机械工程控制基础 第一章 20100425

材料学院机械工程控制基础主讲教师：叶春生[e-mail]:027-87558370华中科技大学材料学院华中科技大学材料学院机械工程控制基础•第一章自动控制的一般概念•第二章控制系统的数学模型•第三章控制系统的时域分析法•第四章频域分析法•第五章控制系统的稳定性•第六章控制系统的校正华中科技大学材料学院第1章绪论1.1控制理论的研究对象与任务1.2系统及其模型1.3反馈1.4系统的几种分类及对控制系统的基本要求1.5机械制造的发展与控制理论的应用1.6控制理论发展的简单回顾1.7本课程的特点与学习方法华中科技大学材料学院•1765年，瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制蒸气机•1948年，维纳《控制论－或关于在动物和机器中控制和通信的科学》产生•40－60年代经典控制理论（频域法为主）•60－70年代现代控制理论（时域法为主)•70年代以后大系统控制理论自动控制在没有人直接参与的情况下，采用控制装置或机械使被控制对象达到预期的目标。自动控制理论发展简史发展简史华中科技大学材料学院自动控制研究的内容经典控制理论现代控制理论经典控制理论主要研究对象:对单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题。现代控制理论主要研究对象:多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的分析和设计问题。华中科技大学材料学院研究对象数学工具分析方法局限性经典控制理论单I/O线性定常系统微分方程，传递函数时域法频域法根轨迹法对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力现代控制理论多输入-多输出变系数，非线性等系统线性代数、矩阵理论状态空间法比较繁琐（但由于计算机技术的迅速发展，已克服)华中科技大学材料学院引言在工程和科学的发展过程中，自动控制起着重要的作用．除了在宇宙飞船、导弹制导和飞机驾驶系统等领域中，自动控制系统具有特别重要的作用之外，它巳变成现代机器制造业和工业生产过程中的重要而不可缺少的组成部分．例如，在生产过程中对压力、温度、湿度、粘性和流量的控制，自动控制都是其重要的组成部分；在机器制造业和其它许多部门中，象机器零件的加工、处理和装配，都广泛地采用着自动控制．华中科技大学材料学院热力系统的例子蒸汽冷水热水温度计图1-1热力系统的人工反馈控制排水华中科技大学材料学院热力系统的自动反馈控制自动控制器热水冷水蒸汽温度测量装置排水图1-2热力系统的自动反馈控制控制阀华中科技大学材料学院控制系统示例放大运算环节执行环节被控对象测量环节-X0反馈控制控制系统的组成给定环节控制部分特点：利用偏差控制系统的输出华中科技大学材料学院几个定义对象是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作．我们称任何被控物体(如加热炉，化学反应器或宇亩飞船)为对象。华中科技大学材料学院过程定义过程宾里亚-韦伯斯特(Merrriam-Webster)字典对过程的定义是：一种自然的逐渐进行地运转或发展，其特征是，有一系列逐渐的变化以相对固定的方法相继发生在运转或发展状态中，并且最后导致一个特定的结果或状态；或者也可以定义为人为的或随意的连续进行为运行状态，这种运行状态由一系列被控制的动作和一直进行到某一特定结果或状态的有规则的运动构成．我们称任何被控制的运行状态为过程．其具体例子如化学过程，经济学过程和生物学过程．华中科技大学材料学院温度计加热电阻丝u~220Vk炉温开环控制系统开关闭合后，不同的输入电压u对应于不同的温度t。华中科技大学材料学院系统定义系统系统是一些部件的组合，这些部件组合在一起，完成一定的任务．系统不限于物理系统．系统的概念可以应用于抽象的动态现象，如在经济学中遇到的一些现象．因此，“系统”这个词应当理解为包含了物理学，生物学和经济学等现象的系统．