搜索
专业技术基础课课程性质:服务对象:大机类专业课程特点：内容丰富，技术更新快，紧密联系实际，应用广泛。本课是机械专业的机电技术专业基础课，应用广泛，学时少、内容多，不能轻视。否则，对以后的工作、学习将会造成影响。前导课程：复变函数、电工学、机械设计基础、力学后续课程：电气控制、数控机床、毕业设计等……控制思想、控制方法论《机械控制工程基础》课程说明教学目标：1.对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题本质和有效的解决方法2.如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。以控制论为理论基础，研究机械工程中广义系统的动力学问题；同时，它又是一种方法论。学习本课程的目的在于使学生结合工程实际，应用经典控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中的自动控制问题。教学内容：主要教学内容基础知识分析方法基本概念控制系统结构体系控制系统数学模型控制工程基础时域分析频域分析系统稳定性判据工程应用系统性能指标系统校正第一章绪论1.1控制工程概述1.2控制系统的工作原理及组成1.3控制系统的分类1.4控制系统的基本要求1.5本课程的性质、任务及学习方法1.1控制工程概述以“三论”（系统论、信息论、控制论）为代表的科学方法论，是一门新兴的学科，是二十世纪以来最伟大的成果。它的崛起为人类认识世界和改造世界提供了新的理论武器。什么是控制？“控制”是反映人和工具关系的一个概念。人类很早以前就进行过自动控制的尝试，如：指南针、蒸汽机的离心力调节器……。在人类初期，人的控制活动仅仅表现为人使用工具、利用工具从事一些相对复杂的活动，利用控制节省了力或节省了功。输入（获取）：看、听、闻、尝、感存储：大脑控制：大脑，世间最强大的处理控制器传输：声音、手势输出（表达）：语言、手势、表情自然状态的不足!例导向阀伺服阀内燃机燃料阀门开飞球降速升速压力油回油回油调速弹簧滑块负载燃油控制阀阀门关例题1-3当蒸汽机带动负载转动的同时，通过圆锥齿轮带动一对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链可带动套筒上下滑动，套筒内装有平衡弹簧，套筒上下滑动时可拨动杠杆，杠杆另一端通过连杆调节供汽阀门的开度。在蒸汽机正常运行时，飞锤旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置。如果由于负载增大使蒸汽机转速下降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，并通过杠杆增大供汽阀门的开度，从而使蒸汽机的转速回升。同理，如果由于负载减小使蒸汽机的转速增加，则飞锤因离心力增加而使套筒上滑，并通过杠杆减小供汽阀门的开度，迫使蒸汽机转速回落。这样，离心调速器就能自动地抵制负载变化对转速的影响，使蒸汽机的转速保持在某个期望值附近。随着社会的进步人类的活动获得了第一次解放，称为体力劳动的解放，人们制造了机器，人类的控制活动是人和机器的关系，节省了能量，人们能从事更加复杂的活动；人类活动的第二次解放是脑力劳动的解放，自动化程度提高，许多活动可以在人不参与的情况下进行。和人类发明了机械和交通技术和工具一样（主要是材料和能量技术），人类也发明了非常丰富多彩的控制技术和工具：输入（获取）：望远镜、传感器（发展较晚）传输：烽火台、旗语、鼓语、邮递、书籍、交通、电话、无线电、电视、Internet存储：结绳计数、文字、绘画、纸和印刷（非常伟大的发明，现代技术很多方面都没有超过它）、照相、录音、录像、数字存储输出（表达）：文字、绘画、声音（音响）、图形、图像（★处理控制：算筹、算盘、计算器、微处理器、计算机★控制理论：经典、现代、大系统理论1.1控制工程概述接着在短短的几十年里，在各国科学家和技术人员的努力下，又相继出现了生物控制论、经济控制论和社会控制论等，控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着其他科学技术的发展，极大地改变了整个世界。控制理论自身也在创造人类文明中不断向前发展。（数字化控制技术大潮）控制理论的中心思想是通过信息的传递、加工处理并加以反馈来进行控制，控制理论是信息学科的重要组成方面。在于信息量的输出，不在于能量的获取。现象：数字化控制技术大潮世纪之交的技术大转移：数字化大转移时间：世纪之交前后50年50年前开始，50年后成熟，信息领域数字技术一统天下目前正是转移的高峰期：Internet、计算机、数字录音、数据通讯（目前主干，即将用户）、数字电视、数字广播、数字相机、数字摄像、数字城市、数字流域、数字地球……...数字化控制、数字化生存专家预言：50年后，不是数字的信息产品很难见到（成熟）数字化控制技术大有用武之地！1.1控制工程概述根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。“经典控制理论”的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统基本方法，主要研究单输入，单输出这类控制系统的分析和设计问题。经典控制理论的基本特征（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；（2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。1.1控制工程概述50年代末60年代初，现代控制理论形成。