机械控制

nullnullnull第一章 控制系统的基本概念一、机械控制论的研究对象与任务二、控制系统的工作原理及其组成三、控制系统的基本类型四、对控制系统的基本要求五、本课程的任务及主要第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering一、机械工程控制论的研究对象与任务系统是由相互联系、相互作用的若干部分构成且具有一定运动规律的一个有机整体。是按一定规律联系在一起的元素的集合。系统及广义系统null第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广义系统的动力学问。具体地说，它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；研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。 机械工程控制论的研究对象null第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解 问题的不同，机械工程控制论的任务可以分为以下五种： （1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题； （2）已知系统和系统的理想输出，输入，即最优控制问题； （3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题； （4）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息， 此即滤波与预测问题； （5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统 辨识问题。 机械工程控制论的研究任务 null第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering二、控制系统的工作原理及其组成控制：通过对一定对象实施一定的操作，以使其按照预定的 规律运动或变化的过程。 null被控对象：在控制理论和控制技术中，运动规律或状态需要控制 的装置或元件称为被控对象（控制对象） 控制器：除被控对象以外的所有装置，统称为控制器 被控制量：表征被控对象运动规律或状态的物理量 实质上是系统的输出（输出量） 希望值：希望的被控对象运动规律或状态的物理量 （或称输入量、系统输入） 偏差：系统的输入量与反馈量之差或之和（比较环节的输出值） 控制量：被控对象的输入量 扰动量（干扰）：指除给定量以外，所有使得被控制量偏离 给定值的因素。扰动包括因系统外部因素发生变化而引起的 外扰和因系统内部因素所引起的内扰。 第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull被控对象：恒温箱 控制器：除恒温箱以外的所有装置，统称为控制器。 被控制量：恒温箱的实际温度为被控制量（系统的输出量） 希望值：希望的恒温箱的温度。 偏差：希望的恒温箱的温度与恒温箱的实际温度之差 控制量：加热电阻丝的输出功率。 扰动量（干扰）：恒温箱散热量 第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull人工控制恒温箱调节过程： 观测恒温箱内的温度（被控制量） 与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度 偏差的大小和方向 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电 阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering系统方框图系统方框图由许多对信号（量）进行单向传递的元件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。 包括三个基本的单元:引出点,比较点,元件方框null 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。如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶 及飞机自动驾驶、导弹制导等。第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull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u2 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u＝u1 u2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。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull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。 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。 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馈。返回的全部或部 分输出信号称为反馈信号。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull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。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull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。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。 注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull 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两类： 开环控制系统 闭环控制系统第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull 开环控制系统特点：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。 第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull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、无自动纠偏能力第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull 闭环控制系统特点：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。 第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull 闭环控制系统的组成第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull 给定元件 产生给定信号或输入信号。 反馈元件 测量被控制量（输出量），产生反馈信号。 为便于传输，反馈信号通常为电信号。 注意：在机械、液压、气动、机电等系统中 存在着内在反馈，这种反馈无须专门 的反馈元件，是系统内部各参数相互 作用产生的，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull 比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差 信号； 放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱 动执行元件实现控制功能。 执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、 液压马达等； 第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull 校正元件 用以改善系统控制质量的装置。控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动，但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。校正元件分为串联和并联两种。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull三、控制系统的基本类型 按输入量的特征分类 恒值控制系统 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。 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。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull 随动系统（伺服系统） 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。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull 按系统中传递信号的性质分类 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。 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。 第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull 其它分类方法 线性系统和非线性系统 定常系统和时变系统 机械、电气、机电、液压、气动、热力等控 制系统 温度、压力、位置等控制系统第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull四、对控制系统的基本要求 稳定性 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。 控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull 准确性 控制精度，以稳态误差来衡量。稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量之间的差值。 第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull 快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。注意： 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快 速性要求各有侧重。 系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应 根据实际需求合理选择。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull五、本课程的任务及主要内容 本课程的任务 控制系统性能分析动态性能：过渡过程分析、稳定性分析等稳态性能：控制精度（稳态误差） 控制系统设计选择适当的控制器及控制规律以改善控制系统 的性能使其满足控制要求。控制系统的性能分析和设计通常是交替进行的。第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull控制系统分析和设计一般包括： 建立控制对象的模型（线性化模型） 对象的性能分析、仿真 选择控制方案（开环/闭环等） 选择性能指标，设计控制器 全系统性能分析、仿真 研制控制器，构建控制系统 试验验证第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineeringnull 本课程主要内容 控制系统数学模型的建立 控制系统的时域分析 控制系统的频域分析 控制系统的设计和校正介绍经典控制理论的基础知识，包括：第一章 控制系统的基本概念第一章 控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering