華北理工大學(xué)機(jī)械控制工程基礎(chǔ)第一章緒論

1、第一章 緒論第一章第一章 緒論緒論 本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)u 1.1 引言引言u(píng) 1.2 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介第一章 緒論1.1.1 1.1.1 控制工程發(fā)展史控制工程發(fā)展史 1.1 1.1 引言引言 1954年，我國(guó)科學(xué)家年，我國(guó)科學(xué)家錢學(xué)森錢學(xué)森發(fā)表發(fā)表工程控制工程控制論論，奠定了，奠定了工程控制論的基礎(chǔ)工程控制論的基礎(chǔ)。 18世紀(jì)，詹姆斯世紀(jì)，詹姆斯瓦特設(shè)計(jì)了瓦特設(shè)計(jì)了離心調(diào)節(jié)器離心調(diào)節(jié)器，是，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。 1922年，邁納斯基證明了如何從描述系統(tǒng)的年，邁納斯基證明了如何從描述系統(tǒng)的微微分方程中確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性分方程中確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性

2、。 1932年，奈魁斯特提出了年，奈魁斯特提出了根據(jù)穩(wěn)態(tài)正弦輸入的根據(jù)穩(wěn)態(tài)正弦輸入的開環(huán)響應(yīng)，確定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性開環(huán)響應(yīng)，確定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 1948年，美國(guó)數(shù)學(xué)家年，美國(guó)數(shù)學(xué)家N N維納維納所著的所著的控制論控制論一書出版，標(biāo)志著一書出版，標(biāo)志著控制論的正式建立控制論的正式建立。第一章 緒論1. 1. 機(jī)械工程控制的研究對(duì)象機(jī)械工程控制的研究對(duì)象1.1.2 1.1.2 機(jī)械工程控制的研究對(duì)象與任務(wù)機(jī)械工程控制的研究對(duì)象與任務(wù) 機(jī)械工程控制研究的對(duì)象特指機(jī)械工程控制研究的對(duì)象特指機(jī)械工程領(lǐng)域機(jī)械工程領(lǐng)域的系統(tǒng)的系統(tǒng)（如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等）。（如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等）。2 2機(jī)械工程控制的研

3、究任務(wù)機(jī)械工程控制的研究任務(wù) 工程控制論主要研究工程控制論主要研究控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)與其與其輸入輸入、輸輸出出之間的之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系動(dòng)態(tài)關(guān)系。 (1) 系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析：當(dāng)系統(tǒng)已定、輸入已知時(shí)，求出：當(dāng)系統(tǒng)已定、輸入已知時(shí)，求出系統(tǒng)的輸出系統(tǒng)的輸出(響應(yīng)響應(yīng))，并通過輸出來(lái)研究系統(tǒng)本身，并通過輸出來(lái)研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問題。的有關(guān)問題。第一章 緒論(3) 最優(yōu)設(shè)計(jì)最優(yōu)設(shè)計(jì)：當(dāng)輸入已知、輸出已知時(shí)，確：當(dāng)輸入已知、輸出已知時(shí)，確定系統(tǒng)使其輸出盡可能符合給定的最佳要求。定系統(tǒng)使其輸出盡可能符合給定的最佳要求。 機(jī)械工程控制以機(jī)械工程控制以古典控制論古典控制論為核心，為核心，主要研究主要研究線性控制系統(tǒng)的

4、分析問題線性控制系統(tǒng)的分析問題。(4) 濾波與預(yù)測(cè)濾波與預(yù)測(cè)：當(dāng)系統(tǒng)已定、輸出已知時(shí)，：當(dāng)系統(tǒng)已定、輸出已知時(shí)，要識(shí)別輸入或輸入中的有關(guān)信息。要識(shí)別輸入或輸入中的有關(guān)信息。(5) 系統(tǒng)辨識(shí)系統(tǒng)辨識(shí)：當(dāng)輸入與輸出均已知時(shí)，求出：當(dāng)輸入與輸出均已知時(shí)，求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。(2) 最優(yōu)控制最優(yōu)控制：當(dāng)系統(tǒng)已定、輸出已知時(shí)，確：當(dāng)系統(tǒng)已定、輸出已知時(shí)，確定輸入使得輸出盡可能符合給定的最佳要求。定輸入使得輸出盡可能符合給定的最佳要求。 第一章 緒論(1) 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)1.2 1.2 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.2.1 1.2.1

