机械工程控制基础(清华大学出版社)课件第1章绪论.ppt

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1、机械工程控制基础,机械工程学院 邢英杰,办公地点：机械工程学院东楼403,教材： 机械工程控制基础清华大学出版社 祝守新 邢英杰 韩连英 主编 参考教材： 1控制工程基础机械工业出版社 燕山大学 王益群 孔祥东 主编2控制工程基础浙江大学出版社 张尚才 主编,第一章 绪论,掌握住对象不使任意活动或超出范围；或使其按控制者的意愿活动。 （现代汉语词典）,控制，是指对事物起因、发展及结果的全过程的一种把握，是能预测和了解并决定事物的结果。,控制？,是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器（机械装置、电气装置或电子计算机）使生产过程或被控制对象（机器、设备）的某一物理量（温度、压力、液面、流量、速度

2、、位移等）自动地按照预定的规律运行。,自动控制？,例如： 电冰箱自动地控制冰箱中的温度恒定； 无塔供水系统保证楼宇自动恒压供水； 加工中心根据加工工艺的要求，能够自动地按照一定的加工程序加工出所需要的工件。,自动控制理论的组成,自动控制理论主要由经典控制理论、现代控制论和智能控制论组成的。,1. 经典控制理论 是在复数域中以传递函数概念为基础的理论体系。 主要研究单输入、单输出、线性定常系统的分析与设计。,自动控制理论的组成 续1,2. 现代控制理论 在时间域中以状态变量方程概念为基础的理论体系。 主要研究具有高性能、高精度的多输入多输出系统的分析与设计。系统可以是线性的或非线性的、定常的或时

3、变的、连续的或离散的、确定型的或随机型的。,自动控制理论的组成续 2,3. 智能控制理论 是一类无需人的干预就能够独立的驱动智能机器实现其目标的自动控制的理论体系。主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。主要研究具有不确定性的模型、高度的非线性及复杂的任务要求的系统。,经典控制理论是自动控制理论的基础，又称为控制理论基础。,学习控制理论基础要解决两个问题,如何分析某个给定控制系统的工作原理、稳定性和过渡过程品质； 如何根据实际需要来设计控制系统。 前者主要是分析系统，后者是综合与设计。,第一节 机械工程控制理论研究的对象与任务,研究对象-研究机械工程中系统的动态特性。,系统？,

4、是指同类事物按一定的关系组成的整体。 就其物理形态来说可为机械、电气、液压及光学等工程的系统，也有可能为社会上的、生物学上的系统。但无论如何，它们的动态行为都可以用微分方程描述。这种系统在外界条件作用下所表现出来的动态历程，说明了系统输入、模型与输出的内在关系。,图1-1 质量-阻尼-弹簧系统,m、k及f分别代表系统的质量、弹簧刚度系数及粘性阻尼系数。如果输入x(t)代表系统的外力，而输出y(t)代表系统的位移响应，那么系统的数学模型可由微分方程描述。其关系为,举例：机械系统,1.已知系统的参数m、k、f及输入x(t)，确定输出y(t)；,2.已知输入x(t)及输出y(t)，确定系统的参数m、

5、k及f；,3.已知系统的参数m、k及f，给定输出y(t)时，确定输入x(t)。,所谓系统的动态性能，主要分如下三类,第二节 系统的基本概念,系统是由相互联系、相互作用的若干部分构成且具有一定运动规律的一个有机整体。 系统与外界之间的关系如下图所示，其中， 输入：外界对系统的作用； 输出：系统对外界的作用。,一、自动控制系统工作原理,在各种生产过程和生产设备中，常常需要使其中某些物理量（如温度、压力、位置、速度等）保持恒定，或者让它们按照一定的规律变化，要满足这种需要，就应该对生产机械或设备进行及时的控制和调整，以抵消外界的扰动和影响。,恒温系统: 实现恒温控制有两种方法：人工控制和自动控制,1

6、.人工控制 图1-2所示为人工控制的恒温箱。恒温箱的温度是靠通过改变调压器的电压来达到控制温度的目的。箱内温度是由温度计测量的。,图1-2 人工控制的恒温箱,观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱（被控制元件）的温度； 与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏差的大小和方向； 根据偏差大小和方向再进行比较控制：当温度高于所要求的给定温度值时，就调节调压器动触头使电压减小，温度降低；若温度低于给定的值，则调节调压器动触头，使电压增加，温度升高； 如温度还达不到要求时，要反复进行上面的步骤操作。 因此，人工控制的过程就是测量、求偏差、再控制以纠正偏差的过程。也就是“检测偏差用以纠正偏差”的过程。,人

