控制工程

1课程名称：机械工程测试与控制技术（控制工程部分）教材：控制工程基础（“十一五”规划教材），王积伟等编著，高等教育出版社参考教材：1、自动控制系统（第8版，翻译版），汪小帆等译，高等教育出版社参考辅导资料：自动控制原理导教.导学.导考，刘慧英主编，西北工业大学出版社参考学习网：（中国大学精品开放课程）（东南大学：机械工程测试与控制技术；东北大学和浙江工业大学：自动控制原理）任课教师：聂学俊教研室：机械设计制造与自动化办公室：工1-402电话：[phone](即微信号)邮箱：[e-mail]23主要内容•自动控制的一般概念•控制系统的数学模型•线性系统的时域分析法•频域响应法•控制系统的设计与校正4控制系统性能分析稳定性、快速性、准确性控制系统设计与校正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。本课程主要任务5自动控制理论发展简史1769年：JamesWatt发明飞球调节器，用来控制蒸汽机的转速;蒸汽机的速度控制（200多年前）61868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;1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，并应用于反馈控制系统的设计;1954年：钱学森发表《工程控制论》。7美国MIT的N.Wiener于1948发表《控制论》(Cybernetics)，标志着控制论学科的诞生。81956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；1960～1980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（如专家系统、神经网络、模糊控制、最优控制、自适应控制……）等等。经典控制理论现代控制理论9第1章控制系统的基本概念1.1控制系统的工作原理及其组成1.2控制系统的基本类型1.3对控制系统的基本要求1.4控制系统的方框图绘制101.1控制系统的工作原理及其组成1.1.1工作原理检测偏差→纠正偏差。11人工控制恒温箱的温度调节原理：检测偏差→纠正偏差。12恒温箱自动控制系统温度调节原理：检测偏差→纠正偏差。13控制系统的工作原理：检测输出量的实际值；将实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差值；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。基于“反馈”原理的控制系统称为反馈控制系统。141.1.2开环控制和闭环控制1、开环控制系统2、半闭环控制系统3、闭环控制系统15电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大特点：无反馈，输出对系统无影响，工作稳定，精度低。16驱动机构功率放大运动控制器执行机构减速机构机械装置传动机构编码器光栅人机界面现场过程信号17位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈特点：输出量对控制系统间接产生影响，系统精度较高，系统稳定较易保证。18位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈19位置调节器速度调节器功率放大器直流伺服电动机机械传动装置速度检测器位置检测器给定工作台的直线位移-工作台的实际直线位移-特点：有一条主反馈通路，输出量对控制系统直接产生影响，系统精度高，系统稳定难以保证。201.1.3闭环控制系统的组成21主要组成元件有：1、给定元件产生给定信号或输入信号。2、反馈元件测量被控制量或输出量，产生主反馈信号。3、比较元件用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反应两者差值的偏差信号。4、放大元件对偏差信号进行放大。5、执行元件直接对控制对象进行操纵。6、校正元件改善系统控制性能。有串联校正和并联校正两种形式。22A/D-+给定值数字控制器输出执行器D/A数字计算机受控对象传感器离散时间系统1.2控制系统的基本类型1.2.1按输入量的特征分类恒值控制系统、程序控制系统、随动系统。（P5）1.2.2按系统中传递信号的性质分类连续控制系统、离散控制系统。（P6）231.3对控制系统的基本要求1、稳定性稳定性指的是系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。2、精确性即系统的控制精度，一般用稳态误差来表示，指系统稳定时输出量的实际值与期望值之间的误差值。3、快速性是指系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。24Xo(t)tXo(t)tXo(t)t25c(t)t给定值响应缓慢响应快速变化剧烈tc(t)响应平稳t跟踪误差c(t)跟踪值要准确响应动作要快动态过程平稳261.4由控制系统原理图绘制方框图绘制方框图要点：分析控制系统的工作原理，搞清楚系统的被控对象及被控量，明确系统的给定量（输入量）和输出量，按照信号从输入到输出所经过的元件变换过程，画出系统控制的方框图，在每个方框的左边和右边均标上信号符号。控制装置被控对象给定量被控量（输入量）（输出量）干扰测量元件-272829例1：水箱---被控对象；液位---被控量c（输出量）电位器给定电压ur---输入量（给定量，理想水位）3031门---被控对象；门的位置---被控量uc（输出量）；电位器给定电压ur---输入量（给定量，开门或关门的理想位置）例2：32333435作业：P8：1，4。36第1章控制系统的基本概念1、内容提要主要阐述控制系统的工作原理、组成、分类，对控制系统提出的基本要求。2、学习目的熟悉控制系统的工作原理、组成、分类；熟悉对控制系统提出的基本要求；了解控制工程的发展概况；会根据系统原理图绘制系统方框图。3、教学重点控制系统的工作原理。4、教学难点确定系统的输入量和输出量，寻找反馈通道，由系统原理图绘制系统方框图。