华中科技大学材料学院H注入控制器（比较、放大）Q1浮子流出Q2（I）原理图气动阀门物理学系统华中科技大学材料学院食物网：食物链相互交错成网状的形式草上图中总共多少条食物链生物学系统华中科技大学材料学院扰动定义扰动扰动是一种对系统的输出量产生相反作用的信号．如果扰动产生在系统的内部，称为内扰；扰动产生在系统外部．则称为外扰．外扰是系统的输入量．工业干扰通常是由各种电气装置（例如电动机、电焊机、电疗机、电气开关等）中发生的电流（或电压）的急剧变化所形成的电磁波辐射，并作用在接收机天线上所产生的干扰。也有的电气设备正常工作，也产生电磁波辐射，对接收机产生干扰。华中科技大学材料学院1.1控制论的研究对象与任务广义系统动力学问题例1.设有一弹簧质量阻尼动力系统如图所示，当外力F(t)作用于系统时，系统将产生运动，试写出外力F(t)与质量块的位移y(t)之间的动态方程。其中弹簧的弹性系数为k，阻尼器的阻尼系数为f，质量块的质量为m。MF(t)kfy(t)华中科技大学材料学院0iF解：分析质量块m受力，有外力F,弹簧恢复力Ky（t）阻尼力惯性力由于m受力平衡，所以()/fdytdt22/mdydt式中：Fi是作用于质量块上的主动力，约束力以及惯性力。将各力代入上等式，则得MF(t)kfy(t)华中科技大学材料学院22()()()()dytdytmfKytFtdtdt式中：y——m的位移（m）；f——阻尼系数（N·s/m);K——弹簧刚度（N/m)。将上式的微分方程标准化22()()1()()mdytfdytytFtKdtKdtK华中科技大学材料学院输入F(t)外界作用)()()()(tftkytcytym0)0(yy0)0(yy)()()()()(tkxtxctkytcytym0)0(yy0)0(yy系统固有特性初始状态输入x(t)（位移）外界作用系统固有特性初始状态华中科技大学材料学院1.2系统及其模型•若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则叫做开坏控制系统开环控制系统控制器对象或过程输出量输入量系统输出量输入量华中科技大学材料学院基本电学问题RLC网络VtidcRidtdiL101etidcdtdVicdtdiRdtidL1220)0(ii0)0(iiLCRCurui华中科技大学材料学院机电系统微分方程：电枢电压控制直流电动机电枢回路电压平衡方程)()()()(tutEtiRdttdiLaaaaaaSM负载mJaEaRmauaLmfaiCM直流电动机模型华中科技大学材料学院电磁转矩方程)(tiCMamm电动机轴上转矩平衡方程)()()(tMMtfdttdJCmmmmm华中科技大学材料学院基本动力学问题分析华中科技大学材料学院华中科技大学材料学院1.3反馈华中科技大学材料学院反馈控制反馈控制反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量(或者任意变化的希望的状态)之间的偏差，而且其工作也正是基于这一偏差基础之上的．在这里，反馈控制仅仅是对无法预计的扰动(即那些预先无法知道的扰动)而设计的，因为对于可以预计的或者是已知的扰动来说，总是可以在系统中加以校正的，因而对于它们的测量是完全不必要的华中科技大学材料学院锅炉汽包水位控制系统工业过程中的反馈控制系统例子调节器汽包变送器主蒸汽过热器省煤器执行器给水调节阀给水泵给水华中科技大学材料学院反馈控制系统•反馈控制系统反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与参考输入量的偏差来进行控制．因该指出，反馈控制系统应不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学；也存在着反馈控制系统．例如，人的机体在某种意义上说、就类似于一个只有许多控制变的量化工设备．在这种运输和化学反应网络的过程控制中，包含着许多控制回路．事实上、人的机体是一个极其复杂的反馈控制系统．华中科技大学材料学院闭环控制系统凡是系统输出信号对控制作用能有直接影响的系统，都叫做闭环系统闭环控制系统控制器对象或过程测量元件输出量输入量华中科技大学材料学院闭环系统的组成由上述举例表明，尽管控制系统不同，复杂各异，但基本组成是类同的，即闭环系统的基本组成为：(1)比较元件；(2)放大元件；(3)执行元件；(4)校正元件；(5)被控对象；(6)测量元件。