《控制工程基礎(chǔ)》第3版配套課件
控制工程基礎(chǔ)第3版配套課件,控制工程基礎(chǔ),控制工程,基礎(chǔ),配套,課件
講授講授 機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 課程內(nèi)容課程內(nèi)容 第一章 概論第二章 控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型第三章 時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)分析第四章 控制系統(tǒng)的頻率特性第五章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析第六章 控制系統(tǒng)的誤差分析和計(jì)算第七章 控制系統(tǒng)的綜合與校正第八章 根軌跡法*第十章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 學(xué)習(xí)借助學(xué)習(xí)借助MATLABMATLAB工具進(jìn)行控制系統(tǒng)分析的方法工具進(jìn)行控制系統(tǒng)分析的方法第一章第一章 概論概論1.1 1.1 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念1.2 1.2 控制工程的發(fā)展控制工程的發(fā)展1.3 1.3 控制理論在工業(yè)中的應(yīng)用控制理論在工業(yè)中的應(yīng)用1.4 1.4 課程主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排課程主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排1.11.1自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念1 1)自動控制)自動控制 在沒有人直接參與的情況下,利用外加的設(shè)備或裝置(稱為控制裝置或控制器),使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程(通稱被控對象)的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)(即被控量)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。如:數(shù)控機(jī)床、室內(nèi)溫度控制、機(jī)車、船舶及飛機(jī)自動駕駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)等。2 2)人工控制工作原理)人工控制工作原理 人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過程:人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過程:u觀測恒溫箱內(nèi)的溫度(被控制量)比如孵小雞的最適宜溫度是37.8C(2C)u 要求的溫度(給定值)進(jìn)行比較,得到溫度偏差的大小和方向 偏差的大小和方向u根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器,控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。人工控制過程的實(shí)質(zhì):檢測偏差再糾正偏差。恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓u2 恒溫箱期望溫度由電壓u1給定,并與實(shí)際溫度u2比較得到溫度偏差信號uu1 u2 溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后,用以驅(qū)動執(zhí)行電動機(jī),并通過傳動機(jī)構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí),動觸頭向減小電流的方向運(yùn)動,反之加大電流,直到溫度達(dá)到給定值為止,此時(shí),偏差u=0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。恒溫箱自動控制系統(tǒng)工作原理:恒溫箱自動控制系統(tǒng)工作原理:從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見:給定量位于系統(tǒng)的輸入端,稱為系統(tǒng)輸入量。也稱為參考輸入量(信號)。被控制量位于系統(tǒng)的輸出端,稱為系統(tǒng)輸出量。輸出量(全部或一部分)通過測量裝置返回系統(tǒng)的輸入端 使之與輸入量進(jìn)行比較,產(chǎn)生偏差(給定信號與返回的輸出信號之差)信號。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。綜上所述,控制系統(tǒng)的工作原理:檢測輸出量(被控制量)的實(shí)際值 將輸出量的實(shí)際值與給定值(輸入量)進(jìn)行比較得出偏差;用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差,使得輸出量維持期望的輸出。由于存在輸出量反饋,上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動的情況下,自動減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量(或者任意變化的希望的狀態(tài))之間的偏差,故稱之為反饋控制。顯然 反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上,其控制方式是“檢測偏差再糾正偏差”。這種基于反饋原理,能對輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較,并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的系統(tǒng),稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測量、比較和執(zhí)行三個(gè)基本功能。注意:反饋控制系統(tǒng)中的反饋一定是負(fù)反饋。