聊城大學(xué)汽車學(xué)院《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》第一章.ppt

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1、制作：華中科技大學(xué) 熊良才、吳波、陳良才,,聊城大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,,機(jī)械工程控制基礎(chǔ),授課人：張來剛,個人介紹：,姓名：張來剛,學(xué)習(xí)經(jīng)歷：,本科畢業(yè)于吉林大學(xué)，大學(xué)期間所學(xué)專業(yè)：電子信息工程； 2007年在中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所就讀研究生，今年7月博士畢業(yè)；所學(xué)專業(yè)：機(jī)械電子工程；主要研究方向：視覺測量，光電測控,業(yè)余愛好：,羽毛球，足球，乒乓球,聯(lián)系方式：,電話：136 0635 4072 E-mail：,家鄉(xiāng)：聊城 東阿,制作：華中科技大學(xué) 熊良才、吳波、陳良才,教材： 楊叔子等,機(jī)械工程控制基礎(chǔ),華中科技大學(xué)出版社,(第六版),2011 參考文獻(xiàn)： 1.胡壽松等

2、,自動控制原理,國防工業(yè)出版社,(第三版),1994. 2.李友善.自動控制原理,國防工業(yè)出版社,1980 3.陳康寧.機(jī)械工程控制基礎(chǔ).西安交通大學(xué)出版社.1997. 4.Matlab使用手冊,,聊城大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,,機(jī)械工程控制基礎(chǔ),本課程的主要內(nèi)容：,第一章 緒論 第二章 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 第三章 系統(tǒng)的時間相應(yīng)分析 第四章 系統(tǒng)的頻率特性分析 第五章 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 第六章 系統(tǒng)的性能指標(biāo)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,第一章 緒論,為什么要學(xué)控制論？ 1.機(jī)電一體化產(chǎn)品的出現(xiàn)與逐漸普及,“機(jī)”+“電”? “信息傳遞與交換” 控制

3、論、系統(tǒng)論、 信息論、微電子技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)）相結(jié)合的產(chǎn)品,2.機(jī)械系統(tǒng)朝高速、高負(fù)載、超精密、超大型或超微型等方向發(fā)展。（設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)）“動態(tài)”,設(shè)計(jì): 動態(tài)設(shè)計(jì) 制造: 關(guān)注制造過程 的動態(tài)特性. 使用:系統(tǒng)的動態(tài)特性(安全、性能) 維護(hù)：監(jiān)測與故障預(yù)測、診斷,,,,3.動態(tài)測試、信號處理（信號與系統(tǒng)） 傳感器的選擇、信號預(yù)處理器的設(shè)計(jì)、數(shù)字信號的處理、特征提取,4.生產(chǎn)組織管理（過程的優(yōu)化）,加工狀態(tài)監(jiān)控 噴氣發(fā)動機(jī)性能監(jiān)控,5.其他工程應(yīng)用 軍事、航天領(lǐng)域 火炮、雷達(dá)、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、

4、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(hù)、經(jīng)濟(jì)管理等,6.個人日常生活和工作 電冰箱、電飯煲、空調(diào)器、音響、收音機(jī)等等,7. 方法論 “反饋控制的思想”,控制：施加某種操作于對象，使其產(chǎn)生所期望的行為。,圖1.1 蒸汽機(jī)離心調(diào)速器,一、概述,自動控制：由控制裝置自動完成，無需人的參與。,圖1.2 液位人工控制,圖1.3 液位自動控制,檢測偏差,,實(shí)施控制,,消除偏差,控制的三要素,控制對象、控制目標(biāo)、控制手段（裝置、算法等）,可控性與能控性,控制對象有多種運(yùn)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(dá)到

5、控制目標(biāo),控制論的方法論,明確事物發(fā)展的多種可能性 確定其中一種可能性為控制目標(biāo) 實(shí)施控制實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo),機(jī)械工程控制論研究機(jī)械工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)動力學(xué)問題。,二、機(jī)械工程控制論研究對象與任務(wù),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、干擾,系統(tǒng)對外界響應(yīng)：輸出,外界的作用,信息的傳遞 與交互,系統(tǒng)的響應(yīng),,,控制論：技術(shù)學(xué)科、技術(shù)哲學(xué)、科學(xué)方法論,控制論強(qiáng)調(diào)： 對象是一個“系統(tǒng)”； 系統(tǒng)不斷“運(yùn)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(yùn)動的條件 “內(nèi)因”(系統(tǒng)

6、的固有特性)是運(yùn)動的根據(jù),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,,,,,二、機(jī)械工程控制論研究對象與任務(wù),二、機(jī)械工程控制論研究對象與任務(wù),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(jì)學(xué),生物學(xué),社會學(xué),,機(jī)械工程,,機(jī)械工程控制論,控制論,經(jīng)濟(jì)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(diǎn)：通過信息傳遞，處理與反饋進(jìn)行控制,工程技術(shù),,,,,,二、機(jī)械工程控制論研究對象與任務(wù),系統(tǒng)的組成元素可以是子系統(tǒng)； 又可是更上一層系統(tǒng)的組成元素。,系統(tǒng)的層次性與相對性：,廣義系統(tǒng)：,具備系統(tǒng)要素的一切事物或?qū)ο?機(jī)械工程中的廣義系統(tǒng)：,元件、部件、儀器、設(shè)備、加工過程、操

