1机械工程控制基础(第五版)第一章绪论.ppt

中南林业科技大学中南林业科技大学中南林业科技大学中南林业科技大学-机电工程学院机电工程学院机电工程学院机电工程学院讲授人：龚中良讲授人：龚中良讲授人：龚中良讲授人：龚中良 教教教教 材：材：材：材：机械工程控制基础机械工程控制基础机械工程控制基础机械工程控制基础（第五版）（第五版）（第五版）（第五版）华中科技大学出版社华中科技大学出版社华中科技大学出版社华中科技大学出版社 2005.072005.072005.072005.072024/5/8 周三课程背景简介课程背景简介n n由于现代科学技术的迅猛发展，特别是由于微电由于现代科学技术的迅猛发展，特别是由于微电子技术、电子计算机技术的迅猛发展，作为子技术、电子计算机技术的迅猛发展，作为“三三论论”(控制论、系统论、信息论控制论、系统论、信息论)之一的控制论本之一的控制论本身也得到了进一步的发展。控制论的观点和思维身也得到了进一步的发展。控制论的观点和思维方法向各个学科和专业渗透，也给机械工程这个方法向各个学科和专业渗透，也给机械工程这个古老的专业注入了新的活力。古老的专业注入了新的活力。n n机械工程控制论不仅能满足今天自动化技术高度机械工程控制论不仅能满足今天自动化技术高度发展的需要，同时它与信息科学和系统科学紧密发展的需要，同时它与信息科学和系统科学紧密相关，更重要的是它提供了辩证的系统分析方法，相关，更重要的是它提供了辩证的系统分析方法，即不断从局部而且从整体上认识和分析机械系统，即不断从局部而且从整体上认识和分析机械系统，改进和完善系统，以满足科技发展和工业生产的改进和完善系统，以满足科技发展和工业生产的实际需要。实际需要。2024/5/8 周三课程简介课程简介n n本课程是针对机械专业本科生开设的技术基础课。该课程侧重原理，其内容密切结合工程实际，是一门技术基础课基础课。它以控制论为理论基础，以机械工程系统为研究对象的广义系统动力学；同时，它又是一种方法论。2024/5/8 周三学习本课程的目的学习本课程的目的n n在于使学生能以在于使学生能以动力学的观点动力学的观点动力学的观点动力学的观点而不是静态观点而不是静态观点去看待一个机械工程系统；从去看待一个机械工程系统；从整体整体整体整体的而不是分的而不是分离的角度，从整个系统中的信息之离的角度，从整个系统中的信息之传递、转换传递、转换传递、转换传递、转换和反馈和反馈和反馈和反馈等角度来分析系统的动态行为；能结合等角度来分析系统的动态行为；能结合工程实际，应用经典控制论中的基本概念和基工程实际，应用经典控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中的问题。这包本方法来分析、研究和解决其中的问题。这包括两个方面：括两个方面：n n 对机电系统中存在的问题能够以控制论对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题的本质和有效的解决方法；的本质和有效的解决方法；n n 如何控制一个机电系统，使之按预定的如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。现最佳控制打下基础。2024/5/8 周三主要内容介绍主要内容介绍n n(一一一一)绪论绪论绪论绪论 控制系统的基本工作原理，控制系统的几种分控制系统的基本工作原理，控制系统的几种分类，控制理论的发展史，对控制系统的基本要类，控制理论的发展史，对控制系统的基本要求。求。n n(二二二二)控制系统的数学模型及传递函数控制系统的数学模型及传递函数控制系统的数学模型及传递函数控制系统的数学模型及传递函数 LAPLACE LAPLACE变换，系统的数学模型，传递函数，变换，系统的数学模型，传递函数，典型环节的传递函数，系统的方框图及其联接，典型环节的传递函数，系统的方框图及其联接，系统的信号流程图。系统的信号流程图。n n(三三三三)线性系统的时域分析线性系统的时域分析线性系统的时域分析线性系统的时域分析 典型输入信号，控制系统的时域性能指标，一典型输入信号，控制系统的时域性能指标，一阶系统的时间响应，二阶系统的时间响应，系阶系统的时间响应，二阶系统的时间响应，系统的稳态误差。统的稳态误差。2024/5/8 周三主要内容介绍（续）主要内容介绍（续）n n(四四)频率特性分析法频率特性分析法 频率特性的基本概念，典型环节的频率特性，频率特性的基本概念，典型环节的频率特性，系统的开环频率特性的绘制，系统的闭环频率系统的开环频率特性的绘制，系统的闭环频率特性。