放大整形串联校正变换放大执行元件被控对象测量元件并联校正--U(s)Y(s)华中科技大学材料学院自动补水装置华中科技大学材料学院离心调速器华中科技大学材料学院液面控制华中科技大学材料学院压力控制系统华中科技大学材料学院H注入控制器（比较、放大）Q1浮子流出Q2（I）原理图气动阀门华中科技大学材料学院希望液位实际液位放大元件气动阀门水箱浮子控制器注入（II）控制系统方块图39控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件Q2为系统的干扰量气动阀门：执行机构被控对象：水箱华中科技大学材料学院图1-7发电机-电动机调速系统操纵电位计发电机伺服电机减速器负载Θr给定值Ur前置放大器功放执行元件被控量Wm这是一个开环控制的例子+E-EΘrUr操纵电位计R1R2R3R4放大器直流发电机伺服电机WdWm发电机-电动机调速系统减速器负载图1-7发电机-电动机调速系统操纵电位计发电机伺服电机减速器负载Θr给定值Ur前置放大器功放执行元件被控量Wm这是一个开环控制的例子+E-EΘrUr操纵电位计R1R2R3R4放大器直流发电机伺服电机WdWm发电机-电动机调速系统减速器负载华中科技大学材料学院随动系统•随动系统随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度、或者加速度．因此，随动系统这个术语，与位置(或速度，或加速度)控制系统是同义语．在现代工业中，广泛地采用着随动系统．例如，采用程序指令的机床的全自动化操作，就可以应用随动系统来完成．华中科技大学材料学院典型的位置随动系统的组成华中科技大学材料学院自动调整系统•自动调整系统自动调整系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，参考输入或希望的输出量，或者保持常量，或者随时间而缓慢地变化，而这种系统的基本任务，正是要在存在扰动的情况下，将实际的输出量保持在希望的数值上．用恒温器作为控制器的室内加温系统，就是一种自动调整系统．系统中恒温器的温度给定值(即希望温度值)，用来与室内的实际温度进行比较．室外温度变化是该系统的扰动．调整系统的任务，是保证所要求的室内温度不受室外温度变化的影响．自动调整系统的例子很多，例如，压力的自动控制以及电压、电流和频率等电学量的自动控制．华中科技大学材料学院过程控制系统•过程控制系统当自动调整系统的输出量是温度、压力、流量、液面或PH值(氢离子浓度)等这样一些变量时，就叫过程控制系统．过程控制在工业中获得广泛应用．象在加热炉的温度控制中，炉温是根据预先制定的程序进行控制的，叫做程序控制．程序控制是经常采用的一种过程控制系统．例如，预先制定的程序可以是：炉温在一定的时间间隔内，先上升到某一给定温度，然后在另一段时间间隔内再下降到另一给定温度．在这类程序控制中，给定量是按照预先制定的规律变化的．而控制器则保证炉温紧紧地跟随着给定量变化．应当指出，大多数程序控制系统都包含有随动系统，作为系统的积分部件．华中科技大学材料学院精馏塔工艺操作工艺要求1)质量指标塔顶或塔底产品之一应保证合乎规定的纯度,另一产品成分亦应维持在规定范围内。2)物料平衡,能量平衡以保证塔的平稳操作，当然塔压是否恒定，对塔的平稳操作有很大影响。3)约束条件为了使塔正常操作，必须满足一些约束条件。例如：塔内部气相速度限。太低会使气液接触不好,塔板效率降低，太高会产生液泛现象，将完全破坏塔的操作。塔本身还有最高压力限，越过这个压力，容器的安全就没有保障。精馏塔的控制华中科技大学材料学院精馏塔华中科技大学材料学院1)进料量F波动的影响2)进料成分波动的影响3)进料温度波动的影响4)塔的蒸气速度和加热量波动的影响5)回流量及冷剂量波动的影响6)塔顶（或塔底）产品量的影响精馏塔的干扰因素华中科技大学材料学院正反馈和负反馈华中科技大学材料学院负反馈：使系统的输出值与目标值的偏差愈来