1、机械工程控制基础,学时：40教师：谭心学院：机械工程学院,Cybernetics Foundation for Mechanical Engineering,重要性：为“机械设计制造及其自动化”专业必修课，是机械工程类 专业，特别是机电工程类专业的重要理论基础之一。“方法论”：系统、动态、本身特性（内因）、外界输入干 扰（外因）。 应用：数控机床：按预先排定的工艺程序几何形状火炮自动瞄准：跟踪雷达、指挥仪目标人造地球卫星：按预定轨道发射，并准确回收,重要性及其应用,前期知识：（复变函数、积分变换等）良好的数学、力学、电学基础，一定的机械工程方面的专业知识。目标：用控制论解决机械工程问题 如：机
2、床工作台低速运动出现爬行现象，驱动工作台移动的物理模型？求解：输入与输出的关系数学模型： 科研：定性 定量分析 规律,性质：侧重原理，内容切合工程实际，是一门专业基础课。以控制论为理论基础，研究机械工程中广义系统的动力学问题；同时，也是一种“方法论”。任务及目的：使学生能以动力学的观点而不是静态观点去 看待一个机械工程系统；从整个系统中的信息传递、转换、 反馈等角度来分析系统的动态行为；能结合工程实际，应用 经典控制论的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中 的问题。,课程的性质、任务及目的,主要的两个问题：对机电系统中存在的问题能用控制论的观点和思维方 法进行科学分析，以找出问题的本质和有
3、效的解决方法。如何控制一个机电系统，使之按规定的规律运动，以 达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。,1.对建立机电系统的数学模型，Laplace应用，传函及框图的求取、简化，运算等，应概念清楚，熟练掌握。2.对经典系统的时域和频域特性，应用清楚的基本概念并能熟练掌握。3.掌握判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据。,课程的基本要求,40学时： 第一章 绪论 2第二章 系统的数学模型 10第三章 时间响应与误差分析 10第四章 系统的频率特性分析 10第五章 系统的稳定性 8考核方式：闭卷考试考试成绩80%+平时成绩20%,教学内容与学时分配,第一章 绪论,教学内容：一.机械工程控制
4、基础的基本概念，研究对象和任务，学习本课程的目的和意义；二.关于“系统”、“信息传递”和反馈及“反馈控制”的基本概念；三.系统及其模型，控制系统的分类，反馈控制系统的基本组成，对控制系统的基本要求，本课程的特点。,自动控制：在没人直接参与的情况下，利用控制装置自动地操纵机器设备或生产过程，使其具有希望的状态或功能。自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统。例如：电炉炉温自动控制系统（比较人工控制）,一.控制系统工作原理及组成,1.人工控制的恒温箱测量：温度计被控对象：恒温箱被控量：温度控制器：调压器，改变加热电阻丝的电流观察的温度与要求的温度进行比较偏差，当低于所要求的T时， 向右移动触头，I
5、 、T 。反之，左移。,举例-恒温箱,2.自动控制的恒温箱,举例-恒温箱,温度计 热电偶，增加了电气、电机、减速器等。热电偶测出的电压信号 ，与箱内温度成正比例。，经电压及功率放大后，来控制电机的旋转速度及方向，又经传动机构减速器使调压器的触头移动，使I 或 ，直至T到达给定值。 ,电机停转，完成任务。,恒温箱自动控制系统方框图：,将以上两个系统对比：人工 自控 （1）测量 温度计 眼睛 热电偶 （2）比较 头脑 自动控制器 （3）执行 手 电机等,人工控制,自动控制,例.控制实例-液面控制,测量比较执行,A.自动控制系统的分类：（一）按有无反馈，可分为： 1.开环控制系统输入、输出间不存在反
6、馈，输出量对系统的控制作用无影 响，精度取决于系统各部分的标准精度以及工作中元件和参数 的稳定程度。特点：若不存在内外干扰，且元件参数稳定，系统简单，可保 证足够精度。如：导弹发射架控制系统,二.自动控制系统的几种分类及基本要求,2.闭环控制系统：输入、输出间有反馈回路，输出量对控制作用有直接影响。产生控制的关键 偏差。“检测偏差，用以消除之”,导弹发射架控制系统,3.闭环与开环控制系统比较：稳定性：开环（好）；闭环：参数若不当 振荡 不稳定 失控开环 闭环精度 成本结构 简单 复杂稳定性若要求复杂且准确度 的控制任务，可将开、闭环控制结合一起应用 经济、性能 的控制系统。,（二）按系统功能（
