机械控制工程(9)

控制理论基础教材：杨叔子等,机械工程控制基础,华中科技大学出版社,(第六版),2011参考文献：1.胡寿松等,自动控制原理,国防工业出版社,(第三版),1994.2.李友善.自动控制原理,国防工业出版社,19803.陈康宁.机械工程控制基础.西安交通大学出版社.1997.4.Matlab使用手册第一章绪论什么是控制？为什么要学控制论？1.机电一体化产品的出现与逐渐普及“机”+“电”?“信息传递与交换”控制论、系统论、信息论、微电子技术（计算机技术）相结合的产品2.机械系统朝高速、高负载、超精密、超大型或超微型等方向发展。（设计、制造、使用、维护）“动态”设计:动态设计制造:关注制造过程的动态特性.使用:系统的动态特性(安全、性能)维护：监测与故障预测、诊断3.动态测试、信号处理（信号与系统）传感器的选择、信号预处理器的设计、数字信号的处理、特征提取4.生产组织管理（过程的优化）加工状态监控喷气发动机性能监控5.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6.个人日常生活和工作电冰箱、电饭煲、空调器、音响、收音机等等7.方法论“反馈控制的思想”控制：施加某种操作于对象，使其产生所期望的行为。EngineValveSteamBoilerMetalsphereGovernorOutputshaftMeasuredspeed图1.1蒸汽机离心调速器一、概述自动控制：由控制装置自动完成，无需人的参与。图1.2液位人工控制图1.3液位自动控制检测偏差实施控制消除偏差1.1机械工程控制论的研究对象与任务一、系统及广义系统系统是由相互联系、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。一个较大系统之内可能包括若干个较小的子系统。不仅系统的个部分之间存在非常紧密度联系，而且，系统与外界之间也存在一定的联系。控制的三要素控制对象、控制目标、控制手段（装置、算法等）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论的方法论明确事物发展的多种可能性确定其中一种可能性为控制目标实施控制实现控制目标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。1.1机械工程控制论的研究对象与任务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。要素元素元素之间的联系系统与外界的交互作用外界对系统的作用：输入、干扰系统对外界响应：输出外界的作用信息的传递与交互系统的响应控制论：技术学科、技术哲学、科学方法论控制论强调：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1.1机械工程控制论研究对象与任务1.1机械工程控制论研究对象与任务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1.1机械工程控制论研究对象与任务系统的组成元素可以是子系统；又可是更上一层系统的组成元素。系统的层次性与相对性：广义系统：具备系统要素的一切事物或对象机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加工过程、操作设备、测量、车间、部门、工厂、企业、企业集团、全球制造业如：机器系统、生产系统、生命系统、思维、学习、工作，社会、经济系统等1.1机械工程控制论研究对象与任务2.系统的动力学问题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。研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。1.1机械工程控制论研究对象与任务例：弹簧-质量-阻尼单自由度系统2()()()mppyctkft2mpcpk2()()()()ytcpmpcpkxkt(a)(b)0(0),yy0..(0)yy初始状态：系统固有特性：外界作用：(),()ftxt与外界的关系：1,cpk系统的输出：()yt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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。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。最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。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。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。研究任务1.2系统及其模型一系统（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、频域或空域等域内的动态特性。1.2系统及其模型二、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”。1.2系统及其模型三、系统模型系统的模型包括实物模型、物理模型和数学模型等等。而数学模型又包括静态模型和动态模型。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。1.信息定义1：一切能表达一定意义的信号、符号和密码等。如：报纸，烽火，电报，记号、手势等等定义2：能够用来消除不确定性的东西。如：报纸（过时、适时），情报（过时，适时），足球比赛（势均力敌，势力悬殊），书籍（好，差）等定义3：事物运动的状态和方式。如：体温——人体状态；设备的振动、噪声、温度等——设备的状态设计图纸——产品状态（产品信息）工艺卡——制造过程状态（工艺信息）1.3反馈例1.控制原理：负载减小，使w增加反馈：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。离心机构滑套上移液压滑阀上移，动力活塞下移，离心滑套下移滑阀回复中位，w回到设定值油门关小，w减小w反过来对系统产生作用例3.外反馈(反馈控制)：附加反馈控制装置引起信息交互内反馈：负反馈：输出(被控量)偏离设定值(目标值)时，反馈作用使输出偏离程度减小，并力图达到设定值。如：离心调速系统液面控制动物捕食火炮自动瞄准学习和工作中的负反馈。。。。检测偏差实施控制纠正偏差正反馈：输出偏离初始值（或稳定值）时，反馈作用使输出偏离程度加剧如：三极管倒立摆疾病、火药爆炸、热核反应学习和工作中的正反馈。。。。反馈的作用：加剧偏离反馈的作用：消除偏离以发动机离心调速系统为例被控对象：发动机被控量：转速w被控量的目标值设定：预紧弹簧四、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控制部分被控部分反馈控制系统的组成特点：利用偏差控制系统的输出基本物理量：被控量、给定量、控制量、扰动量被控量：(即系统的输出量),表征被控对象运动规律xb给定量系统的输入量或被控对象理想状态(控制目标)xi控制量：直接作用于被控对象的物理量，即被控对象的输入量扰动量：所有使被控对象状态偏离给定值的量对控制系统，可从不同的角度分类1.按反馈情况开环控制系统：系统没有反馈回路，输出对系统无控制作用。如：步进驱动的数控机床、普通洗衣机家用电烤箱、微波炉、普通电风扇1.4系统的分类及对控制系统的基本要求闭环控制系统：有反馈回路，输出对系统有控制作用。如：前例中的离心调速系统伺服驱动的数控机床恒温箱(冰箱、空调)人骑自行车1.按反馈情况自动调节系统(恒值系统)：系统的输出保持常量。如：离心调速系统、恒温箱、液面控制等为闭环系统随动系统：系统的输出相应于输入按任意规律变化。如：炮瞄雷达系统、仿形加工、动物捕食等多为闭环系统程序控制系统：系统的输出按预定程序变化。如：数控机床、全自动洗衣机等开环或闭环系统2.按输出量的变化规律分连续控制系统离散控制系统线性控制系统非线性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3.按信号类型分4.按线性性质分5.按时变情况分6.按被控量分……系统的稳定性——系统正常工作的首要条件六、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