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控制工程基础机电学院控制工程教研组北京工业大学机电学院第一章绪论控制理论控制理论在机械制造中的作用自动控制系统的工作原理反馈控制系统的基本组成自动控制系统的基本类型北京工业大学机电学院§1-1概述控制工程基础课程：阐述有关自动控制技术的基础理论北京工业大学机电学院自动控制：没有人直接参与的情况下，使生产过程或被控制对象的某些物理量准确地按照预期规律变化。例如：数控机床、焊接机器人、温度控制系统给定量：系统的输入量，可以是物理量、也可以是数字量；被控量：系统的输出量。若被控量是恒定的，为恒值调节系统，如稳压电源，恒温控制系统；若被控量随给定量的变化而变化，则为调节系统或随动系统，如转速调节系统，位置随动系统等。§1-1概述北京工业大学机电学院特点：一个或多个被控制的物理量按照给定量的变化而变化。控制系统的任务：使被控制量按照给定量的变化规律而变化。学习自动控制，解决两个问题：§1-1概述北京工业大学机电学院1）系统分析——对给定的控制系统，分析其工作原理，元部件组成，分析系统的稳定性、对输入的快速响应能力、误差、品质等；2）系统设计——根据实际需要进行控制系统的设计，并研究如何用机、电、光、液压部件或设备来实现该控制系统。控制论是自动控制、电子技术、计算机科学等多学科相互渗透的产物：20世纪40年代酝酿形成，1948年，维纳（Wiener）《控制论》出版，标志着该学科的诞生；50年代蓬勃发展，一方面，火药、导弹的控制技术，以及数控、电力、冶金自动化技术得到极大发展，另一方面，控制理论也逐渐成熟；54年，钱学森出版《工程控制论》，把控制论推广应用到工程技术领域；接着又出现了生物控制论、经济控制论和社会控制论等。§1-1概述北京工业大学机电学院根据自动控制技术发展的不同阶段，控制理论可分为“古典控制理论”和“现代控制理论”。§1-1概述北京工业大学机电学院现代控制理论——以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、变参数、非线性、高精度、高性能的控制系统。最优控制、最佳滤波、系统辨识、自适应控制、人工智能控制等。古典控制理论——以传递函数为基础，研究单输入、单输出的控制系统；§1-2控制理论在机械制造中的应用一.研究机械工程技术中广义系统的动力学问题例：质量—弹簧—阻尼系统北京工业大学机电学院广义地说，机械设备、加工过程都可看成是如图1所示的动力系统输出系统输入图1系统模型§1-2控制理论在机械制造中的应用北京工业大学机电学院从系统、输入、输出三者之间的动态关系而言，机械控制工程的内容可归纳为5类：1.系统分析——系统已确定，已知输入，求系统的输出，并通过输出研究系统本身的有关问题；2.最优控制——系统已确定，确定系统的输入，已使输出尽可能符合给定的最佳要求；3.最优设计——输入已知，确定系统，以使输出尽可能符合给定的最佳要求；4.滤波与预测——输出已知，确定系统，以识别输入或输出中的有关信息；5.系统辨识——输入、输出均已知，求系统的结构和参数，也即建立系统的数学模型§1-2控制理论在机械制造中的应用北京工业大学机电学院二.研究反馈控制系统的性能和设计§1-2控制理论在机械制造中的应用北京工业大学机电学院反馈控制系统——系统的输出通过适当的测量装置将输出信号全部或部分返回到输入端，并与系统的输入进行比较。如数控机床，自动生产线，精密工作台等。三.研究生产过程的组织和管理生产过程的组织＋管理＋生产过程＝制造系统生产过程的组织、管理以及生产过程中的每一个环节都是整个制造系统的一个环节，任何一个环节都会对其后面的环节产生影响，而后面的环节可能又反过来影响前面的环节。这是一个闭环系统。§1-2控制理论在机械制造中的应用北京工业大学机电学院控制理论在机械制造领域应用最为活跃的几个方面：1．机械制造过程正在向“自动化”与“最优化”结合的方向，以及机电一体化的方向发展。2．制造和加工过程的动态研究。由于制造和加工过程的高速、高精度要求，需要把整个过程作为动态系统来研究。3．产品的优化设计进行产品设计时，充分考虑产品与设备的动态特性，建立数学模型，进行优化设计4．动态过程或参数测试，向着动态测试方向发展。比如动态精度，动态位移，振动，噪声，动态力与动态温度等的测量，从基本概念，测试手段到测试数据的处理方法都与控制理论相关。§1-2控制理论在机械制造中的应用北京工业大学机电学院§1-3自动控制系统的基本概念一.自动控制系统工作原理（1）人工控制系统：如图，人工控制恒温箱。图2人工控制恒温箱北京工业大学机电学院人工观察温度计测得的恒温箱温度，与要求的温度进行比较，若恒温箱温度高于要求的温度，移动调压器使电阻丝电流减小以降低恒温箱温度；若恒温箱温度低于要求的温度，移动调压器使电阻丝电流增加以升高恒温箱温度。§1-3自动控制系统的基本概念北京工业大学机电学院“检测偏差并用以纠正偏差”。（2）自动控制系统：如图，自动控制恒温箱。