当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

机控绪论.jsp


机械类专业必修课

机械工程控制基础

机械与电子工程学院
0

教学内容
1、绪 论

2、系统的数学模型 3、系统的时间响应分析 4、系统的频率特性分析

5、系统的稳定性分析
6、系统的性能与校正

1

> 课程的性质和特点 技术? 科学? 方法论? 学习内容 系统?

学习目的
数学+专业 技术应用
2

学习方法
1、注重基础(概念/原理); 孟子曰:“始条理者,智之事也; 终条理者,圣之事也。” 2、积极应用(MATLAB、数学工具); 孔子曰:“工欲善其事,必先利其器” 3、努力实践(实践出真知/创新源于自主实践)。 what I hear I forget. what I see I remember. what I do I understand. By Xunzi

不闻不若闻之, 闻之不若见之, 见之不若知之, 知之不若行之; 学至于行之而止矣。
3

? 基本要求 1、掌握经典控制理论的基本概念、基本理论与 基本方法; 2、能够应用分析法建立简单动力学系统的数 学模型; 3、能够应用经典控制论分析线性定常系统的 动态特性,基本掌握线性定常系统性能校正 的方法; 4、对于线性系统的时域和频域分析、稳定性 分析和性能指标有比较深入的理解。
4

?本课程与其它课程的关系:
信号与系统

复变函数 拉氏变换 模拟电子技术
线性代数

电路理论
大学物理

机械控制工程基础
各 类 专业课 现代控 制理论

微积分

线性系统

5

? 主要参考资料 1、机械工程控制基础(第四版) 杨叔子等编 著 华中科技大学出版社 2002年1月 2、机械控制工程基础 朱骥北 机械工业出版 社 2002年1月 3、 控制理论基础 王显正主编 科学技术出版 社 2000年1月 4 、Modern Control System (11th Edition), Richard C. Dorf, Robert H Bishop,科学出版社

6

教学内容

第一讲 控制系统及 其研究对象和任务

7

绪论—控制理论及系统
一、控制理论与控制系统
1、基本概念 控 制:以人为或自动的方式,通过一定的手段操
纵受控对象或过程,使之按照预定的规律运行,并 具有一定的状态与性能。

控制实例1:液面控制

8

绪论--控制理论及系统
控制实例2:冰箱控制系统
冷却管 电冰箱箱体

Tc
环境 温度

压缩机
给定温度Tr 比较、变换装置 (控制盒)

被控量

ur

继电器 接触器

电动机 压缩机

蒸发器

冰箱 箱体

Tc

继电器 接触器

uc K

Δu

测温装置 (控制盒)

Tr
控制盒

9

绪论—研究对象与任务
二、研究对象与任务
1、工程控制论的研究对象 研究对象:工程技术中的广义动力学系统。

?广义动力学系统在一定的外界条件下(输入或激励,
包括外加控制与外加干扰)作用下,从系统的一定的初 始状态出发,所经历的由其内部固有特性(系统结构与 参数所决定的特性)所决定的动态历经过程。

?研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系
10

绪论—研究对象与任务
2、工程控制论的内容划分 经典控制理论:以传递函数为基础,研究单输入 -单输出定常控制系统的分析与设计问题。 现代控制理论:研究多输入-多输出、时变、非 线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计 问题。
控制论cybernetics、量子论与相对论被人们誉为20 世纪上半叶的3项科学革命。
11

绪论—研究对象与任务
3、系统动力学问题分析典型实例
a)输入相异的单自由度机械振动系统
y (t )
k c
x(t )

m

k

f (t )

m

c

y (t )

m-c-k单自由度系统(一)

m-c-k单自由度系统(二)

参数说明:m系统质量;c粘性阻尼系数;k弹簧刚度

12

绪论—研究对象与任务
b)系统动力学方程

?外力f(t)作用下的系统动力学方程
my( t ) + cy( t ) + ky( t ) = f( t ) y( 0 ) = y0 y( 0 ) = y0
. . .. .

?
?
13

?位移x(t)作用下的系统动力学方程
my( t ) + cy( t ) + ky( t ) = cx( t ) + kx( t ) y( 0 ) = y0 y( 0 ) = y0
. . .. . .