7、工控制恒温的过程可归结如下：,2. 自动控制,图1-3 恒温箱的自动控制系统,对于这样简单的控制形式，如果能找到一个控制器来代替人的职能，这样人工控制系统就变成自动控制系统了。,u2,u1,热电偶,给定信号,加热电阻丝,电压 放大器,功率 放大器,减速器,调压器,u,220V,比较,+,+,执行电动机,u1 给定信号电压，控制恒温箱的温度。 u2 测得的电压信号，由作为测量元件的热电偶， 把温度转换成对应的电压信号。 u 偏差信号，测得的电压信号u2反馈回去与给定信号u1 相比较，所得结果即为温度的偏差信号u = u-u。经过电压、功率放大后，用以改变电动机的转速和方向，并通过传动装置带动调压

8、器动触头。当温度偏高时，动触头向着减小电压的方向运动，反之加大电压，直到温度达到给定值为止，即只有在偏差信号u 时，电动机才停转。这样就完成了所要求的控制任务。而所有这些装置便组成了一个自动控制系统。,图1-4 所示为恒温箱温度计自动控制系统职能方块图。代表比较元件，箭头代表作用方向。从图中可以看到反馈控制的基本原理，也可以看到，各职能环节的作用是单向的，每个环节的输出是受输入控制的。,图1-4 恒温箱温度计自动控制系统职能方块图,实现自动控制的装置可各不相同，但反馈控制原理却是相同的，可以说，反馈控制是实现自动控制最基本的方法。,瓦特式速度调节器工作原理,允许进入到发动机内的燃料数量，根据希

9、望的发动机速度与实际的发动机速度之差进行调整。,如果发动机的速度增大，以至于超过了希望的速度值，则速度调节器的离心力增大，从而导致控制阀向上移动。这样就会减少燃料供应，导致发动机的速度减小，直至达到希望的速度时为止。,当工作于希望的速度时，高压油将不进入动力油缸的任何一侧。如果由于扰动，使得实际速度下降到低于希望值，则速度调节器的离心力下降，导致控制阀向下移动，从而对发动机的燃料供应增多，发动机的速度增大，直到达到希望的速度时为止。,瓦特式速度调节器工作原理,给定量也叫控制系统的输入量。 被控制量称为系统的输出量。,反馈就是指输出量通过适当的测量装置将信号全部或一部分返回输入端，使之与输入量进

10、行比较。,比较的结果叫偏差。,基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的原理又称为反馈控制原理。利用反馈控制原理组成的系统称为反馈控制系统。,上述例子有一个共同的特点，就是都要检测偏差，并用检测到的偏差去纠正偏差，可见没有偏差便没有调节过程。在自动控制系统中，这一偏差是通过反馈建立起来的。,二、 系统的分类,1. 按输入输出的关系分类,工业上用的控制系统，根据有无反馈作用，又可分为两类： 开环控制系统与闭环控制系统。,(1)开环控制系统 当构成系统每一环节的输入不受系统的输出影响时，这样的系统称为开环控制系统。 如图1-5所示的数控机床进给系统采用步进电机直接驱动时，其系统就属于开环控制系统。

11、这一系统中，系统的输出不对系统的输入有任何影响。,图1-5 数控机床开环进给系统,(2)闭环控制系统当构成系统的任一环节的输入受到系统的输出影响时，这样的系统称为闭环控制系统。,图1-6所示数控机床闭环进给系统,由于工作台位移（输出）经检测装置测出实际的位移后与给定的位移指令比较，从而产生控制作用，达到控制工作台位移的目的。因此，如果实际的位移没达到指令要求时，这种控制作用始终作用于工作台，直到工作台达到所要求的位置。,开环控制系统的优点：结构简单、调试方便，且造价低廉。缺点是精度较低。,闭环控制系统突出的优点：精度高，不管出现什么干扰，只要被控制量的实际值偏离给定值时，闭环控制就会产生控制作

12、用来减小这一偏差。,闭环系统的缺点：这类系统是检测偏差用以纠正偏差，或者说是靠偏差进行控制。在工作过程中系统总会存在偏差，由于元件的惯性（如负载的惯性），很容易引起振荡，使系统不稳定。因此精度和稳定性是闭环系统存在的一对矛盾。,2.按输出的变化规律分类,(1) 恒值系统 在外界作用下，系统的输出能基本保持为常值的系统称为恒值系统。如恒温、恒压及恒速系统。,(2) 随动系统 系统的输出能相应于输入在广阔范围里按任意规律变化的系统称为随动系统。如仿形车床的液压仿形刀架，靠模为给定的系统输入，刀架仿形运动为系统的输出。,(3) 程序控制系统 在外界作用下，系统的输出按预定程序变化的系统称为程序控制系

