機(jī)械工程控制基礎(chǔ)概論第1頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自動(dòng)控制理論簡(jiǎn)介主要闡述有關(guān)自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論機(jī)械工程廣泛引入控制理論：數(shù)控機(jī)床；工業(yè)機(jī)器人；微細(xì)工程；機(jī)床動(dòng)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)測(cè)試；精密儀器；產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)；空間技術(shù)等。第2頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自動(dòng)控制理論經(jīng)典控制理論：50年代形成的理論體系。研究單輸入－單輸出線性定常系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析問(wèn)題。理論基礎(chǔ)是描述系統(tǒng)輸入－輸出關(guān)系的傳遞函數(shù)?，F(xiàn)代控制理論：60末為適應(yīng)宇航技術(shù)發(fā)展的需要而出現(xiàn)的新技術(shù)，現(xiàn)正向大系統(tǒng)和人工智能理論等方面發(fā)展。研究多輸入－多輸出變參數(shù)、時(shí)變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析問(wèn)題。理論基礎(chǔ)是描述系統(tǒng)狀態(tài)空間法。第3頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月總學(xué)時(shí)（39）第一章緒論（3學(xué)時(shí)）第二章系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（9學(xué)時(shí)）第三章時(shí)間響應(yīng)分析（9學(xué)時(shí)）第四章頻率特性分析（7學(xué)時(shí)）第五章系統(tǒng)的穩(wěn)定性（8學(xué)時(shí)）第六章系統(tǒng)的性能指標(biāo)與校正（3學(xué)時(shí)）第4頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章緒論第5頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù)1.2系統(tǒng)及其模型1.3反饋1.4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1.5機(jī)械制造的發(fā)展與控制理論的應(yīng)用1.6控制理論發(fā)展的簡(jiǎn)單回顧1.7本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法第6頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§1機(jī)械工程控制論研究的對(duì)象和任務(wù)一、控制工程研究的對(duì)象與任務(wù)1、對(duì)象工程控制論實(shí)質(zhì)上是研究工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題第7頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月具體地說(shuō)，它研究的是工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)在一定的外界條件作用下，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)部固有的特性（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(gè)動(dòng)態(tài)歷程第8頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月初始狀態(tài)固有特性輸入輸出系統(tǒng)可大可小，可繁可簡(jiǎn)，可實(shí)可虛例：

uiRCLu0第9頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第10頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程：f(t)------系統(tǒng)的輸入（激勵(lì)）y(t)-------系統(tǒng)的輸出（響應(yīng)）mf(t)kcy(t)mf(t)F(c)F(k)第11頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月mp2+cp+k-----為方程左端的算子，它由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定，反映了與外界無(wú)關(guān)的系統(tǒng)本身的固有特性；1-----為方程右端的算子，反映了與外界的關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生變化，這一算子一般也會(huì)發(fā)生改變。第12頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第13頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月顯然，y(t)（就是微分方程的解）是由系統(tǒng)的初始狀態(tài)、系統(tǒng)的固有特性、系統(tǒng)與輸入之間的關(guān)系以及輸入所決定的；也可以說(shuō)它代表了系統(tǒng)在一定外界條件下的動(dòng)態(tài)歷程。第14頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工程控制論研究的問(wèn)題：1系統(tǒng)、輸入已知，求輸出

---------系統(tǒng)分析2系統(tǒng)已知，確定輸入，得到最佳輸出----------最優(yōu)控制3輸入已知，確定系統(tǒng)，得到最佳輸出----------最優(yōu)化設(shè)計(jì)4輸出已知，確定系統(tǒng)，識(shí)別輸入信息-----------預(yù)測(cè)5輸入輸出已知，確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

-----------系統(tǒng)的辯識(shí)第15頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2本課程任務(wù)用經(jīng)典控制理論來(lái)解決系統(tǒng)分析問(wèn)題，并適當(dāng)解決系統(tǒng)的辯識(shí)問(wèn)題實(shí)際系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型結(jié)果建立模型分析(微分方程）第16頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§2系統(tǒng)及其模型一、系統(tǒng)我們所研究的“系統(tǒng)”就是由相互聯(lián)系、相互作用的若干部分構(gòu)成，而且有一定的目的或一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一個(gè)整體。第17頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組成系統(tǒng)的各個(gè)部分，可以是元件，也可以是下一級(jí)的系統(tǒng)，后者稱為“子系統(tǒng)”；而整個(gè)系統(tǒng)又可以是上一層系統(tǒng)的子系統(tǒng)；必須注意，一個(gè)系統(tǒng)的特性并不能看成是組成它的元件或子系統(tǒng)的特性的簡(jiǎn)單總和。第18頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、機(jī)械系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)一定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、輸出一定的機(jī)械能，以及承受一定的機(jī)械載荷為目的的系統(tǒng)稱為機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的輸入稱為“激勵(lì)”，一般是外界對(duì)系統(tǒng)的作用輸出稱為“響應(yīng)”，一般是系統(tǒng)的變形或位移第19頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一個(gè)系統(tǒng)的輸入有兩種如果是人為地、有意識(shí)地加上去的，往往稱為“控制”；而如果是偶然要素產(chǎn)生的，無(wú)法加以人為控制的，則稱為“擾動(dòng)”第20頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、靜態(tài)模型與動(dòng)態(tài)模型用數(shù)學(xué)方法描述的抽象的理論模型，用來(lái)表達(dá)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間，或系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的關(guān)系的模型稱為“數(shù)學(xué)模型”第21頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月若以作用在機(jī)器上的力F(t)為激勵(lì)，以機(jī)器的振動(dòng)位移y(t)作為響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為：N(t)F(t)m機(jī)器隔振墊y(t)mF(t)y(t)kc一臺(tái)機(jī)器放在隔振墊上。第22頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月若以地基振動(dòng)位移x(t)為激勵(lì)，以機(jī)器的振動(dòng)位移y(t)為響應(yīng)時(shí)的數(shù)學(xué)模型：稱為為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型隔振墊N(t)m機(jī)器y(t)x(t)my(t)x(t)kc一臺(tái)機(jī)器放在隔振墊上。第23頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月稱為為系統(tǒng)的靜態(tài)模型第24頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜態(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；動(dòng)態(tài)模型則用于研究系統(tǒng)在迅變載荷作用下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性。靜態(tài)模型一般以代數(shù)公式描述，而動(dòng)態(tài)模型則需要以微分方程或是其離散形式------差分方程描述。第25頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3反饋