3 3)開環(huán)控制與閉環(huán)控制)開環(huán)控制與閉環(huán)控制實(shí)際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋?zhàn)饔每煞譃槿悾洪_環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng) 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)特特點(diǎn)點(diǎn):系統(tǒng)僅受輸入量和擾動量控制;輸出端和輸入端之間不存在反饋回路;輸出量在整個(gè)控制過程中對系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響。數(shù)控機(jī)床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖優(yōu)點(diǎn):簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定,且外界干擾較小,開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn):精度通常較低、無自動糾偏能力。開環(huán)控制系統(tǒng)框圖 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)特特點(diǎn)點(diǎn):輸出端和輸入端之間存在反饋回路,輸出量對 控制過程有直接影響。閉環(huán)的作用:應(yīng)用反饋,減少偏差。優(yōu)點(diǎn):優(yōu)點(diǎn):精度高,對外部擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感。缺缺點(diǎn)點(diǎn):存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題,系統(tǒng)性能分析 和設(shè)計(jì)麻煩。閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn):特點(diǎn):反饋信號通過系統(tǒng)內(nèi)部的中間信號獲得。4 4)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成(1 1)給定元件)給定元件:產(chǎn)生給定信號或輸入信號。(2 2)反饋元件)反饋元件:測量被控制量(輸出量),產(chǎn)生反 饋信號。注意:在機(jī)械、液壓、氣動、機(jī)電等系統(tǒng)中可能會存 在著內(nèi)在反饋,這種反饋無須專門的反饋元件,是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互作用產(chǎn)生的,如作用力與反作用力之間形成的直接反饋。(3 3)比較元件:)比較元件:對給定信號和反饋信號進(jìn)行比較,產(chǎn)生偏差信號;(4 4)放大元件:)放大元件:對偏差信號放大,使之有足夠的能 量驅(qū)動執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能;(5 5)執(zhí)行元件:)執(zhí)行元件:直接對受控對象進(jìn)行操縱的元件,如電動機(jī)、液壓馬達(dá)等;(6 6)校正元件:)校正元件:用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。校正元件分為串聯(lián)和反饋兩種??刂葡到y(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用,統(tǒng)稱為控制器。實(shí)際的控制系統(tǒng)中,擾動總是不可避免的,擾動分為內(nèi)部擾動和外部擾動,但在控制系統(tǒng)中,擾動集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上,因此,可以將控制系統(tǒng)的擾動等效為對控制對象的干擾。5)控制系統(tǒng)的基本類型)控制系統(tǒng)的基本類型(1 1)按輸入量的特征分類)按輸入量的特征分類 恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 系統(tǒng)輸入量為恒定值。控制任務(wù)是保證在任何擾動作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。如:恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知,輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律,發(fā)出控制指令,使被控對象按照指令程序的要求而運(yùn)動。如數(shù)控加工系統(tǒng)。隨動系統(tǒng)(伺服系統(tǒng))隨動系統(tǒng)(伺服系統(tǒng))輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知,其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化,并能排除各種干擾因素的影響,準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律。如:仿形加工系統(tǒng)、火炮自動瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。(2)按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類 連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中各部分傳遞的信號為隨時(shí)間連系統(tǒng)中各部分傳遞的信號為隨時(shí)間連續(xù)變化的信號。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用續(xù)變化的信號。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。微分方程描述。離散(數(shù)字)控制系統(tǒng)離散(數(shù)字)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。通常采用差分方程描述。(3 3)其它分類方法其它分類方法線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng);定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng);機(jī)械、電氣、機(jī)電、液壓、氣動、熱力等控制系統(tǒng);溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)。