聊城大學汽車學院《機械工程控制基礎》第一章.ppt

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1、制作：華中科技大學 熊良才、吳波、陳良才,,聊城大學 汽車與交通工程學院,,機械工程控制基礎,授課人：張來剛,個人介紹：,姓名：張來剛,學習經(jīng)歷：,本科畢業(yè)于吉林大學，大學期間所學專業(yè)：電子信息工程； 2007年在中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所就讀研究生，今年7月博士畢業(yè)；所學專業(yè)：機械電子工程；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 熊良才、吳波、陳良才,教材： 楊叔子等,機械工程控制基礎,華中科技大學出版社,(第六版),2011 參考文獻： 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.機械工程控制基礎.西安交通大學出版社.1997. 4.Matlab使用手冊,,聊城大學 汽車與交通工程學院,,機械工程控制基礎,本課程的主要內容：,第一章 緒論 第二章 系統(tǒng)的數(shù)學模型 第三章 系統(tǒng)的時間相應分析 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,為什么要學控制論？ 1.機電一體化產(chǎn)品的出現(xiàn)與逐漸普及,“機”+“電”? “信息傳遞與交換” 控制

3、論、系統(tǒng)論、 信息論、微電子技術（計算機技術）相結合的產(chǎn)品,2.機械系統(tǒng)朝高速、高負載、超精密、超大型或超微型等方向發(fā)展。（設計、制造、使用、維護）“動態(tài)”,設計: 動態(tài)設計 制造: 關注制造過程 的動態(tài)特性. 使用:系統(tǒng)的動態(tài)特性(安全、性能) 維護：監(jiān)測與故障預測、診斷,,,,3.動態(tài)測試、信號處理（信號與系統(tǒng)） 傳感器的選擇、信號預處理器的設計、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)動機性能監(jiān)控,5.其他工程應用 軍事、航天領域 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、

4、玻璃、造紙等 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 自動灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質量檢測；疫情檢測等。 其他領域 通信、交通、醫(yī)學、環(huán)境保護、經(jīng)濟管理等,6.個人日常生活和工作 電冰箱、電飯煲、空調器、音響、收音機等等,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 蒸汽機離心調速器,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,,實施控制,,消除偏差,控制的三要素,控制對象、控制目標、控制手段（裝置、算法等）,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

5、控制目標,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 實施控制實現(xiàn)控制目標,機械工程控制論研究機械工程技術中的廣義系統(tǒng)動力學問題。,二、機械工程控制論研究對象與任務,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：輸出,外界的作用,信息的傳遞 與交互,系統(tǒng)的響應,,,控制論：技術學科、技術哲學、科學方法論,控制論強調： 對象是一個“系統(tǒng)”； 系統(tǒng)不斷“運動” (經(jīng)歷動態(tài)歷程，包括內部狀態(tài)和 外部行為) “外因” (輸入、干擾)是運動的條件 “內因”(系統(tǒng)

6、的固有特性)是運動的根據(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、機械工程控制論研究對象與任務,二、機械工程控制論研究對象與任務,控制論與其它學科結合，形成眾多的分支學科,經(jīng)濟學,生物學,社會學,,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,共同的本質特點：通過信息傳遞，處理與反饋進行控制,工程技術,,,,,,二、機械工程控制論研究對象與任務,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)要素的一切事物或對象,機械工程中的廣義系統(tǒng)：,元件、部件、儀器、設備、加工過程、操

7、作設備、測量、車間、部門、工廠、企業(yè)、企業(yè)集團、全球制造業(yè),如：機器系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、生命系統(tǒng)、 思維、學習、工作，社會、經(jīng)濟系統(tǒng)等,二、機械工程控制論研究對象與任務,2. 系統(tǒng)的動力學問題,研究的是機械工程廣義系統(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)歷的由其內部的固有特性（即由系統(tǒng)的結構與參數(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)關系。,二、機械工程控制論研究對象與任務,例：彈簧-質量-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），并通過響應來研究系統(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，使實際輸出滿足要求。 最優(yōu)設計問題：已知輸入，設計系統(tǒng)，使輸出滿足要求。 濾波與預測問題：設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信息。 系統(tǒng)辨識問題：已知輸入和輸出，要識別系統(tǒng)的結構和參 數(shù)，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。,研究任務,1.信息 定義1：一切能表達一定意義的信號、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：事物運動的狀態(tài)和

9、方式。如： 體溫人體狀態(tài)； 設備的振動、噪聲、溫度等設備的狀態(tài) 設計圖紙產(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 滑閥回復中位， w回到設定值,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,內反饋：,,負反饋：輸出(被控量)偏離設定值(目標值)時，反饋作用使輸出偏離程度減小，并力圖達到設定值。 如：離心調速系統(tǒng) 液面控制 動物捕食 火炮自動瞄準 學習和工作中的負反饋 。。。。,正反

10、饋： 輸出偏離初始值（或穩(wěn)定值）時，反饋作用使輸出偏離程度加劇 如：三極管 倒立擺 疾病、火藥爆炸、熱核反應 學習和工作中的正反饋 。。。。,,反饋的作用：加劇偏離,反饋的作用：消除偏離,以發(fā)動機離心調速系統(tǒng)為例,被控量的目標值設定：預緊彈簧,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：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：步進驅動的數(shù)控機床、普通洗衣機 家用電烤箱、微波爐、普通電風扇,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：前例中的離心調速系統(tǒng) 伺服驅動的數(shù)控機床 恒溫箱(冰箱、空調) 人騎自行車,,,1.按反饋情況,自動調節(jié)系統(tǒng)(恒值系統(tǒng))：系統(tǒng)的輸出保持常量。,如：離心調速系統(tǒng)、恒溫箱、液面控制等,為閉環(huán)系統(tǒng),隨動系統(tǒng)：,系統(tǒng)的輸出相應于輸入按任意規(guī)律變化。,如：炮瞄雷達系統(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)的輸出按預定程序變化。,如：數(shù)控機床、全自動洗衣機等,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)恢復平衡狀態(tài)的能力,穩(wěn)定性好，則系統(tǒng)恢復平衡狀態(tài)的能力強,系統(tǒng)的快速性,快速性好，則消除偏差快，或調整時間短。,系統(tǒng)的準確性,準確性好，則調整過程結束后，輸出值與期望值偏差小,七、本課程的特點與學習方法,本課程是一門比較抽象的技術基礎課，涉及的范圍 非常廣泛；,控制理論不僅是一門重要的學科，而且也是一門卓 越的方法論；,重視實驗，重視相關的實踐活動，這樣才有助于對 基本概念的理解與基本方法的運用；,將控制理論同機械工程結合，運用控制論的理論與 方法，結合機械工程實際來考察、提出、分析與解 決機械工程中的問題。,書書之所未書！,敢問路在何方？路在腳下！,千里之行，始于足下！,