机械工程控制基础.doc

1.1.1 控制论控制：对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置人类一切实践活动的目的在于认识世界和改造世界，而客观世界是由大大小小、各式各样的系统所组成的控制理论是研究各种系统的一般性共同控制规律的科学对于一个被控系统，控制理论必须回答下列三个基本问题：1.系统能否被控制？可控性有多大？2. 如何克服系统结构的不确定性及干扰带来的影响？3. 如何具体找到和实现满足要求的控制策略？为了回答上述问题，首先要建立系统的数学模型由于实际系统的复杂性，往往不能从基本的物理、化学和生物学定律直接推导出准确的数学模型，而必须利用系统的输入和输出数据做“反演”，这就形成了系统辨识理论由于系统的许多状态变量无法直接测量且系统中常有随机噪声的干扰，这就发展了信号滤波理论又由于许多系统的结构参数无法事先确定且随时间不断变化，这就产生了鲁棒和自适应控制理论对于具有更大不确定性和复杂性的系统，还需要发展能更好地模仿人类智能的智能控制理论为了得到具体的控制策略，需要动态全局优化的数学理论和方法，而为了真正实现这种策略，还必须借助于先进的计算手段和各种仪表与执行部件自动控制经历了从古典控制理论到现代控制理论的转变。

古典控制理论主要讨论单输入单输出线性系统，代表性的理论和方法包括Routh-Hurwitz稳定性判据，Nyquist分析、Bode图、Ziegler-Nichols调节律和Wiener滤波等单复变函数论和平稳过程理论等是古典时期重要的数学工具现代控制理论诞生的标志包括极大值原理，美国著名数学家Bellman的动态规划和Kalman的递推滤波以及状态空间模型的能控性、能观测性、反馈镇定等代数理论的出现等近40年来，现代控制理论在工程技术需求和计算机发展的有力推动下得到了蓬勃发展，特别在非线性控制、分布参数控制、随机控制、稳健控制、自适应控制、辨识与滤波、离散事件动态系统等若干主要方向上取得了重要进展1.1.2 机械工程控制论 机械制造技术发展的一个明显而主要的动向是越来越广泛而紧密地同信息科技交融，越来越广泛地引入控制理论以机械工程技术为对象的控制论问题机械工程的自动控制理论机械工程控制论研究机械工程中广义系统的动力学问题研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系1) 系统(广义系统)：按一定的规律联系在一起的元素的集合系统元素结构(1) 系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的结构有关；（2）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；（3）系统往往具有表现出在时域、频域或复域等域内的动态特性。

系统与外界的交互作用：输入(干扰)输出(响应)动力学问题系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即为系统的动力学问题机械系统:以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”1.1.3 机械工程控制主要解决的问题(1) 当系统已定、输人(或激励)已知时，求出系统的输出(或响应)，并通过输出来研究系统本身的有关问题，即系统分析2) 当系统已定时，确定输入，且所确定的输入应使得输出尽可能符合给定的最佳要求，即最优控制问题3) 当输入已知时，确定系统，且所确定的系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求，即最优设计问题4) 当输出已知时，确定系统，以识别输入或输中的有关主信息，即滤波与预测问题5) 当输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，即系统识别或系统辨识问题本课程主要以经典控制理论研究系统分析问题1.2 机械工程系统中的信息传递、反馈以及反馈控制的概念控制论的核心内容是：通过信息的传递、加工处理和反馈来进行控制。

信息：控制论把能表达一定含义的信号、符号、密码和消息等统称为信息信息传递：指信息在系统及过程中，以某种关系动态地传递，亦称转换反馈：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，其实质就是信息的传递与交互外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈，称为外反馈 内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈它是系统内部各个元素之间相互耦合的结果内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变得异常复杂自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行扰动 扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰外扰是系统的输入量 反馈控制 反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的在这里，反馈控制仅仅是对无法预计的扰动（既那些预先无法知道的扰动）而设计的，因为对于可以预计的或是已知的扰动来说，总是可以在系统加以校正的，因而对于他们的测量是完全不必要的。