5、 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類1 1按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類 開環(huán)控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的開環(huán)控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸出量對(duì)控制作用輸出量對(duì)控制作用沒有影響沒有影響的系統(tǒng)。的系統(tǒng)。 驅(qū) 動(dòng) 電 路步進(jìn)電機(jī) 工作臺(tái)控制指令(輸入）移動(dòng)量（輸出）圖1.1 開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)既不需要對(duì)輸出量進(jìn)行測(cè)量，開環(huán)控制系統(tǒng)既不需要對(duì)輸出量進(jìn)行測(cè)量，也不需要將輸出量反饋到輸入端與輸入量進(jìn)也不需要將輸出量反饋到輸入端與輸入量進(jìn)行比較行比較第一章 緒論（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)）閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)通常也稱閉環(huán)控制系統(tǒng)通常也稱反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)。此種。此種系統(tǒng)是指將輸出信號(hào)部分或全部通過反饋裝

6、置系統(tǒng)是指將輸出信號(hào)部分或全部通過反饋裝置（通常為檢測(cè)裝置）傳送到輸入端，與輸入信（通常為檢測(cè)裝置）傳送到輸入端，與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，將比較的差值送入系統(tǒng)中的控制號(hào)進(jìn)行比較，將比較的差值送入系統(tǒng)中的控制器，產(chǎn)生控制信號(hào)控制系統(tǒng)的輸出達(dá)到希望的器，產(chǎn)生控制信號(hào)控制系統(tǒng)的輸出達(dá)到希望的輸出值。輸出值。 檢測(cè)裝置比較器放大器伺服電機(jī) 工作臺(tái)控制指令(輸入）移動(dòng)量（輸出）圖1.2 閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第一章 緒論（3）閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較）閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易維護(hù)容易維護(hù)、相應(yīng)的、相應(yīng)的成本也較低成本也較低，因?yàn)闆]有反饋，所

7、以，因?yàn)闆]有反饋，所以穩(wěn)定性較好穩(wěn)定性較好，另外因?yàn)闆]有反饋，使得另外因?yàn)闆]有反饋，使得開環(huán)系統(tǒng)無(wú)法抑制擾動(dòng)開環(huán)系統(tǒng)無(wú)法抑制擾動(dòng)信號(hào)對(duì)輸出的影響信號(hào)對(duì)輸出的影響。 當(dāng)輸出量難以測(cè)量、或測(cè)量成本太高、或當(dāng)輸出量難以測(cè)量、或測(cè)量成本太高、或者沒有必要測(cè)量，又不存在擾動(dòng)信號(hào)或擾動(dòng)可者沒有必要測(cè)量，又不存在擾動(dòng)信號(hào)或擾動(dòng)可以忽略時(shí)，才可采用開環(huán)控制系統(tǒng)。以忽略時(shí)，才可采用開環(huán)控制系統(tǒng)。第一章 緒論 閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)被反饋到輸入端，閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)被反饋到輸入端，所以系統(tǒng)的外部干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化最終都所以系統(tǒng)的外部干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化最終都可以通過輸出反饋到輸入端，利用差值對(duì)系統(tǒng)可以通過輸

8、出反饋到輸入端，利用差值對(duì)系統(tǒng)的輸出進(jìn)行調(diào)解，從而的輸出進(jìn)行調(diào)解，從而抑制干擾對(duì)輸出的影響抑制干擾對(duì)輸出的影響。 因?yàn)殚]環(huán)控制系統(tǒng)引入了反饋，在調(diào)節(jié)的因?yàn)殚]環(huán)控制系統(tǒng)引入了反饋，在調(diào)節(jié)的過程中，可能引起系統(tǒng)的等幅振蕩或發(fā)散振蕩，過程中，可能引起系統(tǒng)的等幅振蕩或發(fā)散振蕩，所以所以閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性問題非常重要閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性問題非常重要。另外，。另外，閉環(huán)控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜一些，使用的元器件數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜一些，使用的元器件數(shù)量要多一些，因此量要多一些，因此成本要比開環(huán)系統(tǒng)高成本要比開環(huán)系統(tǒng)高。 第一章 緒論傳 感 器輻射熱傳感器控制器加熱器或空調(diào)器客 艙傳 感 器要求的溫度（輸入）客艙溫

9、度 （輸出）太陽(yáng) 環(huán)境溫度圖1.3 汽車客艙溫度控制系統(tǒng)原理圖第一章 緒論（1）恒值控制系統(tǒng)）恒值控制系統(tǒng)2 2按輸入量的變化規(guī)律分類按輸入量的變化規(guī)律分類輸入量：輸入量：恒定值恒定值。任務(wù)：在擾動(dòng)信號(hào)作用下，任務(wù)：在擾動(dòng)信號(hào)作用下，輸出量恒定不變輸出量恒定不變。 （2）程序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)輸入量：輸入量：按已知的規(guī)律編制的程序按已知的規(guī)律編制的程序。任務(wù)：任務(wù)：按照控制指令的要求運(yùn)動(dòng)按照控制指令的要求運(yùn)動(dòng)。 （3）隨動(dòng)系統(tǒng)）隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）（伺服系統(tǒng)）輸入量：輸入量：變化規(guī)律未知變化規(guī)律未知。任務(wù)：輸出量任務(wù)：輸出量復(fù)現(xiàn)控制信號(hào)的變化規(guī)律復(fù)現(xiàn)控制信號(hào)的變化規(guī)律。 第一章 緒論輸入裝