6 6)對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)性能的要求概括為三方面:穩(wěn)、準(zhǔn)、快(1)穩(wěn)定性 控制系統(tǒng)運(yùn)行的必要條件,不穩(wěn)定的 系統(tǒng)是不能工作的(2)準(zhǔn)確性 當(dāng)過渡過程結(jié)束后,被控量達(dá)到的穩(wěn)態(tài) 值應(yīng)與期望值一致或盡量接近,其誤差 稱為穩(wěn)態(tài)誤差(3)快速性 系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的快速性,系統(tǒng)的過渡 過程越短越好 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定的系統(tǒng)當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時(shí),其輸出能隨時(shí)間的增長收斂并回到初始平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。控制系統(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定,與外界因素?zé)o關(guān)。精確性精確性 控制精度,以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差為系統(tǒng)的調(diào)整(過渡)過程結(jié)束而趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與給定量之間的差值??焖傩钥焖傩?輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時(shí),系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度??焖傩员碚飨到y(tǒng)的動態(tài)性能。注意:注意:不同性質(zhì)的控制系統(tǒng),對穩(wěn)定性、精確性和快速性要求各有側(cè)重。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約,應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求合理選擇。1.2 1.2 控制工程的發(fā)展控制工程的發(fā)展 公元1788年,英國人J.Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度,由此產(chǎn)生了第一次工業(yè)革命。1868年:J.C.MaxwellJ.C.Maxwell發(fā)表調(diào)速器,提出 反饋控制的概念及穩(wěn)定性條件。1884年:E.J.RouthE.J.Routh 提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)。1892年:A.M.LyapunovA.M.Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定性 理論。1895年:A.HurwitzA.Hurwitz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)。1932年:H.NyquistH.Nyquist提出乃奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。1945年:H.W.BodeH.W.Bode提出反饋放大器的一般設(shè)計(jì) 方法 1948年:N.Wiener發(fā)表控制論,標(biāo)志經(jīng)典控制理論基本形成;經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ),主要研究單輸入單輸出(SISOSISO)系統(tǒng)的分析和控制問題;控制論的奠基人美國科學(xué)家(Wiener,N.,18941964)1950年:W.R.Evans提出根軌跡法,進(jìn)一步充實(shí)了經(jīng)典控制論;1954年:錢學(xué)森用英文出版工程控制論,首先把控制論推廣到工程技術(shù)領(lǐng)域 工程控制論是關(guān)于工程技術(shù)領(lǐng)域各個(gè)系統(tǒng)自動控制和自動調(diào)節(jié)的理論。維納博士40年代提示了控制論的基本思想后,一段時(shí)間里,不少工程師和數(shù)學(xué)博士曾努力尋找通往這座理論頂峰的道路,但均半途而廢。工程師偏重于實(shí)踐,解決具體問題,不善于上升到理論高度;數(shù)學(xué)家則擅長于理論分析,卻不善于從一般到個(gè)別去解決實(shí)際問題。錢學(xué)森則集中兩者優(yōu)勢于一身,高超地將兩只輪子裝到一輛戰(zhàn)車上,碾出了工程控制論研究的一條新途徑。根據(jù)自動控制理論的內(nèi)容和發(fā)展的不同根據(jù)自動控制理論的內(nèi)容和發(fā)展的不同階段,控制理論可分為階段,控制理論可分為“經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論”和和“現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”兩大部分。兩大部分?!敖?jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論”的內(nèi)容是以傳遞的內(nèi)容是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ),以頻率法和根軌跡法作為函數(shù)為基礎(chǔ),以頻率法和根軌跡法作為分析和綜合系統(tǒng)基本方法,主要研究單分析和綜合系統(tǒng)基本方法,主要研究單輸入,單輸出這類控制系統(tǒng)的分析和設(shè)輸入,單輸出這類控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。計(jì)問題。