机械控制工程基础PPT课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,机械控制工程基础,1,.,一、课程简介,课程,性质,：机械设计制造及其自动化专业的一门重要的,技术基础课,。,教学学时,：40h/112周,先修课程,：复变函数、机械动力学、交流电路理论等,后续课程,：为专业基础和专业课打下一定基础。如：机械工程测试技术、机电传动控制、数控机床等。,课程目的,：本课程是数理基础课与专业课程之间的,桥梁,。通过本课程学习，使学生逐步学会运用“,系统,”、“,动态,”的观点，运用控制理论的方法，解决机械工程中的实际问题。,2,.,课程简介,教 材：,曾孟雄编机械工程控制基础，电子工业出版社，2011,3,.,教材结构,1）将各种实际研究对象抽象为“系统”chp.1,2）对研究对象问题建立数学模型 chp.2,3)在一定输入下分析系统的性能：,时域分析 chp.3,频率分析 chp.4,4）系统校正，使系统全面满足性能指标要求 chp.5,4,.,Chp.1 绪 论,5,.,基本要求,（1）了解机械工程控制论的基本含义和,研究对象,学习本课程的目的和任务；掌握广义系统动力学方程的含义。,（2）了解系统、,广义系统,的概念，了解系统的基本特性；了解系统动态模型和静态模型之间的关系。,（3）掌握,反馈,的含义，学会分析动态系统内信息流动的过程，掌握系统或过程中存在的反馈。,（4）了解广义系统的几种分类方法；掌握闭环控制系统的工作原理、组成；学会绘制控制系统的方框图。,（5）了解控制系统中基本名词和基本变量。,（6）了解正反馈、负反馈、内反馈、外反馈的概念。,（7）了解对控制系统的,基本要求,。,6,.,重点与难点,本章重点,（1）学会用系统论、信息论的观点分析广义系统的动态特性、信息流，理解信息反馈的含义及其作用。,（2）掌握控制系统的基本概念、基本变量、基本组成和工作原理；绘制控制系统方框图。,本章难点,广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制。,7,.,二、研究对象与任务,控制论+工程技术工程控制论,控制论+机械工程机械工程控制,研究对象,：研究,广义系统,在一定,外界条件,下，从系统,初始条件,出发的整个,动态过程,，以及在这个历程中和历程结束后所表现出来的,动态特性,和,静态特性,。,分析:（,1）,广义系统,:,(a)可大可小，可繁可简，可虚可实。,（b）一般可建立数学模型：微分方程、传递函数、频率响应函数等,（c）系统具有固有特性，由结构和参数决定,（2）,外界条件,：指对系统的输入（激励）,包括人为激励、控制输入、干扰输入等,8,.,研究对象与任务,分析系统，就是分析x(t)、g(t)、y(t)三者关系（动态历程）,（3）,初始条件,：系统在x(0-)时的状态。x(0-）视为一种特殊的输入。,（4）,动态历程,：即系统的输出y(t)随t而变化的过程，,或系统从一种稳态到另一稳态之间所经历的过程。,动态特性,：系统在过渡过程中，输出响应的,快速性,和,平稳性,静态特性,：过渡过程结束后，系统工作的,准确性,（稳态误差）,稳定性、快速性、准确性,是系统设计的三大指标要求。,9,.,控制系统瞬态和稳态过程,10,.,研究对象与任务,（5）系统,研究类型,：,（a）h(t)已定，x(t)已知，求出y(t)，通过y(t)研究系统本身问题,系统分析,（b)h(t)已定，确定x(t)，使y(t)符合给定最佳要求,最优控制,（c）x(t)已知，确定h(t)，使y(t)符合给定最佳要求,最优设计,（d）x(t)已知，确定h(t)，以识别x(t)的有关信息,预测,（e）x(t)、h(t)已知，确定h(t)的结构与参数（即建立数学模型）,系统识别或辩识,11,.,系统数学模型,（6）系统数学模型,例1，Fig.1.1.1 质量m阻尼c弹簧k单自由度系统,输入：作用在m上的外力，输出：质量块m上的位移,初始状态：初始位置y(0)=y,0,，初始速度：,即：（mp,2,+cp+k)y(t)=f(t),12,.,系统数学模型,例2，Fig.1.1.2 输入：支座位移x(t)，,输出：质量块位移y(t),支座位移通过弹簧和阻尼影响质量位移，即输入（cp+k)x(t),动力学方程：,(mp,2,+cp+k)y(t)=,（cp+k)x(t),左端算子:,(mp,2,+cp+k)由系统本身结构与参数决定，,固有特性，与外界无关。