7、作設(shè)備、測量、車間、部門、工廠、企業(yè)、企業(yè)集團(tuán)、全球制造業(yè),如：機(jī)器系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、生命系統(tǒng)、 思維、學(xué)習(xí)、工作，社會、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等,二、機(jī)械工程控制論研究對象與任務(wù),2. 系統(tǒng)的動力學(xué)問題,研究的是機(jī)械工程廣義系統(tǒng)在一定的外界條件（即輸入或激勵、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)部的固有特性（即由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的特性）所決定的整個動態(tài)歷程。 研究系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系。,二、機(jī)械工程控制論研究對象與任務(wù),例：彈簧-質(zhì)量-阻尼單自由度系統(tǒng),(a),(b),初始狀態(tài)：,系統(tǒng)固有特性：,外界作用：,與外界的關(guān)系：,系統(tǒng)的輸出：,系統(tǒng)分析問題：已知系統(tǒng)和輸入

8、，求輸出（或響應(yīng)），并通過響應(yīng)來研究系統(tǒng)本身的問題。 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(shí)際輸出滿足要求。 最優(yōu)設(shè)計(jì)問題：已知輸入，設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使輸出滿足要求。 濾波與預(yù)測問題：設(shè)計(jì)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。 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。,研究任務(wù),1.信息 定義1：一切能表達(dá)一定意義的信號、符號和密碼等。 如：報紙，烽火，電報，記號、手勢等等 定義2：能夠用來消除不確定性的東西。如： 報紙（過時、適時），情報（過時，適時），足球比賽（勢均力敵，勢力懸殊），書籍（好，差）等 定義3：事物運(yùn)動的狀態(tài)和

9、方式。如： 體溫人體狀態(tài)； 設(shè)備的振動、噪聲、溫度等設(shè)備的狀態(tài) 設(shè)計(jì)圖紙產(chǎn)品狀態(tài)（產(chǎn)品信息） 工藝卡制造過程狀態(tài)（工藝信息）,三、反饋,例1. 控制原理：,負(fù)載減小，使w增加,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)。,,離心滑套下移 滑閥回復(fù)中位， w回到設(shè)定值,w反過來對系統(tǒng)產(chǎn)生作用,例2.,,,外反饋(反饋控制)：附加反饋控制裝置引起信息交互,內(nèi)反饋：,,負(fù)反饋：輸出(被控量)偏離設(shè)定值(目標(biāo)值)時，反饋?zhàn)饔檬馆敵銎x程度減小，并力圖達(dá)到設(shè)定值。 如：離心調(diào)速系統(tǒng) 液面控制 動物捕食 火炮自動瞄準(zhǔn) 學(xué)習(xí)和工作中的負(fù)反饋 。。。。,正反

10、饋： 輸出偏離初始值（或穩(wěn)定值）時，反饋?zhàn)饔檬馆敵銎x程度加劇 如：三極管 倒立擺 疾病、火藥爆炸、熱核反應(yīng) 學(xué)習(xí)和工作中的正反饋 。。。。,,反饋的作用：加劇偏離,反饋的作用：消除偏離,以發(fā)動機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)為例,被控量的目標(biāo)值設(shè)定：預(yù)緊彈簧,四、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,,反饋控制系統(tǒng)的組成,特點(diǎn)：利用偏差控制系統(tǒng)的輸出,對控制系統(tǒng)，可從不同的角度分類,1.按反饋情況,開環(huán)控制系統(tǒng)：,系統(tǒng)沒有反饋回路，輸出對系統(tǒng)無控制作用。,如：步進(jìn)驅(qū)動的數(shù)控機(jī)床、普通洗衣機(jī) 家用電烤箱、微波爐、普通電風(fēng)扇,五、控制系統(tǒng)的分類,

11、,閉環(huán)控制系統(tǒng)：,有反饋回路，輸出對系統(tǒng)有控制作用。,如：前例中的離心調(diào)速系統(tǒng) 伺服驅(qū)動的數(shù)控機(jī)床 恒溫箱(冰箱、空調(diào)) 人騎自行車,,,1.按反饋情況,自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)(恒值系統(tǒng))：系統(tǒng)的輸出保持常量。,如：離心調(diào)速系統(tǒng)、恒溫箱、液面控制等,為閉環(huán)系統(tǒng),隨動系統(tǒng)：,系統(tǒng)的輸出相應(yīng)于輸入按任意規(guī)律變化。,如：炮瞄雷達(dá)系統(tǒng)、仿形加工、動物捕食等,多為閉環(huán)系統(tǒng),程序控制系統(tǒng)：,系統(tǒng)的輸出按預(yù)定程序變化。,如：數(shù)控機(jī)床、全自動洗衣機(jī)等,開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng),2. 按輸出量的變化規(guī)律分,連續(xù)控制系統(tǒng),離散控制系統(tǒng),,線性控制系統(tǒng),非線性控制系統(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

12、制系統(tǒng),3. 按信號類型分,4. 按線性性質(zhì)分,5. 按時變情況分,6. 按被控量分,,系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)正常工作的首要條件,六、對控制系統(tǒng)的基本要求,系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力,穩(wěn)定性好，則系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力強(qiáng),系統(tǒng)的快速性,快速性好，則消除偏差快，或調(diào)整時間短。,系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,準(zhǔn)確性好，則調(diào)整過程結(jié)束后，輸出值與期望值偏差小,七、本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法,本課程是一門比較抽象的技術(shù)基礎(chǔ)課，涉及的范圍 非常廣泛；,控制理論不僅是一門重要的學(xué)科，而且也是一門卓 越的方法論；,重視實(shí)驗(yàn)，重視相關(guān)的實(shí)踐活動，這樣才有助于對 基本概念的理解與基本方法的運(yùn)用；,將控制理論同機(jī)械工程結(jié)合，運(yùn)用控制論的理論與 方法，結(jié)合機(jī)械工程實(shí)際來考察、提出、分析與解 決機(jī)械工程中的問題。,書書之所未書！,敢問路在何方？路在腳下！,千里之行，始于足下！,