控制工程1章

1、,機(jī)械工程控制基礎(chǔ)主講：董增文機(jī)電工程學(xué)院南昌大學(xué),南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,機(jī)械工程控制基礎(chǔ),教材：楊叔子，楊克沖等編著.《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》（第六版）.華中科技大學(xué)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(jī)械控制工程基礎(chǔ)》，機(jī)械工業(yè)出版社董明曉，李娟等編著. 《

2、機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》.電子 工業(yè)出版社，2010.,課程說明：　　《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》是全國(guó)高校工科，特別是電類與機(jī)電類專業(yè)的必修課程，許多學(xué)校將該課程列為研究生入學(xué)考試課程。計(jì)劃學(xué)時(shí)：　　36學(xué)時(shí)其中講課32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí))前導(dǎo)課程： 數(shù)學(xué)、電工電子學(xué)、復(fù)變函數(shù)、積分變換等后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)： 機(jī)電一體化相關(guān)方向的　畢業(yè)設(shè)計(jì),(,南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,第一章 概述,機(jī)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(xué)）？,,控制論怎么用（學(xué)什么）？,學(xué)控制論有什么困難（怎么學(xué)）？,一些常識(shí)和術(shù)語（入個(gè)門）？,機(jī)械控制工程 第一章 緒論,1.2 .1 控制論研究對(duì)象,工程控制論研究的是： 工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題,,具體地說是工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)在一定的外界條件下（即輸入或激勵(lì)，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(gè)動(dòng)態(tài)歷程,例如：,,機(jī)械控制工程 第一章 緒論,,,,進(jìn)水,,,,,,,,,,,出水,,,,水位自動(dòng)控制系統(tǒng),控制目標(biāo)：使被控對(duì)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(dòng)態(tài)關(guān)系,機(jī)械控制工程 第一章 緒論,1.2.2 控制論研究的內(nèi)容,研究?jī)?nèi)容可分：,1、當(dāng)系統(tǒng)已定，輸入已知時(shí)，求出系統(tǒng)的輸出，并通過輸出來研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問題——系統(tǒng)分析,2、當(dāng)系統(tǒng)已定時(shí)，確定輸入，且所確定的輸入應(yīng)使得輸出

5、盡可能符合給定的最佳要求——最優(yōu)控制,3、當(dāng)輸入已知時(shí)，確定系統(tǒng)，且所確定的系統(tǒng)應(yīng)使得輸出盡可能符合給定的最佳要求——最優(yōu)設(shè)計(jì),4、當(dāng)輸出已知時(shí)，確定系統(tǒng)，以識(shí)別輸入或輸入中的有關(guān)信息——濾波與預(yù)測(cè),5、當(dāng)輸入與輸出已知時(shí)，求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型——系統(tǒng)辯識(shí),機(jī)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(duì)系統(tǒng)的作用——輸入或激勵(lì) 系統(tǒng)對(duì)外界的作用——輸出（響應(yīng)）,廣義系統(tǒng)：具備系統(tǒng)要素的一切事務(wù)或?qū)ο?機(jī)械控制工程 第一章 緒論,機(jī)械系統(tǒng),機(jī)械系統(tǒng)：以實(shí)現(xiàn)一定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，輸出一定的機(jī)械能，以及承受一定的機(jī)械載荷為目的的系統(tǒng)。,人為、有意識(shí)加上的系統(tǒng)激勵(lì)（輸入）——控制,偶然因素產(chǎn)生的無法完全人為控制的激勵(lì)——擾動(dòng),例如：,,機(jī)械控制工

