机械工程控制基础(第一章绪论)课件.pptx

1,机械工程控制基础,陈 星,2,本课程将注重过程，采用过程评价体系。成绩主要由平时成绩、 实验成绩、成绩三部分部分组成。1. 平时成绩：到课率、迟到早退情况、作业情况等2. 考试方式：闭卷，卷面考试成绩成绩的计算：平时（10% ）+实验（20% ）+考试（ 70% ）注意：1、迟到、早退2次无平时成绩；2、缺席、不交作业累计3次取消考试成绩。,课程成绩确定方法：,3,机械工程控制基础课程教材及参考书,教材：,机械工程控制基础（第七版），杨叔子、杨克冲等编著，华中科技大学出版社，2017.7,1.自动控制原理胡寿松等编 国防工业出版社2.复变函数与积分变换包革军等编 科学出版社3. MATLAB实用教程 （美）穆尔著，高会生译 电子工业出版社,参考书：,4,本课程与其它课程的关系,本课程是非电专业的机电技术专业基础课，应用广泛，学时少、内容多，不能轻视。否则，对以后的工作、学习将会造成影响。,5,主要教学内容,基础知识,分析方法,工程控制技术,工程应用,6,主要内容,6,第一章 绪论第二章 系统的数学模型 第三章 系统时间响应分析 第四章 系统频率特性分析 第五章 系统的稳定性 第六章 系统性能指标与校正第七章 非线性系统初步 第八章 线性离散系统初步第九章 系统辨识初步,7,前 言,2014年德国政府的工业推进计划“工业4.0”引发了关于第四次工业革命的热议,问题随之而来：,到底什么是第四次工业革命？,第四次工业革命与之前的工业发展有何根本的不同？,是什么推动了人类进入第四次工业革命？,这些推动因素在人类实现第四次工业革命中起到什么作用？,第一章 绪论,8,四次工业革命,从工业1.0 到工业 4.0,目标：建立一个高度灵活的自动化、个性化、数字化产品与服务的生产模式,关键点：“原材料（物质）”=“信息”。智能工厂使用了含有信息的原材料，实现了“原材料（物质）”=“信息”，制造业终将成为信息产业的一部分。,9,总体概念,工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统信息物理系统（Cyber-Physical System) 相结合的手段，将制造业向智能化转型,两大主题,一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用,机械工程控制,P10,现代控制应用,现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现,P11,美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952),现代控制应用,P12,美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家机器人公司，Unimation。,现代控制应用,13,控制的应用举例,电机控制机床控制生产过程自动化控制机器人控制. . . . . .,工业控制,机器人不再被固定在安全工作地点而是与人一起协同工作,14,控制的应用举例,蛟龙号载人潜水器是一艘由中国自行设计、自主集成研制的载人潜水器。2009年至2012年，“接连取得1000米级、3000米级、5000米级和7000米级海试成功。2012年6月，在马里亚纳海沟创造了下潜7062米的中国载人深潜纪录，也是世界同类作业型潜水器最大下潜深度纪录。,蛟龙号:,P15,机械狗,控制的应用举例,16,控制的应用举例,汽 车 电 子,电源发动机控制行驶装置报警与安全装置旅居性仪表娱乐通讯,17,控制的应用举例,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）,18,控制的基本概念,1、基本概念,控制：以人为或自动的方式，通过一定的手段操纵受控对象或过程，使之按照预定的规律运行，并具有一定的状态与性能。,简单地说，就是施加某种操作于对象，使其产生所期望的行为。,图1 液位人工控制,图2 液位自动控制,检测偏差,实施控制,消除偏差,19,控制实例2：冰箱控制系统,20,机械工程控制基础,陈 星机电与车辆工程学院,21,复 习,22,控制对象控制目标控制手段（装置、算法等）,3、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,控制的基本概念,2、控制的三要素,23,4、理论形成的背景 1765年，瓦特(英国Watt，1736 - 1819 )发明蒸汽机，工业与军事的需要，电子技术的发展， ，推动了控制理论的不断地向前发展。2、控制理论创始人：（美）维纳（Wiener）3、代表人物：劳斯（Routh) ，胡尔维茨(Hurwitz）， 奈奎斯特（Nyquist），李雅普诺夫, 扎德(Zadeh) ,傅京孙等.,控制的基本概念,24,5、自动控制理论的发展1）经典控制理论(20世纪4060年代): 研究对象: 单输入单输出(SISO)、线性定常系统; 研究方法: 传递函数、根轨迹、频率特性2）现代控制理论(20世纪6070年代): 研究对象: 多输入多输出(MIMO)、非线性、时变系统; 研究方法: 状态空间法.3）智能控制与大系统理论(20世纪70年代-): 研究对象: 多输入多输出(MIMO)、非线性、时变复杂系统; 研究方法: 模糊规则、神经网络模型等智能方法.,25,第一章 绪论,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,26,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,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。