特性。n n(五五)控制系统的稳定性分析控制系统的稳定性分析 稳定性的基本概念，代数稳定性判据，频域稳稳定性的基本概念，代数稳定性判据，频域稳定性判据，系统的相对稳定性。定性判据，系统的相对稳定性。n n(六六)系统的校正方法系统的校正方法 系统校正的一般概念，串联校正，反馈校正。系统校正的一般概念，串联校正，反馈校正。2024/5/8 周三学时分配学时分配n n序 号 内 容 课内学时 1 绪论 4 2 系统的数学模型及传递函数 8 3 线性系统的时域分析法 6 4 频率响应分析法 6 5 控制系统的稳定性分析 4 6 系统性能指标与校正(选上)4 共计理论课时:32课时,学分2.0分 课程成绩:闭卷考试+作业+出勤2024/5/8 周三推荐参考书推荐参考书 n n陈康宁等，机械工程控制基础，西安交通大学出版社，1997。n n王积伟等，控制工程基础，南京大学出版社，1993.。n n董新景等，控制工程基础，清华大学出版社，1992。n n胡寿松等，自动控制原理，科学出版社，2003。2024/5/8 周三先修课程先修课程n n本课程的先修课程为“高等数学”、“线性代数”、“复变函数”、“理论力学”、“机械原理”、“电工电子学”。尤其是“高等数学高等数学”、“线性代数线性代数”。n n本课程所分析的系统，涉及机械、电气，所以在建立数学模型时，需运用到理论力学、电工、机械原理等多门课程的知识。2024/5/8 周三第一章第一章 绪论绪论1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务1.2 系统及其模型系统及其模型1.3 反馈反馈1.4 控制系统的分类控制系统的分类1.5 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求本章难点本章难点广义系统的信息反馈广义系统的信息反馈控制系统方框图的绘制控制系统方框图的绘制基本内容基本内容2024/5/8 周三1.1 机械工程控制论的研究任务机械工程控制论的研究任务n n一、控制、自动控制及控制论n n二、系统及广义系统n n三、机械工程控制论的研究对象n n四、机械工程控制论的研究任务2024/5/8 周三一、控制、自动控制一、控制、自动控制n n控制控制：对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为n n自动控制自动控制：该操作由控制装置自动完成，无须人的参与n n控制示例2024/5/8 周三2024/5/8 周三2024/5/8 周三2024/5/8 周三2024/5/8 周三2024/5/8 周三热力系统：热力系统：2024/5/8 周三直流电机速度控制系统直流电机速度控制系统2024/5/8 周三控制论控制论n n控制论控制论控制论控制论：关于控制原理和控制方法的学科，研究事物变：关于控制原理和控制方法的学科，研究事物变化和发展的一般规律。化和发展的一般规律。n n控制三要素控制三要素控制三要素控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置：被控对象、控制目标、控制装置n n可控和能控可控和能控可控和能控可控和能控：n n（1 1）被控对象必须存在多种发展的可能性；）被控对象必须存在多种发展的可能性；n n（2 2）可在多种可能性中通过一定的手段进行选择）可在多种可能性中通过一定的手段进行选择n n控制论方法控制论方法控制论方法控制论方法：n n1.1.了解事物面临的可能性空间是什么；了解事物面临的可能性空间是什么；n n2.2.在可能性空间中选择某一些状态为目标；在可能性空间中选择某一些状态为目标；n n3.3.控制条件，使事物向既定的目标转换。控制条件，使事物向既定的目标转换。2024/5/8 周三控制论（续）控制论（续）控制论既是 一门技术学科，也是一种方法论。控制论实质是研究广义系统动力学，其核心是系统内部以及系统与外部环境的信息交互、传递和反馈。2024/5/8 周三二、系统二、系统n n系统是由相互联系、相互作用的若干部分构成且系统是由相互联系、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。具有一定运动规律的一个有机整体。