機械工程控制基礎(chǔ)(第一章緒論)課件

1機械工程控制基礎(chǔ)陳星2

本課程將注重過程，采用過程評價體系。成績主要由平時成績、實驗成績、成績?nèi)糠植糠纸M成。1.平時成績：到課率、遲到早退情況、作業(yè)情況等2.考試方式：閉卷，卷面考試成績成績的計算：平時（10%）+實驗（20%）+考試（

70%）注意：1、遲到、早退2次無平時成績；2、缺席、不交作業(yè)累計3次取消考試成績。課程成績確定方法：3《機械工程控制基礎(chǔ)》課程教材及參考書教材：《機械工程控制基礎(chǔ)》（第七版），楊叔子、楊克沖等編著，華中科技大學(xué)出版社，2017.71.《自動控制原理》胡壽松等編國防工業(yè)出版社2.《復(fù)變函數(shù)與積分變換》包革軍等編科學(xué)出版社3.《MATLAB實用教程》（美）穆爾著，高會生譯電子工業(yè)出版社參考書：4本課程與其它課程的關(guān)系機械控制工程基礎(chǔ)電路理論大學(xué)物理信號與系統(tǒng)復(fù)變函數(shù)拉氏變換模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分各類專業(yè)課線性系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論本課程是非電專業(yè)的機電技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)課，應(yīng)用廣泛，學(xué)時少、內(nèi)容多，不能輕視。否則，對以后的工作、學(xué)習(xí)將會造成影響。5主要教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)知識分析方法基本概念控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型工程控制技術(shù)時域分析頻域分析系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)工程應(yīng)用系統(tǒng)性能指標系統(tǒng)校正6主要內(nèi)容6第一章緒論第二章系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章系統(tǒng)時間響應(yīng)分析第四章系統(tǒng)頻率特性分析第五章系統(tǒng)的穩(wěn)定性第六章系統(tǒng)性能指標與校正第七章非線性系統(tǒng)初步第八章線性離散系統(tǒng)初步第九章系統(tǒng)辨識初步7前言2014年德國政府的工業(yè)推進計劃“工業(yè)4.0”引發(fā)了關(guān)于第四次工業(yè)革命的熱議問題隨之而來：到底什么是第四次工業(yè)革命？第四次工業(yè)革命與之前的工業(yè)發(fā)展有何根本的不同？是什么推動了人類進入第四次工業(yè)革命？這些推動因素在人類實現(xiàn)第四次工業(yè)革命中起到什么作用？第一章

緒論8四次工業(yè)革命從工業(yè)1.0到工業(yè)4.0 時間18世紀末工業(yè)1.0創(chuàng)造了機器工廠的“蒸汽時代”20世紀初電力廣泛應(yīng)用蒸汽機信息物聯(lián)系統(tǒng)1970年代初今天工業(yè)2.0將人類帶入分工明確、大批量生產(chǎn)的流水線模式和“電氣時代”工業(yè)3.0應(yīng)用電子信息技術(shù)，進一步提高生產(chǎn)自動化水平的“信息化時代”自動化、信息化工業(yè)4.0開始應(yīng)用信息物理融合系統(tǒng)（CPS）復(fù)雜度目標：建立一個高度靈活的自動化、個性化、數(shù)字化產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式關(guān)鍵點：“原材料（物質(zhì)）”=“信息”。智能工廠使用了含有信息的原材料，實現(xiàn)了“原材料（物質(zhì)）”=“信息”，制造業(yè)終將成為信息產(chǎn)業(yè)的一部分。9總體概念工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法。該戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)—信息物理系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型兩大主題一是“智能工廠”，重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實現(xiàn)二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用智能工廠智能生產(chǎn)工業(yè)4.0機械工程控制P10現(xiàn)代控制應(yīng)用現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，如導(dǎo)彈(發(fā)射，操縱，指導(dǎo)及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計算機技術(shù)的出現(xiàn)P11美國MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺數(shù)控機床(1952)

