机械控制基础精.ppt

机械控制基础1第1页，本讲稿共25页n控制原理是工科机类专业的一门专业基础课，起着衔接基础理论与专业知识，沟通机、电类相关专业课程的重要作用。n在现代机电设备中，控制系统是将构成设备的光、机、电、液等各个子系统组合成一个有机整体的核心环节。控制理论及其技术在国民经济的各个行业以及航天航空、军工国防等多个领域都有着广泛和重要的应用。n控制原理课程所介绍的经典控制理论既是现代控制技术的理论基础，也是进行机械工程控制系统分析与设计所依赖的主要技术方法之一。2第2页，本讲稿共25页中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车（235年）中国,埃及和巴比伦出现自动计时漏壶（1400BC-1100BC）中国李冰父子率众修造的以无坝引水为特征的四川都江堰水利工程（256BC)）3第3页，本讲稿共25页美国MIT 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)英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度（1788年）4第4页，本讲稿共25页前苏联第一座投入使用的太空空间站(1974)前苏联第一颗人造卫星(1957)美国第一架航天飞机原型机企业号(1977)5第5页，本讲稿共25页薄板连铸连轧生产线机器人搬运汽车焊接生产线6第6页，本讲稿共25页课程教学安排理论教学理论教学1.绪论实验教学实验教学1.典型环节及其时间响应2.系统的数学模型6.系统的性能指标与校正5.稳定性分析4.频率特性分析3.时间响应分析3.线性系统稳定性分析及其校正 2.频域响应实验7第7页，本讲稿共25页课程教材和主要参考书课程教材和主要参考书 教材教材n杨叔子等.机械工程控制基础，华中科技大学出版社，2005、2013，第5、6版 主要参考书主要参考书n董景新等.控制工程基础,清华大学出版社,2003，第2版n李友善.自动控制原理(上册),国防工业出版社，1980n裴润等.自动控制原理(上册),哈尔滨工业大学出版社,2006n杨前明等.机械工程控制基础，华中科技大学出版社，20108第8页，本讲稿共25页第一章 绪论本章教学内容本章教学内容1.1 机械工程控制论的研 究对象与任务 1.2 系统及其模型1.4 系统的分类及对控制 系统的基本要求1.3 反馈本章教学目的本章教学目的 本章的教学旨在使同学 们对本课程的教学内容 有个大致了解，对控制 理论、控制系统的有关 概念有个基本认识，对 机械系统动力学分析方 法能有初步的体会。9第9页，本讲稿共25页1.1 机械工程控制论的研究对象及任务n控制 指一事物对另一事物所施加的强制性约束，对控制系统而言，这种约束是让某个物理量按一定规律变化。具有以下特点：p具有某种不确定性；p这种不确定性的变化可借助信息来表示；p控制的过程就是不断减少这种不确定性的过程。n控制论（Cybernetics）关于在动物和机器中控制和通讯的科学，研究的是更为广泛的系统里更为一般的控制规律。n工程控制论 控制论在工程技术领域中的应用，是以一般工程系统为研究对象，研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。n机械工程控制论 控制论在机械工程中的应用，主要以机械系统为研究对象。本课程主要是应用古典控制理论研究单输入单输出线性系统中系统与其输入、输出之间的动态关系。10第10页，本讲稿共25页1.1 机械工程控制论的研究对象及任务：举例系统数学模型反映了系统与其输入输出三者的关系，可归纳为：系统数学模型反映了系统与其输入输出三者的关系，可归纳为：（1 1）系统、输入已知，求输出：系统分析（本课程重点）系统、输入已知，求输出：系统分析（本课程重点）（2 2）系统、输出已知，求输入：最优控制、最佳滤波）系统、输出已知，求输入：最优控制、最佳滤波 （3 3）输入、输出已知，求系统：最优设计、系统辨识）输入、输出已知，求系统：最优设计、系统辨识作用着不同输入的同一个机械系统系统动力学方程或数学模型11第11页，本讲稿共25页1.2 系统及其模型系统及其模型n系系统统 由相互联系、相互作用的若干部分或元素，以一定的结构组成的具有特定功能的整体，即具有以下特性1.2.1 系统系统具有整体性具有相对独立性具有特定的结构具有一定的功能，或一定的目的性 要点：(1)系统整体特性不是组成系统的各元件特性的简单迭加；(2)系统性能除了与组成系统的元件的性能有关还与元件间相互结合的形式有关。