2024/5/8 周三广义系统广义系统2024/5/8 周三三、机械工程控制论的研究对象三、机械工程控制论的研究对象 机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广广义系统的动力学问题义系统的动力学问题。具体地说，它研究的是。具体地说，它研究的是机械工程广义系统在一定的外界条件机械工程广义系统在一定的外界条件 (即输入或激即输入或激励、干扰励、干扰)作用下，从系统的一定的初始状态出发，作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性所经历的由其内部的固有特性(即由系统的结构与即由系统的结构与参数所决定的特性参数所决定的特性)所决定的整个动态历程；研究所决定的整个动态历程；研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。2024/5/8 周三例例1：同一质量阻尼弹簧在不同的输入时的情：同一质量阻尼弹簧在不同的输入时的情况。图中，况。图中，m、c、k分别代表质量、粘性阻尼系数分别代表质量、粘性阻尼系数和弹簧刚度。和弹簧刚度。2024/5/8 周三2024/5/8 周三解结构物理意义分析解结构物理意义分析解结构物理意义分析解结构物理意义分析:2024/5/8 周三由此可推广到n阶线性微分方程2024/5/8 周三四、机械工程控制论的研究任务四、机械工程控制论的研究任务n n从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同可以分为以下五方面：知条件与求解问题的不同可以分为以下五方面：n n(1)(1)系统分析问题系统分析问题系统分析问题系统分析问题:系统已定系统已定系统已定系统已定,输入已知输入已知输入已知输入已知,求输出求输出求输出求输出;n n(2)(2)最优控制问题最优控制问题:系统已定系统已定,确定输入确定输入,且所确定的输且所确定的输入应使得输出尽可能符合给定的最佳要求入应使得输出尽可能符合给定的最佳要求;n n(3)(3)最优设计问题最优设计问题:输入已知输入已知,确定系统确定系统,且所确定的系且所确定的系统应使输出尽可能符合给定的最佳要求统应使输出尽可能符合给定的最佳要求;n n(4)(4)滤波与预测问题滤波与预测问题:输出已知输出已知,确定系统以识别输入确定系统以识别输入中的有关信息中的有关信息;n n(5)(5)系统辨识问题系统辨识问题:输入输入/输出已知输出已知,确定系统数学模型。确定系统数学模型。2024/5/8 周三1.2 系统及其模型n n一、系统特性n n二、机械系统n n三、系统模型2024/5/8 周三一、系统特性一、系统特性n n系统具有如下特性n n (1)系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的结构有关，见例2；n n (2)系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多，见例3；n n (3)系统往往表现出在时域、频域等域内的动态特性。第三章第四章2024/5/8 周三n n例2：对RCL电网络，当元件的位置发生改变时：CRLUiUoUoiCRLUii2024/5/8 周三n n例例3 3：n n孤立的考察这两个对象：孤立的考察这两个对象：n n考察考察k kmm系统，分析各元素其动力学方程及系统系统，分析各元素其动力学方程及系统动力学方程动力学方程.mY(t)F(t)k2024/5/8 周三二、机械系统二、机械系统n n以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。例如：机床、动力设备、工程机械。n n对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。2024/5/8 周三三、系统模型三、系统模型模型静态模型实物模型物理模型数学模型动态模型2024/5/8 周三n n例：例：2024/5/8 周三静态模型静态模型静态模型静态模型动态模型动态模型动态模型动态模型反映系统在恒定载荷或缓变反映系统在恒定载荷或缓变反映系统在恒定载荷或缓变反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统平衡状载荷作用下或在系统平衡状载荷作用下或在系统平衡状载荷作用下或在系统平衡状态下的特性。态下的特性。态下的特性。态下的特性。