反馈；正反馈：凡是能使系统的偏差的确定值增大的反馈；负反馈：凡是能使系统的偏差的确定值减小的反馈。负反馈：凡是能使系统的偏差的确定值减小的反馈。绪论绪论限制系统及模型限制系统及模型反馈自动限制系统的特点：利用输入信息与反馈至输入反馈自动限制系统的特点：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限制，使被控对处的信息之间的偏差对系统的输出进行限制，使被控对象按确定的规律运动。象按确定的规律运动。58绪论绪论系统的分类系统的分类1.6 限制系统的分类限制系统的分类591.1.按反馈状况按反馈状况按反馈状况按反馈状况A开环系统：系统的输出对系统没有限制作用，系统开环系统：系统的输出对系统没有限制作用，系统没有反馈回路。如：步进驱动的数控机床、一般洗衣没有反馈回路。如：步进驱动的数控机床、一般洗衣机、家用电烤箱、微波炉等。机、家用电烤箱、微波炉等。60A闭环系统：系统的输出对系统有限制作用，系统闭环系统：系统的输出对系统有限制作用，系统有反馈回路。如：前面提到的离心调速系统、伺服有反馈回路。如：前面提到的离心调速系统、伺服驱动的数控机床、恒温箱、冰箱、空调等。驱动的数控机床、恒温箱、冰箱、空调等。612.2.按输出变更规律按输出变更规律按输出变更规律按输出变更规律6263绪论绪论系统的分类系统的分类1.7 限制系统的基本要求限制系统的基本要求64系统评价指标多样，但基本和最重要是以上系统评价指标多样，但基本和最重要是以上三种；限制系统设计依据须要各有侧重。三种；限制系统设计依据须要各有侧重。