反馈控制系统 反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制 图 11 热力系统的人工反馈在这里人起了控制器的作用，他希望使热水温度保持在给定温度上，为了测量热水的实际温度，在热水的输出管道内安装了一支温度计，温度计测得的温度就是系统的输出量操纵者始终监视着温度计，当发现温度高于希望值时，就减少输送到系统中的蒸汽量，以降低其温度；当发现温度低于希望的温度时，操纵者就反向操纵蒸汽阀门，使进入系统的蒸汽量增大，以提高这一温度图 12 热力系统的自动反馈控制大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度期望温度温度计图 13 人工控制恒温箱系统功能框图加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1++Du图 14恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统工作原理：(1) 恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2(2) 恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号Du＝u1--u2(3) 温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。

当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为 止，此时，偏差u＝0，电机停止转动给定信号电压功率放大器控制电机减速器调压器恒温箱(控制对象)热电偶Äu1u2Duuanvu温度t(被控量)扰动图 15 恒温箱自动控制系统功能框反馈控制系统的基本组成反馈控制系统是由各种结构不同的系统部件组成的从完成“自动控制”这一职能看，一个控制系统必然包含被控对象和控制装置两个部分控制装置由具有一定职能的各种基本元件组成的在不同系统中，结构完全不同的元部件都可以具有相同的职能组成系统的元部件按职能分类主要有以下几种测量元件：其职能是测量被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般再转换为电量例如：①测速发电机是用于检测电动机轴的速度并转换为电压；②湿敏传感器是利用“湿-电”效应来检测湿度，并将其转换成电信号；③电位器、旋转变压器、自整角机等是用于检测角度并转换为电压；④热电偶是用于检测温度并转换为电压等给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。

放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象如电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器和功率放大级加以放大执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能最简单的校正元件是由电阻、电容组成的无源或有源网络，复杂的则用电子计算机图 16 反馈控制系统基本组成这是一个典型的反馈控制系统基本组成，图中用“○”号代表比较元件，它将测量元件检测到的被控量与参据量进行比较，“—”号代表两者符号相反，即负反馈；“+”号代表两者符号相同，即正反馈信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路前向通路与主反馈通路共同构成主回路此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路包含一个主反馈通路的系统称单回路系统；有两个或两个以上反馈通路的系统称多回路系统扰动）：一般，加到反馈控制系统上的外作用有两种类型，一种是有用输入，一种是扰动有用输入决定系统被控量的变化规律，例如，参据量；而扰动是系统不希望有的外作用，它破坏有用输入对系统的控制。

在实际系统中，扰动总是不可避免的，它可能作用于系统中的任何元部件上，可能同时受到几种扰动作用电源电压波动，环境湿度、压力以及负载的变化1.3 系统的分类及对控制系统的基本要求1.3.1 实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：闭环控制和开环控制、半闭环控制系统1.3.1.1 闭环控制凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值换句话说，“闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差图 17闭环控制系统的组成特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响 闭环的作用：应用反馈，减少偏差优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦 1.3.1.2 开环控制如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。

① 洗衣机就是开环控制系统的例子浸湿、洗涤和漂清过程，在洗衣机中是依次进行的，在洗涤过程中，无需对其输出信号，即衣服的清洁程度进行测量在任何开环控制中，系统的输出量都不被用来与参考输入进行比较，因此，对应于每一个参考输入量，便有一个相应的固定工作状态与之对应，这样，系统的精度便决定于校准的精度（为了满足实际应用的需要，开环控制系统必须精确地予以校准，并且在工作工程中保持这种校准值不发生变化）当出现扰动时，开环控制系统就不能实现既定任务了，如果输入量与输出量之间的关系已知，并且不存在内扰与外扰，则可以采用。