研究系统在迅变载荷或在系统研究系统在迅变载荷或在系统研究系统在迅变载荷或在系统研究系统在迅变载荷或在系统不平衡状态下的特性。不平衡状态下的特性。不平衡状态下的特性。不平衡状态下的特性。现时输出仅由现时输入决定现时输出仅由现时输入决定现时输出仅由现时输入决定现时输出仅由现时输入决定现时输出由其以前的历史决定现时输出由其以前的历史决定现时输出由其以前的历史决定现时输出由其以前的历史决定以代数公式描述以代数公式描述以代数公式描述以代数公式描述微分方程或差分方程描述微分方程或差分方程描述微分方程或差分方程描述微分方程或差分方程描述简简简简 单单单单复复复复 杂杂杂杂2024/5/8 周三1.3 反馈反馈n n一、系统方框图及其组成一、系统方框图及其组成n n二、信息及信息反馈的概念二、信息及信息反馈的概念n n 信息：一切能表达一定意义的信号、符号和密码信息：一切能表达一定意义的信号、符号和密码等统称为信息。等统称为信息。n n 反馈反馈(信息反馈信息反馈)：将系统的输出部分或全部地返：将系统的输出部分或全部地返回到系统的输入端并共同作用于系统的回到系统的输入端并共同作用于系统的n n过程，称为反馈或信息反馈。过程，称为反馈或信息反馈。n n 三、内反馈和外反馈三、内反馈和外反馈2024/5/8 周三一、系统方框图及其组成一、系统方框图及其组成系统方框图系统方框图引出点引出点比较点比较点元件方框元件方框XXXX2X1X1+X2元件名X2X1Note：系统方框图是根据元件功能进行划分的，与：系统方框图是根据元件功能进行划分的，与 第二章传递函数方框图不同。第二章传递函数方框图不同。2024/5/8 周三二、信息及信息反馈的概念二、信息及信息反馈的概念n n 信息：一切能表达一定意义的信号、符号和密码等统称为信息。如：力，位移，电压，电流。n n 反馈(信息反馈)：将系统的输出部分或全部地返回到系统的输入端并共同作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。2024/5/8 周三反馈是系统存在动态历程，系统及其输入输出间有动反馈是系统存在动态历程，系统及其输入输出间有动态关系的根本原因。态关系的根本原因。2024/5/8 周三2024/5/8 周三例：发动机调速系统例：发动机调速系统2024/5/8 周三 三、内反馈和外反馈三、内反馈和外反馈2024/5/8 周三2024/5/8 周三2024/5/8 周三1.4 控制系统的分类一、控制系统的基本概念一、控制系统的基本概念二、系统的分类方法二、系统的分类方法三、对控制系统的基本要求三、对控制系统的基本要求四、自动控制系统方框图的绘制四、自动控制系统方框图的绘制2024/5/8 周三一、控制系统的基本概念给定元件测量元件被控对象执行元件运算放大元件比较环节输入量反馈量输出量反馈量控制部分干扰量图1.4.1 反馈控制系统的一般构成特点：利用偏差控制系统的输出特点：利用偏差控制系统的输出2024/5/8 周三n n基本物理量：基本物理量：n n被控对象被控对象：在控制理论和控制技术中，运动规律或状态需要控制的装置称为被控对象(控制对象)。被控对象可大可小，甚至可“实”可“虚”。n n被控制量被控制量：表征被控对象运动规律或状态的物理量。实质上是系统的输出(输出量)n n希望值希望值：希望的被控对象运动规律或状态的物理量(或称输入量、系统输入)。2024/5/8 周三n n给定元件给定元件给定元件给定元件：控制系统中主要用于产生给定信号：控制系统中主要用于产生给定信号(输入信号、希望值输入信号、希望值)的元件。的元件。n n反馈元件反馈元件反馈元件反馈元件(测量元件测量元件测量元件测量元件)：控制系统中用于测量被控制系统中用于测量被控量控量(输出量输出量)，产生反馈信号的元件。信号与，产生反馈信号的元件。信号与输出量之间往往存在确定的函数关系。输出量之间往往存在确定的函数关系。n n比较元件比较元件比较元件比较元件：控制系统中用以比较输出信号与反：控制系统中用以比较输出信号与反馈信号，并求取偏差信号的元件。为物理元件，馈信号，并求取偏差信号的元件。为物理元件，可能通过物理定律或其他定律实现。可能通过物理定律或其他定律实现。n n放大元件放大元件放大元件放大元件：控制系统中对输入信号或偏差信号：控制系统中对输入信号或偏差信号进行幅值放大或功率放大的元件。进行幅值放大或功率放大的元件。n n执行元件执行元件执行元件执行元件：控制系统中直接对被控对象进行操：控制系统中直接对被控对象进行操作的元件。