13、统。如前面曾介绍过的数控机床的进给系统，都属于程序控制系统。,3.连续系统与采样系统,如果系统每个环节之间所传递的信息都是时间的连续信号，这样的系统称为连续系统。如果在系统中，计算机参与工作时，环节之间所传递的信息除了有连续信号外，还有离散信号，这样的系统称为采样系统或离散系统。,4.定常系统与时变系统,描述系统微分方程的系数不随时间而变化的系统称为定常系统。其系数随时间变化的系统，称为时变系统。,三 .反馈控制系统的基本组成,一个典型的反馈控制系统应该包括给定元件、反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正元件等。,1.给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号例如，调速系统的给定电位计。

14、2.反馈元件：它测量被控量或输出量，产生主反馈信号，该信号与输出量存在着确定的函数关系（通常为比例关系）。例如，调速系统用于测速的测速发电机。 3.比较元件：用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差。可以是一个差接的电路，它往往不是一个专门的物理元件，有时也叫比较环节；自整角机、旋转变压器、机械式差动装置都是物理的比较元件。,4.放大元件：对偏差信号进行放大和功率放大的元件。例如，伺服功率放大器、电液伺服阀等。 5.执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。例如，执行电动机、液压马达等。 6.控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的控制量，例如，机床工作台等。 7.校正元件：或称校正装

15、置，用以提高控制系统动态性能。有反馈校正和串联校正等形式,四名词术语,1.输入信号（又称输入量、控制量或给定量）： 它是控制输出量变化规律的信号。而输入量则又广义地泛指输入到控制系统中的信号，如扰动信号，也包括给定信号。,2.输出信号（又称输出量、被控制量或被调整量）： 它的变化规律是要加以控制的，应保持与输入信号之间有一定的函数关系。,3.反馈信号（或称反馈）：从系统（或元件）输出端取出信号，经过变换后加到系统（或元件）输入端，这就是反馈信号。 当它与输入信号符号相同时叫正反馈。反之，叫负反馈。 直接取自系统最终输出端的反馈叫主反馈。 主反馈一定是负反馈，否则偏差越来越大，直至使系统失去控制

16、。除主反馈外，有的系统还有局部反馈，这主要是用来对系统进行校正、补偿或线性化而加入的,5.误差信号（或称误差）：它是指系统输出量的实际值与希望值之差。在很多情况下，希望值就是系统的输入量。,这里要注意，误差和偏差不是同一概念。只有在单位反馈系统中，误差才等于偏差。,6 .扰动信号（又称扰动或干扰）：除控制信号以外， 对系统输出量产生影响的因素都叫扰动。如果扰动产生在系统内部，称为内扰；产生在系统外部，则称外扰。外扰动也是系统的一种输入量。,4.偏差信号（或称偏差）：它是控制信号与主反馈信号之差。有时也称为作用误差。,第三节 对控制系统的基本要求,工作在不同场合下的自动控制系统，对它有不同的性能

17、要求。图示为在阶跃输入信号下，几种系统的被控量的变化过程。图中x(t)表示输入，y(t)表示输出。,控制系统的阶跃输入输出,控制系统要能正常地工作，必须满足稳定、准确、快速三方面的要求。,1. 稳定性：由于系统存在着惯性，当系统的各个参数匹配不妥时，将会引起系统的振荡而失去工作能力。稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统能否恢复平衡状态的能力。稳定性的要求是系统工作的首要条件。,2. 准确性：是指在调整过程结束后输出量与给定量之间的偏差，或称为静态精度，这也是衡量系统工作性能的重要指标。例如数控机床精度越高，则加工精度也越高。而一般恒温和恒速系统的精度都可在给定值的1%以内。,3. 快速性：这是

18、在系统稳定的前提下提出的。快速性是指当系统输出量与给定量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。,对控制系统的基本要求是稳、准、快。 由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、准、快的要求各有侧重，例如，随动系统对快速性要求较高，而调速系统则对稳定性提出较严格的要求。 同一系统稳、准、快是相互制约的。快速性好，可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制过程可能又过于迟缓，精度也可能变坏。分析和解决这些矛盾，也是本学科讨论的重要内容。,本课程特点及学习方法,本课程是机械设计制造及其自动化专业的技术基础课，是一门比较抽象、理论性较强的课程，它起着为自动控制的基础理论与专业课程之间搭设桥梁的作用。 没有

19、机械工程控制理论作为基础，机械设计制造及其自动化专业的一些后续课，如测试技术、液压与气压传动等一些要求，将无法实现。 本课程用到了本专业所学的全部数学知识，甚至在某些方面还需加深。因此掌握所学的数学知识是十分必要的。但是，倒不一定要过分地追求数学论证中的严密性。由于本课仅是技术基础课，在尽可能联系专业知识时，不应该忽略本课程的系统性与理论性。,本门课程主要是研究数学模型的建立方法，并在此基础上分析系统的动态特性。因此，在学习本课程时，注意力要放在基础理论上，而不要过分追求系统的原理与实际工作的情况。 为对基础理论有较好的理解，必须重视习题与实验环节。以加深理论的理解与深化，培养正确的思维能力与实际解决问题的能力。,