机械工程控制基础 绪论.ppt
02009.092009.09主讲人：高国富主讲人：高国富 3987523mech_ 200904机械与动力工程学院机械与动力工程学院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、绪、绪 论论3 3、系统的时间响应分析、系统的时间响应分析2 2、系统的数学模型、系统的数学模型4 4、系统的频率特性分析、系统的频率特性分析5 5、系统的稳定性分析、系统的稳定性分析6 6、系统的性能与校正、系统的性能与校正2 课程的性质和特点课程的性质和特点 技术技术?科学科学?方法论方法论?学习目的学习目的 数学+专业 技术应用学习内容学习内容 系统系统?31、注重基础（概念/原理）；孟子曰：“始条理者，智之事也；终条理者，圣之事也。”2、积极应用（MATLAB、数学工具）；孔子曰：“工欲善其事，必先利其器”3、努力实践（实践出真知/创新源于自主实践）。what I hear I forget.what I see I remember.what I do I understand.By Xunzi学习方法不闻不若闻之，闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之；学至于行之而止矣。4基本要求1、掌握经典控制理论的基本概念、基本理论与基本方法；2、能够应用分析法建立简单动力学系统的数学模型；3、能够应用经典控制论分析线性定常系统的动态特性，基本掌握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入的理解。5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理论电路理论大学物理大学物理信号与系统信号与系统复变函数复变函数拉氏变换拉氏变换模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数微积分微积分各各 类类专业课专业课线性系统线性系统现代控现代控制理论制理论6主要参考资料1、机械工程控制基础（第四版）杨叔子等编著 华中科技大学出版社 2002年1月2、机械控制工程基础 朱骥北 机械工业出版社 2002年1月3、控制理论基础 王显正主编 科学技术出版社 2000年1月4、Modern Control System(11th Edition),Richard C.Dorf,Robert H Bishop,科学出版社7教学内容教学内容第一讲第一讲 控制系统及控制系统及其研究对象和任务其研究对象和任务8绪论控制理控制理控制理控制理论论及系及系及系及系统统一、控制理论与控制系统一、控制理论与控制系统1 1、基本概念、基本概念 控控 制：制：以人为或自动的方式，通过一定的手段操以人为或自动的方式，通过一定的手段操纵受控对象或过程，使之按照预定的规律运行，并纵受控对象或过程，使之按照预定的规律运行，并具有一定的状态与性能。具有一定的状态与性能。控制实例控制实例1：液面控制：液面控制9控制实例控制实例2：冰箱控制系统：冰箱控制系统绪论-控制理论及系统控制理论及系统控制理论及系统控制理论及系统10绪论研究研究研究研究对对象与任象与任象与任象与任务务二、研究对象与任务二、研究对象与任务1 1、工程控制论的研究对象、工程控制论的研究对象 研究对象研究对象：工程技术中的广义动力学系统。工程技术中的广义动力学系统。A广义动力学系统在一定的外界条件下（输入或激励，广义动力学系统在一定的外界条件下（输入或激励，包括外加控制与外加干扰）作用下，从系统的一定的包括外加控制与外加干扰）作用下，从系统的一定的初初始状态始状态出发，所经历的由其出发，所经历的由其内部固有特性内部固有特性（系统结构与（系统结构与参数所决定的特性）所决定的参数所决定的特性）所决定的动态历经过程动态历经过程。A研究系统及其输入、输出三者之间的研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系动态关系112 2、工程控制论的内容划分、工程控制论的内容划分 控制论控制论cybernetics、量子论与相对论被人们誉为、量子论与相对论被人们誉为20世纪上半叶的世纪上半叶的3项科学革命。项科学革命。经典控制理论：经典控制理论：以传递函数为基础，研究单输入以传递函数为基础，研究单输入单输出定常控制系统的分析与设计问题。单输出定常控制系统的分析与设计问题。现代控制理论：现代控制理论：研究多输入多输出、时变、非研究多输入多输出、时变、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。问题。绪论研究研究研究研究对对象与任象与任象与任象与任务务123 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研究研究研究研究对对象与任象与任象与任象与任务务13b)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研究研究研究研究对对象与任象与任象与任象与任务务14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决定，是与外界无关的系统决定，是与外界无关的系统本身固有特性。本身固有特性。A算子算子1和和cp+k 是与外界的联系，受系统结构和参数的是与外界的联系，受系统结构和参数的影响，即算子随系统而变化。影响，即算子随系统而变化。绪论研究研究研究研究对对象与任象与任象与任象与任务务15绪论研究研究研究研究对对象与任象与任象与任象与任务务Ay(0)和和(0)由系统的初始状态、固有特性和系统与输由系统的初始状态、固有特性和系统与输入之间的关系以及输入所决定。入之间的关系以及输入所决定。Ay(t)代表代表t瞬间动态位移，瞬间动态位移，(t)由代表由代表t瞬间速度的变化瞬间速度的变化情况，因此情况，因此 y、描述了系统动态历程，而描述了系统动态历程，而y独自则刻独自则刻画不足。画不足。