7、程 第一章 緒論,補(bǔ)充概念：模型,模型（數(shù)學(xué)模型）：是研究、認(rèn)識(shí)與描述系統(tǒng)的一種工具。 用數(shù)學(xué)方法描述的抽象的理論模型 表達(dá)一個(gè)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(guān)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(shí)輸出僅由其現(xiàn)時(shí)輸入決定，代數(shù)公式描述,動(dòng)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(shí)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(jī)械控制工程 第一章 緒論,1.3.2 反饋控制系統(tǒng),反饋：一 個(gè)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(hào)通過一定的檢測(cè)元件變送返回到系統(tǒng)的輸入端，并和系統(tǒng)的輸入信號(hào)進(jìn)行比較的過程。反饋分正反饋、負(fù)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(jī)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(duì)控制作用有直接影響,機(jī)械控制工程 第一章 緒論,補(bǔ)充： 機(jī)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(guān)系，這對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的作用兩者的一種數(shù)學(xué)體現(xiàn)形式。,機(jī)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(hào)，用于確定被控對(duì)象的“目標(biāo)值”,6 ）測(cè)量環(huán)節(jié)：用于測(cè)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(hào)，得出二者差值的偏差信號(hào),3 ）放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)：把弱的信號(hào)放大以推動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作,4 ）執(zhí)行環(huán)節(jié)：據(jù)輸入信號(hào)的要求直接對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操作,5 ）被控對(duì)象：控制系統(tǒng)所要操作的對(duì)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(tái),機(jī)械控制工程 第一章 緒論,4

11、 反饋控制系統(tǒng)的信號(hào),1）輸入信號(hào)（激勵(lì)）,2）輸出信號(hào)（響應(yīng)）,3）反饋信號(hào),4）偏差信號(hào),5）誤差信號(hào),6）擾動(dòng)信號(hào)（干擾）,機(jī)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(jī)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(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)：輸出基本保持常量的系統(tǒng),隨動(dòng)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(yùn)動(dòng)）雷達(dá)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng) 火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng),程序控制系統(tǒng)：輸出按預(yù)定程序變化的系統(tǒng)， 如數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)。,機(jī)械控制工程 第一章 緒論,,,隨動(dòng)系統(tǒng),機(jī)械控制工程 第一章 緒論,1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求,穩(wěn)定,準(zhǔn)確,快速,機(jī)械控制工程 第一章 緒論,1.4 對(duì)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(dòng)態(tài)過程中的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力,輸出量偏離平衡狀態(tài)后應(yīng)該

13、隨著時(shí)間收斂并且最后回到初始的平衡狀態(tài)?！到y(tǒng)工作的首要條件。,機(jī)械控制工程 第一章 緒論,1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求,2、快速響應(yīng)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(shí)，消除這種偏差的快速程度。,3、響應(yīng)的準(zhǔn)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(jī)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(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的方法；掌握機(jī)電系統(tǒng)的時(shí)域分析方法；掌握機(jī)電系統(tǒng)的頻域分析方法；掌握機(jī)電系統(tǒng)的根軌跡分析方法；掌握模擬機(jī)電控制系統(tǒng)的分析及設(shè)計(jì)綜合方法。,機(jī)械控制工程 第一章 緒論,1.5.2 特點(diǎn),數(shù)學(xué)工具多,微分、積分方程，極限、對(duì)數(shù)、Laplace變換電工電子、力學(xué),抽象、概念多,1.5.3 學(xué)習(xí)方法：悟,重視實(shí)驗(yàn)和習(xí)題,三多：多想、多問、

15、多練,幾個(gè)觀點(diǎn)：因果關(guān)系、相對(duì)概念,機(jī)械控制工程 第一章 緒論,補(bǔ)充： 控制理論在機(jī)械中應(yīng)用,1、機(jī)械制造自動(dòng)化方面,智能機(jī)器人 數(shù)控機(jī)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(shí)地作為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)加以研究,3、在產(chǎn)品與設(shè)備的設(shè)計(jì)方面,在涉及產(chǎn)品與設(shè)備的動(dòng)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(xué)模型，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),機(jī)械控制工程 第一章 緒論,

16、補(bǔ)充: 我國(guó)古代自動(dòng)控制系統(tǒng)方面的成就,東漢張衡的候風(fēng)地動(dòng)儀宋代燕肅的指南車水運(yùn)儀象臺(tái)等,補(bǔ)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(jī)，蒸汽機(jī)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(xué)森“工程控制論”——推動(dòng)了控制理論的應(yīng)用,機(jī)械控制工程 第一

17、章 緒論,補(bǔ)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(shí)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(dǎo)彈，航空，航天的制導(dǎo)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(jī)械控制工程 第一章 緒論,補(bǔ)充：數(shù)控直線工作臺(tái)位置控制系統(tǒng),南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,作業(yè),作業(yè)一： P26 1.8 ,作業(yè)二：什么是反饋？并