現(xiàn)代控制應(yīng)用P12美國GeorgeDevol研制出第一臺工業(yè)機器人樣機(1954)，兩年后，被稱為機器人之父的JosephEngelberger創(chuàng)立了第一家機器人公司，Unimation?，F(xiàn)代控制應(yīng)用13控制的應(yīng)用舉例電機控制機床控制生產(chǎn)過程自動化控制機器人控制......工業(yè)控制機器人不再被固定在安全工作地點而是與人一起協(xié)同工作14控制的應(yīng)用舉例蛟龍?zhí)栞d人潛水器是一艘由中國自行設(shè)計、自主集成研制的載人潛水器。2009年至2012年，“接連取得1000米級、3000米級、5000米級和7000米級海試成功。2012年6月，在馬里亞納海溝創(chuàng)造了下潛7062米的中國載人深潛紀錄，也是世界同類作業(yè)型潛水器最大下潛深度紀錄。蛟龍?zhí)?P15機械狗控制的應(yīng)用舉例16控制的應(yīng)用舉例汽車電子電源發(fā)動機控制行駛裝置報警與安全裝置旅居性儀表娛樂通訊17控制的應(yīng)用舉例其他工程應(yīng)用軍事、航天領(lǐng)域（火炮、雷達、跟蹤系統(tǒng)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等）流程工業(yè)（軋鋼過程、工業(yè)窯爐、石油化工、水泥建材、玻璃、造紙等）現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（自動灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測；疫情檢測等）其他領(lǐng)域（通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護、經(jīng)濟管理等）18控制的基本概念1、基本概念控制：以人為或自動的方式，通過一定的手段操縱受控對象或過程，使之按照預(yù)定的規(guī)律運行，并具有一定的狀態(tài)與性能。簡單地說，就是施加某種操作于對象，使其產(chǎn)生所期望的行為。圖1液位人工控制圖2液位自動控制檢測偏差實施控制消除偏差19控制實例2：冰箱控制系統(tǒng)20機械工程控制基礎(chǔ)陳星機電與車輛工程學(xué)院21復(fù)習(xí)控制系統(tǒng)的基本概念（1）控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（2）控制系統(tǒng)的的分析（3、4、5）時域分析（3）頻域分析（4）根軌跡分析穩(wěn)定性分析（5）控制系統(tǒng)的綜合（6）時域分析法（3）頻域分析法（4）根軌跡法22控制對象控制目標控制手段（裝置、算法等）3、可控性與能控性控制對象有多種運動狀態(tài)的可能性；能夠通過控制手段使控制對象的狀態(tài)達到控制目標控制的基本概念2、控制的三要素234、理論形成的背景

1765年，瓦特(英國Watt，1736-1819)發(fā)明蒸汽機，工業(yè)與軍事的需要，電子技術(shù)的發(fā)展，···，推動了控制理論的不斷地向前發(fā)展。2、控制理論創(chuàng)始人：（美）維納（Wiener）3、代表人物：勞斯（Routh)，胡爾維茨(Hurwitz），奈奎斯特（Nyquist），李雅普諾夫,扎德(Zadeh),傅京孫等.控制的基本概念245、自動控制理論的發(fā)展1）經(jīng)典控制理論(20世紀40~60年代):

研究對象:單輸入單輸出(SISO)、線性定常系統(tǒng);

研究方法:傳遞函數(shù)、根軌跡、頻率特性2）現(xiàn)代控制理論(20世紀60~70年代):

研究對象:多輸入多輸出(MIMO)、非線性、時變系統(tǒng);

研究方法:狀態(tài)空間法.3）智能控制與大系統(tǒng)理論(20世紀70年代----):

研究對象:多輸入多輸出(MIMO)、非線性、時變復(fù)雜系統(tǒng);

研究方法:模糊規(guī)則、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等智能方法.25第一章緒論第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)26第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)機械工程控制論研究機械工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)動力學(xué)問題。1.系統(tǒng)：元素按一定規(guī)律組合起來的能完成一定功能的集合。系統(tǒng)與外界的交互作用外界對系統(tǒng)的作用：輸入(激勵)、干擾（擾動）系統(tǒng)對外界響應(yīng)：輸出（響應(yīng)）外界的作用系統(tǒng)的響應(yīng)三個要素：

