控制工程1章

1、,機械工程控制基礎主講：董增文機電工程學院南昌大學,南昌大學機電工程學院,機械工程控制基礎,教材：楊叔子，楊克沖等編著.《機械工程控制基礎》（第六版）.華中科技大學出版社，2005. http://www.hustp.com參考資料：[美]Katsuhiko Ogate編，《現(xiàn)代控制工程》，電子工業(yè)出版社， 朱驥北主編，《機械控制工程基礎》，機械工業(yè)出版社董明曉，李娟等編著. 《

2、機械工程控制基礎》.電子 工業(yè)出版社，2010.,課程說明：　　《機械工程控制基礎》是全國高校工科，特別是電類與機電類專業(yè)的必修課程，許多學校將該課程列為研究生入學考試課程。計劃學時：　　36學時其中講課32學時，實驗4學時)前導課程： 數(shù)學、電工電子學、復變函數(shù)、積分變換等后續(xù)教學環(huán)節(jié)： 機電一體化相關方向的　畢業(yè)設計,(,南昌大學機電工程學院,第一章 概述,機械控制工程 第一章

3、 緒論,1 .1 概述,,控制論有什么用（為什么學）？,,控制論怎么用（學什么）？,學控制論有什么困難（怎么學）？,一些常識和術語（入個門）？,機械控制工程 第一章 緒論,1.2 .1 控制論研究對象,工程控制論研究的是： 工程技術中廣義系統(tǒng)的動力學問題,,具體地說是工程技術中廣義系統(tǒng)在一定的外界條件下（即輸入或激勵，包括外加控制和外加干擾）作用下，從系統(tǒng)的一定初始狀態(tài)出發(fā)，所經(jīng)歷的由其內(nèi)部的故有特

4、性所決定的整個動態(tài)歷程,例如：,,機械控制工程 第一章 緒論,,,,進水,,,,,,,,,,,出水,,,,水位自動控制系統(tǒng),控制目標：使被控對象按指定規(guī)律變化,研究輸入、系統(tǒng)特性、輸出三者之間的動態(tài)關系,機械控制工程 第一章 緒論,1.2.2 控制論研究的內(nèi)容,研究內(nèi)容可分：,1、當系統(tǒng)已定，輸入已知時，求出系統(tǒng)的輸出，并通過輸出來研究系統(tǒng)本身的有關問題——系統(tǒng)分析,2、當系統(tǒng)已定時，確定輸入，且所確定的輸入應使得輸出

5、盡可能符合給定的最佳要求——最優(yōu)控制,3、當輸入已知時，確定系統(tǒng)，且所確定的系統(tǒng)應使得輸出盡可能符合給定的最佳要求——最優(yōu)設計,4、當輸出已知時，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸入中的有關信息——濾波與預測,5、當輸入與輸出已知時，求出系統(tǒng)的結(jié)構與參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學模型——系統(tǒng)辯識,機械控制工程 第一章 緒論,1.3.1 控制系統(tǒng),系統(tǒng)是按一定規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合,1）系統(tǒng)的要素： 元素

6、 元素之間的聯(lián)系,2）系統(tǒng)與外界交互作用 外界對系統(tǒng)的作用——輸入或激勵 系統(tǒng)對外界的作用——輸出（響應）,廣義系統(tǒng)：具備系統(tǒng)要素的一切事務或?qū)ο?機械控制工程 第一章 緒論,機械系統(tǒng),機械系統(tǒng)：以實現(xiàn)一定的機械運動，輸出一定的機械能，以及承受一定的機械載荷為目的的系統(tǒng)。,人為、有意識加上的系統(tǒng)激勵（輸入）——控制,偶然因素產(chǎn)生的無法完全人為控制的激勵——擾動,例如：,,機械控制工

7、程 第一章 緒論,補充概念：模型,模型（數(shù)學模型）：是研究、認識與描述系統(tǒng)的一種工具。 用數(shù)學方法描述的抽象的理論模型 表達一個系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間，或者系統(tǒng)與其外部環(huán)境之間的關系,靜態(tài)模型：反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性，系統(tǒng)的現(xiàn)時輸出僅由其現(xiàn)時輸入決定，代數(shù)公式描述,動態(tài)模型：用于研究系統(tǒng)在迅變載荷作用下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性，系統(tǒng)的現(xiàn)時輸出則是由其以前的歷史決定的，需要

8、以微分方程，或其離散形式——差分方程來描述。,機械控制工程 第一章 緒論,1.3.2 反饋控制系統(tǒng),反饋：一 個系統(tǒng)的輸出，部分或全部被反過來用于控制系統(tǒng)的輸入（華科版定義） 反饋：就是將系統(tǒng)的輸出信號通過一定的檢測元件變送返回到系統(tǒng)的輸入端，并和系統(tǒng)的輸入信號進行比較的過程。反饋分正反饋、負反饋兩種。,1、開環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)的輸出量不影響系統(tǒng)的控制作用，即系統(tǒng)中輸出端與輸入端之間無反饋通道。,機械控制工程 第一章

9、 緒論,1.3.2 反饋控制系統(tǒng),2、閉環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)輸出端與輸入端之間存在反饋通道，即系統(tǒng)的輸出對控制作用有直接影響,機械控制工程 第一章 緒論,補充： 機械系統(tǒng)的內(nèi)在反饋控制,內(nèi)在反饋：反映系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)之間互為因果的內(nèi)在聯(lián)系關系，這對系統(tǒng)的動態(tài)性能有非常重要的影響，而且往往很難加以控制。,微分方程是系統(tǒng)本身的反饋和外界對系統(tǒng)的作用兩者的一種數(shù)學體現(xiàn)形式。,機械控制工程 第一章 緒論,3 反饋控制系統(tǒng)的基本組