12第12页，本讲稿共25页n机机械械系系统统 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（包括液压系统），如轧机、机床、交通工具等。1.2.2 机械系统机械系统 机械系统的激励：外界对系统的作用，也称为系统输入，通常表现为力/扭矩（载荷）。该作用如果是有意施加的通常可称之为“控制”，否则就被视为“扰动”。机械系统的响应：系统在输入作用下所产生的输出，通常表现为位移（角位移）或变形。1.2 系统及其模型系统及其模型13第13页，本讲稿共25页1.2.3 静态模型与动态模型静态模型与动态模型n数数学学模模型型 用数学方法并依据物理或专业定律描述一个系统内部各部分之间、系统与其外部环境之间相互关系的理论模型。n静静态态模模型型 反映系统在恒定或缓变载荷作用下，或在平衡状态下的系统特性的数学模型。静态模型一般用代数方程描述。n动动态态模模型型 反映系统在迅变载荷作用下，或在系统不平衡状态下的系统特性的数学模型。动态模型一般用微分方程或差分方程描述。静态模型的输出取决于当前输入，动态模型的输出则还与历史的输入有关，且动态模型通常包含静态模型。14第14页，本讲稿共25页ymFk疲劳试验机在一定条件下可以简化成一个质量-弹簧系统,系统输入(激振力F F)和系统输出(材料的变形y y)之间的关系,可借助于牛顿定律建立该系统的动态模型：如果F F是一个恒定载荷,则当系统处于平衡状态时，可得到系统的静态模型：1.2.3 静态模型与动态模型：举例静态模型与动态模型：举例1.2 系统及其模型系统及其模型15第15页，本讲稿共25页n反反馈馈 指系统或部件的输出会反过来作用于其输入的现象。它是系统得以产生动态响应过程的根本原因。1.3 反馈反馈1.3.1 机械工程中的反馈控制机械工程中的反馈控制图1.3.2为静压轴承工作原理，它是利用反馈的原理进行工作的。16第16页，本讲稿共25页n反反馈馈控控制制 有意地利用系统输出来改变系统的输入，进而影响系统输出的控制方法，也称之为闭环控制；又因它是用系统希望输出与实际输出比较后所得到的偏差进行控制故也称为偏差控制。1.3 反馈反馈1.3.1 机械工程中的反馈控制机械工程中的反馈控制无外反馈（开环系统）反馈控制（闭环系统）17第17页，本讲稿共25页1.3.2 机械系统的内在反馈机械系统的内在反馈机械系统的内反馈是构成系统的各个要素之间自然而然的相互作用，其决定了系统的动态响应过程ymFk (a)例如图(a)所示系统，似乎没有明显的反馈通道，其力平衡方程为：kF-y(b)以其质量m的位移y为系统的输出，则上式可改写为：该式可用图(b)表示，显然该系统还是存在着反馈通道。1.3 反馈反馈18第18页，本讲稿共25页n按反馈反馈的有无分类 开环系统、闭环系统1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求1.4.1 系统的几种分类系统的几种分类开开环环系系统统 系统中没有任何一个环节受到系统输出反馈作用，也称为开环控制系统。其优点是简单、稳定、可靠，缺点是精度不高、抗扰动性能差。闭闭环环系系统统 指系统的输入装置受到系统输出反馈作用的系统。其优点是精度高、抗扰动性好，缺点是结构复杂、控制难度大。半半闭闭环环系系统统 系统中某个环节（非输入装置）受到系统输出反馈作用，或输入装置受到系统某个环节（非输出量）的反馈作用。19第19页，本讲稿共25页1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求1.4.1 系统的几种分类系统的几种分类自自动动调调节节系系统统 在外界干干扰扰作用下，系统输出仍能基本保持为常常量量的系统（如恒温控制、液面控制系统等)。