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教学讲稿1河北工程大学HebeiUniversityofEngineering机电工程控制基础河北工程大学机电工程学院周雁冰机电工程控制基础2河北工程大学HebeiUniversityofEngineering控制论现代控制理论“机电工程控制基础”是控制论与机电工程技术理论之间的交叉学科，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。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。经典控制理论数控机床、工业机器人、机床动态分析与测试、电气液压伺服系统机电工程控制基础3河北工程大学HebeiUniversityofEngineering大学物理理论力学机电工程控制理论电机与拖动模拟电子技术线性代数高等数学复变函数、拉普拉斯变换电路理论信号与系统机械原理该课程与其它课程的关系，如下图所示：机电工程控制基础4河北工程大学HebeiUniversityofEngineering机电工程控制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机电工程控制基础5河北工程大学HebeiUniversityofEngineering课堂教学内容1绪论2控制系统的数学模型(除2.2、2.5)3系统的时间响应与快速性分析(除3.5)4稳态误差与准确性分析5控制系统的频域分析6控制系统的稳定性7系统的性能分析与校正其它章节内容为课外自学内容基础知识机电工程控制基础6河北工程大学HebeiUniversityofEngineering教学用书《机电工程控制基础》吴炳胜主编冶金工业出版社教辅用书《自动控制原理》胡寿松等编国防工业出版社《机械工程控制基础》杨叔子、杨克冲等编著华中科技大学出版社机电工程控制基础7河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第一章绪论1.1概述1.2自动控制系统的基本概念1.3对控制系统的基本要求1.4自动控制简史1.5控制工程实践1.6本课程的特点与学习方法机电工程控制基础8河北工程大学HebeiUniversityofEngineering自动控制技术及理论已经广泛应用于机械、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应堆等各个领域。自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。在机电工程问题上，机械、电气、液压和计算机被广泛采用，而且常常互相渗透、相互配合，这就需要结合机电液系统阐述工程上共同遵循的基本控制规律，即“机电工程控制基础”。机电工程控制基础9河北工程大学HebeiUniversityofEngineering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”。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。机电工程控制基础10河北工程大学HebeiUniversityofEngineering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。（机电工程控制论）机电工程控制基础11河北工程大学HebeiUniversityofEngineering自动控制技术应用于军事、航天领域火炮、雷达、跟踪系统；人造卫星；宇宙飞船。自动控制技术应用于工业生产过程轧钢；工业窑炉；石油化工；水泥建材；玻璃、造纸等自动控制技术应用于现代农业生产自动灌溉；农产品质量检测等。自动控制技术应用于其他领域生物：人口控制，药物动力学金融：货币控制家庭：电饭煲，洗衣机，空调，冰箱例.[钢铁轧制]:轧出厚度一致的高精度铁板存在温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。机电工程控制基础12河北工程大学HebeiUniversityofEngineering举例：智能楼宇的控制可视对讲、室内报警、远程家电控制…….机电工程控制基础13河北工程大学HebeiUniversityofEngineering在日常生活中机电工程控制基础14河北工程大学HebeiUniversityofEngineering道路交通的应用——车牌自动识别机电工程控制基础15河北工程大学HebeiUniversityofEngineering勇气号火星探测器（美国）机电工程控制基础16河北工程大学HebeiUniversityofEngineering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1、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)机电工程控制基础17河北工程大学HebeiUniversityofEngineering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、全球制造行业等机电工程控制基础18河北工程大学HebeiUniversityofEngineering2、动力学问题:系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即为系统的动力学问题。1.系统的输入与系统的固有特性已知，如何影响输出？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（即输出y(t)）？3.对于确定的输入输出，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)基本的动力学问题机电工程控制基础19河北工程大学HebeiUniversityofEngineering3、（数学）模型定义：研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种工具。种类：实物模型、物理模型和数学模型等。动态模型——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。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。静态模型——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；代数公式描述机电工程控制基础20河北工程大学HebeiUniversityofEngineering控制：对对象施加某种操作，使其产生所预期的行为。自动控制：该操作由控制装置自动完成，无须人直接参与。即，在人不直接参与的情况下，通过控制器使被控对象（如机器设备、生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定的规律变化（或运行）。学习机电工程控制基础要解决两个问题：1、如何分析某个给定控制系统的工作原理、稳定性、过渡品质；2、如何根据实际需要来进行控制系统的设计，并用机电液光等设备来实现这一设计系统。机电工程控制基础21河北工程大学HebeiUniversityofEngineering例手动控制：观测实际水位，将实际水位与要求的水位值相比较，得出两者偏差。根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。被控对象？被控量？机电工程控制基础22河北工程大学HebeiUniversityofEngineering例改进——自动控制：Q2变大H减小，浮子下降杠杆倾斜阀门开大Q1变大Q1=Q2，液面重新稳定。Q2变小H变大，浮子上升杠杆倾斜阀门关小Q1变小Q1=Q2，液面重新稳定。缺点：出水量越多，水位就越低，偏离期望值就越远，误差越大。控制的结果，总存在着一定的误差值。机电工程控制基础23河北工程大学HebeiUniversityofEngineering例再改进——自动控制：当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。当实际水位高于要求水位呢？该系统在运行时，无论何种干扰引起水位的偏差，系统都要进行调节，最终总是使实际水位等于期望值，大大提高了控制精度。机电工程控制基础24河北工程大学HebeiUniversityofEngineering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例：发动机离心调速系统机电工程控制基础25河北工程大学HebeiUniversityofEngineering反馈反馈是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念反馈的定义：系统的输出通过适当的测量装置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。反馈量与输入量的比较结果叫偏差。基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的原理又称为反馈控制原理。利用此原理组成的系统称为反馈控制系统。它具备测量、比较和执行三个基本功能。反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。机电工程控制基础26河北工程大学HebeiUniversityofEngineering例：发动机离心调速系统被控对象：发动机被控量：转速ω控制信息传递与反馈：转速ω离心机构(检测或感知）偏差杠杆液压比例控制器油门机电工程控制基础27河北工程大学HebeiUniversityofEngineering表示系统结构与工作原理的物理框图：离心调速系统控制方框图比较控制器检测被控对象执行运算放大控制部分被控部分机电工程控制基础28河北工程大学HebeiUniversityofEngineering反馈控制方式的优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起的变动。计算比较给定值E执行被控对象干扰被控量测量－反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。机电工程控制基础29河北工程大学HebeiUniversityofEngineering自动控制系统的一般组成形式被控对象r(t)u(t)c(t)反馈环节e(t)给定环节b(t)放大元件执行元件串联校正并联校正比较环节扰动控制器被控对象r(t)u(t)c(t)反馈环节e(t)给定环节b(t)比较环节扰动机电工程控制基础30河北工程大学HebeiUniversityofEngineering自动控制系统被控对象给定环节比较环节反馈环节控制器校正环节执行环节放大环节并联校正串联校正输入信号输出信号反馈信号偏差信号误差信号扰动信号控制器被控对象r(t)u(t)c(t)反馈环节e(t)给定环节b(t)比较环节扰动机电工程控制基础31河北工程大学HebeiUniversityofEngineering输入信号:（输入量、控制量、给定量）是指控制输出量变化规律的信号；输出信号：（输出量、被控制量、被调节量）输出是输入的结果，它的变化规律通过控制应与输入信号之间保持有确定的关系；反馈信号：输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号称反馈信号；偏差信号：输入信号与主反馈信号之差；误差信号：输出量实际值与希望值之差；扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号；机电工程控制基础32河北工程大学HebeiUniversityofEngineering控制系统的几种分类：1.按反馈情况分开环控制系统闭环控