元素,

元素間的聯(lián)系,

功能性。27第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)廣義系統(tǒng)：具備系統(tǒng)要素的一切事物或?qū)ο笃┤纾簷C器系統(tǒng)、生命系統(tǒng)思維、學(xué)習(xí)、工作社會系統(tǒng)生產(chǎn)系統(tǒng)自然系統(tǒng)人造系統(tǒng)實體系統(tǒng)概念系統(tǒng)28第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)2、系統(tǒng)普遍存在信息的傳遞、交互與反饋是控制論的中心思想控制論強調(diào)：對象是一個“系統(tǒng)”；系統(tǒng)不斷“運動”(經(jīng)歷動態(tài)歷程，包括內(nèi)部狀態(tài)和外部行為)外因(輸入、干擾)是運動的條件內(nèi)因(系統(tǒng)的固有特性)是運動的根據(jù)29控制論與其它學(xué)科結(jié)合，形成眾多的分支學(xué)科經(jīng)濟學(xué)生物學(xué)社會學(xué)機械工程機械工程控制論控制論經(jīng)濟控制論社會控制論生物控制論工程控制論共同的本質(zhì)特點：通過信息傳遞，處理與反饋進行控制工程技術(shù)第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)共同的本質(zhì)特點：通過信息傳遞，處理與反饋進行控制30第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)3、研究對象：機械工程技術(shù)中的廣義動力學(xué)系統(tǒng)。廣義動力學(xué)系統(tǒng)在一定的外界條件下（輸入或激勵，包括外加控制與外加干擾）作用下，從系統(tǒng)的一定的初始狀態(tài)出發(fā)，所經(jīng)歷的由其內(nèi)部固有特性（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的特性）所決定的動態(tài)歷經(jīng)過程（動態(tài)響應(yīng)）。機械系統(tǒng)：以實現(xiàn)一定的機械運動、輸出一定的機械能，以及承受一定的機械載荷為目的的系統(tǒng)，稱為機械系統(tǒng)。機械系統(tǒng)中的“激勵”與“響應(yīng)”分別代表著系統(tǒng)的輸入和輸出。31第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)4、系統(tǒng)動力學(xué)問題分析典型實例實物模型物理模型數(shù)學(xué)模型靜態(tài)模型動態(tài)模型靜態(tài)模型：反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性。（一般用代數(shù)方程描述）動態(tài)模型：用于研究系統(tǒng)在迅變載荷作用下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性。（一般用微分方程或差分方程描述）(描繪系統(tǒng)的動態(tài)歷程)

模型:就是對系統(tǒng)的一種客觀描述，它通常是真實系統(tǒng)的一種簡化。32第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)模型是研究系統(tǒng)、認識系統(tǒng)、描述系統(tǒng)以及分析系統(tǒng)的工具。靜態(tài)模型和動態(tài)模型分析示例——機器隔振系統(tǒng)F(t)：外力，即激勵N(t)：隔振墊對機器的支反力y(t)：地基的位移，亦可作激勵x(t)：機器的位移，即響應(yīng)動態(tài)模型在一定的條件下可以轉(zhuǎn)換成靜態(tài)模型。在控制理論或控制工程中，一般關(guān)心的是系統(tǒng)的動態(tài)特性，因此，往往需要采用動態(tài)數(shù)學(xué)模型。即，一般所指的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達式。33第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)4、系統(tǒng)動力學(xué)問題分析典型實例輸入相異的單自由度機械振動系統(tǒng)參數(shù)說明：m系統(tǒng)質(zhì)量；c粘性阻尼系數(shù)；k彈簧剛度34第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)4、系統(tǒng)動力學(xué)問題分析典型實例（1）外力f(t)作用下的系統(tǒng)動力學(xué)方程動力學(xué)方程：微分算子：動力學(xué)方程簡化為：被動力之和=主動力則：35第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)4、系統(tǒng)動力學(xué)問題分析典型實例（2）位移x(t)作用下的系統(tǒng)動力學(xué)方程動力學(xué)方程：微分算子：動力學(xué)方程簡化為：則：36第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)4、系統(tǒng)動力學(xué)問題分析典型實例初始狀態(tài)：系統(tǒng)固有特性：外界作用：系統(tǒng)的輸出：初始狀態(tài)、系統(tǒng)固有特性、外界作用、與外界的關(guān)系等四大因素決定系統(tǒng)響應(yīng)37第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)5、研究任務(wù):按系統(tǒng)、輸入、輸出三者的動態(tài)關(guān)系（1）系統(tǒng)分析問題：已知系統(tǒng)和輸入，求輸出（或響應(yīng)），并通過響應(yīng)來研究系統(tǒng)本身的問題。（2）最優(yōu)控制問題：已知系統(tǒng)和理想輸出，求最優(yōu)輸入，使實際輸出滿足要求。（3）最優(yōu)設(shè)計問題：已知輸入，設(shè)計系統(tǒng)，使輸出滿足要求。（4）濾波與預(yù)測問題：設(shè)計或選擇合適的系統(tǒng)，以便由輸出識別輸入或輸入中的有關(guān)信息。（5）系統(tǒng)辨識問題：已知輸入和輸出，要識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。38第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)例1