这种系统的输入多为常值，对稳定性有较高要求。随随动动系系统统（伺服系统）系统输出能相应于输入在广阔范围内按任任意意规规律律变化的系统(如雷达跟踪、电液伺服系统等)。这种系统对响应速度有较高要求。程程序序控控制制系系统统 系统输出按预预定定程程序序变化的系统(如数控加工系统等)。这类系统可以是闭环控制，也可以是开环控制。对于闭环程序控制系统，其性能界于以上两类系统之间。n按输出变化规律输出变化规律分类 调节系统、随动系统、程序控制系统20第20页，本讲稿共25页1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求1.4.1 系统的几种分类系统的几种分类n按描述系统的数学模型数学模型分类 线性控制系统线性控制系统 指可用线性微分方程来描述的系统。非非线线性性控控制制系系统统 指不能用线性微分方程来描述的系统，此种系统包含着变量中具有非线性关系的元器件。n按系统中传递信号的性质传递信号的性质分类 连连续续控控制制系系统统 系统中传递的信号都是模拟信号，控制规律是用硬件组成的控制器实现的。描述此种系统的数学工具是微分方程和拉氏变换。离离散散控控制制系系统统 系统中传递的信号有数字信号，控制规律是用软件实现的，计算机作为系统的控制器。描述此种系统的数学工具是差分方程和Z变换。21第21页，本讲稿共25页1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求1.4.1 系统的几种分类：闭环控制系统的构成系统的几种分类：闭环控制系统的构成n给给定定环环节节 产生给定信号(输入信号、指令信号),用于确定被控对象的目标值(期望值)。n测测量量环环节节 检测被控变量(含输出),并转换成可用于比较、运算的电量或数字量。n比比较较环环节节 将指令信号(系统响应的期望值)与检测反馈值进行比较,产生可用于控制器运算的偏差信号。n放放大大及及运运算算环环节节 该环节就是系统的控制器,其根据偏差信号产生对系统输出进行调整的控制信号。n 执执行行环环节节 将控制器产生的控制信号进行功功率率放放大大和能能量量形形式式的转换,以驱动被控对象按所要求的规律运动。22第22页，本讲稿共25页1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求n系统稳稳定定性性 系统抵抗扰动恢复平衡状态的能力。p稳稳定定的系统当输出受扰偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。p稳定性稳定性是系统正常工作的先决条件先决条件。不稳定系统稳定系统1.4.2 对控制系统的基本要求：稳定性、快速性和准确性对控制系统的基本要求：稳定性、快速性和准确性负反馈：误差不断减小 l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1正反馈：误差不断增加 正正反反馈馈系统属于结结构构不不稳稳定定系统，对于这类系统，不论如何调整系统参数都不可能使系统稳定下来。23第23页，本讲稿共25页1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求1.4.2 对控制系统的基本要求：稳定性、快速性和准确性对控制系统的基本要求：稳定性、快速性和准确性n系统快快速速性性 在系统稳定的前提下，当系统输出量和输入量之间产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度系统消除这种偏差的快慢程度。它表征系统的动态性能。n系统准准确确性性 在调整过程结束后，系统输出量与目标值之间的偏差程度，常用稳态偏差稳态偏差或静态精度静态精度表示。它反映系统的稳态性能。n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；系统的稳定性、快速性、准确性相互制约，应根据实际需求合理选择。24第24页，本讲稿共25页课后作业第五版教材 2325 页:1.6，1.7，1.13 第六版教材 2628 页:1.6，1.7，1.13 25第25页，本讲稿共25页