机械控制工程论文

1合肥学院机械工程系本科课程论文课程名称：_机械控制工程基础_________专业年级：________09机制（3）班__学号：___________0906013014____学生姓名：______张支亮_________论文题目：______控制工程理论概述成绩：_________________指导教师：__徐启圣______________2011年12月21日2目录摘要………………………………………………………………………………………………3关键词……………………………………………………………………………………………3引言………………………………………………………………………………………………31控制理论的发展历程…………………………………………………………………………31.1经典控制理论阶段……………………………………………………………………31.2现代控制理论阶段……………………………………………………………………41.3大系统理论控制阶段与现代控制理论阶段…………………………………………52自动控制理论研究对象及任务………………………………………………………………53机械控制理论的系统稳定性…………………………………………………………………62.1电力系统稳定性………………………………………………………………………62.2稳定性定义……………………………………………………………………………64控制理论前景…………………………………………………………………………………6结论………………………………………………………………………………………………8参考文献…………………………………………………………………………………………93控制工程理论概述合肥学院机械工程系09级机械设计制造及其自动化专业(3)班张支亮0906013014摘要：自动控制技术在当今社会扮演着越来越重要的角色，几乎在每个领域，如电气、机械、航空、化工、生物医学等，均可见其身影。控制理论是自动化控制的基础，解决控制系统运行中的稳定性、快速性、准确性等问题是控制工程研究的核心问题。系统要稳定必定与反馈有关。内容包括：拉普拉斯变换的数学方法，系统的数学模型，系统的瞬态响应与误差分析，系统的频率特性，系统的稳定性，控制系统的校正与设计，以及离散系统分析基础等。关键词：系统；系统反馈；稳定性；控制理论；引言本文主要从“自动控制理论”的产生与发展过程，研究对象及研究方法，控制系统的稳定性以及控制工程的前景等方面介绍“自动控制理论”，从而掌握经典控制理论、现代控制理论、大系统理论和智能控制系统理论知识理论框架，进而加深对“自动化控制理论”认识。1控制理论的发展历程根据控制理论的理论基础及所能解决的问题的难易程度，我们把控制理论大体的分为了三个不同的阶段。这种阶段性的发展过程是由简单到复杂、由量变到质变的辩证发展过程。1.1、经典控制论阶段（20世纪50年代末期以前）经典控制理论，是以传递函数为基础，在频率域对单输入---单输入控制系统进行分析与设计的理论1.1.1、控制系统的特点单输入---单输出系统的，线性定常或非线性系统中的相平面法也只含两个变量的系统。1.1.2、控制思路基于频率域内传递函数的“反馈”和“前馈”控制思想，运用频率特性分析法、根轨迹分析法、描述函数法、相平面法、波波夫法，解决稳定性问题。1.1.3、发展事件回顾1）我国古人发明的指南车就应用了反馈的原理2）1788年J.Watt在发明蒸汽机的同时应用了反馈思想设计了离心式飞摆控速器，这是第一个反馈系统的方案。3）1868年J.C.Maxwell为解决离心式飞摆控速器控制精度和稳定性之间的矛盾，发表《论调速器》，提出了用基本系统的微分方正模型分析反馈系统的数学方法。4）1868年，韦士乃格瑞斯克阐述了调节器的数学理论。5）1875年E.J.Routh和A.Hurwitz提出了根据代数方程的系数判断线性系统稳定性方法6）1876年俄国学者N.A.维什涅格拉诺基发表著作《论调速器的一般理论》，对调速器系统进行了全面的理论阐述。7）1895年劳斯与古尔维茨分别提出了基于特征特征根和行列式的稳定性代数判别方法。8）1927年H.S.Black发现了采用负反馈线路的放大器，引入负反馈后，放大器系统对扰动和放大器增益变化的敏感性大为降低。9）1932年H.Nyquest采用频率特性表示系统，提出了频域稳定性判据，很好地解决了Black4放大器的稳定性问题，而且可以分析系统的稳定裕度，奠定了频域法分析与综合的基础。10）1934年，H.L.Hazen发表《关于伺服机构理论》11）1938年，A.B．维哈伊洛夫发表《频域法》，这标志着经典控制理论的诞生。12）1945年．H.W.Bode发表了著作《网络分析和反馈放大器设计》，完善了系统分析和设计的频域方法。并进一步研究，开发了伯德图。13）1948年，N.Weiner发表了《控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》一书，标志着控制论的诞生。14）1948年，W.R.Evans提出了系统的根轨迹分析法，是一种易于工程应用的，求解闭环特征方程根的简单图解法。进一步完善了频域分析方法。15）1954年，钱学森出版了《工程控制论》，全面总结了经典控制理论，标志着经典理论的成熟。1.1.4、主要成果PID控制规律的产生，PID控制原理简单易于实现，具有一定的自适应性与鲁棒性，对于无时间延迟的单回路控制系统很有效，在工业过程控制中任然被广泛应用。1.2、现代控制论阶段（50年代末期至70年代初期）现代控制理论，基于时域内的状态空间分析法，着重时间系统最优化控制的研究。1．