机械工程控制基础第1章：概论.ppt

机械工程控制基础,自动控制理论简介,主要阐述有关自动控制技术的基础理论机械工程广泛引入控制理论：数控机床；工业机器人；微细工程；机床动态分析、动态测试；精密仪器；产品质量检测系统；空间技术等。,自动控制理论,经典控制理论：50年代形成的理论体系。研究单输入单输出线性定常系统的设计分析问题。理论基础是描述系统输入输出关系的传递函数。,现代控制理论：60末为适应宇航技术发展的需要而出现的新技术，现正向大系统和人工智能理论等方面发展。研究多输入多输出变参数、时变系统的设计分析问题。理论基础是描述系统状态空间法。,总学时（39）,第一章 绪论（3学时）第二章 系统的数学模型（9学时）第三章 时间响应分析（9学时）第四章 频率特性分析（7学时）第五章 系统的稳定性（8学时）第六章 系统的性能指标与校正（3学时）,第一章 绪 论,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务1.2 系统及其模型1.3 反馈1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求1.5 机械制造的发展与控制理论的应用1.6 控制理论发展的简单回顾1.7 本课程的特点与学习方法,1 机械工程控制论研究的对象和任务,一、控制工程研究的对象与任务1、对象工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题,具体地说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部固有的特性（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,mp2+cp+k-为方程左端的算子，它由系统本身的结构与参数所决定，反映了与外界无关的系统本身的固有特性；1-为方程右端的算子，反映了与外界的关系，当系统发生变化，这一算子一般也会发生改变。,显然，y(t)（就是微分方程的解）是由系统的初始状态、系统的固有特性、系统与输入之间的关系以及输入所决定的；也可以说它代表了系统在一定外界条件下的动态历程。,工程控制论研究的问题：,1 系统、输入已知，求输出-系统分析2 系统已知，确定输入，得到最佳输出-最优控制3 输入已知，确定系统，得到最佳输出-最优化设计4 输出已知，确定系统，识别输入信息-预测5 输入输出已知，确定系统结构参数-系统的辩识,2 本课程任务,用经典控制理论来解决系统分析问题，并适当解决系统的辩识问题,2 系统及其模型,一、系统我们所研究的“系统”就是由相互联系、相互作用的若干部分构成，而且有一定的目的或一定的运动规律的一个整体。,组成系统的各个部分，可以是元件，也可以是下一级的系统，后者称为“子系统”；而整个系统又可以是上一层系统的子系统；必须注意，一个系统的特性并不能看成是组成它的元件或子系统的特性的简单总和。,二、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的输入称为“激励”，一般是外界对系统的作用输出称为“响应”，一般是系统的变形或位移,一个系统的输入有两种,如果是人为地、有意识地加上去的，往往称为“控制”；而如果是偶然要素产生的，无法加以人为控制的，则称为“扰动”,三、静态模型与动态模型,用数学方法描述的抽象的理论模型，用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与外部环境之间的关系的模型称为“数学模型”,若以作用在机器上的力F(t)为激励，以机器的振动位移y(t)作为响应的数学模型为：,若以地基振动位移x(t)为激励，以机器的振动位移y(t)为响应时的数学模型：,称为为系统的动态模型,隔振垫,一台机器放在隔振垫上。,称为为系统的静态模型,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；动态模型则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。静态模型一般以代数公式描述，而动态模型则需要以微分方程或是其离散形式-差分方程描述。,1.3 反 馈,一 定 义一个系统的输出，部分或全部地被反过来用于控制系统的输入，称为系统的反馈。系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间所以有动态关系，就是由于系统本身有信息的反馈,二 机械工程中的反馈控制,三 机械系统的内在反馈,四 反馈的分类,正反馈和负反馈使总的输出增加的反馈调节为正反馈。,负反馈：使总输出减小的反馈调节。,负反馈使系统趋于稳定,外反馈和内反馈,外反馈：人为加入的反馈,内反馈：自然形成的反馈,总结：,控制论的中心思想就是“反馈控制”微分方程体现了系统本身存在着反馈微分方程的解体现了由于系统本身反馈的存在与外界对系统的作用的存在而决定的系统的动态历程。,1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求,一、分类1、按 反馈情况分（1）开环控制系统（2）闭环控制系统（3）半闭环控制系统,开环控制系统,系统仅受输入量和扰动量控制；输出端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任何影响。,优点：,简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力,闭环控制系统,系统的原理结构图,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：精度较高，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。,半闭环控制系统,特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。精度比闭环低稳定性高,2、按输出变化规律分,（1）自动调节系统（恒值系统）系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。,（2）程序控制系统,输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。,（3）随动系统,输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。,3 按系统信号的性质分,（1）连续控制系统系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。（2）离散（数字）控制系统系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。,典型闭环控制系统的框图,给定环节：确定被控制对象的“目标值”,测量环节：测量被控量，并将被控量转换成便于传送的另一物理量（一般为电量）,比较环节：输入信号xi与测量环节发出的有关被控变量xo的反馈xb两相比较，并得到一个小功率的偏差信号。,放大及运算环节：将偏差信号作必要的校正，然后进行功放以便推动执行环节；,执行环节：接受放大环节送来的控制信号，驱动被控对象按照预期的规律运行；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。,二、控制系统的基本要求,系统动态特性：系统在受到外加信号作用下，输出量随着时间变化的全过程,（1）系统的 稳定性,稳定性是指动态过程的振荡倾向和系统能够回复平衡状态的能力。稳定性的要求是系统工作的首要条件。,（2）响应的快速性,指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。,（3）响应的准确性,指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差，或称为静态精度；是衡量系统工作性能的重要指标。一般用稳态误差ess表示。,xo(t),t,注意：,1、系统的快速性和准确性必须建立在系统是稳定的基础上2、对系统的要求是稳、快、准兼顾3、三项指标存在矛盾,1.5 机械制造的发展与控制理论的应用,控制理论在机械制造领域中应用的几个主要方面：在机械制造过程自动化方面在对加工过程的研究方面在产品与设备的设计方面在动态过程或参数的测试方面,1.6 控制理论发展的简单回顾,一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文仪器,1788年：J.Watt 发明蒸汽机调速器1868年：J.C.Maxwell发表调速器，提出反馈控制的概念及稳定性条件。1884年：E.J.Routh提出劳斯稳定性判据。1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普诺夫稳定 性理论。1895年：A.Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。,1945年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法1948年：N.Wiener发表控制论，标志经典控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入单输出（SISO）系统的分析和控制问题；1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，进一步充实了经典控制论；1954年：钱学森发表工程控制论；,50年代末60年代初：现代控制理论形成；现代控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研究多输入-多输出(MIMO)、时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空间方法。,1956年：蓬特里亚金（Pontryagin）提出极大值原理1957年：R.I.Bellman提出动态规划理论1960年：R.E.Kalman提出卡尔曼滤波理论19601980年：确定性系统的最优控制、随机系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制1980迄今：鲁棒控制、H控制、非线性控制、智能控制等,1.7 本课程的特点与学习方法,