研究内容划分：研究内容划分：研究内容划分：研究内容划分：A求响应，即输出求响应，即输出y(t)；A求激励，即输入求激励，即输入f(t),x(t)；A求固有特性参数，即系统的求固有特性参数，即系统的m,c,k；16绪论研究研究研究研究对对象与任象与任象与任象与任务务一般动力学系统分析：一般动力学系统分析：一般动力学系统分析：一般动力学系统分析：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。参数参数y(t)，(t)，为系统的状态变量，为系统的状态变量，y(0)，(0)，为为系统的初始状态或初始变量。系统的初始状态或初始变量。174 4、研究任务、研究任务 A系统分析问题系统分析问题A最优控制问题最优控制问题A最优设计问题最优设计问题A滤波与预测问题滤波与预测问题A系统识别或辩识问题系统识别或辩识问题绪论研究研究研究研究对对象与任象与任象与任象与任务务18例1 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。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明该系统工作原理并画出系统的方框图。解：在电热水器系统中，水箱内的水温需要控制，即水箱为控制对象。水的实际温度是被控制量，或系统的输出量，设为To，输入量为用户希望的温度，设为Ti；由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使水箱内水温下降为系统的干扰。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，水箱中的水保持希望的温度。当注入冷水使To下降时，偏差不为0，电控开关接通电源使电加热器工作对水加热，直到To=Ti为止。绪论研究研究研究研究对对象与任象与任象与任象与任务务19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。绪论研究研究研究研究对对象与任象与任象与任象与任务务20例2 图示为数控机床工作台的传动系统。若系统的输入已知（例如电动机转速），要求确定系统且其输出符合工作台均匀移动的要求，即为最优设计问题。绪论研究研究研究研究对对象与任象与任象与任象与任务务 如果考虑传动系统的制造误差，为了使工作台均匀移动，试确定其输入。此即最优控制问题。21例 3 电子称的原理如下图。显示即为输出，重物的重量为输入，要求确定系统（即电子称）以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题。若输入（重物）和输出（显示）已知，求系统的结构和参数，即建立系统的数学模型，此即系统识别或系统辩识问题。绪论研究研究研究研究对对象与任象与任象与任象与任务务22三、本讲小结三、本讲小结A了解控制并认识控制系统了解控制并认识控制系统A控制论的研究对象控制论的研究对象A控制论的研究任务或内容控制论的研究任务或内容绪论小小小小结结 1 123思考题：思考题：生活中控制问题，举例说明。生活中控制问题，举例说明。绪论思考思考思考思考题题24教学内容教学内容第二讲第二讲 反馈及系统模型反馈及系统模型25一、系统中的反馈一、系统中的反馈反馈反馈：将系统的输出部分或全部地返回到系将系统的输出部分或全部地返回到系统的输入端并共同作用于系统的过程。统的输入端并共同作用于系统的过程。外反馈：外反馈：外反馈：外反馈：人为反馈（闭环系统、开环系统）人为反馈（闭环系统、开环系统）人为反馈（闭环系统、开环系统）人为反馈（闭环系统、开环系统）绪论系系系系统统反反反反馈馈2627内反馈：内反馈：内反馈：内反馈：耦合反馈（系统或过程中自然形成的反馈）耦合反馈（系统或过程中自然形成的反馈）耦合反馈（系统或过程中自然形成的反馈）耦合反馈（系统或过程中自然形成的反馈）内反馈实例分析内反馈实例分析单自由度系统单自由度系统绪论系系系系统统反反反反馈馈28状态方程表示：状态方程表示：状态方程表示：状态方程表示：取取有：有：状态方程用方框图表示为：状态方程用方框图表示为：状态方程用方框图表示为：状态方程用方框图表示为：y1和和y2之间具有信息交互作之间具有信息交互作用，本质上是弹簧的位能与用，本质上是弹簧的位能与质量的动能之间的转换。质量的动能之间的转换。y2本身的交互作用就是阻尼消本身的交互作用就是阻尼消耗能量的过程。耗能量的过程。绪论系系系系统统反反反反馈馈29绪论系系系系统统反反反反馈馈反馈控制实例：反馈控制实例：骑自行车过程中信息流动与反馈骑自行车过程中信息流动与反馈A反馈结构图反馈结构图 人骑自行车时，总是希望具有一定的理想状态（比如速度、方人骑自行车时，总是希望具有一定的理想状态（比如速度、方向、安全等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预向、安全等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，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，使自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉自行车的状态，并影响，使自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉自行车的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈过程可用下图表示。动作，如此循环往复。其信息流动与反馈过程可用下图表示。A工作原理工作原理3031MASTER 7Copyright 1998 by Addison Wesley Longman.All rights reserved.SpindleHead sliderDiskRotationof armArmTrack aT rack bActuatormotorControldeviceSensorActualheadposition-+ErrorDesiredheadpositionActuator motor and read armFigure 1.24Diagram of disk driveFigure 1.25Closed-loop control system for disk drive32二、控制系统及其模型二、控制系统及其模型系系 统统：由相互联系、相互作用的若干部分构由相互联系、相互作用的若干部分构成；由一定目的或运动规律的整体。