机械控制

第一章绪论一、引言1、控制系统简介自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。•开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制•后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制•目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等2、控制的定义:控制:对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。例.[钢铁轧制]:轧出厚度一致的高精度铁板自动控制:在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。存在温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。例.典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等。例.控制实例-液面控制人工控制自动控制3、控制论:定义：关于控制原理和控制方法的学科，研究事物变化和发展的一般规律。控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置控制论强调：1)所研究的对象是一个系统；2)系统在不断地运动（经历动态历程、包括内部状态和外部行为）；3)产生运动的条件是外因（外界的作用：输入、干扰）4)产生运动的根据是内因（系统的固有特性）控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。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共同的本质特点：通过信息的传递、处理与反馈进行控制。二、机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论研究机械工程中广义系统的动力学问题。1、系统(广义系统):按一定的规律联系在一起的元素的集合。。元素之间的联系）有关而且与系统的结构（即系统的元素有关，系统的特性不仅与构成　　元素之间的联系元素要素：出（响应）系统对外界的作用：输入、干扰外界对系统的作用：输：系统与外界的交互作用系统框图如下:广义系统：具备系统要素的一切事物或对象，如机器系统、生命系统、社会系统、生产系统、思维、学习等。系统的层次性和相对性：系统的组成元素也可以是一个系统（子系统），整个系统又可以是更上一层系统的组成元素。机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加工过程、测量、车间、部门、工厂、企业、企业集团等。2、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。例.弹簧－质量－阻尼单自由度系统。分析：这是同一个系统，不同的外界作用是输出。是输入，解：对于系统)()(,tytfa可得：根据牛顿第二定律，，受三个力的作用对于物体,m)(),()()(2微分算子dtdptftykcpmp可得：定律，是输出，根据牛顿第二是输入，对于系统)()(,tytxb)(),()()()(2微分算子dtdptxkcptykcpmp00)0(,)0()1yyyy初始状态：)()22与外界无关系统的固有特性：kcpmp))((),()3系统的输入或激励外界的作用：tftxkcp,1)4的关系）：外界作用方式（与外界)()5ty统的输出）：系统对输入的响应（系对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：1)系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)，三者之间表现为何种关系。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。3)对于确定的输入，系统应具有什么特性，才能使系统实现预期的响应。上式中y(t)为微分方程的解，显然它是由系统的初始条件，系统的固有特性，系统的输入及系统与输入之间的关系决定。基本的动力学问题。注意：系统的初始状态也可视为一种特殊的输入，即初始输入或初始激励。当初态不为0时，即使无输入，系统的状态也不断改变，这就是自由运动。工程控制论的内容可归纳为如下5个方面：（1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；（2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；（3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题；（4）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题；（5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。三、系统及其模型1、系统的特性:（1）系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的结构有关；（2）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；（3）系统往往具有表现出在时域、频域或复域等域内的动态特性。2、机械系统:以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。3、系统模型:模型是研究系统、认识系统与描述系统、分析系统的一种工具。在我们这里模型是指一种用数学方法所描述的抽象的理论模型，用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与其外部环境之间的关系，故又称为数学模型。系统的模型包括实物模型、物理模型、和数学模型等等。而数学模型又包括静态模型和动态模型。动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或控制工程中，一般关心的是系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。静态模型反映系统在恒定载荷或缓变作用下或在系统平衡状态下的特性，现时输出仅由其现时输入所决定，一般以代数公式描述。动态模型反映系统在迅变载荷或在系统不平衡状态下的特性，现时输出还由受其以前输入的历史的影响，一般以微分方程或差分方程描述。例可见书P6图1.2.2。四、反馈1、定义:系统的输出不断地，直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统，其实质就是信息的传递与交互。)()()()(tFtkxtxctxm系统动态模型：。，这是系统的静态模型化为，上式可简当系统运动很慢时，其KtFtxxx/)()(0,0例5：解：如果负载变化，使w增加-离心机构滑套上移-液压滑阀上移，动力活塞下移，油门关小，w减小-直到滑阀回复中位，w回复到设定值。通过检测系统的实际输出值，并与设定值进行比较，反过来又作用于系统，形成反馈，进而调节系统的输出，本例中的反馈表现为w变化所引起的信息传递与交互。2、内反馈与外反馈外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈，称为外反馈。内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。它是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变得异常复杂。例：m-c-k系统)()()()()()()()(2222tkydttdyctfdttydmtftkydttdycdttydm或解：由题可得：3、系统方框图及其组成系统方框图由许多对信号（量）进行单向传递的元件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。它包括三个基本的单元，即：1)引出点（分支点）：表示信号的引出或信号的分支，箭头表示信号的传递方向，线上标记信号的名称。显然这是一个内反馈，因为没有附加反馈控制装置。内反馈是系统内部的信息交互，反映了系统的动态特性。比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号进行相加或相减运算。“+”表示信号相加；“-”表示信号相减。元件方框：方框中写入元、部件的名称，进入箭头表示其输入信号；引出箭头表示其输出信号。例：见书P23页1.4题解：当刀具以进给量s进行切削时，在切削过程中产生切削力Py，而使机床-工件系统发生变形退让，减少了刀具的实际进给a，此时a=s-y,进行影响到切削刀的变化，如此循环，使得切削过程为一个动态过程，其过程如下图所示的方框图表示：切削过程机床-工件系统sayyP例：见书P24页1.7-1题解：人骑自行车时，总是希望自行车具有一定的理想状态（如速度，方向等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，使得自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉车子的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈的过程如下图所示：运动系统感觉器官理想状态大脑自行车实际状态干扰加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱温度计例7：人工控制恒温箱调节过程：观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向1、控制系统工作原理五、控制系统的工作原理及其组成根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。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例8：恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u＝u1u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差u＝0，电机停止转动。系统功能框图如下所示：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u1u2uuanvu温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统功能框图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。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。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。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”。这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。六、系统的分类及对控制系统的基本要求1、开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：开环控制系统闭环控制系统半闭环控制系统开环控制系统特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。输入装置指令系统输入控制装置伺服驱动装置工作台工作台位置系统输出数控机床的开环控制系统框图优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力控制器对象或过程输入量输出量开环控制系统框图闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。控制器对象或过程输入量输出量测量元件闭环控制系统框图反馈量半闭环控制系统特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。2、闭环控制系统的组成给定元件+串联校正元件放大变换元件执行元件控制对象_+_并联校正元件局部反馈反馈元件主反馈控制部分比较元件比较元件输入信号xi偏差信号e主反馈信号xb扰动信号输出xo闭环控制系统的组成给定元件产生给定信号或