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机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论第一章第一章 绪论机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论控制实例控制实例机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论控制实例控制实例控制三要素：施控者、被控对象、控制目标控制三要素：施控者、被控对象、控制目标控制实质：控制实质：机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论控制理论体系：控制理论体系：经典控制理论经典控制理论 、现代控制理论现代控制理论研究对象研究对象单输入单输出定常线性系统单输入单输出定常线性系统多输入多输出时变系统（主要线性）多输入多输出时变系统（主要线性）数学工具数学工具LaplaceLaplace变换变换,传递函数传递函数矩阵、向量空间矩阵、向量空间研究领域研究领域复数域、频率域复数域、频率域时间域时间域基本内容基本内容传递函数、时间响应特性、频率特性传递函数、时间响应特性、频率特性（NyquistNyquist图、图、BodeBode图）、稳定判据、图）、稳定判据、系统校正环节设计系统校正环节设计线性控制理论、系统辨识、线性控制理论、系统辨识、最优滤波、最优控制最优滤波、最优控制性能指标性能指标稳定性、响应快速性、响应准确性稳定性、响应快速性、响应准确性最优性最优性控制器控制器RC(RC(无源滤波网络）无源滤波网络）数字机数字机着眼点着眼点 系统输出系统输出/输入输入系统状态系统状态分析分析&综合综合1 1）给定输入、系统，分析输出）给定输入、系统，分析输出2 2）指定指标下，研究系统参数）指定指标下，研究系统参数1 1）揭示控制（输入）和初始条件对）揭示控制（输入）和初始条件对系统的作用影响系统的作用影响2 2）在一定条件下，最佳状态（最优）在一定条件下，最佳状态（最优控制）控制）机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论第一节第一节 机械工程控制论研究的对象与任务机械工程控制论研究的对象与任务机械工程控制论机械工程控制论研究机械工程中广义系统的动力学问题。研究机械工程中广义系统的动力学问题。研究的对象：研究的对象：研究的任务：研究的任务：研究的领域：研究的领域：机械工程领域机械工程领域机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论（b）（a）同一同一系统系统，不同的不同的输入输入机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论（a）（b）整理得：整理得：（a）解：解：（b）解：解：机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论求输出求输出求输入求输入求系统（结构参数）求系统（结构参数）机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论定常线性系统定常线性系统机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论 1.系系统由由相互相互联系、相互作用系、相互作用的若干部分的若干部分组成有成有一定一定 的目的的目的或或一定的运一定的运动规律律的一个整体的一个整体。系统的系统的组成要素组成要素 线性系统线性系统 元件元件子系统子系统非线性系统非线性系统第二节第二节 系统及其模型系统及其模型元素元素元素之间的联系元素之间的联系机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论系统具有如下系统具有如下特性特性：(1)(1)系统的性能不仅与系统的要素有关，而且还与系统的系统的性能不仅与系统的要素有关，而且还与系统的 结构有关；结构有关；(2)(2)系统的内容比组成系统的各要素的内容要丰富得多、复杂系统的内容比组成系统的各要素的内容要丰富得多、复杂得多。得多。如下面的如下面的 m-k系统。系统。机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论图图1.2.1 m-k简单系统简单系统此系统由两个元件此系统由两个元件:质块与弹簧组成质块与弹簧组成 m m质块的质量；质块的质量；k k弹簧的刚度弹簧的刚度.对弹簧对弹簧 由虎克定律由虎克定律孤立考虑孤立考虑：对质块：对质块 由牛顿第二定律由牛顿第二定律对二者组成的系统对二者组成的系统 系统的动力学方程为系统的动力学方程为系统在外力作用下，从初始位移系统在外力作用下，从初始位移y y0 0或初始速度或初始速度 开始作开始作“简简谐振动谐振动”。分别研究两个元件，无论如何得不出这一结论。分别研究两个元件，无论如何得不出这一结论。机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论当研究某台机床当研究某台机床切削加工过程切削加工过程中的动力学问题时，中的动力学问题时，当研究此台机床加工的当研究此台机床加工的工件工件的某些质量指标时，的某些质量指标时，当研究此台机床的当研究此台机床的操作者操作者在加工过程中的作用时，在加工过程中的作用时，如：如：机械工程中的广义系统：机械工程中的广义系统：以实现一定的机械运动、承受一定的机械载荷为目的，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，称为由机械元件组成的系统，称为机械系统机械系统。切削加工过程切削加工过程工件工件操作者操作者2.广义系统广义系统比如：比如：、。机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论3.3.模型模型模型模型研究、认识、描述、分析系统的一种工具。研究、认识、描述、分析系统的一种工具。数学模型数学模型用数学方法描述的抽象的理论模型，用来用数学方法描述的抽象的理论模型，用来表达系统内部各部分之间或系统与外部环境之间的关系。表达系统内部各部分之间或系统与外部环境之间的关系。模型模型分为：分为：数学表达式数学表达式静态模型静态模型动态模型动态模型反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在平衡反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在平衡 状态下的特性；状态下的特性；用用代数公式代数公式描述。