机械控制工程基础

控制工程基础主讲教师：王晓云参考教材[1]杨叔子、杨克冲.《机械工程控制基础》（第五版）.武汉：华中科技大学出版社，2005年7月[2]熊良才、杨克冲.《机械工程控制基础学习辅导与题解》.武汉：华中科技大学出版社，2002年4月[3]朱骥北.《机械控制工程基础》(第15版）.北京：机械工业出版社，2005年[4]董景新、赵长德.《控制工程基础》(第3版）.北京：清华大学出版社，2009年6月[5]刘叔军、樊京.《MATLAB控制系统应用与实例》.北京：清华大学出版社，2008年5月授课方式与考核方式授课方式以电子工业出版社、玄兆燕编写的《机械工程控制基础》为指导，利用多媒体课件为主、板书为辅进行理论教学；利用MATLAB/Simulink软件开展实验教学。考核方式平时作业5次，占总评成绩的20%；实验2次，占总评成绩的10%；期末闭卷考试，占总评成绩的70%。出勤率低于1/3取消期末考试资格。课程性质控制论经典控制理论现代控制理论本课程的主要内容“机械控制工程基础”是控制论(Cybernetics)与机械工程技术理论之间的边缘学科，侧重介绍机械工程的控制原理，同时密切结合工程实际，是一门技术基础课程。机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势——越来越广泛而深入地引入了控制理论。数控机床、工业机器人、机床动态分析与测试、电气液压伺服系统是科学方法论之一，强调用系统的、反馈的、控制的方法来分析研究工程实际问题。课程任务与学习要求课程任务通过课程教学，使学生掌握经典控制理论的基本原理和思想方法，初步培养进行系统分析与校正的能力，结合后续专业课程的学习，为将来在机械电子工程中解决一些实际问题打下一定的基础。学习要求需要大家具备一定的数学、力学、电学方面的基础知识，还要有一定的机械工程方面的专业知识。需要大家认真对待每次的课后练习环节。主要教学内容机械控制工程基础基础知识工程应用分析方法基本概念控制系统结构体系控制系统数学模型时域分析频域分析系统稳定性判据系统性能指标系统校正绪论（2学时）拉普拉斯变换（2学时）系统的数学模型（8+2学时）系统的时间响应分析（8+2学时）系统的频率特性分析（8+2学时）系统的稳定性（4学时）复习（2学时）课程章节第一章绪论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本章教学大纲1.了解机械工程控制论的基本概念、研究对象与任务；2.掌握系统、模型、反馈、偏差等基本概念；3.掌握反馈控制系统工作原理的分析；4.掌握控制系统的组成、分类及基本性能要求。教学重点：反馈的基本概念、控制系统工作原理分析、控制系统的分类第一章绪论本章教学大纲第一章绪论1.1机械工程控制论的研究对象与任务一、控制论概述控制论是关于控制原理与控制方法的学科，它研究事物变化和发展的一般规律。“控制论”的两个核心是信息论和反馈控制。首先创立控制论学科的是美国的数学家、信息理论家(NorbertWiener)诺伯特·维纳，他于1948年发表了“控制论”。1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论控制论经济学社会学生物学工程技术经济控制论社会控制论生物控制论工程控制论机械工程机械工程控制论控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。控制论的中心思想——通过信息的传递、加工处理并利用反馈来进行控制。1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论1954年我国科学家钱学森出版专著《工程控制论》(英文版)，首先把控制论推广到工程技术领域。机械工程控制论研究机械工程技术中广义系统的动力学问题研究的对象：系统（广义系统）研究的任务：动力学问题研究的领域：机械工程领域二、机械工程控制论的研究对象1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论系统——按一定规律联系在一起的元素的集合系统的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系统对外界的作用输入(激励)干扰(扰动)输出(响应)系统的框图1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论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、全球制造行业等如:机器系统生命系统社会经济系统生产系统思维、学习、工作广义系统——具备系统要素的一切事物或对象1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论系统非控制系统控制系统人工控制系统自动控制系统非控制系统——仅具有由人工开、关两种状态的系统如：搅拌机（视频链接）教室里的照明系统控制系统——系统的可变输出，能按照要求由参考输入或控制输入进行调节的系统1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论如:空调加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱温度计自动控制系统教室中的风扇人工控制系统1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1u恒温箱自动控制系统1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论根据自己的生活和学习经验，列举控制系统的例子问题：1）普通全自动洗衣机2）全自动照相机的闪光系统、调焦系统3）饮水机，微波炉4）抽水马桶水箱的液面自动调节器液面控制1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论生物、医学、环境、经济管理等其它机器人、导弹制导、核动力等高新领域宇航：火箭、飞船、卫星道路交通：信号灯控制、车牌自动识别日常：冰箱、洗衣机、空调农业：恒温大棚、农业自动化机械应用范围工业：数控机床、轧钢机、恒温箱等1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论蒸汽机离心调速器工业：1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论数控机床进给系统模拟图1.1机械工程控制论的研究对象与任务在农业机械领域的应用第一章绪论1.1机械工程控制论的研究对象与任务在日常生活中的应用第一章绪论1.1机械工程控制论的研究对象与任务道路交通的应用——车牌自动识别第一章绪论1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论人形机器人1.1机械工程控制论的研究对象与任务勇气号火星探测器（美国，2004）第一章绪论1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论自动火炮、导弹制导等高新领域的应用1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论在雷达领域的应用1.1机械工程控制论的研究对象与任务海洋探测机器人1990年日本海洋科技中心研制的“海沟号”缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）第一章绪论1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论恒温恒湿试验箱又名环境试验箱，实验各种材料的耐热、耐寒、耐干、耐湿性能。