成；由一定目的或运动规律的整体。系统特性：系统特性：系统特性：系统特性：A系统性能不仅与系统元素有关，而且还与系统的结系统性能不仅与系统元素有关，而且还与系统的结构有关；构有关；A系统的内容比组成系统各元素的内容丰富；系统的内容比组成系统各元素的内容丰富；A系统往往表现出在时域、频域或空域等域内的动态系统往往表现出在时域、频域或空域等域内的动态特性。特性。1）系统定义及其分析）系统定义及其分析绪论控制系控制系控制系控制系统统及模型及模型及模型及模型332）系统的分类）系统的分类对广义系统按反馈情况分：对广义系统按反馈情况分：对广义系统按反馈情况分：对广义系统按反馈情况分：A开环系统：开环系统：系统所需的方框图没有反馈回路。系统所需的方框图没有反馈回路。A闭环系统：闭环系统：系统所需的方框图存在反馈回路。系统所需的方框图存在反馈回路。绪论控制系控制系控制系控制系统统及模型及模型及模型及模型34MASTER 5Copyright 1998 by Addison Wesley Longman.All rights reserved.BatterySpeeddc motordcamplifierSpeedsettingDesiredspeed(voltage)AmplifierdcmotorTurntableActualspeed(a)(b)Control deviceActuatorProcessTurntableFigure 1.20(a)Open-loop(without feedback)control of the speed of a turntable(b)Block diag ram model35Copyright 1998 by Addison Wesley Longman.All rights reserved.BatterySpeeddc motordcamplifierSpeedsettingAmplifierdcmotorTurntableActualspeed(a)(b)Control deviceActuatorSensorDesiredspeed(voltage)ProcessTurntable+-S+SErrorMeasured speed(voltage)TachometerTachometerFigure 1.21(a)Closed-loop control of the speed of a turntable(b)Block dia gram mode l36被控对象被控量被控量的目标值设定控制量扰动量37运算放大执行被控对象检测比较控制器控制部分被控部分38对自动控制系统按输出变化规律分：对自动控制系统按输出变化规律分：对自动控制系统按输出变化规律分：对自动控制系统按输出变化规律分：A自动调节系统自动调节系统定义定义：在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保持为常量的系统。持为常量的系统。A随动系统随动系统定义定义：系统输出能适应输入，按任意规律变化的系统。系统输出能适应输入，按任意规律变化的系统。A程序控制系统程序控制系统定义定义：在外界条件作用下，系统的输出能按照预定程序在外界条件作用下，系统的输出能按照预定程序变化的系统。变化的系统。绪论控制系控制系控制系控制系统统及模型及模型及模型及模型393）反馈控制系统的组成）反馈控制系统的组成反馈控制系统框图反馈控制系统框图反馈控制系统框图反馈控制系统框图 闭环系统闭环系统主要由控制部分与被控部分组成。主要由控制部分与被控部分组成。控制部控制部分的功能分的功能是接受指令信号和被控部分的反馈信号，并对是接受指令信号和被控部分的反馈信号，并对被控部分发出控制信号。被控部分发出控制信号。被控部分的功能被控部分的功能则是接受控制则是接受控制信号、发出反馈信号，并在控制信号的作用下实现被控信号、发出反馈信号，并在控制信号的作用下实现被控运动。运动。绪论控制系控制系控制系控制系统统及模型及模型及模型及模型40绪论控制系控制系控制系控制系统统及模型及模型及模型及模型控制系统主要环节定义控制系统主要环节定义控制系统主要环节定义控制系统主要环节定义给定环节：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：执行环节：接收放大环节的信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。接收放大环节的信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。闭环自动控制系统的特点：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控制，使被控对象按一定的规律运动。41绪论控制系控制系控制系控制系统统及模型及模型及模型及模型4）机械系统及系统模型）机械系统及系统模型机械系统机械系统机械系统机械系统机械系统：机械系统：以实现一定的机械运动，承受一定的机以实现一定的机械运动，承受一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。响应：响应：系统的变形或位移。系统的变形或位移。机械系统中的机械系统中的“激励激励”与与“响应响应”分别代表分别代表着系统的输入和输出。着系统的输入和输出。系统控制：系统控制：激励由人为有意识的添加。激励由人为有意识的添加。扰扰 动：动：由系统偶然因素产生而一般无法完全认为控制的由系统偶然因素产生而一般无法完全认为控制的 激励。激励。42系统静态模型和动态模型系统静态模型和动态模型系统静态模型和动态模型系统静态模型和动态模型绪论控制系控制系控制系控制系统统及模型及模型及模型及模型模模 型：型：一种用数学方法所描述的抽象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，或系统与其他外部环境各部分之间，或系统与其他外部环境之间的关系，之间的关系，又称数学模型又称数学模型。模型模型是研究系是研究系统、认识系统、统、认识系统、描述系统以及分描述系统以及分析系统的析系统的工具工具。