圖示為數(shù)控機床工作臺的傳動系統(tǒng)。如果考慮傳動系統(tǒng)的制造誤差，為了使工作臺均勻移動，試確定其輸入。若系統(tǒng)的輸入已知（例如電動機轉(zhuǎn)速），要求確定系統(tǒng)且其輸出符合工作臺均勻移動的要求。此即最優(yōu)控制問題。即為最優(yōu)設(shè)計問題。39第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)例2電子稱的原理如下圖。顯示即為輸出，重物的重量為輸入，要求確定系統(tǒng)（即電子稱）以識別輸入或輸入中的有關(guān)信息。若輸入（重物）和輸出（顯示）已知，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)識別或系統(tǒng)辯識問題濾波與預(yù)測問題40本講小結(jié)了解控制并認識控制系統(tǒng)控制論的研究對象控制論的研究任務(wù)或內(nèi)容第一講機械工程控制論的研究對象與任務(wù)41第一章緒論第二講反饋42第二講反饋自動控制示例1：液位控制系統(tǒng)①分析控制系統(tǒng)的組成要素：被控制對象：貯罐；控制目標：液位恒定；控制手段：手動/自動調(diào)節(jié)閥門的部分43第二講反饋自動控制示例1：液位控制系統(tǒng)②系統(tǒng)的表達控制系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間的信號的傳遞與反饋關(guān)系：期望液位閥門貯罐實際液位（輸出）液位計人腦實際液位擾動人手人眼實際與期望液位差44第二講反饋自動控制示例1：液位控制系統(tǒng)②系統(tǒng)的表達控制系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間的信號的傳遞與反饋關(guān)系：浮球杠桿閥門貯罐實際液位（輸出）實際液位擾動浮球位置期望液位45第二講反饋1、反饋系統(tǒng)的輸出不斷地、直接或間接地、全部或部分地返回，并作用于系統(tǒng)。（1）根據(jù)反饋信號的來源分反饋的分類：外反饋（反饋控制）：相對于被控對象而言，由附加的反饋裝置引起的信息交互。外反饋舉例說明：46第二講反饋1、反饋（1）根據(jù)反饋信號的來源分反饋的分類：內(nèi)反饋：系統(tǒng)或過程中由于各元素間的相互聯(lián)系而自然形成的各種反饋，是系統(tǒng)內(nèi)部的信息的交互；反映系統(tǒng)內(nèi)部元素間互為因果的內(nèi)在聯(lián)系；內(nèi)反饋舉例說明：人體的溫度自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)反饋是造成機械系統(tǒng)存在一定的動態(tài)特性的根本原因??！47第二講反饋內(nèi)反饋：耦合反饋（系統(tǒng)或過程中自然形成的反饋）內(nèi)反饋實例分析—單自由度系統(tǒng)48第二講反饋狀態(tài)方程表示：取有：狀態(tài)方程用方框圖表示為：y1和y2之間具有信息交互作用，本質(zhì)上是彈簧的位能與質(zhì)量的動能之間的轉(zhuǎn)換。y2本身的交互作用就是阻尼消耗能量的過程。49第二講反饋1、反饋(2)根據(jù)反饋的作用的結(jié)果分類反饋的分類：負反饋：反饋信息與控制信息的作用方向相反，因而制約控制部分的活動。輸出（被控量）偏離設(shè)定值（目標值）時，反饋的作用使輸出偏離的程度減小，并力圖達到設(shè)定值。