描述。反映系统在瞬变载荷作用下或在不平衡状态反映系统在瞬变载荷作用下或在不平衡状态 下的特性；下的特性；用用微分方程（差分方程）微分方程（差分方程）描述。描述。机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论 机器与隔振垫系统：机器与隔振垫系统：数学模型示例数学模型示例：一台机器放在隔振垫上一台机器放在隔振垫上将机器简化为一刚性质块，设其质量为将机器简化为一刚性质块，设其质量为m；隔振垫近似看；隔振垫近似看为一弹簧和阻尼的作用，弹性系数为为一弹簧和阻尼的作用，弹性系数为k，阻尼系数为阻尼系数为c。图图 机器与隔振垫系统简化模型机器与隔振垫系统简化模型F(t)作用在质块上的外力作用在质块上的外力 N(t)隔振垫的支反力隔振垫的支反力x(t)质块铅垂方向的振动位移质块铅垂方向的振动位移 y(t)地基振动位移地基振动位移系统的数学模型如下：系统的数学模型如下：(1)以以F(t)输入，输入，x(t)输出输出系统的数学模型如下：系统的数学模型如下：(2)以以y(t)输入，输入，x(t)输出输出机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论 反馈反馈系统的系统的输出输出部分或全部地被反过来用于部分或全部地被反过来用于控制控制 系统的系统的输入。输入。第三节第三节 反馈反馈控制的实质控制的实质一、反馈的定义、分类一、反馈的定义、分类在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈。在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈。内反馈内反馈：外反馈外反馈：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（依靠外部反馈控制装置的反馈（依靠外部反馈控制装置）。）。机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论外反馈控制系统举例外反馈控制系统举例附加的反馈控制装置附加的反馈控制装置被控对象被控对象油门油门机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论反馈控制方框图反馈控制方框图机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论内反馈控制系统举例内反馈控制系统举例依靠系统内部各个元素（依靠系统内部各个元素（m m、c c、k k）之间信息交互。之间信息交互。外力作用外力作用f(t)作出响应作出响应y(t)机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论 部分反馈部分反馈 全闭环反馈全闭环反馈全闭环反馈全闭环反馈部分闭环反馈部分闭环反馈机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论正反馈正反馈：如：自激振荡器、机器疲劳破坏如：自激振荡器、机器疲劳破坏加大加大偏差偏差机床伺服系统机床伺服系统如：如：检测偏差，并检测偏差，并纠正纠正偏差偏差。机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论负反馈控制方框图负反馈控制方框图机床伺服控制系统机床伺服控制系统负反馈举例负反馈举例负反馈控制原理图负反馈控制原理图机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论第四节第四节 系统的分类及对控制系统的要求系统的分类及对控制系统的要求机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论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原理图步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图、机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论伺服驱动的数控机床原理图伺服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伺服驱动的数控机床闭环控制系统方框图机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论一个典型的闭环控制系统由：一个典型的闭环控制系统由：控制部分控制部分和和被控部分被控部分组成。组成。控制部分控制部分由以下环节组成：由以下环节组成：闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成给定环节给定环节：给出输入信号（给定值）的环节。：给出输入信号（给定值）的环节。测量环节测量环节：用于测量被控量（输出量），并转换为便于传送的物理量：用于测量被控量（输出量），并转换为便于传送的物理量 （一般为电量）。（一般为电量）。比较环节比较环节：比较输入信号与反馈信号，并输出偏差信号的环节。：比较输入信号与反馈信号，并输出偏差信号的环节。放大及运算环节放大及运算环节：对偏差信号进行校正、功率放大的环节。：对偏差信号进行校正、功率放大的环节。执行环节执行环节：接收放大环节送来的信号，直接驱动被控对象按预期规律运行。：接收放大环节送来的信号，直接驱动被控对象按预期规律运行。输出信号输出信号反馈反馈信号信号输入输入信号信号偏差偏差机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论如自动调整系统对稳定性要求较高。如自动调整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。如数控机床对定位精度要求高。控控制制系系统统的的性性能能评评价价指指标标机械工程控制基础机械工程控制基础第一章绪论本本讲小小结：机械工程控制论研究的对象与任务；系统机械工程控制论研究的对象与任务；系统（广义系统、机械系统）、动力学问题、模型（静态模型、（广义系统、机械系统）、动力学问题、模型（静态模型、动态模型）；反馈（正、负反馈，内、外反馈）；控制系动态模型）；反馈（正、负反馈，内、外反馈）；控制系统的分类，闭环控制系统的组成；对控制系统的基本要求。统的分类，闭环控制系统的组成；对控制系统的基本要求。