2.1、控制系统的特点为多输入---多输出系统，系统可以是线性或非线性，定常或时变的，单变量与多变量，连续与离散系统。1.2.2、控制思路基于时域内的状态方程与输出方程对系统内的状态变量进行实施控制，运用极点配置、状态反馈、输出反馈的方法，解决最优化控制、随机控制、自适应控制问题。1.2.3、发展事件回顾1）1959年，苏联学者庞德亚金(L.S.Pontryagin)等学者创立了极大值原理，并找出最优控制问题存在的必要条件，该理论解决控制量有约束情况下的最短时间控制问题，提供方法。2）1953-1957年间，美国学者贝尔曼（R.Bellman）创立了解决最优控制问题的动态规律，并依据最优性原理，发展了变分学中的Hamilton-Jaccobi理论3）1959年，卡尔曼（R.E.Kalman）提出了滤波器理论，1960年卡尔曼对系统采用状态方程得描述方法，提出了系统的能控性、能观测性。证明了二次型性能指标下线性系统最有控制的充分条件，进而提出了对于估计与预测有效地卡尔曼滤波，证明了对偶性。4）罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础5）20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，L.D.Landau）在自适应控制理论和应用反面做出了贡献。1.2.4、主要成果现代控制理论的提出，促进了非线性控制、预测控制、自适应控制、鲁棒性控制、智能控制等分支学科的发展。进而为解决因工业过程的复杂性而带来的困难。1.3、大系统理论阶段与智能控制理论阶段（70年代初期至现在）大系统理论，是指规模庞大、结构复杂、变量众多、关联严重、信息不完备的信息与控制系统5智能控制系统是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的是智能机器人。1.3.1、控制系统的特点是指众多因素复杂的控制系统，如宏观经济系统、资源分配系统、生态和环境系统、能源系统等1.3.2、控制思路基于时域法为主，通过大系统的多级递阶控制、分解—协调原理、分散最优控制和大系统模型降阶理论，解决大系统的最优化。1.3.3、发展事件回顾1）60年代初期，Smith提出采用性能模式识别器来学习最优控制法以解决复杂系统的控制问题。2）1965年Zadeh创立模糊集和论，未解决负载系统的控制问题提供了强有力的数学工具。3）1966年,Mendel提出了“人工智能控制”的概念。4）1967年，Leondes和Mendel正式使用“智能控制”，标志着智能控制思路已经形成。70年代初期，傅京孙、Gloriso和Saridis提出分级递阶智能控制。并成功应用于核反应、城市交通控制领域。5）70年代中期，Mamdani创立基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器，并成功用于工业控制。6）80年代以来专家系统、神经网络理论及应用对智能控制器着促进作用。2自动控制理论的研究对象及任务自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，以形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出，线形定常数系统的分析和设计问题。20世纪60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段——现代控制理论。他主要研究具有高性能，高精度的多变量变参数的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制理论深入。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。3控制理论的系统稳定性3．1电力系统稳定性在机械控制理论中系统稳定性是非常重要的概念。我们都知道无论是什么系统如果不能相对的稳定那么系统最终会出问题，就那电力系统稳定性说。系统稳定性可分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定(1)电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。6(2)电力系统暂态稳定指的是电力系统受到大干扰后，各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢得到原来稳定运行状态的能力，通常指第一或第二摆不失步。(3)电力系统动态稳定是指系统受到干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。远距离输电线路的输电能力受这3种稳定能力的限制，有一个极限。它既不能等于或超过静态稳定极限，也不能超过暂态稳定极限和动态稳定极限。在我国，由于网架结构薄弱，暂态稳定问题较突出，因而线路输送能力相对国外来说要小一些。3.2稳定性定义系统稳定性是指：设一线性定常系统原处于某一平衡状态，若它瞬间受到某一扰动作用而偏离了原来的平衡状态，当此扰动撤消后，系统仍能回到原有的平衡状态，则称该系统是稳定的。反之，若系统对干扰的瞬态响应随着时间的推移而不断扩大或发生持续振荡，则系统为不稳定。由此可知：线形系统的稳定性取决于系统的固有特征（结构、参数），与系统的输入信号无关。4控制理论前景从本质上来讲，我们现在的控制理论主要还是关于数学模型的控制理论，而不是关于实际系统的控制理论，尽管我们也一直研究系统模型中的不确定性，并且在鲁棒控制与自适应控制等领域取得大量深刻的理论结果。为什么这么说呢？因为我们目前所有的理论结果，其严格证明都是在某些条件下针对数学模型的证明，这当然无可厚非。进一步