10、置誤差測(cè)量裝置放大器馬 達(dá)齒輪傳動(dòng)裝置負(fù) 載反饋信號(hào)輸出電位計(jì)輸入電位計(jì)參考輸入erecRaLa圖1.4 伺服位置控制系統(tǒng)原理圖ia rcTcevK1K1ev第一章 緒論3 3按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類 (1) (1) 連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng) 傳遞信號(hào)：傳遞信號(hào)：模擬信號(hào)模擬信號(hào)。實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)：硬件組成的控制器硬件組成的控制器。數(shù)學(xué)工具：數(shù)學(xué)工具：微分方程和拉氏變換微分方程和拉氏變換。 第一章 緒論（2）離散控制系統(tǒng)）離散控制系統(tǒng) 傳遞信號(hào)：傳遞信號(hào)：數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)。實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)：軟件，計(jì)算機(jī)軟件，計(jì)算機(jī)作為控制器。作為控制器。數(shù)學(xué)工具：數(shù)學(xué)工具：差分方程和差分方程和

11、Z變換變換。 第一章 緒論4 4按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分類按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分類 （1）線性控制系統(tǒng)）線性控制系統(tǒng) 描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：線性微分方程線性微分方程 （2）非線性控制系統(tǒng)）非線性控制系統(tǒng)描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：不能用線性微分方程不能用線性微分方程 機(jī)械工程控制所研究的控制系統(tǒng)主要機(jī)械工程控制所研究的控制系統(tǒng)主要是是線性線性、連續(xù)連續(xù)、閉環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。系統(tǒng)包含著變量中具有非線性關(guān)系的元器件系統(tǒng)包含著變量中具有非線性關(guān)系的元器件第一章 緒論1.2.2 1.2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成1給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)：給出輸入信號(hào)。：給出

12、輸入信號(hào)。 確定確定被控對(duì)象的被控對(duì)象的輸出值輸出值。2比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)：接收：接收輸入和反饋信號(hào)輸入和反饋信號(hào)并進(jìn)行并進(jìn)行比較比較，輸出兩者的偏差值。輸出兩者的偏差值。 第一章 緒論3放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)：驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置。 放大環(huán)節(jié)：電氣裝置，液壓裝置。放大環(huán)節(jié)：電氣裝置，液壓裝置。 4執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)：驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象按所要求規(guī)律運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象按所要求規(guī)律運(yùn)動(dòng)。 執(zhí)行環(huán)節(jié)：各種電機(jī)、液壓馬達(dá)等執(zhí)行環(huán)節(jié)：各種電機(jī)、液壓馬達(dá)等 第一章 緒論6檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)環(huán)節(jié)： （反饋環(huán)節(jié)）（反饋環(huán)節(jié)）檢測(cè)輸出量檢測(cè)輸出量并并轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成電信號(hào)成電信號(hào)反饋到比較環(huán)節(jié)。反饋到比較環(huán)節(jié)。 檢測(cè)環(huán)節(jié)：各種傳感器、測(cè)

13、速發(fā)電機(jī)等。檢測(cè)環(huán)節(jié)：各種傳感器、測(cè)速發(fā)電機(jī)等。5被控對(duì)象被控對(duì)象：完成機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置完成機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置。 被控對(duì)象：數(shù)控機(jī)床中的工作臺(tái)、伺服位置被控對(duì)象：數(shù)控機(jī)床中的工作臺(tái)、伺服位置控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載?？刂葡到y(tǒng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載。第一章 緒論1.2.3 1.2.3 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1系統(tǒng)的系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向及其恢是指系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。復(fù)平衡狀態(tài)的能力。 2系統(tǒng)的系統(tǒng)的準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性是指系統(tǒng)的控制精度，用是指系統(tǒng)的控制精度，用穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差衡衡量，指系統(tǒng)穩(wěn)定后的實(shí)際輸出與希望輸出的差值。量，指系統(tǒng)穩(wěn)定后的實(shí)際輸出與希望輸出的差值。 3 系統(tǒng)的系統(tǒng)的快速性快速性 快速性快速性是指輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時(shí)，系是指輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時(shí)，系統(tǒng)消除偏差的快慢程度。它表征系統(tǒng)的統(tǒng)消除偏差的快慢程度。它表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能動(dòng)態(tài)性能。第一章 緒論1. 控制論分古典控制理論和現(xiàn)代控制理論?？刂普摲止诺淇刂评碚摵同F(xiàn)代控制理論。 機(jī)械工程控制是古典控制理論在機(jī)械工程中機(jī)械工程控制是古典控制理論在機(jī)械工程中的應(yīng)用的應(yīng)用2. 機(jī)械工程控制