机械工程控制第一章绪论.ppt

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1、控制原理,机械工程控制基础,中南大学机电工程学院,2012年9月,机械工程控制基础,自动控制理论,主讲人 魏文元,2012年9月-12月,本课程在机械设计制造及自动化专业课程体系中的地位,学科基础 力学 热力学 材料学 电工电子学 工程控制论,自然科学 物理学 化学,基础与工具 数学 工程图学 计算机技术 外语,专业方向 机电 制造（模具）车辆 工程机械 智能机械,机械设计学 制造学 强度学 振动学 测试技术 液压传动与控制 摩擦学 机械工程控制技术,!机械工程控制基础是一门技术基础课,专业技术基础,课程安排,总学时：48.其中讲课42学时，实验6学时,教材：杨叔子，杨克冲等编著.机械工程控制

2、基础（第五版）.华中科技大学出版社.2005年.参考书：杨咸启，常宗瑜编著.机电工程控制基础.国防工业出版社.2005年.,考核办法,平时成绩：占30。主要考核出勤率、课堂表现、,期终考试：占70%，闭卷考试,作业和实验。其中：实验课可必须参加,并提交报告，否则平时成绩记零分，,并取消期终考试资格,主要内容与讲课学时分配,第一章 绪论 2学时,第二章 系统的数学模型 10学时,第三章 系统的时间响应分析 8学时,第四章 系统的频率特性分析 6学时,第五章 系统的稳定性 7学时,第六章 系统的性能指标与校正 7学时,机 动 2学时,第一章 绪 论,本章主要教学内容,1.1 自动控制理论的发展脉络

3、,1.2 控制工程的研究对象和任务,1.3 反馈和反馈控制,1.4 控制系统的基本要求,1.5 基本概念和课程主要内容,引 言,1.古典（经典）控制理论,研究对象：单输入单输出（SISO）、线性时不变（LIT）系统研究工具：微分方程时域，t 传递函数 复数域，s,2.现代控制理论,研究对象：多输入多输出（MIMO）、时变、非 线性、随机系统研究工具：状态空间法 时域,1.1 自动控制理论的发展脉络,工程界将工程控制论称为自动控制理论.,1.1.1 自动控制技术和理论的早期发展,中国古代在控制技术上的实践与成就 东汉张衡:候风地动仪 1027年宋代燕肃:指南车 1086-1089年苏颂和韩公廉:

4、水运仪象台,工业革命以后自动控制技术和理论的发展 1784年J.Watt(瓦特):蒸汽机离心调速器,(麦克斯韦尔)总结出一些调速器的理 论 1877英国人劳斯和德国人赫尔维茨的系统稳定性 判据 1892年俄李亚普诺夫的一般稳定性理论 1932年瑞典H.Nyquist研制了电子管振荡器,提出 以传递函数为依据的稳定性判别准则 1930s末米哈依诺夫（苏）应用频率法的稳定性 判据（柯西幅角原理）1940s伊文思（美）根轨迹法 1945年美国人伯德（）的对数频率性 伯德法,第二次世界大战中，对火炮雷达战斗机等设计 和生产需要，研究者在总结以往自动调节器反馈 放大器等控制技术的基础上，逐渐形成了调节原

5、 理伺服系统理论 1947年美国MIT物理学家工程师 和数学家出版了伺服机 构原理一书，系统总结了战时共同研究的成果，从而促进了向民用工业的转移.,3.控制论学科建立以后自动控制理论的发展 1940s：最优滤波，采样数据系统，控制论的建立 1950s：最大原理，动态规划，数值优化，工程控 制论的建立 1960s：现代控制理论的建立，阿波罗数字导航 仪，飞机稳定性增量，LQG设计，惯性导航，微 处理器 1970s：汽车发动机的反馈控制，飞机自动着陆 1980s：计算机辅助控制设计，内模控制 1990s：全球定位系统，无人驾驶飞机，高精度磁 盘控制 2000s：汽车稳定性增量系统，借助GPS的农场

6、 拖拉机自动操纵系统,控制论的建立和发展,控制论的创立 1948年,MIT的数学家维纳(N.Wienner,1894-1864)出版了Cybernetics:or Control and Communication in the Animal and the Machine一书，把“控制论”(Cybernetics)定义为“关于机器和生物的通讯和控制的科学”，宣告控制论的诞生.,控制论,生物控制论,工程控制论,经济控制论,社会控制论,生物控制论 1954年英国生物学家艾比什的大脑设计为代表作。生物控制论用控制论的观点和方法，从信息和反馈的角度去研究生物机体内各种生理调节系统尤其是神经系统的控制