作的元件。2024/5/8 周三n n偏差偏差偏差偏差：系统的输入量与反馈量之差或之和：系统的输入量与反馈量之差或之和(即即比较环节的输出值比较环节的输出值)。n n控制量控制量控制量控制量：被控对象的输入量。由于往往是偏差：被控对象的输入量。由于往往是偏差量的某种函数，因此，也可将偏差量看成控制量的某种函数，因此，也可将偏差量看成控制量。量。n n扰动量扰动量扰动量扰动量(干扰干扰干扰干扰)：指除给定量以外，所有使得被指除给定量以外，所有使得被控制量偏离给定值的因素。扰动量包括因统外控制量偏离给定值的因素。扰动量包括因统外部因素发生变化而引起的外扰动量和因系统内部因素发生变化而引起的外扰动量和因系统内部因素所引起的内扰动量。部因素所引起的内扰动量。n n控制器控制器控制器控制器：在控制系统中，除被控对象以外的所：在控制系统中，除被控对象以外的所有装置，统称为控制器。有装置，统称为控制器。2024/5/8 周三n n人工控制人工控制人工控制人工控制：在人的直接参与下，使被控对象的被：在人的直接参与下，使被控对象的被控制量按预定的规律运动或变化的控制方式。控制量按预定的规律运动或变化的控制方式。n n自动控制自动控制自动控制自动控制：在无人直接参与的情况下，利用一组：在无人直接参与的情况下，利用一组装置使被控对象的被控制量按预定的规律运动或装置使被控对象的被控制量按预定的规律运动或变化的控制方式。变化的控制方式。n n自动控制系统自动控制系统自动控制系统自动控制系统：被控对象和参与实现其被控制量：被控对象和参与实现其被控制量自动控制的装置或元、部件的组合。自动控制的装置或元、部件的组合。2024/5/8 周三2024/5/8 周三二、二、系统的分类方法系统的分类方法n n1 1、对广义系统，按反馈情况分类、对广义系统，按反馈情况分类n n开环系统开环系统n n闭环系统闭环系统2024/5/8 周三n n2 2、对自动控制系统，按输出规律进行分类：、对自动控制系统，按输出规律进行分类：n n自动调节系统自动调节系统 如恒温调节系统（闭环系统）如恒温调节系统（闭环系统）n n随动系统随动系统 如炮描雷达系统（闭环系统）如炮描雷达系统（闭环系统）n n程序控制系统程序控制系统 如：数控机床如：数控机床 闭环系统闭环系统 全自动洗衣机全自动洗衣机 开环系统开环系统2024/5/8 周三n n3、是否满足叠加性 线性系统 非线性系统n n4、根据系统中信号连续性 连续系统 离散系统n n5、根据系统的功能 温度控制系统 速度控制系统2024/5/8 周三三、对控制系统的基本要求n n系统的稳定性n n响应的快速性n n响应的准确性2024/5/8 周三四、自动控制系统方框图的绘制n n绘制步骤：n n(1)分析控制系统的工作原理，找出被控对象。n n(2)分清系统的输入量、输出量。n n(3)按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。n n(4)按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连接起来2024/5/8 周三n n例：设电热水器如图例：设电热水器如图(例例1 11 1a)a)所示。为了保持希望所示。为了保持希望的温度，由温控开关接通的温度，由温控开关接通或断开电加热器的电源。或断开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说出热水并补充冷水。试说明该系统工作原理并画出明该系统工作原理并画出系统的方框图。系统的方框图。2024/5/8 周三被控对象：水箱被控对象：水箱被控制量（输出量）：水的实际温度，被控制量（输出量）：水的实际温度，To输入量：用户希望的温度，输入量：用户希望的温度，Ti干扰：放出热水并注入冷水或水箱散热干扰：放出热水并注入冷水或水箱散热2024/5/8 周三例：图(例12a)为一恒温箱的温度控制系统，试分析这个系统的自动调温过程明这个系统的输出量、输入量、控制量和扰动量各是什么。2024/5/8 周三n n被控制量被控制量(系统的输出系统的输出)：恒温箱的实际温度，：恒温箱的实际温度，To(To()；n n输入量（给定值输入量（给定值)：希望的恒温箱的温度，：希望的恒温箱的温度，Ti(Ti()；n n控制量：加热电阻丝的输出功率；控制量：加热电阻丝的输出功率；n n扰动量：恒温箱散热量。扰动量：恒温箱散热量。2024/5/8 周三