10、成,1）給定環(huán)節(jié)：給出輸入信號，用于確定被控對象的“目標值”,6 ）測量環(huán)節(jié)：用于測量被控變量，并將被控變量轉(zhuǎn)換為便于傳遞的另一物理量,2 ）比較環(huán)節(jié)：用來比較輸入及反饋信號，得出二者差值的偏差信號,3 ）放大及運算環(huán)節(jié)：把弱的信號放大以推動執(zhí)行元件動作,4 ）執(zhí)行環(huán)節(jié)：據(jù)輸入信號的要求直接對控制對象進行操作,5 ）被控對象：控制系統(tǒng)所要操作的對象，它的輸出量為系統(tǒng)的被控制量，如數(shù)控系統(tǒng)的工作臺,機械控制工程 第一章 緒論,4

11、 反饋控制系統(tǒng)的信號,1）輸入信號（激勵）,2）輸出信號（響應）,3）反饋信號,4）偏差信號,5）誤差信號,6）擾動信號（干擾）,機械控制工程 第一章 緒論,1.3.3 系統(tǒng)的分類,1、按有無反饋分類：,開環(huán)系統(tǒng),閉環(huán)系統(tǒng),機械控制工程 第一章 緒論,1.3.3 系統(tǒng)的分類,2、按輸出變化規(guī)律分 ：,自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)：輸出基本保持常量的系統(tǒng),隨動系統(tǒng)：輸出跟隨輸入變化的系統(tǒng),液壓仿形刀架（輸入是靠模形狀，輸出是刀具的仿行

12、運動）雷達自動跟蹤系統(tǒng) 火炮自動瞄準系統(tǒng),程序控制系統(tǒng)：輸出按預定程序變化的系統(tǒng)， 如數(shù)控機床系統(tǒng)。,機械控制工程 第一章 緒論,,,隨動系統(tǒng),機械控制工程 第一章 緒論,1.4 對控制系統(tǒng)的基本要求,穩(wěn)定,準確,快速,機械控制工程 第一章 緒論,1.4 對控制系統(tǒng)的基本要求,1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性：系統(tǒng)抵抗動態(tài)過程中的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復平衡狀態(tài)的能力,輸出量偏離平衡狀態(tài)后應該

13、隨著時間收斂并且最后回到初始的平衡狀態(tài)。——系統(tǒng)工作的首要條件。,機械控制工程 第一章 緒論,1.4 對控制系統(tǒng)的基本要求,2、快速響應性：在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，指系統(tǒng)輸出量與給定輸入量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差的快速程度。,3、響應的準確性：指在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量之間的偏差，或稱為靜態(tài)精度。,機械控制工程 第一章 緒論,1.5.1 內(nèi)容,控制理論的基本理論和基本方法,掌握反饋控制系統(tǒng)的基本概念（包

14、括基本原理、基本組 成、開環(huán)控制、閉環(huán)控制等）掌握建立機電系統(tǒng)動力學模型的方法；掌握機電系統(tǒng)的時域分析方法；掌握機電系統(tǒng)的頻域分析方法；掌握機電系統(tǒng)的根軌跡分析方法；掌握模擬機電控制系統(tǒng)的分析及設計綜合方法。,機械控制工程 第一章 緒論,1.5.2 特點,數(shù)學工具多,微分、積分方程，極限、對數(shù)、Laplace變換電工電子、力學,抽象、概念多,1.5.3 學習方法：悟,重視實驗和習題,三多：多想、多問、

15、多練,幾個觀點：因果關系、相對概念,機械控制工程 第一章 緒論,補充： 控制理論在機械中應用,1、機械制造自動化方面,智能機器人 數(shù)控機床 柔性制造系統(tǒng)等,2、在加工過程研究方面,高速切削，精密加工，要求把加工過程如實地作為一個動態(tài)系統(tǒng)加以研究,3、在產(chǎn)品與設備的設計方面,在涉及產(chǎn)品與設備的動態(tài)特性的條件下，密切結(jié)合其工作過程，探索建立它們的數(shù)學模型，采用計算機進行優(yōu)化設計,機械控制工程 第一章 緒論,

16、補充: 我國古代自動控制系統(tǒng)方面的成就,東漢張衡的候風地動儀宋代燕肅的指南車水運儀象臺等,補充： 控制理論的形成與發(fā)展,1、第一階段“古典控制論”,1788年 瓦特發(fā)明蒸汽機，蒸汽機調(diào)速——飛球調(diào)速器,1877年勞斯線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù),1932年萘奎斯特提出著名的Nyquist穩(wěn)定性判據(jù),1948年 維納“控制論”——經(jīng)典控制理論形成（創(chuàng)始人）,1954年 錢學森“工程控制論”——推動了控制理論的應用,機械控制工程 第一

17、章 緒論,補充：控制理論的形成與發(fā)展,2、現(xiàn)代控制理論階段,主要是在時域內(nèi)利用狀態(tài)空間分析來研究與解決多輸入多輸出系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，成功地解決了導彈，航空，航天的制導等問題，并逐步用在工業(yè)生產(chǎn)。,現(xiàn)代控制理論的基本工具是狀態(tài)空間理論,3、控制理論向“大系統(tǒng)論”和“智能控制”方面發(fā)展,機械控制工程 第一章 緒論,補充：數(shù)控直線工作臺位置控制系統(tǒng),南昌大學機電工程學院,作業(yè),作業(yè)一： P26 1.8 ,作業(yè)二：什么是反饋？并