聊城大學汽車學院《機械工程控制基礎》第一章.ppt

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1、制作：華中科技大學 熊良才、吳波、陳良才 聊城大學 汽車與交通工程學院 機械工程控制基礎 授課人：張來剛 個人介紹： 姓名：張來剛 學習經歷： 本科畢業(yè)于 吉林大學 ，大學期間所學專業(yè)： 電子信息工程 ； 2007年在 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所 就讀研 究生，今年 7月博士畢業(yè)；所學專業(yè)： 機械電子工程 ；主要 研究方向： 視覺測量，光電測控 業(yè)余愛好： 羽毛球，足球，乒乓球 聯系方式： 電話： 136 0635 4072 E-mail： 家鄉(xiāng)：聊城 東阿 制作：華中科技大學 熊良才、吳波、陳良才 教材： 楊叔子等 ,機械工程控制基礎 ,華中科技大學出版社 ,(第六 版 ),

2、2011 參考文獻： 1.胡壽松等 ,自動控制原理 ,國防工業(yè)出版社 ,(第三版 ),1994. 2.李友善 .自動控制原理 ,國防工業(yè)出版社 ,1980 3.陳康寧 .機械工程控制基礎 .西安交通大學出版社 .1997. 4.Matlab使用手冊 聊城大學 汽車與交通工程學院 機械工程控制基礎 本課程的主要內容： 第一章 緒論 第二章 系統(tǒng)的數學模型 第三章 系統(tǒng)的時間相應分析 第四章 系統(tǒng)的頻率特性分析 第五章 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 第六章 系統(tǒng)的性能指標與校正 第七章 非線性系統(tǒng)初步 第八章 線性離散系統(tǒng)初步 第九章 系統(tǒng)辨識初步 第一章 緒論 為什么要學控制論？ 1.機電一體化產品的出現與逐漸

3、普及 “ 機” +“ 電” ? “ 信息傳遞與交換” 控制論、系統(tǒng)論、 信息論、微電子技 術（計算機技術） 相結合的產品 2.機械系統(tǒng)朝高速、高負載、超精密、超大型或超微型等方向 發(fā)展。（設計、制造、使用、維護）“動態(tài)” 設計 : 動態(tài)設計 制造 : 關注制造過程 的動態(tài)特性 . 使用 :系統(tǒng)的動態(tài)特 性 (安全、性能 ) 維護：監(jiān)測與故障預 測、診斷 3.動態(tài)測試、信號處理（信號與系統(tǒng)） 傳感器的選擇、信號預處理器的設計、數字信號的處理、特征提取 4.生產組織管理（過程的優(yōu)化） 加工狀態(tài)監(jiān)控 噴氣發(fā)動機性能監(jiān)控 5.其他工程應用 軍事、航天領域 火炮、雷達、跟蹤系統(tǒng)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等 流

4、程工業(yè) 軋鋼過程 、 工業(yè)窯爐 、 石油化工 、 水泥建材 、 玻璃 、 造紙等 現代農業(yè)生產 自動灌溉；農產品質量檢測；疫情檢測等。 其他領域 通信 、 交通 、 醫(yī)學 、 環(huán)境保護 、 經濟管理等 6.個人日常生活和工作 電冰箱、電飯煲、空調器、 音響、收音機 等等 7. 方法論 “反饋控制的思想” 控制：施加某種操作于對象，使其產生所期望的行為。 Engine V alve Steam Boiler Metal sphere Governor Output shaft Measured speed 圖 1.1 蒸汽機離心調速器 一、概述 自動控制：由控制裝置自動完成，無需人的參與。 圖

5、1.2 液位人工控制 圖 1.3 液位自動控制 檢測偏差 實施控制 消除偏差 控制的三要素 控制對象、控制目標、控制手段（裝置、算法等） 可控性與能控性 控制對象有多種運動狀態(tài)的可能性； 能夠通過控制手段使控制對象的狀態(tài)達到控制目標 控制論的方法論 明確事物發(fā)展的多種可能性 確定其中一種可能性為控制目標 實施控制實現控制目標 機械工程控制論研究機械工程技術中的 廣義系統(tǒng)動力學 問題。 二、機械工程控制論研究對象與任務 1.系統(tǒng) ：元素按一定規(guī)律組合起來的能完成一定 功能的集合。 要素 元素 元素之間的聯系 系統(tǒng)與外界的交互作用 外界對系統(tǒng)的作用：輸入、干擾 系統(tǒng)對外界響應：輸出 外界的作用 信

