机械工程控制基础第六版课件第一章

1、制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,广东海洋大学,机械工程控制基础,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,教材： 杨叔子等,机械工程控制基础,华中科技大学出版社,(第六版),2011 参考文献： 1.胡寿松等,自动控制原理,国防工业出版社,(第三版),1994. 2.李友善.自动控制原理,国防工业出版社,1980 3.陈康宁.机械工程控制基础.西安交通大学出版社.1997. 4.Matlab使用手册,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,第一章 绪论,为什么要学控制论？ 1.机电一体化产品的出现与逐渐普及,“机”+“电”? “信息传递与交换” 控制论、系统论、 信息论、微电子技术（计算机技术）相结合的产品,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,2.机械系统朝高速、高负载、超精密、超大型或超微型等方向发展。（设计、制造、使用、维护）“动态”,设计: 动态设计 制造: 关注制造过程 的动态特性. 使用:系统的动态特性(安全、性能) 维护：监测与故障预测、诊断,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,3.动态测试、信号处理（信号与系统） 传感器的选择、信号预处理器的设计、

2、数字信号的处理、特征提取,4.生产组织管理（过程的优化）,加工状态监控 喷气发动机性能监控,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,5.其他工程应用 军事、航天领域 火炮、雷达、跟踪系统、人造卫星、宇宙飞船等 流程工业 轧钢过程、工业窑炉、石油化工、水泥建材、玻璃、造纸等 现代农业生产 自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测等。 其他领域 通信、交通、医学、环境保护、经济管理等,6.个人日常生活和工作 电冰箱、电饭煲、空调器、音响、收音机等等,7. 方法论 “反馈控制的思想”,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,控制：施加某种操作于对象，使其产生所期望的行为。,图1.1 蒸汽机离心调速器,一、概述,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,自动控制：由控制装置自动完成，无需人的参与。,图1.2 液位人工控制,图1.3 液位自动控制,检测偏差,实施控制,消除偏差,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,控制的三要素,控制对象、控制目标、控制手段（装置、算法等）,可控性与能控性,控制对象有多种运动状态的可能性； 能够通过控制手段使控制对象的状态达到控制目标,控制论的方法论,明确事物发

3、展的多种可能性 确定其中一种可能性为控制目标 实施控制实现控制目标,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,机械工程控制论研究机械工程技术中的广义系统动力学问题。,二、机械工程控制轮研究对象与任务,1.系统：元素按一定规律组合起来的能完成一定 功能的集合。,系统与外界的交互作用,外界对系统的作用：输入、干扰,系统对外界响应：输出,外界的作用,信息的传递 与交互,系统的响应,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,控制论：技术学科、技术哲学、科学方法论,控制论强调： 对象是一个“系统”； 系统不断“运动” (经历动态历程，包括内部状态和 外部行为) “外因” (输入、干扰)是运动的条件 “内因”(系统的固有特性)是运动的根据,系统普遍存在信息的传递、交互与反馈是控制论的中心思想,二、机械工程控制轮研究对象与任务,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,二、机械工程控制轮研究对象与任务,控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科,经济学,生物学,社会学,机械工程,机械工程控制论,控制论,经济控制论,社会控制论,生物控制论,工程控制论,共同的本质特点：通过信息传递，处理与反馈进行控制,工

4、程技术,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,二、机械工程控制轮研究对象与任务,系统的组成元素可以是子系统； 又可是更上一层系统的组成元素。,系统的层次性与相对性：,广义系统：,具备系统要素的一切事物或对象,机械工程中的广义系统：,元件、部件、仪器、设备、加工过程、操作设备、测量、车间、部门、工厂、企业、企业集团、全球制造业,如：机器系统、生产系统、生命系统、 思维、学习、工作，社会、经济系统等,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,二、机械工程控制轮研究对象与任务,2. 系统的动力学问题,研究的是机械工程广义系统在一定的外界条件（即输入或激励、干扰）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（即由系统的结构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程。 研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,二、机械工程控制轮研究对象与任务,例：弹簧-质量-阻尼单自由度系统,(a),(b),初始状态：,系统固有特性：,外界作用：,与外界的关系：,系统的输出：,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,系统分析问题：已知系统和输入，