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得特性，统平衡状态下得特性，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：动态模型：用于研究系统在迅变载荷作用下或在系统不平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，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决定于现时输入；现时输出决定于现时输入；动态模型动态模型现时输出决定于以前输入的历史。现时输出决定于以前输入的历史。43绪论控制系控制系控制系控制系统统及模型及模型及模型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44绪论控制系控制系控制系控制系统统及模型及模型及模型及模型 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，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学为响应，应用牛顿第二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，应用牛顿第二定律列出该系统的动为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学方程为：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。45绪论控制系控制系控制系控制系统统及模型及模型及模型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：此即系统的此即系统的静态模型静态模型，实际上，实际上x(t)x(t)与与y(t)y(t)之之间是一种代数关系，即间是一种代数关系，即代数方程式代数方程式。46三、对控制系统的基本要求三、对控制系统的基本要求绪论控制系控制系控制系控制系统统的基本要求的基本要求的基本要求的基本要求A稳定性稳定性：指动态过程的振荡倾向和系统能指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力够恢复平衡状态的能力。A快速性快速性：系统输出量与给定的输入量之间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产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。A准确性准确性：调整过程结束后输出量与给定的调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差程度，或称静态精度输入量之间的偏差程度，或称静态精度。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；控制系统设计根据需要各有侧重。三种；控制系统设计根据需要各有侧重。4718681868年年年年J.C.MaxwellJ.C.Maxwell在在在在论调节器论调节器论调节器论调节器中一文中的调节器：中一文中的调节器：中一文中的调节器：中一文中的调节器：绪论系系系系统统反反反反馈馈控制理论发展的简单回顾48一千多年前：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 491788年：J.Watt发明蒸气机调速器1868年：J.C.Maxwell发表调速器，提出反馈控制的概念及稳定性条件。1884年：E.J.Routh提出劳斯稳定性判据。1892年：A.M.Lyapunov提出李亚普诺夫稳定性理论。1895年：A.Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。1945年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法。501948年：N.Wiener发表控制论，标志经典控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入单输出（SISO）系统的分析和控制问题；1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，进一步充实了经典控制论；1954年：钱学森发表工程控制论50年代末60年代初：现代控制理论形成；现代控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研究多输入多输出（MIMO）、时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空间方法。511956年：蓬特里亚金（Pontryagin)提出极大值原理1957年：R.I.Bellman提出动态规划理论1960年：R.E.Kalman提出卡尔曼滤波理论19601980年，确定性系统的最优控制、随机系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制。1980迄今：鲁棒控制、H控制、非线性控制、智能控制等。52例题与作业例:图示的液面控制系统，图中K 为放大器的增益，D为执行电机，N 为减速器。试分析该系统的工作原理，并在系统中找出控制量、扰动量、被控制量、控制器和被控对象。解：由图可知，水通过阀门进入水箱使液面上升，浮子使电位改变，经放大后控制电机转动，通过减速器使阀门关小，减小水流量，由于Q不为0，故液面下降。当下降到某位置时，通过浮子使电位极性变化，电动机反转，又使阀门开大，水位上升。这是一个闭环控制系统。浮子是比较器，并通过电位器控制电动机转动，从而实现对阀门开度的控制。系统中M控制量，Q为扰动量，液面高度为被控制量，水箱为被控对象，其余部分为控制器。53四、本讲小结四、本讲小结A系统反馈：正反馈和负反馈系统反馈：正反馈和负反馈A系统及系统的划分系统及系统的划分A控制系统的基本要求控制系统的基本要求A反馈系统及其组成反馈系统及其组成A系统模型：静态模型和动态模型系统模型：静态模型和动态模型绪论小小小小结结2 2