,右端算子:（cp+k)反映系统与外界关系，与输入有关。,13,.,系统数学模型,对一般线性系统，可建立微分方程：,(a,n,p,n,+a,n-1,p,n-1,+a,1,p,1,+a,0,)y(t)=(b,m,p,m,+b,m-1,p,m1,+b,1,p,1,+b,0,)x(t),y(0)=y,0,y(0)=y,0,y,n-1,(0)=y,0,(n-1),三、,反馈,控制论的中心思想就是“,反馈控制,”,1、定义：将系统输出全部或部分返回到输入端。,2、从微分方程中体现反馈,14,.,3、,反馈控制系统实例,热力系统的自动反馈控制,15,.,反馈控制系统实例,离心调速器,说明,：（1）人为增加，（2）外反馈与内反馈,（3）正反馈与负反馈（4）都引起信息传输与交换,16,.,系统分类,四、系统分类：,1、按反馈分：,开环系统,：无反馈回路。无反向信息交换，,不能进行输出校正（精度低）,例：步进驱动数控机床,加热炉,17,.,系统分类,闭环系统,：通过反馈环节调节输入，高精度。,例：数控机床 附加检测（反馈）装置,18,.,系统分类,2、按输出变化：,自动调节系统,（恒值系统）：在外界干扰下，系统输出基本 保持为常量（给定量为恒值）。,随动系统,：输出相应于输入按任意规律变化（给定量为变量）。,程序控制系统,：系统输出按预定程序变化。,19,.,五、控制系统基本组成环节,系统中的,环节,：,1、控制环节（给定环节）：产生控制信号，可各种形式。,2、测量环节：测量被控参量，起反馈作用，一般为非电量电测。,3、比较环节：比较输入和反馈量，产生偏差信号。,=x,i,x,b,（同一种量）,4、放大环节：用以推动执行元件工作。,5、校正元件：改善系统性能的调节元件。,6、执行元件：对被控对象直接操作。,20,.,系统中的,量,1、,输出量（被控量、被控参量）,x,0,：最终控制的目标值。,2、,控制量（给定量）,x,i,：根据设计要求与输出量相适应的预先给定信号。,3、,干扰量（扰动量）：引起输出变化的各种外部和内部条件，属于一种偶然的无法人为控制的随机输入信号。,4、,输入量：控制量与干扰量的总称，一般多指控制量。,5、,反馈量：由输出端引回到输入端的量。,6、,偏差量：控制量与反馈量之差。,7、,误差量：实际输出量与希望输出量之差值。,e(t)=x,0,(t),x,0,*(t),21,.,控制系统的基本要求,六、基本要求：,“稳、快、准”,1,、,稳定性,：系统,x,o,(t),对给定目标值,x,o,*(t),的偏离，应随,t,增长逐渐趋近于零。,绝对为零不可能给出一定的稳定裕度,若系统不稳定，,x,o,波动较大或发散，则不能正常工作。,不同受控对象对系统稳定性要求不同。,2,、,快速性,：指,x,o,达到给定目标值的快速性,22,.,控制系统的基本要求,两种指标衡量：,瞬态响应时间,t,s,(,过渡过程时间，调整时间,),即：,x,o,(t),x,o,（）,x,o,(,),的时间,t,t,s,为可靠度指标。一般取,0.02,或,0.05,超调量,M,p,：,欠阻尼下一般有振荡衰减，产生,M,p,M,p,较小，过渡过程平稳，,M,p,过大，系统过渡过程长。,无振荡则无,M,p,，但较大,t,s,。,3、,准确性,（稳态精度）：,过渡过程结束后，,x,0,与给定输入量的偏差。,23,.,