如：液面控制系統(tǒng)

火炮瞄準……50第二講反饋1、反饋(2)根據(jù)反饋的作用的結(jié)果分類反饋的分類：正反饋：反饋信息不是制約控制部分的活動，而是促進和加強控制部分的活動。輸出（被控量）偏離設(shè)定值（目標值）時，反饋的作用使輸出偏離的程度加劇。如：圖示的液位控制系統(tǒng)電子加速器\火藥爆炸\熱核反應(yīng)……51第二講反饋51以發(fā)動機離心調(diào)速系統(tǒng)為例被控對象：發(fā)動機被控量：轉(zhuǎn)速w被控量的目標值設(shè)定：彈簧長度+螺旋位移2、反饋控制系統(tǒng)的組成控制信息傳遞與反饋：控制方框圖：給定比較放大執(zhí)行測量控制對象控制部分被控部分52第二講反饋

1—給定環(huán)節(jié)；2—比較環(huán)節(jié)；3—校正環(huán)節(jié)；4—放大環(huán)節(jié)；5—執(zhí)行機構(gòu)；6—被控對象；7—檢測裝置反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及基本環(huán)節(jié)設(shè)定被控制量的給定值的裝置將所檢測的被控制量與給定量進行比較，確定兩者之間的偏差量，多用差動放大器實現(xiàn)負反饋一般由傳動裝置和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。執(zhí)行機構(gòu)直接作用于控制對象，使被控制量達到所要求的數(shù)值要進行控制的設(shè)備或過程控制系統(tǒng)所控制的物理量（被控量）

檢測被控制量，并將其轉(zhuǎn)換為與給定量相同的物理量用來實現(xiàn)調(diào)節(jié)作用，如放大、整流，也稱為調(diào)節(jié)器或調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)53第二講反饋3、控制系統(tǒng)的分類（1）、控制系統(tǒng)的分類按反饋情況分類開環(huán)系統(tǒng)：沒有反饋回路，輸出量對系統(tǒng)沒有控制作用?？刂破鬏斎肓枯敵隽靠刂茖ο髷_動圖1.4.1開環(huán)系統(tǒng)示意圖特點：控制簡單，控制精度難以保證。如：數(shù)控機床、自動洗衣機、自動化流水線54第二講反饋閉環(huán)系統(tǒng)：有反饋回路。輸出量反饋到輸入端形成閉環(huán)，參與控制。特點：輸出量返回來與輸入量比較負反饋——反饋信號與輸入量相減，根據(jù)差值即偏差進行控制。如：伺服驅(qū)動的數(shù)控機床、恒溫箱(冰箱、空調(diào))

擾動控制器輸入量輸出量控制對象測量元件圖1.4.2閉環(huán)系統(tǒng)示意圖55第二講反饋按輸出量的變化規(guī)律分自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)(恒值系統(tǒng))：輸出量保持常量，輸入量不變。為閉環(huán)系統(tǒng)，如：恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)

隨動系統(tǒng)：輸入量按事先不知道的時間函數(shù)變化，

要求輸出量跟隨輸入量的變化而變化。多為閉環(huán)系統(tǒng)，如：自動火炮系統(tǒng)、動物捕食等程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出按預(yù)定程序變化。開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，如：數(shù)控機床、全自動洗衣機等56第二講反饋按線性性質(zhì)分類線性控制系統(tǒng)：系統(tǒng)由線性元件組成，由線性微分方程描述。

疊加性和齊次性是線性系統(tǒng)的特征。非線性控制系統(tǒng)：由非線性微分方程描述的系統(tǒng)。非線性微分方程：微分方程的系數(shù)與自變量有關(guān)。線性定常系統(tǒng)：線性微分方程的各項系數(shù)為常數(shù)。線性時變系統(tǒng)：線性微分方程的系數(shù)是時間的函數(shù)。57第二講反饋連續(xù)控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)位移控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)速度控制系統(tǒng)按信號類型分按時變情況分按被控量分……

引出點（