7、输出变化规律）可分为：1.自动调节系统（恒值控制系统）闭环系统在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保持为常量。如：恒温调节系统、电热水器、稳压电源。,2.随动系统（伺服跟踪系统）无章可循系统的输入量随时间任意变化，输出以要求的精度及时 平稳地复现输入量。 如：炮瞄雷达系统、液压仿形刀架（配钥匙） （飞机的位置输入，高射炮的指向输出，高射炮的指向随飞机位置的变动而变动）3.程序控制系统有章可循 系统的输出按规定程序变化的系统。 如：数控机床进给系统。,（三）按系统性能可分为：1.线性与非线性系统：线性定常 线性微分方程，系数为常数，满足迭加原理。非线性 不满足迭加原理，线性化处理（Compute
8、r应用）时变系统例如：宇宙飞船控制系统,2.连续与离散系统 Computer控制的系统离散（数字）控制系统,B.对自动控制系统的基本要求:稳:稳定性; 快:快速性; 准:准确性（稳态精度）,典型二阶系统阶跃响应曲线,稳、快、准,1.稳定性动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。 由于惯性，各参数配合不当 振荡 失去工作能力。 要求：输出量偏离给定输入量的初始值应随时间增长渐趋于0。2.快速性消除偏差过程的快慢程度。指被控量达到稳态值的95%（或98%）所需的时间。表现响应速度输入信号加入后，输出量跟随输入量变化的 迅速程度,主要取决于系统的惯量及阻力作用的强弱等。,3.准确性稳态误差（
9、精度）：调整结束后，要求：输出量尽量接近或复现输入量，从一个稳态 另一 个稳态.对同一个系统，输入信号变化规律不同，稳态精度也不同。,典型反馈控制系统一般组成,三.反馈（feedback）,注：校正元件：参数或结构便于调整的元件，用于改善系统性能。主反馈一定是负反馈。局部反馈：主要是为对系统进行校正，补偿或线性化而加入的。,1.给定环节：给出输入信号的环节 确定被控对象的“目标值”可用各种形式发出信号：如电量、数字量、模拟量等。,2.测量环节：用于测量被控变量，并将被控变量转换为便于传送的另一物理量（如：电量）如用电位计将机械转角 电压信号，用测速电机将转速 电压信号，位移传感器，热敏感元件等
10、。,3.比较环节：输入信号 与测量环节发来的 的反馈量 比较，得到的小功率偏差信号:偏差信号是比较环节的输出。如：幅值比较、相位比较、位移比较等。,4.放大及运算环节：为了实现控制，要将偏差信号作必要的校正，然后进行功率放大，以推动执行环节。如：电流放大、电气液压放大等。,5.执行环节：接受放大环节送来的控制信号，驱动被控对象按规定预期的规律运行，执行环节一般是一个有源的功率放大装置，工作中要进行能量转换。,如：把电能通过直流电机转换成机械能，驱动被控对象作机械运动，工作台驱动装置、调温装置等。闭环控制系统中反馈的作用：“检测偏差，用以纠正偏差”力图减少反馈信息与输入信息间的偏差，以期尽可能获
11、得希望的输出（因为只要偏差存在，系统的输出就要受到偏差的校正，偏差 ，校正作用 ；偏差 ，矫正作用 ， 直至趋向最小。）,工程控制论研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件（输入或激励：外加控制干扰）作用下，从系统的一定的初始出发，所经历的由内部的固有特性（由系统的结构与参数决定的特性）所决定的整个动态历程：,四.机械控制工程的研究对象,经典控制理论：20世纪50年代前 复（频）域 传递函数单输入单输出 线性定常，稳、快、准现代控制理论：20世纪50年代末 时域 状态空间表达式（计算机技术成熟）多输入多输出 复杂、时变、最优控制大系统理论： 20世纪70年代 规模庞大、结构复杂智能控制发展
12、阶段 近代 模型不确定性，高度非线性,五.控制理论发展的简单回顾,控 制 理 论,经典控制理论,控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。,1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据 。1895年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出
13、了频率响应理论 1948年，伊万斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。,经典控制理论的基本特征,（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合； （2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统； （3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。,应该指出的是，反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是