图3自动控制恒温箱§1-3自动控制系统的基本概念北京工业大学机电学院由热电偶将测量到的恒温箱的温度转换成电压信号u2，并与给定信号u1进行比较得到温度偏差Δu，Δu经电压放大器和功率放大器放大后，改变执行电机的转速和方向，并通过传动装置移动调压器的触头，使电阻丝的电流改变，进而改变恒温箱的温度，直到温度偏差Δu=0，电机停止。§1-3自动控制系统的基本概念北京工业大学机电学院“检测偏差并用以纠正偏差”，通过反馈实现。图4自动控制恒温箱方块图u1——系统输入恒温箱温度——系统输出热电偶——反馈元件§1-3自动控制系统的基本概念给定信号电压功率放大器控制电机减速器调压器恒温箱（控制对象）热电偶温度（被调量）2u1u+-u北京工业大学机电学院反馈——输出量经过适当的测量装置将信号全部或部分返回到输入端，使其与输入量进行比较。比较的结果叫偏差。§1-3自动控制系统的基本概念北京工业大学机电学院反馈控制原理——基于反馈基础上的“检测偏差并用以纠正偏差”的原理。反馈控制系统——利用反馈控制原理组成的系统。反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。实现自动控制的装置可能不同，但反馈控制的原理是相同的。二.开环控制与闭环控制图5电机转速控制系统§1-3自动控制系统的基本概念北京工业大学机电学院1.开环控制系统：系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。2.闭环控制系统：系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对系统的控制作用有直接影响.图6闭环调速系统§1-3自动控制系统的基本概念北京工业大学机电学院闭环的作用是应用反馈来减少偏差。闭环系统的优点：精度高缺点：稳定性差开环系统的优点：稳定性好，结构简单，容易构建缺点：精度低闭环系统的精度高、稳定性差是其主要矛盾，当控制系统的性能要求较高时，可采用闭环与开环相结合的复合控制。§1-3自动控制系统的基本概念北京工业大学机电学院三.反馈控制系统的基本组成比较元件给定元件串联校正元件放大变换元件执行元件控制对象输出xo反馈元件并联校正元件局部反馈主反馈扰动＋－主反馈信号xb输入信号xi偏差信号e＋－图7典型的反馈控制系统方块图§1-3自动控制系统的基本概念北京工业大学机电学院§1-3自动控制系统的基本概念1.给定元件：用于产生给定信号或输入信号，也就是产生系统的输入。2.反馈元件：测量系统的输出，产生主反馈信号，该信号与系统的输出之间存在确定的函数关系（通常为比例关系）。北京工业大学机电学院§1-3自动控制系统的基本概念3.比较元件：比较输入信号与主反馈信号之间的偏差。可以是物理的比较元件，也可以是一个差接电路，此时可称做比较环节。4.放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件5.执行元件：直接对控制对象进行操作。6.控制对象：控制系统所操纵的对象，其输出就是系统的输出，或称为被调量，被控量。7.校正元件：也称校正装置，用以稳定控制系统，提高性能。北京工业大学机电学院四．自动控制系统的基本类型1．按给定量的运动规律来分：（1）恒值调节系统，如稳压电源，恒温箱。（2）程序控制系统，输入量为已知给定的时间函数，如数控机床。（3）随动系统，系统的给定量（或输入量）是时间的未知函数，即给定量的变化规律事先无法确定，要求输出量能够准确、快速地复现给定量。如火炮自动瞄准敌机的控制系统，仿形加工中的液压仿形刀架随动系统。§1-3自动控制系统的基本概念北京工业大学机电学院仿形机床：按照样板或靠模控制刀具或工件的运动轨迹进行切削加工的半自动机床北京工业大学机电学院2．按系统反应特性来分：（1）连续控制系统，系统中各个参量的变化都是连续的。线性系统：可以用线性微分方程描述非线性系统：不能用线性微分方程描述，存在非线性部件（2）数字控制系统，控制系统的给定量、反馈量、偏差量都是数字量，数值上不连续，时间上也是离散的。§1-3自动控制系统的基本概念北京工业大学机电学院五．对控制系统的基本要求§1-3自动控制系统的基本概念北京工业大学机电学院3．准确性：消除偏差过程结束后，系统输出量与给定的输入量之间残存的偏差，或称为静态精度。1．稳定性：指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。输出量偏离平衡状态后应该随着时间收敛并且最终回到初始的平衡状态。2．快速性：指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。例如，数控机床，其精度越高，加工精度也越高。而恒值系统，如恒温系统、恒速系统，其精度都在给定值的1%以内。不同的系统，其性能要求不一样，如随动系统对快速性要求高，而调速系统则对稳定性要求高。系统的稳定性、快速性和准确性是相互制约的。如要求其快速性好，则系统可能会产生强烈的振荡；如要求其稳定性好，则控制过程可能过于迟缓，快速性变差，精度也可能变坏。§1-3自动控制系统的基本概念北京工业大学机电学院因此，对于一个控制系统，应综合考虑各方面，解决稳定性、快速性和准确性之间的矛盾，获得最佳的、满足需要的综合性能。作业习题1－1习题1－2习题1－4习题1－5北京工业大学机电学院