5050年年代代末末6060年年代代初初:現(xiàn)現(xiàn)代代控控制制理理論論形形成成;現(xiàn)現(xiàn)代代控控制制理理論論以以狀狀態(tài)態(tài)空空間間法法為為基基礎(chǔ)礎(chǔ),主主要要分分析析和和研研究究多多輸輸入入-多多輸輸出出(MIMO)(MIMO)、時(shí)時(shí)變變、非非線線性性等等系系統(tǒng)統(tǒng)的的最最優(yōu)優(yōu)控控制制、最最優(yōu)優(yōu)濾濾波波、系系統(tǒng)統(tǒng)辨辨識識、自自適適應(yīng)應(yīng)控控制制、智智能能控控制制等等問問題題;控控制制理理論論研研究究的的重重點(diǎn)點(diǎn)開開始始由由頻頻域域移移到到從從本本質(zhì)質(zhì)上上說說是是時(shí)時(shí)域域的的狀狀態(tài)態(tài)空空間間方方法;法;1956年:龐特里亞金(,.)提出極大值原理;1957年:R.I.Bellman提出動態(tài)規(guī)劃理論;1960年:R.E.Kalman提出卡爾曼濾波理論;19601980年:確定性系統(tǒng)的最優(yōu)控制、隨機(jī)系統(tǒng)的最優(yōu)控制、復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)控制;1980迄今:魯棒控制、H控制、非線性控制、智能控制等。如今,控制工程的發(fā)展與人類社會的進(jìn)步息息相關(guān)第一顆人造衛(wèi)星(蘇聯(lián),19571957年)第一顆載人飛船(蘇聯(lián),19611961年)人類首次登上月球(美國,19691969年)首架航天飛機(jī)(美國,19811981年)首次沖出太陽系(美國,19891989年)仿人機(jī)器人仿人機(jī)器人(日本,(日本,20012001年)年)神州五號載人航天成功(中國,神州五號載人航天成功(中國,20032003年)年)勇氣號、機(jī)遇號火星探測器(美國,勇氣號、機(jī)遇號火星探測器(美國,20042004年)年)坦普爾坦普爾1 1號彗星深度撞擊(美國,號彗星深度撞擊(美國,20052005年)年)導(dǎo)彈擊中衛(wèi)星(中國,導(dǎo)彈擊中衛(wèi)星(中國,20072007年;美國,年;美國,20082008年)年)神州七號飛天神州七號飛天 (2008年年9月月)六自由度六自由度工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人1.3 控制理論在工業(yè)中的應(yīng)用控制理論在工業(yè)中的應(yīng)用感應(yīng)導(dǎo)線式感應(yīng)導(dǎo)線式自動導(dǎo)引車自動導(dǎo)引車 寬帶鋼熱連軋機(jī)寬帶鋼熱連軋機(jī) 寬帶鋼寬帶鋼熱連軋機(jī)熱連軋機(jī)熱軋帶鋼熱軋帶鋼熱軋薄板熱軋薄板寬帶鋼寬帶鋼冷連軋機(jī)冷連軋機(jī)冷軋帶鋼冷軋帶鋼冷軋薄板冷軋薄板1.4 1.4 課程的主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排課程的主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排 控制工程基礎(chǔ)課程主要闡述的是有關(guān)反饋?zhàn)詣涌刂萍夹g(shù)的基礎(chǔ)理論。本課程是一門非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)課,是機(jī)械學(xué)院平臺課程。它是適應(yīng)機(jī)電一體化的技術(shù)需要,針對機(jī)械對象的控制,結(jié)合經(jīng)典控制理論形成的一門課程。本課程主要涉及經(jīng)典控制理論的主要內(nèi)容及應(yīng)用,更加突出了機(jī)電控制的特點(diǎn)。本課程在高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、電工電子學(xué)等知識的基礎(chǔ)上,使學(xué)生掌握機(jī)電控制系統(tǒng)的基本原理及必要的實(shí)用知識。值得指出的是,盡管經(jīng)典控制理論在六十年代已完全發(fā)展成熟,但它并不過時(shí),經(jīng)典控制理論是整個(gè)自動控制理論(包括現(xiàn)代控制理論)的基礎(chǔ)。用一個(gè)不十分貼切的比喻,盡管微積分的基本理論在幾百年前已經(jīng)發(fā)展成熟,但在高等數(shù)學(xué)中至今仍然起著重大作用。本課程的基本要求本課程的基本要求(1)掌握機(jī)電反饋控制系統(tǒng)的基本概念,其中包括機(jī)電反饋控制系統(tǒng)的基本原理、機(jī)電反饋控制系統(tǒng)基本組成、開環(huán)控制、閉環(huán)控制等;(2)掌握建立機(jī)電系統(tǒng)動力學(xué)模型的方法;(3)掌握機(jī)電系統(tǒng)的時(shí)域分析方法;(4)掌握機(jī)電系統(tǒng)的頻域分析方法;(5)掌握模擬機(jī)電控制系統(tǒng)的分析及設(shè)計(jì)綜合方法。本課程講授42 學(xué)時(shí),上機(jī)和實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí);本教材主要涉及經(jīng)典控制理論部分,對現(xiàn)代控制理論只作簡單涉及,現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容將在研究生課程中講授。作業(yè),課堂小練習(xí)??荚?學(xué)時(shí)自動控制理論自動控制理論教材教材控制工程基礎(chǔ)(第三版)控制工程基礎(chǔ)(第三版)董景新董景新清華大學(xué)出版清華大學(xué)出版
收藏
編號:48635864
類型:共享資源
大?。?span id="5ya0emq" class="font-tahoma">37.42MB
格式:ZIP
上傳時(shí)間:2022-01-12
30
積分
- 關(guān) 鍵 詞:
-
控制工程基礎(chǔ)
控制工程
基礎(chǔ)
配套
課件
- 資源描述:
-
《控制工程基礎(chǔ)》第3版配套課件,控制工程基礎(chǔ),控制工程,基礎(chǔ),配套,課件
展開閱讀全文
- 溫馨提示:
1: 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
2: 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
3.本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
5. 裝配圖網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
裝配圖網(wǎng)所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網(wǎng)友學(xué)習(xí)交流,未經(jīng)上傳用戶書面授權(quán),請勿作他用。