,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(激励)、干扰（扰动）,系统对外界响应：输出（响应）,外界的作用,系统的响应,27,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,广义系统：具备系统要素的一切事物或对象,譬如：机器系统、生命系统思维、学习、工作社会系统生产系统,自然系统,人造系统,实体系统,概念系统,28,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,2、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,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,29,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,工程技术,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,共同的本质特点：通过信息传递，处理与反馈进行控制,30,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,3、研究对象：机械工程技术中的广义动力学系统。,广义动力学系统在一定的外界条件下（输入或激励，包括外加控制与外加干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部固有特性（系统结构与参数所决定的特性）所决定的动态历经过程（动态响应）。,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。,机械系统中的“激励”与“响应”分别代表着系统的输入和输出。,31,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,4、系统动力学问题分析典型实例,静态模型：反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统平衡状态下的特性。（一般用代数方程描述）动态模型：用于研究系统在迅变载荷作用下或在系统不平衡状态下的特性。 （一般用微分方程或差分方程描述）,(描绘系统的动态历程),模型: 就是对系统的一种客观描述，它通常是真实系统的一种简化。,32,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,模型是研究系统、认识系统、描述系统以及分析系统的工具。,静态模型和动态模型分析示例机器隔振系统,F(t)：外力，即激励N(t)：隔振垫对机器的支反力 y(t)：地基的位移，亦可作激励x(t)：机器的位移，即响应,动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或控制工程中，一般关心的是系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。即，一般所指的系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式。,33,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,4、系统动力学问题分析典型实例,输入相异的单自由度机械振动系统,参数说明：m系统质量；c粘性阻尼系数；k弹簧刚度,34,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,4、系统动力学问题分析典型实例,（1）外力f(t)作用下的系统动力学方程,动力学方程：,微分算子：,动力学方程简化为：,被动力之和=主动力,则：,35,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,4、系统动力学问题分析典型实例,（2）位移x(t)作用下的系统动力学方程,动力学方程：,微分算子：,动力学方程简化为：,则：,36,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,4、系统动力学问题分析典型实例,初始状态：,系统固有特性：,外界作用：,系统的输出：,初始状态、系统固有特性、外界作用、与外界的关系等四大因素决定系统响应,37,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,5、研究任务:按系统、输入、输出三者的动态关系,（1）系统分析问题：已知系统和输入，求输出（或响应），并通过响应来研究系统本身的问题。,（2）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。,（3）最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。,（4）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。,（5）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。,38,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,例1 图示为数控机床工作台的传动系统。如果考虑传动系统的制造误差，为了使工作台均匀移动，试确定其输入。,若系统的输入已知（例如电动机转速），要求确定系统且其输出符合工作台均匀移动的要求。,此即最优控制问题。,即为最优设计问题。,39,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,例2 电子称的原理如下图。显示即为输出，重物的重量为输入，要求确定系统（即电子称）以识别输入或输入中的有关信息。,若输入（重物）和输出（显示）已知，求系统的结构和参数 ，即建立系统的数学模型。,系统识别或系统辩识问题,滤波与预测问题,40,本讲小结,了解控制并认识控制系统,控制论的研究对象,控制论的研究任务或内容,第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务,41,第一章 绪论,第二讲 反馈,42,第二讲 反馈,自动控制示例1：液位控制系统,分析控制系统的组成要素：被控制对象：贮罐；控制目标：液位恒定；控制手段：手动/自动调节阀门的部分,43,第二讲 反馈,自动控制示例1：液位控制系统,系统的表达控制系统中各子系统间的信号的传递与反馈 关系：,44,第二讲 反馈,自动控制示例1：液位控制系统,系统的表达控制系统中各子系统间的信号的传递与反馈 关系：,45,第二讲 反馈,1、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。