绪论—研究对象与任务
取算子p=d/dt,则力学方程分别化为:

(m p ? cp ? k ) y(t ) ? f (t )
2

(m p2 ? cp ? k ) y(t ) ? (cp ? k ) x(t )
系统分析:

?算子mp2+cp+k由m, c, k决定,是与外界无关的系统
本身固有特性。

?算子1和cp+k 是与外界的联系,受系统结构和参数
的影响,即算子随系统而变化。
14

绪论—研究对象与任务
?y(0)和? (0)由系统的初始状态、固有特性和系统与输
入之间的关系以及输入所决定。

?y(t)代表t瞬间动态位移,? (t)由代表t瞬间速度的变化
情况,因此 y 、?描述了系统动态历程,而y独自则刻 画不足。 研究内容划分:

?求响应,即输出y(t); ?求激励,即输入f(t), x(t); ?求固有特性参数,即系统的m, c, k;
15

绪论—研究对象与任务
一般动力学系统分析:
. a n y ? a n ?1 y ? ? ? a1 y ? a0 y . (m) ( m ?1) ? bm x ? bm ?1 x ? ? ? b1 x ? b0 x . . ( n ?1) y (0) ? y 0 y (0) ? y 0 ? y ( n ?1) (0) ? y 0
(n) ( n ?1)

取算子p=d/dt: ?算子an pn+ an-1 pn-1+…+ a1 p+ a0反映系统本身的固

有特性。 ?算子bm pm+ bm-1 pm-1+…+ b1 p+ b0反映系统与外界的 联系。

参数y (t) ,? (t),…为系统的状态变量, y(0),? (0),…为 系统的初始状态或初始变量。
16

绪论—研究对象与任务
4、研究任务 ?系统分析问题
输入

系 统
系 统

输出

?最优控制问题 ?最优设计问题 ?滤波与预测问题

输入

输出

输入

系 统

输出

输入
识别 信息

系 统

输出

?系统识别或辩识问题

输入

系 统

输出

结构、参数
17

绪论—研究对象与任务
例1 如图所示的电热水器,为了保持希望的温度,由温控开关接通或断
开电加热器的电源。在使用热水时,水箱中流出热水并补充冷水。试说明 该系统工作原理并画出系统的方框图。

解:在电热水器系统中,水箱内的水
温需要控制,即水箱为控制对象。水 的实际温度是被控制量,或系统的输 出量,设为To,输入量为用户希望的温 度,设为Ti;由于放出热水并注入冷水 或水箱散热等原因而使水箱内水温下 降为系统的干扰。 当To= Ti时,测温元件将实际温度转化成电信号,与温控开关预先设 定的信号进行比较得到的偏差信号为0,此时加热器不工作,水箱中 的水保持希望的温度。当注入冷水使To下降时,偏差不为0,电控开 关接通电源使电加热器工作对水加热,直到To= Ti为止。
18

绪论—研究对象与任务
系统工作框图如下:
干扰 Ti 电位 器 温控 开关 电加 热器 水箱 To

测温 元件

若要考察水箱中的水温To能否保持为希望的温度Ti,并 通过实际输出的水温To与希望的温度Ti之间的差别,考 察各个组成部分的参数是否合理,即为系统分析问题。
19

绪论—研究对象与任务
例2 图示为数控机床工作台的传动系统。
伺服电机 工作台 检测装置 移动量 (输出) 控制指令 (输入) 比较器

放大器

如果考虑传动系统的制造误差,为了使工作台均匀移动, 试确定其输入。此即最优控制问题。 若系统的输入已知(例如电动机转速),要求确定系统且 其输出符合工作台均匀移动的要求,即为最优设计问题。
20

绪论—研究对象与任务
例 3 电子称的原理如下 重物 图。显示即为输出,重物 的重量为输入,要求确定 系统 系统(即电子称)以识别 输入或输入中的有关信息, 显示(指针或数字) 此即滤波与预测问题。 若输入(重物)和输出(显示)已知,求系统的 结构和参数 ,即建立系统的数学模型,此即系统 识别或系统辩识问题。
21

绪论—小结 1
三、本讲小结
?了解控制并认识控制系统 ?控制论的研究对象 ?控制论的研究任务或内容

22

绪论—思考题

思考题:

生活中控制问题,举例说明。

23

教学内容

第二讲 反馈及系统模型

24

绪论—系统反馈
一、系统中的反馈
反馈:将系统的输出部分或全部地返回到系 统的输入端并共同作用于系统的过程。
外反馈:人为反馈(闭环系统、开环系统)
伺服电机 工作台 检测装置 移动量 (输出) 控制指令 (输入) 比较器

放大器

25

26

绪论—系统反馈
内反馈:耦合反馈(系统或过程中自然形成的反馈) 内反馈实例分析—单自由度系统
y (t )
k

my( t ) + cy( t ) + ky( t ) = f( t )
f (t )

..