适合电子、电器、食品、车辆、金属、化学、建材等实验1.1机械工程控制论的研究对象与任务三、机械工程控制论的研究任务第一章绪论动力学问题——机械工程技术中的广义系统在一定的外界条件作用下，从一定的初始状态出发，经历由其内部的固有特性所决定的整个动态历程；研究这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系。即输入或激励，包括外加控制与外界干扰即由系统的结构与参数所决定的特性下面，我们通过一个简单的例子，让大家更深刻的理解“机械工程控制论的研究任务”这一问题。1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论同一系统，不同的输入例1-1弹簧-质量-阻尼单自由度系统系统（a）系统（b）m-c-k单自由度系统1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论（a）（b）整理得：)()()()(tftkytyctym（a）解：)()()()(tymtyctkytf（b）解：)()()()()(tkxtxctkytyctym动力学方程：y(t)即微分方程的解，它是由系统的初始条件、系统的固有特性、系统的输入及系统与输入之间的关系所决定。系统的固有特性:mp+cp+k2系统与外界之间的关系:1，cp+k系统对输入的响应（系统的输出）：y(t)系统的输入或激励:f(t)，x(t)代表了系统在一定外界条件下的动态历程令p=d/dt（微分算子）系统(a)(mp+cp+k)y(t)=f(t)系统(b)(mp+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t)221.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论问题：1.系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)？三者之间表现为何种关系？2.系统确定并已知时，对系统施加何种输入，能使系统实现预期的响应（即y(t)）？3.对于确定的输入，系统应具有什么特性，才能使系统实现预期的响应？求输出求输入求系统(结构参数)基本的动力学问题1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论研究任务:(1)系统分析问题(2)最优控制问题(3)最优设计问题(4)滤波与预测问题(5)系统辨识问题已知系统和输入，求系统的响应(或输出)，并通过响应来研究系统本身的问题已知系统和系统的理想输出，设计输入已知输入和理想输出时，设计系统输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的的有关信息已知系统的输入与输出，求系统的结构与参数，即建立系统的数学模型1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论1.2系统及其模型一、系统系统具有如下特性：(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的各元素的内容要丰富很多;(3)系统往往具有表现在时间域、频率域或空间域等领域内的动态特性。1.2系统及其模型1.2系统及其模型第一章绪论二、机械系统定义——以实现一定的机械运动，承受一定的机械载荷为目的，由机械元件组成的系统。如：切削加工过程工件操作者•当研究某台机床切削加工过程中的动力学问题时；•当研究此台机床加工的工件的某些质量指标时；•当研究此台机床的操作者在加工过程中的作用时；输入——激励（外界对系统的作用，如载荷等）输出——响应（系统对外界的作用，如变形、位移）1.2系统及其模型第一章绪论激励控制输入——人为地、有意识地加上去；扰动——偶然因素产生而一般无法完全人为控制的（干扰）；三、数学模型模型的定义——研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种工具。模型的种类——实物模型、物理模型和数学模型等。1.2系统及其模型第一章绪论数学模型——定量地描述系统的动态性能，揭示系统的结构、参数与动态性能之间关系的数学表达式。数学模型静态模型动态模型——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；——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；在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。代数公式描述微分方程或差分方程来描述动态模型是描述系统的动态历程的，机械工程控制论研究的是机械工程技术中广义系统的动力学问题，所以往往需要采用动态数学模型，即需要建立微分方程或差分方程来描述系统的动态特性。1.2系统及其模型第一章绪论1.3反馈一、反馈的定义反馈是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念系统的输出不断直接或经过中间变换后全部或部分地返回到输入端，并与输入共同作用于系统的过程。系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间之所以有动态关系，就是由于系统本身存在着信息的反馈。二、反馈的种类1.内反馈与外反馈例1-2发动机离心调速系统例1-3质量-弹簧-阻尼单自由度系统1.3反馈2.正反馈与负反馈第一章绪论例1-2发动机离心调速系统控制原理：如果负载变化使ω增大，离心机构滑套上移液压滑阀上移，动力活塞下移，油门关小，ω减小直到滑阀回复到中位，ω回到设定值通过离心机构检测系统的实际输出值，并与设定值进行比较，反过来作用于系统，形成反馈，进而调节系统的输出。发动机离心调速系统结构原理简图1.3反馈第一章绪论例1-3质量-弹簧-阻尼单自由度系统m-c-k单自由度系统结构原理图动力学方程：)()()()(22tkydttdyctfdttydm)()()()(22tftkydttdycdttydm或dttkydttdyctfmty)]()()([1)(即m-c-k单自由度系统方框图信息交互（反