,（1）根据反馈信号的来源分,反馈的分类：,外反馈（反馈控制）：,相对于被控对象而言，由附加的反馈装置引起的信息交互。,外反馈举例说明：,46,第二讲 反馈,1、反馈,（1）根据反馈信号的来源分,反馈的分类：,内反馈：,系统或过程中由于各元素间的相互联系而自然形成的各种反馈 ，是系统内部的信息的交互；反映系统内部元素间互为因果的内在联系；,内反馈举例说明：,人体的温度自我调节系统,内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因！,47,第二讲 反馈,内反馈：耦合反馈（系统或过程中自然形成的反馈）,内反馈实例分析单自由度系统,48,第二讲 反馈,状态方程表示：,取,有：,状态方程用方框图表示为：,y1和y2之间具有信息交互作用，本质上是弹簧的位能与质量的动能之间的转换。 y2本身的交互作用就是阻尼消耗能量的过程。,49,第二讲 反馈,1、反馈,(2)根据反馈的作用的结果分类,反馈的分类：,负反馈：反馈信息与控制信息的作用方向相反，因而制约控制部分的活动。输出（被控量）偏离设定值（目标值）时，反馈的作用使输出偏离的程度减小，并力图达到设定值。 如： 液面控制系统 火炮瞄准 ,50,第二讲 反馈,1、反馈,(2)根据反馈的作用的结果分类,反馈的分类：,正反馈：反馈信息不是制约控制部分的活动，而是促进和加强控制部分的活动。输出（被控量）偏离设定值（目标值）时，反馈的作用使输出偏离的程度加剧。 如：图示的液位控制系统 电子加速器火药爆炸热核反应 ,51,第二讲 反馈,51,以发动机离心调速系统为例,被控量的目标值设定：弹簧长度+螺旋位移,2、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,52,第二讲 反馈,1给定环节；2比较环节；3校正环节；4放大环节；5执行机构；6被控对象；7检测装置,反馈控制系统的结构及基本环节,设定被控制量的给定值的装置,将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量，多用差动放大器实现负反馈,一般由传动装置和调节机构组成。执行机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值,要进行控制的设备或过程,控制系统所控制的物理量（被控量）,检测被控制量，并将其转换为与给定量相同的物理量,53,第二讲 反馈,3、控制系统的分类,（1）、控制系统的分类按反馈情况分类开环系统：没有反馈回路，输出量对系统没有控制作用。,特点：控制简单，控制精度难以保证。如：数控机床、自动洗衣机、自动化流水线,54,第二讲 反馈,闭环系统：有反馈回路。输出量反馈到输入端形成闭环，参与控制。,特点：输出量返回来与输入量比较负反馈反馈信号与输入量相减，根据差值即偏差进行控制。如：伺服驱动的数控机床、恒温箱(冰箱、空调),55,第二讲 反馈,按输出量的变化规律分,自动调节系统(恒值系统)：输出量保持常量，输入量不变。为闭环系统，如：恒温调节系统,随动系统：输入量按事先不知道的时间函数变化， 要求输出量跟随输入量的变化而变化。多为闭环系统，如：自动火炮系统、动物捕食等,程序控制系统：系统的输出按预定程序变化。开环或闭环系统，如：数控机床、全自动洗衣机等,56,第二讲 反馈,按线性性质分类,线性控制系统：系统由线性元件组成，由线性微分方程描述。 叠加性和齐次性是线性系统的特征。,非线性控制系统：由非线性微分方程描述的系统。非线性微分方程：微分方程的系数与自变量有关。,线性定常系统：线性微分方程的各项系数为常数。线性时变系统：线性微分方程的系数是时间的函数。,57,第二讲 反馈,连续控制系统,离散控制系统,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,按信号类型分,按时变情况分,按被控量分,引出点（分支点）：从某一信号线上引出新的分支，箭头表示信号的传递方向，线上标记信号的名称。 比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号进行相加或相减运算。“+”表示信号相加；“-”表示信号相减。 元件方框：方框中写入元、部件的名称，进入箭头表示其输入信号；引出箭头表示其输出信号。,描述反馈系统各环节间的联系，它包括三个基本的要素，即：,4、反馈控制系统的框图,（4）按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连 接起来。,自动控制系统方框图的绘制步骤：,（1）根据控制系统的三个组成要素，找出被控对象。,（2）根据控制目标找出输出量。,（3）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。,（5）分析系统的控制原理。,例题讲解1：根据控制系统的组成原理画出老鹰抓小鸡控 制系统框图。,控制目标？,被控对象？,控制原理？,62,第二讲 反馈,系统的稳定性系统正常工作的首要条件,5、对控制系统的基本要求,图1 液位人工控制,图2 液位自动控制,操作者情绪不稳，心不在焉水位高了，还在开大进水阀，水位越来越高，出现事故,杠杆设置不对，水位高了，还在关小出水阀，水位越来越高，出现事故,第二讲 反馈,5、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,“稳”与快是说明系统动态过程（过渡过程）品质；“准”是说明系统稳态（静态）品质；稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。,几点说明：,64,谢谢,2022/12/7,