14、这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。,现代控制理论,由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理196
15、0年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。,大系统理论,20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法 以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法 在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计
16、不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。,智能控制,是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是
17、依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。,智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。,高阶微分方程,经典：图力学模型：,实际问题：图组合机床动力滑台铣平面时的情况，当切削力 变化时，滑台可能产生振动，从而降低被加工
18、工件的切削表面质量，为了分析这个系统，首先将动力滑台连同铣刀抽象图力学模型。,图,图,现代：令,本课程主要讲解经典控制理论的其中两个方面（五方面P4页）1.控制系统分析：系统已定，输入已知 系统的输出 研究系统本身的有关问题对已知系统及静、动态性能（稳、快、准）进行分析，看是否满足要求，提出改进措施。2.系统辨识：输入、输出已知，工程中只能用实验方法获得。系统的输入、输出 建模 研究,专业技术工程实践,六.学习方法,结合,物理概念的明晰与数学结论的准确性“方法论”。,不必追求数学论证上的严密性,七.生活中的几个实例,分析方法：将控制系统简化成数学模型,1.大门自动控制系统,分析： 当合上开门开
19、关时， u1u2，电位器桥式测量电路产生偏差电压，经放大器放大后，驱动电机带动绞盘转动，使大门向上提起。与此同时，与大门连在一起的电位器滑动触头上移，直至桥路达到平衡（ u1u2），电机停止转动，大门开启。反之，合上关门开关时，电机反向转动，带动绞盘使大门关闭；,2.液位自动控制系统,分析： 1、电位器滑动触点位于中间位置，电动机停转，阀门保持原有开度，水箱中流入水量与流出水量相等，液面保持在希望的高度。2、若系统受到扰动使液面升高，则浮子相应升高，通过杠杆作用使电位器滑动触点下移，给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使输入流量减小，液位下降，直到电位器滑动触点回到中
20、间位置，液面恢复给定高度；3、若系统受到扰动使液面下降，则系统会自动加大阀门开度，使输入流量增加，液面恢复到给定高度。,3.电热水器控制系统,分析：1.在电热水器系统中，水箱内的水温需要控制，即水箱为被控对象。水的实际温度是被控制量，或称为系统的输出量，输入量为用户希望的温度（给定值），由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使水箱内水温下降成为该系统的主要干扰。2.当To=Ti时，水箱的实际水温经测温元件检测，并将实际水温转化成相应的电信号，与温控开关预先设定的信号进行比较而得到的偏差为零，此时电加热器不工作，水箱中的水温保持在希望的温度上。3.当使用热水并注入冷水时，水温下降，此时ToTi，则偏差不为零而使温控开关工作。于是电源接通，电加热器开始对水箱内的水进行加热，使水温上升，直到To=Ti时为止。,4.钢板厚度控制系统,分析： 1、稳态给定电压u1比例于被轧钢板要求的厚度；厚度检测器输出u2比例于轧制后钢板的厚度，u2放大后得到u3并与u1比较得到偏差信号；2、若系统处于稳态后由于扰动致厚度加大，则偏差小于零，偏差放大后控制电机通过减速器直线执行器减小轧棍间距离；反之，加大轧棍间距离，实现厚度的闭环调节。,控制技术的应用范围广，与我们的工作、生活密切相关，在现实世界中可谓无处不在，掌握好控制技术有着非常重要的意义！,小结,习题：11-13题,