7、机理。延伸发展：仿生学，人工智能，神经网络理论,工程控制论自动控制理论 1954年钱学森的英文著作工程控制论一书是这一学科的奠基性著作.工程控制论是在控制论的基本概念和方法以及伯德的反馈放大理论奈奎斯特的伺服机器的理论基础上产生的.,经典控制理论现代控制理论,经典控制理论 截至1950s的工程控制论，以自动调节为基础，主要处理单输入单输出的线性自动调节系统，采用建立在传递函数或频率特性上的动态系统分析和综合方法。截至今日，经典控制理论在控制工程中应用仍然十分广泛，也是所有控制课程的基础.以LTI（Linear Time Invariant）系统为研究对 象 以输入/输出模型为工具 以Routh

8、判据和根轨迹（时域法）、Nyuist图和 Bode图（频域法）为分析和设计方法,经典控制理论 经典名著Ed.S.Smith:Automatic Congtrol Engineering(1942)H.W.Bode:Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)and R.S.Phillips:Theory of Servo-mechanisms(1947)(钱学森):Engineering Cybernetics(1954),现代控制理论 1960年代以后，由于导弹航天技术和空间技术发展的需要和计算机的出现，以时域法为主的多输入多输出的多变量系统的研

9、究得以迅猛发展。它使用状态空间法和微分方程组，以计算机作为技术手段，并发展了最优控制理论。七十年代的大系统理论是控制论向广度的发展，是综合自动化的理论基础。重要成就 1957年美国数学家R.Bellman提出的动态规划(Dynamic Progranmming),1958年前苏联数学家提出的求解控 制受约束的极大值原理(Maximum Principle)1960年美籍匈牙利科学家引入状态空 间描述模型、能控性、能观性、最佳滤波、Lyapunov稳定性等概念和方法，奠定了现代控制 理论的基础 1967年，瑞典学者提出在线最小二乘辨 识算法，解决了LTI系统参数估计和定阶问题；1973年，他又提

10、出自校正调节器，将现代控制理论 和方法成功地应用于工业生产过程,1979年，加拿大学者G.Zames从早期的频域控制 理论中借鉴了一些关键思想，基于严格的现代数 学理论，提出求解最佳扰动抑制问题的 优化 控制理论 鲁棒控制，解决模型不确定性问题。,1976年，美国学者R.Brockett提出用微分几何研 究非线性控制系统的方法，经过意大利学者 A.Isidori等人的完善和发展，至1980年代中期，建立了较为完整的非线性控制理论体系。至此，以多变量、非线性、时变和随机系统为研究对 象，以状态空间法为主要分析和设计工具的现代 控制理论体系基本构建完毕。,1970年代中期以来，基于模糊逻辑（源于

11、L.Zadah在1965年提出的模糊数学理论）、神经 元网络模型和遗传算法等智能控制方法得到充分 研究并取得成效。1983年，哈佛大学的华裔学者 等还提出了离散事件系统控制理论.,经济控制论社会控制论,1.1.3 控制论与信息论系统论1 信息论 1948年，美国应用数学家申农（C.E.Shannon,1916-）发表了通信的数学理 论,宣告了信息论的诞生。信息论主要研究信 息的传输和变换问题。,2 系统论1940s年代以来，系统论与信息论和控 制论一起蓬勃发展，它按两条线发展：1）系统工程 泰勒的科学管理方法 贝尔电话公司的系统工程方法 运筹学的产生与发展,1956年,杜邦与兰德公司研究出“关

12、键路线法”,一年后美国海军将其发展为“计划评价技术”(PERT)1960年代后期开始，系统工程的应用从工程系统 推广发展到经济系统和社会系统2)一般系统论 出生于奥地利的美国生物学家贝塔朗菲创立的一 门逻辑和数学领域的科学。1948年出版了生命 问题一书，概括论述了一般系统论,描述了系 统思想在哲学史上的发展，标志一般系统论的问 世：不论系统种类组成部分的性质及关系有何,不同，存在着适用于一般化系统或子系统的模式；提出了系统论和机体论极类似的基本原则，即整体性原则相互联系的原则有序性原则和动态原则，强调系统的开放性。,1972年发表一般系统论的历史和现状，对一般系统论重新加以定义，认为它是一种

13、新的科学规范，应该包括：a.关于“系统”的科学和数学系统；b.系统技术，包括系统工程及其应用；c.系统哲学。,3 控制论信息论和系统论的关系 从不同的侧面处理同一个问题系统中的信息问 题：历史背景相似，产生年份相同，而且有类似 的发展过程，有共同的术语和对象 结合更加紧密，一般认为控制论和系统论正在成 为同一门科学,1965年美国数学家查德（,1921-)提出 了模糊集（fuzzy sets）概念，奠定了模糊理论的 基础，为研究一般系统论的原理和方法提供了新的 有力工具。,4 控制论信息论和系统论的重大意义“三论”不仅是重要的具有现实意义的学科，而且 是卓越的方法论，是对牛顿机械唯物论的超越

