机械工程控制基础教学课件1

1、2022/7/11/46机械工程控制基础机械工程控制基础主讲教师：李连进 教授 工学博士 2022/7/12/46参考教材1）柳洪义等，机械工程控制基础， 科学出版社，2010年2）王仲民编，机械控制工程基础， 国防工业出版社，2010年3）曾孟雄编，机械工程控制基础， 电子工业出版社，2011年 4）彭珍瑞、董海棠 ，控制工程基础， 高等教育出版社，2010年5）朱骥北 主编，机械控制工程基础 机械工业出版社，2010年 教材1）李连进等，机械工程控制基础， 机械工业出版社，2020年印刷2022/7/13/46评分准则评分准则课堂表现等（课堂表现等（30%）作作 业业实实 验验考试成绩（考试成绩（70%） 课堂表现课堂表现注意：注意： 无故缺勤无故缺勤1/3课时者，作业课时者，作业1/3未完成者，未完成者， 取消参加期末考试的资格。取消参加期末考试的资格。机械工程控制基础机械工程控制基础 学时：学时：56 56 学分：学分：3.53.5 期中测试期中测试2022/7/14/46主要内容：主要内容： 1.1 控制系统举例 1.2 自动控制系统的基本概念 1.2.1 自动控制系统的工作

2、原理 1.2.2 对控制系统的基本要求 1.2.3 控制系统的基本控制方式 1.2.4 自动控制系统的基本组成 1.3 自动控制系统的分类 1.3.1 按输入量的变化规律进行分类 1.3.2 按系统中传递信号的性质分类 1.4 控制理论发展简史 1.5 本课程的教学方法第第1章章 绪论绪论2022/7/15/46 在工农业生产、交通运输、国防建设、科学研究及日常生活等各个领域，机械控制技术的应用非常广泛。 从工艺过程中对压力、温度、湿度、粘度和流量的控制，到机械制造业中机械零件的加工、处理和装配，控制技术都是其重要的组成部分。太空航行、人造卫星等高精尖技术中，无不渗透着控制技术的辉煌成果。 机械控制理论与实践的不断发展，为人们提供了设计最佳系统的方法，大大提高了生产率，同时促进了技术的进步。 机械工程控制是研究控制论在机械工程中的应用科学。它是一门跨机械制造技术和控制理论的新型学科。随着工业生产和科学技术的不断向前发展，机械工程控制作为一门新的学科越来越为人们所重视。 2022/7/16/46图1-1b 工业机器人控制方块图图1-1a 工业机器人完成装配工作1.1 控制系统举例 202

3、2/7/17/46图1-2 切削过程和车削过程的信息传递 1.1 控制系统举例 在车削过程中，往往会产生自激振动，这种现象的产生与切削过程本身存在内部反馈作用有关。当刀具以名义进给x切入工件时，由切削过程特性产生切削力Px。在Px的作用下，又使机床与工件系统发生变形退让y，从而减少了刀具的实际进给量，刀具的实际进给量变成 。2022/7/18/46 当主轴受到负荷后产生偏移，因而使下油腔压力增加，上油腔压力减少。这样，与之相通的薄膜反馈机构的下油腔压力增加，上油腔压力减少，从而使薄膜向上变形弯曲。这就使薄膜下半部高压油输入轴承的流量增加，而上半部减少，轴承主轴下部油腔产生反作用力与负荷相平以减少偏移量，或完全消除偏移量（即达到无穷大刚性)。图1-3 薄膜反馈式径向静压轴承及静压轴承情息传递 1.1 控制系统举例 2022/7/19/46图1-4 液压压下钢板轧机原理图 由于钢板轧制速度及精度要求愈来愈高，现代化轧钢机已用电液伺服系统代替了旧式的机械式压下机构。图中工作辊的辊缝信息或钢板出口厚度信息(或者与两者兼有)由检测元件3测出并反馈到电液伺服系统2中，发出控制信号驱动油缸1，以调节

4、两个轧制辊的缝隙，从而使钢板出口厚度保持在要求公差范围内。 1.1 控制系统举例 2022/7/110/461.2 自动控制系统的基本概念 l人工控制调节恒温箱的工作原理人工控制调节恒温箱的工作原理加热电阻丝220V调压器人工控制的恒温箱 温度计2022/7/111/461.2 自动控制系统的基本概念 人工控制恒温箱调节过程：人工控制恒温箱调节过程：操作者观察温度计的温度读数（被控制量），这是人眼的功能。将实际的温度与给定的温度值（给定值）进行比较，得出温度偏离给定值的大小和方向，这是人脑的功能。根据偏差的大小和方向再进行控制。当恒温箱内温度高于所要求的给定温度值时，就移动调压器使电流减小，温度降低。若温度低于给定的值，则移动调压器，使电流增加，温度升到正常范围。人工控制过程的实质：人工控制过程的实质：观测、求偏差及纠正偏差的过程。2022/7/112/46大脑大脑手手调压器调压器恒温箱恒温箱眼睛眼睛实际实际温度温度期望期望温度温度人工控制恒温箱系统功能框图人工控制恒温箱系统功能框图温度计温度计1.2 自动控制系统的基本概念 2022/7/113/461.2 自动控制系统的基本概念 加