.

m
c m-c-k单自由度系统
f( t ) +
— —

ky( t ) = f( t ) - my( t ) - cy( t ) cy( t ) = f( t ) - my( t ) - ky( t ) my( t ) = f( t ) - cy( t ) - ky( t )
.. . . ..

..

.

f( t ) +

m

1 k

f( ty) ( t+ )


1 c? —

y( t )


1 m ??

y( t )

d2 dt 2
d dt

m

d2 dt 2

c

d dt

c

k

k

27

绪论—系统反馈
状态方程表示:

取 y1 = y , y2 = y1 = y 有:
. y1 ? y 2 . k c f y 2 ? ? y1 ? y 2 ? m m m

.

.

. ? 0 ? y1 ? ? . ?? k ?y ? ? 2? ? ? m

1 ? ?0 ? ? y1 ? ? ? ? c ?? ? ? ? 1 ? f ? ? y2 ? m? ?m?
y1
.

状态方程用方框图表示为: y1和y2之间具有信息交互作 用,本质上是弹簧的位能与 质量的动能之间的转换。 y2 本身的交互作用就是阻尼消 耗能量的过程。

?
k m

y1

f

1 m

+


— .

y2

?
c m

y2

28

绪论—系统反馈
反馈控制实例:骑自行车过程中信息流动与反馈

?反馈结构图
理想状态

大脑

干扰 运动系统 自行车
实际状态



- 感觉器官

?工作原理
人骑自行车时,总是希望具有一定的理想状态(比如速度、方 向、安全等),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,使自行车偏离理想状态,人的感觉器官感觉自行车的状态,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。其信息流动与反馈过程可用下图表示。
29

30

MASTER 7

Spi ndle

Head slider

Rotation of ar m Ar m T rack a Disk T rack b Act uator moto r

Fig ure 1.24

Dia g ram of dis k drive

Desi red head posi tion

? ?

E rror

Control device

Actuator motor a nd read arm

Actual head position

Se nso r

Figure 1.25

Clo s e d-lo o p co ntro l s ys te m fo r dis k drive

31
Co p yright ? 1998 by Add is on We s le y Longma n. All rights res er ve d.

绪论—控制系统及模型
二、控制系统及其模型
1)系统定义及其分析 系 统:由相互联系、相互作用的若干部分构 成;由一定目的或运动规律的整体。
系统特性:

?系统性能不仅与系统元素有关,而且还与系统的
结构有关;

?系统的内容比组成系统各元素的内容丰富;
?系统往往表现出在时域、频域或空域等域内的动
态特性。
32

绪论—控制系统及模型
2)系统的分类
对广义系统按反馈情况分:

?开环系统:系统所需的方框图没有反馈回路。
指令 (输入) 输入装置 控制装置
伺服 驱动装置

工作台

工作台位置 (输出)

?闭环系统:系统所需的方框图存在反馈回路。
指令 输入装置 控制装置
伺服 驱动装置

工作台

工作台位置

(被控对象) 检测装置

控制部分

33

MASTER 5

Battery Turntable

Speed

Speed setting

dc amplifier (a)

dc motor

Desired speed (voltage)

Control device

Actua tor dc motor (b)

P rocess

Amplifier

Turntable

Actual speed

Figure 1.20

(a ) Ope n-lo o p (w itho ut fe e dback) c o ntro l o f the s pe e d o f a turntable

(b) Blo ck diag ra m m ode l

34
Co p yright ? 1998 by Add is on We s le y Longm a n. All rights res er ve d.

B attery Tur ntabl e Sp eed set ting

Sp eed

? ?

S

dc amplifier

d c motor Tachometer

(a) Control d evice ? ? S Error Amp lifi er Measured speed (voltage) Act uator dc motor Sensor Tach ometer (b) Process Turntabl e Actual speed

Desired sp eed (voltage)

Fig ure 1.21

(a) Clo s e d-lo op c on tro l o f the s pe ed o f a turntable

(b) Blo ck d ia gram mo de l

35
Cop yright ? 1998 by Add is on We s le y Longman. All rights res er ve d.

被控量的目标 值设定

扰动量

被控量

被控对象 控制量

36

控制器
运算放大 比较
被控对象

执行

检测

控制部分

被控部分
37

绪论—控制系统及模型
对自动控制系统按输出变化规律分:

?自动调节系统
定义:在外界干扰作用下,系统的输出仍能基本保 持为常量的系统。

?随动系统
定义:系统输出能适应输入,按任意规律变化的系统。

?程序控制系统
定义:在外界条件作用下,系统的输出能按照预定程序 变化的系统。
38

绪论—控制系统及模型
3)反馈控制系统的组成
反馈控制系统框图
给定环节 xi + ε - 放大运算 环节 xb 控制部分 执行环节 被控对象 xo

测量环节

闭环系统主要由控制部分与被控部分组成。控制部 分的功能是接受指令信号和被控部分的反馈信号,并对 被控部分发出控制信号。被控部分的功能则是接受控制 信号、发出反馈信号,并在控制信号的作用下实现被控 运动。
39

绪论—控制系统及模型
控制系统主要环节定义
给定环节:即给出输入信号的环节,用于确定被控对象的目标值。
测量环节:用于测量被控量。 比较环节:将输入信号与反馈信号相比较获得偏差信号。 放大及运算环节:将偏差信号处理放大,以便推动执行环节。 执行环节:接收放大环节的信号,驱动被控对象按照预期的规律运行。

闭环自动控制系统的特点:利用输入信息与反馈至输 入处的信息之间的偏差对系统的输出进行控制,使被 控对象按一定的规律运动。
40

绪论—控制系统及模型
4)机械系统及系统模型
机械系统 机械系统:以实现一定的机械运动,承受一定的机 械载荷为目的,由机械元件组成的系统。 概念说明

机械系统中的“激励” 与“响应”分别代表着 响应:系统的变形或位移。 系统的输入和输出。
激励:外界对系统的作用。

系统控制:激励由人为有意识的添加。 扰 动:由系统偶然因素产生而一般无法完全认为控制的 激励。
41

绪论—控制系统及模型
系统静态模型和动态模型

模型是研究系 模 型:一种用数学方法所描述的抽象 统、认识系统、 的理论模型,用来表达一个系统内部 各部分之间,或系统与其他外部环境 描述系统以及分 析系统的工具。 之间的关系,又称数学模型。
静态模型:反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系 统平衡状态下得特性,表现为代数方程。如弹簧模型。 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,表现为微分方程或差分方程。

静态模型—现时输出决定于现时输入; 动态模型—现时输出决定于以前输入的历史。
42

绪论—控制系统及模型
静态模型和动态模型分析示例——机器隔振系统
F(t) F(t) x(t)

机器 隔振垫

m N(t)

m k c

x(t)

y(t)

y(t)

F(t) y(t)

外力,即激励

x(t)

位移,即响应

地基的位移,亦可作激励
43

绪论—控制系统及模型
若以机器m为隔离体,以F (t) 为激励(不考虑y (t)),以 位移x(t)为响应,应用牛顿第二定律列出该系统的动力学 方程为:

mx( t ) + cx( t ) + kx( t ) = F( t )

..

.

(a)

若仍以机器m为隔离体,以 y (t) 为激励(不考虑F (t)) , 以位移x(t)为响应,应用牛顿第二定律列出该系统的动 力学方程为:

mx( t ) + cx( t ) + kx( t ) = cy( t ) + ky( t )
方程(a),(b)即为该系统的动态模型。

..

.

.

(b)

44

绪论—控制系统及模型
若系统运动很慢,即有:

x( t ) ≈ cx( t ) ≈ 0 ;
则上式(a),(b)可化为:

..

.

y( t ) ≈ 0

.

F ( t ) x( t ) ≈ k ;

x( t ) ≈ y( t )

此即系统的静态模型,实际上x(t)与y(t)之 间是一种代数关系,即代数方程式。

45

绪论—控制系统的基本要求
三、对控制系统的基本要求

?稳定性:指动态过程的振荡倾向和系统能
够恢复平衡状态的能力。

?快速性:系统输出量与给定的输入量之间
产生偏差时,消除这种偏差的快速程度。

?准确性:调整过程结束后输出量与给定的
输入量之间的偏差程度,或称静态精度。
系统评价指标多样,但基本和最重要是以上 三种;控制系统设计根据需要各有侧重。
46

绪论—系统反馈

控制理论发展的简单回顾
1868年J.C.Maxwell在《论调节器》中一文中的调节器:

47

一千多年前:铜壶滴漏计时器、 指南针、各种天文仪器

中国, 埃及和 巴比伦 出现自 动计时 漏壶

中国马钧研制出用齿轮传动

48

●1788年:J.Watt发明蒸气机调速器
●1868年:J.C.Maxwell发表《调速器》,提出反馈控 制的概念及稳定性条件。 1884年:E.J.Routh提出劳斯稳定性判据。 1892年:A.M.Lyapunov提出李亚普诺夫稳定性理论。

1895年:A.Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。
1932年:H.Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。