6、息的傳遞 與交互 系統(tǒng)的響應 控制論：技術學科、技術哲學、科學方法論 控制論強調： 對象是一個“系統(tǒng)”； 系統(tǒng)不斷“運動” (經歷動態(tài)歷程，包括內部狀態(tài)和 外部行為 ) “ 外因” (輸入、干擾 )是運動的條件 “內因” (系統(tǒng)的固有特性 )是運動的根據 系統(tǒng)普遍存在信息的傳遞、交互與反饋是 控制論的中心思想 二、機械工程控制論研究對象與任務 二、機械工程控制論研究對象與任務 控制論與其它學科結合，形成眾多的分支學科 經濟學 生物學 社會學 機械工程 機械工程控制論 控制論 經濟控制論 社會控制論 生物控制論 工程控制論 共同的本質特點：通過信息傳遞，處理與反饋進行控制 工程技術 二、機械工程

7、控制論研究對象與任務 系統(tǒng)的組成元素可以是子系統(tǒng)； 又可是更上一層系統(tǒng)的組成元素。 系統(tǒng)的層次性與相對性： 廣義系統(tǒng)： 具備系統(tǒng)要素的一切事物或對象 機械工程中的廣義系統(tǒng)： 元件、部件、儀器、設備、加工過程、操作設備、測量、車 間、部門、工廠、企業(yè)、企業(yè)集團、全球制造業(yè) 如：機器系統(tǒng)、生產系統(tǒng)、生命系統(tǒng)、 思維、學習、工作， 社會、經濟系統(tǒng)等 二、機械工程控制論研究對象與任務 2. 系統(tǒng)的動力學問題 研究的是機械工程廣義系統(tǒng)在一定的外界條件（即輸入或 激勵、干擾）作用下，從系統(tǒng)的一定的初始狀態(tài)出發(fā)，所 經歷的由其內部的固有特性（即由系統(tǒng)的結構與參數所決 定的特性）所決定的整個動態(tài)歷程。 研究系

8、統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關系。 二、機械工程控制論研究對象與任務 例：彈簧 -質量 -阻尼單自由度系統(tǒng) 2() () ()m p p yc tk f t 2m p cp k 2 ( ) ( )( ) ( )y t c pm p c p k xk t (a) (b) 0(0) ,yy 0 .(0)yy初始狀態(tài)： 系統(tǒng)固有特性： 外界作用： ( ) , ( )f t x t 與外界的關系： 1, cp k 系統(tǒng)的輸出： ()yt 初始狀態(tài)、系統(tǒng) 固有特性、外界 作用、與外界的 關系等四大因素 決定系統(tǒng)響應 系統(tǒng)分析問題 ： 已知系統(tǒng)和輸入，求輸出（或響應），并 通過響應來研究系統(tǒng)本身的問題。

9、 最優(yōu)控制問題 ： 已知系統(tǒng)和理想輸出，求最優(yōu)輸入，使實 際輸出滿足要求。 最優(yōu)設計問題 ： 已知輸入，設計系統(tǒng)，使輸出滿足要求。 濾波與預測問題 ： 設計或選擇合適的系統(tǒng)，以便由輸出識 別輸入或輸入中的有關信息。 系統(tǒng)辨識問題 ： 已知輸入和輸出，要識別系統(tǒng)的結構和參 數，建立系統(tǒng)的數學模型。 研究任務 1.信息 定義 1：一切能表達一定意義的信號、符號和密碼等。 如：報紙，烽火，電報，記號、手勢等等 定義 2：能夠用來消除不確定性的東西。如： 報紙（過時、適時），情報（過時，適時），足球比賽 （勢均力敵，勢力懸殊），書籍（好，差）等 定義 3：事物運動的狀態(tài)和方式。如： 體溫 人體狀態(tài)；

10、設備的振動、噪聲、溫度等 設備的狀態(tài) 設計圖紙 產品狀態(tài)（產品信息） 工藝卡 制造過程狀態(tài)（工藝信息） 三、反饋 例 1. 控制原理 ： 負載減小，使 w增加 反饋：系統(tǒng)的輸出 不斷地、直接或間接地、全部或部分地返回， 并 作用于系統(tǒng) 。 離心機構滑套上移 液壓滑閥上移， 動力活塞下移， 離心滑套下移 滑閥回復中位， w回到設定值 油門關小， w減小 w反過來對系統(tǒng)產生作用 例 2. 2() () ()m p p yc tk f t 外反饋 (反饋控制 )： 附加 反饋控制裝置引起信息交互 內反饋： 負反饋： 輸出 (被控量 )偏離設定值 (目標值 )時，反饋作用使輸 出偏離程度減小，并力圖達