现代控制理论是以状态空间法为基础，主要分析和研究多输入－多输出（MIMO）、时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空间法。1.1控制工程概述20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。大系统理论1.1控制工程概述是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。智能控制1.1.1自动控制系统的基本概念自动控制对象过程系统控制量被控制量扰动反馈控制反馈控制系统方块图控制系统一般由多个元件或环节构成，在控制工程中，常用方块图表示元件或环节在系统中的功能。方块图是元件或环节的功能的信号(能量)流向的表示，以指向它的箭头表示输入信号，以离开它的箭头表示输出信号，将表示元件或环节功能的传递函数或文字写到方块内，构成方块图单元。•1自动控制在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。•2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。在下面的讨论中，称任何被控物体（如起重机、机床或宇宙飞船）为对象。•3过程称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如切削过程、搬运过程、生物学过程。•4系统完成一定任务的一些元、部件的组合。1.1.1自动控制系统的基本概念数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道并回收等。1.1.1自动控制系统的基本概念•5控制量与被控制量控制量又叫输入量或操作变量。广义上讲，输入信号是指输入到系统中的各种信号，包括对系统输出不利的扰动信号在内。一般来说，输入信号是指控制输出量变化规律的信号。被控制量指系统的输出，即运动规律或状态需要控制的装置。控制意味着对系统的被控变量值进行测量，并且使操作变量作用于系统，以修正或限制测量值(实际输出值)对期望的偏离。•6扰动扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是干扰或破坏系统预定性能的的输入信号。•8反馈控制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（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。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，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。•9反馈控制系统应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。1.1.1自动控制系统的基本概念方块图加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱温度计•1.2控制系统工作原理例1恒温箱控制系统1人工控制的恒温箱人工调节过程(1)观测(2)比较(3)控制人工控制的过程就是测量、求偏差，再控制以纠正偏差，即“检测偏差，并用以纠正偏差”。大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度期望温度人工控制恒温箱系统功能框图温度计•1.2控制系统工作原理2自动控制的恒温箱——恒温箱的温度给定信号2u——热电偶的温度测量信号（反馈信号）1u21uuu偏差：BANNTTekEln)(0：波尔兹曼常量k：电子电荷e：材料A和B的自由电子浓度ANBN和加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1++u恒温箱自动控制系统•1.2控制系统工作原理uuT2电压功率放大执行电机减速器调压器触点向右移动电流T自动控制系统和人工控制系统相类似：执行机构——人手测量装置——眼睛控制器——人脑uuT2电压功率放大执行电机减速器调压器触点向左移动电流T•1.2控制系统工作原理3职能方块图职能方块图的基本单元：•比较单元•作用方向•职能环节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u1u2uuanvu温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统功能框图•1.2控制系统工作原理从恒温箱控制系统功能框图可见：给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。•1.2控制系统工作原理反馈信号：是输出信号经过反馈元件变换后加到输入端的信号。偏差：系统的输入量与反馈量之差，即比较环节的输出。误差信号：指输出量的实际值与希望值之差，通常希望值是系统的输入量。注意：•1.2控制系统工作原理综上所述，控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。•1.2控制系统工作原理由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少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，故称之为反馈控制。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。•1.2控制系统工作原理这种基于反馈原理，能对输出