14、用统计的观点来说明通信和控制问题，可以处理 现实世界随机性更复杂性的问题，因而更具有 一般性,1.2 控制系统的研究对象和任务,1.2.1 系统与控制,1 系统：由相互联系和制约的环节组成的具有特定 功能的整体。,系统,工程系统：机械、电气、机电、热力、化工等,非工程系统：经济、社会、管理、交通、生态等,2 控制与自动控制,在许多过程或设备（系统）运行中，为了保证正常的工作条件，往往需要对某些物理量（如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等）进行调节，使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律变化。要满足这种需要，就应该对设备进行及时的操作，这种操作称为控制。用人工操作称为人工控制，用自

15、动装置来完成称为自动控制。,汽车定速巡航控制系统(Cruse Control System).,ECU：ElectronicControl Unit,a）人工控制,b）自动控制,控制系统的基本术语,被控量（Controlled Variable，输出量）：-车速控制量（Controlling Variable）：-节气门开度对象（Plant）：被控物体（设备）-汽车发动机过程（Process）：被控物体的运行状态控制（Control）：为了改善系统的性能或达到特定 的目的，通过信息的采集和加工而施加到系统 的作用参考值（Reference）：指令值或设定值扰动（Disturbance）：内扰（

16、参数变化）和外扰信息（Information）：信号中所包含的内容,反馈/反馈控制（Feedback/feedback control）反馈控制系统（Feedback Control System）调节（Regulation）：通过反馈信号自动调节改变偏 差进而使输出保持在给定的范围内开环控制（Open-Loop Control）前馈控制（Feedfoward）,1.2.2 自动控制理论的研究对象和任务,主要研究工程系统中广义的系统动力学问题。即在外界输入作用下，系统从一定的初始条件（状态）出发，所经历的整个动态过程，亦即系统与输入、输出之间的关系。,例1 质量-阻尼-弹簧系统.以位移y(t)

17、为输出，以外力 f(t)为输入.列出系统的动力学方程.,阻尼力,弹性力,小车的运动方程：,，,(1),系统的输出响应y(t)取决于:,1)输入信号；2)系统结构参数；3)初始条件；4)输入与系统的关系.,例2 质量-阻尼-弹簧系统.以位移 为输入,求小 车的位移.,【解】,(2),小车运动方程：,系统、输入、输出三者之间的关系,1.已知系统、输入、求输出（响应）系统分析2.已知系统，根据尽可能优化的输出，求输入-最优控制 已知输入，根据最优输出来设计系统最优设计4.已知输出，确定系统，识别输入中的信息滤波与（预）测量5.已知输入、输出，求系统的数学模型，并估计参数-系统辨识和参数估计,机械工程

18、控制的任务：运用古典控制理论进行控制系统建模、分析和综合（设计），重点是系统分析。,1.2.3 控制系统的分类,1 按反馈分,1)开环控制系统：输出和输入之间无反馈，输出对 系统的控制作用无影响。特点：结构简单，不产生振荡，但控制 精度不高，抗干扰能力差。2)闭环控制系统：输入、输出之间有反馈，输出对 控制作用有影响，反馈的作用就 是减小偏差。特点：精度高，抗干扰能力强，易产生 振荡。,2 按输出变化规律来分,1)自动调节系统：在外界干扰存在情况下，输出基本 恒定（给定输入信号为恒值）。如恒温、恒压、恒速控制系统等。,2)随动系统：输出在宽范围内跟随输入任意变化（给定输入信号是预先未知的时间函

19、数）。如自动火炮跟踪目标的控制系统等。,3)程序控制系统：输出量按预先程序变化（给定输 入信号是已知的时间函数）。,3 按控制方式来分,1).连续控制系统：各环节输入和输出信号均为连续 信号.,2).离散控制系统：系统中有一处或数处的信号是离 散的（脉冲序列或数字信号）.,自动控制系统的构成,1 测量单元（Sensing Unit）用于检测被控量大小的各种传感器（如速度、位置、流量、压力、电流、温度等，给出系统 反馈信号。,1.3 反馈和反馈控制,3 执行器（Actuator）,对控制命令进行功率放大，推动被控对象，如电磁阀、节气门、控制电动机、液压缸、气压缸。,提供参考指令，接受传感器的反馈