11、到設定值。 如：離心調速系統(tǒng) 液面控制 動物捕食 火炮自動瞄準 學習和工作中的負反饋 。 檢測偏差 實施控制 糾正偏差 正反饋： 輸出偏離初始值（或穩(wěn)定值）時，反饋作用使輸 出偏離程度加劇 如：三極管 倒立擺 疾病、火藥爆炸、熱核反應 學習和工作中的正反饋 。 反饋的作用： 加劇偏離 反饋的作用：消除偏離 以發(fā)動機離心調速系統(tǒng)為例 被控對象 ： 發(fā)動機 被控量 ： 轉速 w 被控量的目標值設定： 預緊彈簧 四、反饋控制系統(tǒng)的組成 控制信息傳遞與反饋： 控制方框圖： 給定 比較 放大 執(zhí)行 測量 控制對象 控制部分 被控部分 反饋控制系統(tǒng)的組成 特點： 利用偏差控制系統(tǒng)的輸出 基本物理量： 被控

12、量 、給定量 、控制量 、擾動量 被控量： (即系統(tǒng)的輸出量 ),表征被控對象運動規(guī)律 給定量 系統(tǒng)的輸入量或被控對象理想狀態(tài) (控制目標 ) xi 控制量： 直接作用于被控對象的物理量，即被控對象的輸入量 擾動量： 所有使被控對象狀態(tài)偏離給定值的量 (負載 ) 對控制系統(tǒng)，可從不同的角度分類 1.按反饋情況 開環(huán)控制系統(tǒng) ： 系統(tǒng)沒有反饋回路，輸出對系統(tǒng)無控制作用。 如：步進驅動的數控機床、普通洗衣機 家用電烤箱、微波爐、普通電風扇 五、控制系統(tǒng)的分類 閉環(huán)控制系統(tǒng)： 有反饋回路，輸出對系統(tǒng)有控制作用。 如：前例中的離心調速系統(tǒng) 伺服驅動的數控機床 恒溫箱 (冰箱、空調 ) 人騎自行車 1.

13、按反饋情況 自動調節(jié)系統(tǒng) (恒值系統(tǒng) )： 系統(tǒng)的輸出保持常量。 如：離心調速系統(tǒng)、恒溫箱、液面控制等 為閉環(huán)系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)： 系統(tǒng)的輸出相應于輸入按任意規(guī)律變化。 如：炮瞄雷達系統(tǒng)、仿形加工、動物捕食等 多為閉環(huán)系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng) ： 系統(tǒng)的輸出按預定程序變化。 如：數控機床、全自動洗衣機等 開環(huán) 或閉環(huán) 系統(tǒng) 2. 按輸出量的變化規(guī)律分 連續(xù)控制系統(tǒng) 離散控制系統(tǒng) 線性控制系統(tǒng) 非線性控制系統(tǒng) 定常系統(tǒng) 時變系統(tǒng) 位移控制系統(tǒng) 溫度控制系統(tǒng) 速度控制系統(tǒng) 3. 按信號類型分 4. 按線性性質分 5. 按時變情況分 6. 按被控量分 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 系統(tǒng)正常工作的 首要條件 六、對控制系統(tǒng)的基本要求 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 系統(tǒng)恢復平衡狀態(tài)的能力 穩(wěn)定性好，則 系統(tǒng)恢復平衡狀態(tài)的能力 強 系統(tǒng)的快速性 快速性好，則消除偏差快，或調整時間短。 系統(tǒng)的準確性 準確性好，則調整過程結束后，輸出值與期望值偏差小 七、本課程的特點與學習方法 本課程是一門比較抽象的技術基礎課，涉及的范圍 非常廣泛； 控制理論不僅是一門重要的學科，而且也是一門卓 越的方法論； 重視實驗，重視相關的實踐活動，這樣才有助于對 基本概念的理解與基本方法的運用； 將控制理論同機械工程結合，運用控制論的理論與 方法，結合機械工程實際來考察、提出、分析與解 決機械工程中的問題。