機(jī)械控制工程章第1頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-1概述控制人工控制自動(dòng)控制目標(biāo)：使被控對(duì)象按指定規(guī)律變化機(jī)械工程控制基礎(chǔ)機(jī)械工程控制論一、控制理論的發(fā)展（一）“控制”問題的提出（二）經(jīng)典自動(dòng)控制理論的發(fā)展（一）現(xiàn)代控制理論二、機(jī)械制造的發(fā)展和控制理論的應(yīng)用第一章緒論第2頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、控制理論的發(fā)展1.蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的人工控制眼、轉(zhuǎn)速表蒸汽機(jī)手、閥門大腦希望恒定轉(zhuǎn)速M(fèi)實(shí)際n蒸汽機(jī)負(fù)載Mn進(jìn)汽量Q閥門眼腦手測(cè)速表希望恒定轉(zhuǎn)速（1）原理圖控制——某個(gè)主體使其他對(duì)象按照一定的目的來動(dòng)作；反饋——將輸出反回輸入端的過程；偏差——輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差?？刂频幕具^程就是“檢測(cè)偏差用以糾正偏差”的過程（一）“控制”問題的提出（2）控制系統(tǒng)方框圖第3頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制（1）原理圖兩者的基本原理相同，都是建立在“檢測(cè)偏差用以糾正偏差”的基礎(chǔ)之上。（2）控制系統(tǒng)方框圖離心機(jī)構(gòu)蒸汽機(jī)負(fù)載MnAB進(jìn)汽量Q閥門滑套n1被控對(duì)象檢測(cè)、比較機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)θ離心機(jī)構(gòu)蒸汽機(jī)閥門比較機(jī)構(gòu)給定NgM實(shí)際nQΔ第4頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（二）經(jīng)典自動(dòng)控制理論的發(fā)展1788瓦特：蒸汽機(jī)離心調(diào)速器1868J.C.Maxwell：“反饋控制”概念1882李亞普諾夫：系統(tǒng)穩(wěn)定性的嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義1884E.J.Routh：線性系統(tǒng)代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)1932H.Nyquist：頻域穩(wěn)定性判據(jù)