5、求输出（或响应），并通过响应来研究系统本身的问题。 最优控制问题：已知系统和理想输出，求最优输入，使实际输出满足要求。 最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。 滤波与预测问题：设计或选择合适的系统，以便由输出识别输入或输入中的有关信息。 系统辨识问题：已知输入和输出，要识别系统的结构和参 数，建立系统的数学模型。,研究任务,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,1.信息 定义1：一切能表达一定意义的信号、符号和密码等。 如：报纸，烽火，电报，记号、手势等等 定义2：能够用来消除不确定性的东西。如： 报纸（过时、适时），情报（过时，适时），足球比赛（势均力敌，势力悬殊），书籍（好，差）等 定义3：事物运动的状态和方式。如： 体温人体状态； 设备的振动、噪声、温度等设备的状态 设计图纸产品状态（产品信息） 工艺卡制造过程状态（工艺信息）,三、反馈,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,例1. 控制原理：,负载减小，使w增加,反馈：系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统。,离心滑套下移 滑阀回复中位， w回到设定值,w反过来对系统产生作用,制作：华

6、中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,例2. 加工过程,加工过程示意图,零件,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,例3.,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,外反馈(反馈控制)：附加反馈控制装置引起信息交互,内反馈：,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,负反馈：输出(被控量)偏离设定值(目标值)时，反馈作用使输出偏离程度减小，并力图达到设定值。 如：离心调速系统 液面控制 动物捕食 火炮自动瞄准 学习和工作中的负反馈 。,正反馈： 输出偏离初始值（或稳定值）时，反馈作用使输出偏离程度加剧 如：三极管 倒立摆 疾病、火药爆炸、热核反应 学习和工作中的正反馈 。,反馈的作用：加剧偏离,反馈的作用：消除偏离,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,以发动机离心调速系统为例,被控量的目标值设定：预紧弹簧,四、反馈控制系统的组成,控制信息传递与反馈：,控制方框图：,给定,比较,放大,执行,测量,控制对象,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,反馈控制系统的组成,特点：利用偏差控制系统的输出,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,对控制系统，可从不同的角度分类,1.按反馈情

7、况,开环控制系统：,系统没有反馈回路，输出对系统无控制作用。,如：步进驱动的数控机床、普通洗衣机 家用电烤箱、微波炉、普通电风扇,五、控制系统的分类,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,闭环控制系统：,有反馈回路，输出对系统有控制作用。,如：前例中的离心调速系统 伺服驱动的数控机床 恒温箱(冰箱、空调) 人骑自行车,1.按反馈情况,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,自动调节系统(恒值系统)：系统的输出保持常量。,如：离心调速系统、恒温箱、液面控制等,为闭环系统,随动系统：,系统的输出相应于输入按任意规律变化。,如：炮瞄雷达系统、仿形加工、动物捕食等,多为闭环系统,程序控制系统：,系统的输出按预定程序变化。,如：数控机床、全自动洗衣机等,开环或闭环系统,2. 按输出量的变化规律分,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,连续控制系统,离散控制系统,线性控制系统,非线性控制系统,定常系统,时变系统,位移控制系统,温度控制系统,速度控制系统,3. 按信号类型分,4. 按线性性质分,5. 按时变情况分,6. 按被控量分,制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才,系统的稳定性系统正常工作的首要条件,六、对控制系统的基本要求,系统的稳定性系统恢复平衡状态的能力,稳定性好，则系统恢复平衡状态的能力强,系统的快速性,快速性好，则消除偏差快，或调整时间短。,系统的准确性,准确性好，则调整过程结束后，输出值与期望值偏差小,

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