20、信号，计算给定值与反馈信号之间的偏差，通过进行存储、计算和分析处理后向执行器发出指令，完成系统的控制功能。,2 控制单元（control Unit）,1.3.2 反馈与反馈控制,1.反馈 反馈是自动控制系统的要素。扰动引起的不确定性是采用反馈控制系统的主要原因之一。即使不知道系统准确的工作状态，通过测量系统的输出量和参考量相比较，调整可用的控制变量，就能够使系统恢复到正常的工作状态。反馈分为正反馈和负反馈。,2.反馈控制,测量、计算和执行环节构成的反馈回路是自动控制的基本结构。控制器通过参考输入值和和系统输出值计算出校正值，并作用于被控系统使其产生期望的变化。控制的关键是采用反馈方法消除或减少

21、系统的不确定性。不确定性包括：传感器的测量噪声、系统负载扰动、系统本身的不确定性（参数变化、模型简化引起的误差）。,反馈控制可以使互联系统的整体性高于子系统。当系统存在不确定性时，反馈控制将提供高性能、高可靠性及可重复的工作状态。例如电子系统利用反馈机制补偿元件或参数的变化。,比较得温度偏差 的大小。,2）与给定温度（期望的）,3 反馈控制实例,a.人工恒温调节系统,1）目测温度计温度（实际的）,（1）自动恒温调节系统,3）根据T的大小和方向，调节调压器，控制供电 电压，最终实现温度控制。,T0 TITO 减小电压 T0,T0 TITO 增大电压 T0,因此，人工程制的过程就是测量求偏差再控制

22、以纠正偏差的过程（使T=0），简言之，即为“检测偏差并用以纠正偏差”的过程。,b.自动恒温调节系统,恒温箱的温度由给定电压信号u1控制,自动调节过程：,1）温度信号u1 电压信号u2,2）比较：=u1-u2，为偏差信号,3）控制：经放大后，驱动执行电机，调节调节器，,控制供电电压，最终控制温度。,因此，人工控制与自动控制恒温控制系统均为,反馈控制，都要检测偏差并用以纠正偏差，在自动,控制系统中，这一偏差是通过反馈来建立的。,职能方框图,:表示比较元件,：表示作用方向,负反馈,正反馈,典型的闭环反馈控制系统由以下环节组成：,给定环节执行环节,测量环节被控对象,比较环节放大运算环节,（2）速度控制

23、系统,发动机的瓦特式速度调节器：允许进入到发动机的燃料的数量，根据希望的发动机速度与实际的发动机数量之差进行调整。,被控对象发动机,被控量发动机的,速度,图1-7 发动机速度控制系统,（3）汽车客舱温度控制系统反馈与前馈控制,工作原理：要求的温度被转变为电信号，作为输入量；客舱的实际温度作为被控量，并且被反馈到控制器与输入量进行比较 反馈控制。当汽车行使时，周围环境的温度和太阳辐射的热量都不时恒定的，因此可被看成扰动量。它们都被引入控制器 前馈控制。,图1-8 汽车客舱的温度控制系统,（4）业务运作系统的反馈控制,1.4 控制系统的基本要求,1稳定性：恢复和保持系统平衡状态能力。,2快速性：当

24、系统输出量与给定输入量相应的,稳态输出量之间产生偏差时，消除,这种偏差的快慢程度。,3准确性：调整过程结束后，实际输出量与给,定输入量相对应的稳态输出量之间,的偏差。又称静态精度。,4.鲁棒性（Robustness）,1.5 基本概念和课程主要内容,1.5.1 自动控制理论的基本概念,控制是一门工程科学，与自然科学不同，其目的在于理解和发展造福人类的新系统，如交通系统和通信系统。工程科学的重要成果是发现了能够作为分析和设计复杂系统的反馈控制理论。,自动控制理论提供了分析和设计控制系统的原理、方法和工具，使系统可以自动地适应环境，并保持期望的性能。,控制理论的四个重要概念,1 动态,实际系统一般

25、具有惯性，即系统的输出量总是滞后于输入量的变化。在变化输入量的作用下，系统的输出变量有初始状态达到最终稳态的变化过程，成为动态过程。动态过程结束以后的输出响应称为稳态响应。,2 模型,模型是动态系统分析和设计的基础。依据独特的输入/输出建模方法，以新的角度考察系统行为。,3 互联,将复杂的系统分解成简单的系统（若干个典型的单元），然后相互连接起来，可以简化计算。系统的特性不仅取决于各基本单元的动态特性，也与这些单元的互联结构密切相关。,4 不确定性,不确定性是控制理论的最显著特征。当系统存在干扰和参数不确定性因素时，应用传统的动力学和动态系统理论是难以解决的。而基于反馈原理，控制理论为解决系统的不确定性问题提供了基本方法。,课程主要内容,系统的建模/互联,动态特性分析-系统的稳定性-响应的快速性-响应的准确性,时间响应,误差分析,频率特性,稳定性,改善系统性能的设计（校正）方法,练习题,如图表示一个张力控,制系统，当送料速度,在短时间内突然变化,时，试说明控制系统,的工作原理。,