H.W.Bode：對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖

Harris：傳遞函數(shù)1945：第一部經(jīng)典控制理論書籍《伺服機(jī)構(gòu)》出版1948

N.Wiener：發(fā)表著名的《控制論》形成完整的經(jīng)典控制理論1950W.R.Evans：根軌跡法1954錢學(xué)森：發(fā)表著名的《工程控制論》創(chuàng)立工程控制論這門學(xué)科研究復(fù)域內(nèi)(頻域)單輸入/出、線性非時(shí)變系統(tǒng)傳遞函數(shù)(頻率響應(yīng)函數(shù))穩(wěn)定性快速性準(zhǔn)確性第5頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（三）現(xiàn)代控制理論的發(fā)展時(shí)域內(nèi)、利用狀態(tài)空間分析，研究多輸入、多輸出、非線性、時(shí)變系統(tǒng)的最優(yōu)控制、系統(tǒng)識(shí)別等問題。50年代未~60年代初：產(chǎn)生現(xiàn)代控制理論關(guān)鍵問題能否建立反映過程或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型能否對(duì)此模型提供有效的算法與程序1956年前蘇聯(lián)邦特略京提出極大值原理1957年美國(guó)貝爾曼(R.I.Bellman)提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論提出Kalman濾波1960年美國(guó)卡曼(R.E.Kalman)70年代：自適應(yīng)控制計(jì)算機(jī)控制模糊控制專家控制智能控制本課程著重研究有關(guān)機(jī)電控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題第6頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、機(jī)械制造的發(fā)展和控制理論的應(yīng)用成品人的感覺器官加工對(duì)象人體、手需求干擾人腦特點(diǎn)：人逐步從制造過程諸環(huán)節(jié)的直接參與中解脫出來；首先從加工(執(zhí)行）→檢測(cè)→控制中解脫出來人的感覺器官加工對(duì)象機(jī)器機(jī)構(gòu)需求干擾人腦體力成品需求干擾干擾檢測(cè)裝置加工對(duì)象加工設(shè)備人腦成品干擾干擾檢測(cè)系統(tǒng)加工對(duì)象加工設(shè)備計(jì)算機(jī)需求成品計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)CIMS智能制造系統(tǒng)IMSERP第7頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制理論在機(jī)械制造領(lǐng)域中應(yīng)用最活躍的幾個(gè)方面在機(jī)械制造過程自動(dòng)化方面自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線→數(shù)控機(jī)床、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線→無人車間→CIMS→智能制造系統(tǒng)IMS在對(duì)加工過程的研究方面高速切削、強(qiáng)力切削、高速空程在產(chǎn)品與設(shè)備的設(shè)計(jì)方面經(jīng)驗(yàn)、試湊、類比設(shè)計(jì)→計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)→人工智能專家系統(tǒng)（人工智能技術(shù)AI、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ANN)在動(dòng)態(tài)過程或參數(shù)的測(cè)試方面靜態(tài)→動(dòng)態(tài)第8頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1-2研究對(duì)象與任務(wù)系統(tǒng)輸入輸出實(shí)質(zhì)是研究工程技術(shù)領(lǐng)域廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題。研究輸入、系統(tǒng)特性、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。y(t)f(t)mkc令p=d/dt(mp2+cp+k)y(t)=f(t)y(t)x(t)y(t)mkc(mp2+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t)第9頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、系統(tǒng)分析：已知系統(tǒng)、輸入，求輸出（響應(yīng)）。2、最優(yōu)控制：系統(tǒng)已確定，要求輸出盡可能符合給定的最佳要求，求輸入。3、最優(yōu)設(shè)計(jì)：已知輸入，要求輸出盡可能符合給定的最佳要求，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)。4、濾波與預(yù)測(cè)：已知輸出，確定系統(tǒng)，以識(shí)別輸入或輸出的有關(guān)信息。5、系統(tǒng)辨識(shí)：根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出分析系統(tǒng)由哪些環(huán)節(jié)組成，并求出各環(huán)節(jié)參數(shù)。即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。研究方面：第10頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一系統(tǒng)輸入輸出干擾調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)輸入輸出反饋信息給定信息真實(shí)信息干擾§1-3控制系統(tǒng)的基本概念一、反饋1.反饋——將系統(tǒng)輸出的全部或部分返回到輸入(1)內(nèi)反饋——系統(tǒng)本身自然形成的反饋，是系統(tǒng)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的內(nèi)因(2)

外反饋——人為增加的反饋第11頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.反饋、動(dòng)態(tài)歷程、微分方程三者之間關(guān)系一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程可寫成微分方程，就揭示了系統(tǒng)本身狀態(tài)變量間的聯(lián)系，也就體現(xiàn)了系統(tǒng)本身存在反饋；而微分方程的解就體現(xiàn)了由于系統(tǒng)本身反饋的存在與外界對(duì)系統(tǒng)的作用的存在而決定的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)歷程?？梢哉f，系統(tǒng)的微分方程是本身的反饋與外界對(duì)系統(tǒng)的作用這兩者的一種數(shù)學(xué)體現(xiàn)形式；系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)歷程是這兩者存在的結(jié)果；表示系統(tǒng)本身固有特性的微分方程左端算子，就表示系統(tǒng)本身反饋的情況，是系統(tǒng)這一客觀事物的內(nèi)因。反饋、動(dòng)態(tài)歷程、微分方程三者是緊密相聯(lián)的。第12頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例1：瓦特式蒸汽機(jī)離心調(diào)速器tMMotnt1Ng3.反饋控制離心機(jī)構(gòu)蒸汽機(jī)負(fù)載MnAB進(jìn)汽量Q閥門滑套n1θ離心機(jī)構(gòu)蒸汽機(jī)閥門比較機(jī)構(gòu)給定NgM實(shí)際nQΔ第13頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例2：水位控制系統(tǒng)+-電位器放大器閥門進(jìn)水出水輸入給定水位Ug電機(jī)Ux要求水位浮子電位器水缸閥門放大器給定水位出水量干擾實(shí)際水位進(jìn)水量電機(jī)3.反饋控制第14頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一測(cè)量環(huán)節(jié)被控對(duì)象放大運(yùn)算環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)干擾比較環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)xiexo控制部分二、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)給定環(huán)節(jié)：確定被控對(duì)象的目標(biāo)值xi