5、热电阻丝加热电阻丝220V调压器调压器热电偶热电偶给定信号给定信号比较比较电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器执行执行电动机电动机减速器减速器u2u1+ u恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统2022/7/114/461.2 自动控制系统的基本概念 恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 恒温箱期望温度由电压恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度给定，并与实际温度 u2比较得到温度偏差信号比较得到温度偏差信号 uu1 u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动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运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差止，此时，偏差 u0，电机停止转动。，电机停止转动。2022/7/115/461.2 自动控制系统的基本概念 给定给定信号信号电压电压

6、功率功率放大器放大器控制控制电机电机减减速速器器调调压压器器恒温箱恒温箱(控制控制对象对象)热电偶热电偶 u1u2 uuanvu温度温度t(被控被控量量)扰动扰动恒温箱自动控制系统功能框图恒温箱自动控制系统功能框图2022/7/116/461.2 自动控制系统的基本概念 从恒温箱控制系统功能框图可见：从恒温箱控制系统功能框图可见： 给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。 也称为参考输入量（信号）。也称为参考输入量（信号）。 被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。 输出量（全部或一部分）通过测量装置输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。信号。2022/7/117/461.2 自动控制系统的基本概念 综上所述，控制系统

7、的工作原理：综上所述，控制系统的工作原理： 检测输出量（被控制量）的实际值； 将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差； 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。 由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制反馈控制。 显然：显然：反馈控制建立在偏差基础上反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是，其控制方式是“检检测，求偏差，再纠正偏差测，求偏差，再纠正偏差”。2022/7/118/461.2 自动控制系统的基本概念 对于稳定系统来说，当系统受到各种干扰或者人为改变参考输入量时，被控量就会发生变化，通过系统的自动控制作用，经过一定的过渡过程，被控量又恢复到给定值或一个新的稳定值。 不稳定系统,被控量为发散或等幅振荡曲线。被控量处于变化状态的过渡过程称为系统的动态过程，被控量处于平衡的状态称为静态或稳态。 在实际系统中，我们希望响应曲线越逼近期望值越好，响应的动态过程越短越好，响应过程越平稳越好。工程上通常以系统的响应曲线情况来评价系统的性能。被控量随时间变

8、化的曲被控量随时间变化的曲线称为线称为控制过程曲线控制过程曲线或或响应曲线。响应曲线。一般来说，可能有如下图所一般来说，可能有如下图所示的几种形式。示的几种形式。 首先，系统的控制过程以被控量随时间的变化来表征的，首先，系统的控制过程以被控量随时间的变化来表征的，因此有如下基本要求：因此有如下基本要求： 2022/7/119/461.2 自动控制系统的基本概念 稳态值稳态值(e)(e)发散发散控制系统被控量变控制系统被控量变化的动态特性化的动态特性 稳态值稳态值( (a)a)惯性平稳收敛惯性平稳收敛(d)(d)衰减振荡收敛衰减振荡收敛稳态值稳态值(b)(b)临界临界(c)(c)发散发散2022/7/120/461.2 自动控制系统的基本概念 控制系统的基本要求： 稳定性：稳定性是保证控制系统正常工作的首要条件。因为控制系统中都包含储能元件，若系统参数匹配不当，就可能引起振荡。稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。对于稳定性满足要求的系统，当输出量偏离平衡状态时，应能随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。 准确性：准确性是指控制系统的控制精度，一般用稳态误差来衡量。

9、所谓稳态误差是指以一定变化的输入信号作用于系统后，当调整过程结束趋于稳定时，输出量的实际值与期望值之间的误差值。准确性是衡量控制系统性能的重要指标。例如数控机床稳态误差愈小，加工精度就愈高。 快速性：快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性是在系统稳定的前提下提出的，它是衡量控制系统性能的又一个重要指标。快速性好的系统，消除偏差的过渡过程时间短，因而就能复现快速变化的输入情号，并具有较好的动态性能。 2022/7/121/461.2 自动控制系统的基本概念 l 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类： 开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统 半半闭环控制系统或称复合控制系统闭环控制系统或称复合控制系统（反馈（反馈信号通过系统内部的中间信号获得。）信号通过系统内部的中间信号获得。）2022/7/122/461.2 自动控制系统的基本概念 开环控制系统开环控制系统特点特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端 和输入端之间不

10、存在反馈回路；输出量和输入端之间不存在反馈回路；输出量 在整个控制过程中对系统的控制不产生在整个控制过程中对系统的控制不产生 任何影响。任何影响。 输入输入装置装置指令指令系统输入系统输入控制控制装置装置伺服伺服驱动装置驱动装置工作台工作台工作台工作台 位置位置系统输出系统输出数控机床的开环控制系统框图数控机床的开环控制系统框图2022/7/123/461.2 自动控制系统的基本概念 优点优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件简单、稳定、可靠。若组成系统的元件 特性和参数值比较稳定，且外界干扰较特性和参数值比较稳定，且外界干扰较 小，开环控制能够保持一定的精度。小，开环控制能够保持一定的精度。缺点：缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力精度通常较低、无自动纠偏能力控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量开环控制系统框图开环控制系统框图 开环控制系统开环控制系统2022/7/124/461.2 自动控制系统的基本概念 闭环控制系统闭环控制系统特点：特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输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。出量对控制过程有直接影响。

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