1945年:H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法。

49

1948年:N.Wiener发表《控制论》,标志经典控制理 论基本形成;经典控制理论以传递函数为基础,主 要研究单输入-单输出(SISO)系统的分析和控制 问题;
1950年:W.R.Evans提出根轨迹法,进一步充实了经 典控制论;

1954年:钱学森发表《工程控制论》
50年代末60年代初:现代控制理论形成;现代控制 理论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 50 质上说是时域的状态空间方法。

1956年:蓬特里亚金(Pontryagin)提出极大值原理 1957年:R.I.Bellman提出动态规划理论

1960年:R.E.Kalman提出卡尔曼滤波理论
1960-1980年,确定性系统的最优控制、随机系统 的最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制。 1980迄今:鲁棒控制、H∞控制、非线性控制、智能 控制等。

51

? 例题与作业
例:
图示的液面控制系统,图中K 为放大器的增益,D为执行电机, N 为 减速器。试分析该系统的工作原理,并在系统中找出控制量、扰动量、被控 制量、控制器和被控对象。

解:由图可知,水通过阀门进入水箱
使液面上升,浮子使电位改变,经放大 后控制电机转动,通过减速器使阀门关 小,减小水流量,由于Q不为0,故液面 下降。当下降到某位置时,通过浮子使 电位极性变化,电动机反转,又使阀门 开大,水位上升。这是一个闭环控制系 统。浮子是比较器,并通过电位器控制 电动机转动,从而实现对阀门开度的控 制。 系统中M控制量,Q为扰动量,液面高度为被控制量,水箱为被控对象,其 余部分为控制器。
52

绪论—小结2
四、本讲小结
?系统反馈:正反馈和负反馈 ?系统及系统的划分 ?反馈系统及其组成 ?系统模型:静态模型和动态模型

?控制系统的基本要求

53


相关文章:
绪论辨析题等.jsp
绪论.jsp 23页 2财富值 1绪论.jsp 30页 1财富值 绪论.jsp 27页 5财富值 绪论.jsp 24页 1财富值 第1章 绪论.jsp 55页 1财富值 史纲绪论.jsp 13页 1...
绪论
关键词:JAVA B2B 电子商城 关键词 第一章 绪论 1.1 系统开发背景此 B2B ...2.配置商品列表控制器 3.编写商品列表页面 此页面有 content.jsp 文件定义,它...
基于jsp毕业论文模板
基于JSP的毕业论文系统的设... 3页 免费 毕业论文.jsp 40页 免费如要投诉违规内容,请到百度文库投诉中心;如要提出功能问题或意见建议,请点击此处进行反馈。 ...
1电控发动机绪论
课题名称 电控发动机绪论 授课班级 授课时间 第 1 到 2 授课形式 13 汽修 1...汽 油机燃油供给技术经历了从 机械控制汽油喷射到现在的 发动机集中管理系统,...
绪论
第一章 1.1 研究背景 绪论 1.1.1 奖学金评定...使用 JSP+SQL、 VB+SQL 的系统设计,大多数是按照...如何选择安全的航班 正确使用机上氧气面罩©...
讲好数控编程绪论
讲好数控编程绪论课的几点体会摘要:绪论是一门课程的“序曲” ,上好绪论课,能够...引出数控机床坐标系的概念然后先让每一个学生伸出他的右手告诉他们数 机床坐标...
JSP聊天室毕业论文(jsp+javabean)
聊天室在网络早期就开始盛行了,不论是 BBS、IRC 都有类似的网上聊天机 制。...(); } } 36 网站建设与管理实训 8 逻辑控制模块的设计该系统采用 JSP+...
基于PLC控制的机械手设计(毕业论文)第一章 绪论
基于PLC控制的机械手设计(毕业论文)第一章 绪论_工学_高等教育_教育专区。第一...台的五个电磁阀来控制的, 通过电磁阀的通电断电来实现机 械手运行和停止, ...
jsp论坛毕业论文
JSP 在执行前先被编译成字节码,字节码由 Java 虚拟机解释执行,比源码解释效率...(此部分代码为控制透明 flash 位置所用,width: 100px; height: 100px;为宽...
JSP论文
JSP论文_计算机软件及应用_IT/计算机_专业资料。JSP...(8)权限控制,通过 session 会话变量对管理员和用户...如何选择安全的航班 正确使用机上氧气面罩文档...
更多相关标签:
数控加工绪论 | 有机化学绪论 | 机械制图绪论 | 机械基础绪论 | 机械制图绪论ppt | 机器人绪论 | 机械设计基础绪论 | 机械工程专业绪论 |