；測(cè)量環(huán)節(jié)：測(cè)量被控變量xo，并將其轉(zhuǎn)換成便于傳遞的物理量，再反饋到比較環(huán)節(jié)；比較環(huán)節(jié)：輸入信號(hào)與輸出信號(hào)在比較環(huán)節(jié)進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)e=xi-xo；放大運(yùn)算環(huán)節(jié)：對(duì)偏差信號(hào)作功率放大，以推動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)動(dòng)作；執(zhí)行環(huán)節(jié)：驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象按預(yù)定規(guī)律運(yùn)動(dòng)。被控對(duì)象：是控制系統(tǒng)要操作的對(duì)象。干擾信號(hào)：不是由元件產(chǎn)生的，而是由系統(tǒng)外部環(huán)境或內(nèi)部因素造成的，它集中作用在被控對(duì)象上，影響系統(tǒng)輸出。第15頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、按反饋情況分類1、開環(huán)系統(tǒng)：當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而沒有反饋回路時(shí)，稱為開環(huán)系統(tǒng)。2、閉環(huán)系統(tǒng)：當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而存在反饋回路時(shí)，稱為閉環(huán)系統(tǒng)?！?-3系統(tǒng)分類Notes:以同等精度元件組成的系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)精度高于開環(huán)系統(tǒng)；閉環(huán)系統(tǒng)的輸出信號(hào)對(duì)系統(tǒng)工作有控制作用，而開環(huán)系統(tǒng)無；閉環(huán)系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，開環(huán)系統(tǒng)弱。第16頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電位器Ug電壓放大器功率放大器負(fù)載UfnU1U2I測(cè)速發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)功率放大器電位器給定轉(zhuǎn)速負(fù)載實(shí)際n電壓放大器IUfUgU2U1二、按輸入變化規(guī)律分類1、定值系統(tǒng)：輸入是固定值。Ug=常數(shù)2、隨動(dòng)系統(tǒng)：輸入是未知的時(shí)間函數(shù)。Ug=隨機(jī)函數(shù)3、程控系統(tǒng)：輸入是已知的時(shí)間函數(shù)。Ug=確定性函數(shù)第17頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、按系統(tǒng)中信號(hào)特性分類1、連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)都是連續(xù)時(shí)間變量的系統(tǒng)線性系統(tǒng)：能用線性微分方程表示的系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)：不能用線性微分方程表示的系統(tǒng)。2、離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中某處或多處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字信號(hào)傳遞的系統(tǒng)此外還可按系統(tǒng)部件的物理性質(zhì)分為機(jī)械/電氣/機(jī)電/液壓等控制系統(tǒng)輸出檢測(cè)元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)D/A輸入計(jì)算機(jī)控制器A/D被控對(duì)象+-第18頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)的快速性、響應(yīng)的準(zhǔn)確性tnNg(a)不穩(wěn)定tnNg(b)穩(wěn)定§1-4控制系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性——由于控制系統(tǒng)中都包含儲(chǔ)能元件，若系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)，便可能引起振蕩。穩(wěn)定性是指系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性要求是系統(tǒng)工作的首要條件。第19頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一tnNg圖1ABtnNg圖2ABtf(t)圖3AB輸入2、響應(yīng)的快速性(1)

瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間t