一定義一個(gè)系統(tǒng)的輸出，部分或全部地被反過(guò)來(lái)用于控制系統(tǒng)的輸入，稱為系統(tǒng)的反饋。系統(tǒng)之所以有動(dòng)態(tài)歷程，系統(tǒng)及其輸入、輸出之間所以有動(dòng)態(tài)關(guān)系，就是由于系統(tǒng)本身有信息的反饋第26頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月比較系統(tǒng)反饋輸入輸出+

=輸入±輸出第27頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電機(jī)工作臺(tái)輸入指令輸出位移檢測(cè)系統(tǒng)+-二機(jī)械工程中的反饋控制第28頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三機(jī)械系統(tǒng)的內(nèi)在反饋mf(t)cy(t)k第29頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四反饋的分類正反饋和負(fù)反饋使總的輸出增加的反饋調(diào)節(jié)為正反饋。杠桿浮子Hr閥門(mén)2Q2Q1閥門(mén)1正反饋第30頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月負(fù)反饋：使總輸出減小的反饋調(diào)節(jié)。負(fù)反饋使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定杠桿浮子Hr閥門(mén)2Q2Q1閥門(mén)1負(fù)反饋第31頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月外反饋和內(nèi)反饋外反饋：人為加入的反饋電機(jī)工作臺(tái)輸入指令輸出位移檢測(cè)系統(tǒng)+-第32頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)反饋：自然形成的反饋mf(t)cy(t)k第33頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月總結(jié)：控制論的中心思想就是“反饋控制”微分方程體現(xiàn)了系統(tǒng)本身存在著反饋微分方程的解體現(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。第34頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求一、分類1、按反饋情況分（1）開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)第35頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)僅受輸入量和擾動(dòng)量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個(gè)控制過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響。輸入裝置指令系統(tǒng)輸入控制裝置伺服驅(qū)動(dòng)裝置工作臺(tái)工作臺(tái)位置系統(tǒng)輸出數(shù)控機(jī)床的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖第36頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開(kāi)環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn)：精度通常較低、無(wú)自動(dòng)糾偏能力第37頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器對(duì)象或過(guò)程輸入量輸出量測(cè)量元件閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量第38頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖杠桿浮子H閥門(mén)2Q2Q1閥門(mén)1浮子杠桿閥門(mén)1水箱HrQ1Q2H第39頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月控制器直流電機(jī)工作臺(tái)磁尺

控制器直流電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作臺(tái)磁尺第40頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過(guò)程有直接影響。閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。優(yōu)點(diǎn)：精度較高，對(duì)外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感缺點(diǎn)：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問(wèn)題，系統(tǒng)性能分析和設(shè)計(jì)麻煩。第41頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：反饋信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的中間信號(hào)獲得。精度比閉環(huán)低穩(wěn)定性高第42頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月控制器直流電機(jī)工作臺(tái)光電編碼器控制器直流電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作臺(tái)光電編碼器nx(t)第43頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、按輸出變化規(guī)律分（1）自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（恒值系統(tǒng)）系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿?wù)是保證在任何擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。第44頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月加熱電阻絲~220V調(diào)壓器人工控制的恒溫箱溫度計(jì)第45頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月加熱電阻絲~220V調(diào)壓器熱電偶給定信號(hào)比較電壓放大器功率放大器執(zhí)行電動(dòng)機(jī)減速器u2u1++

u恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)第46頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月給定信號(hào)電壓功率放大器控制電機(jī)減速器調(diào)壓器恒溫箱(控制對(duì)象)熱電偶

u1u2

uuanvu溫度t(被控量)擾動(dòng)恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)功能框圖第47頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）程序控制系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對(duì)象按照指令程序的要求而運(yùn)動(dòng)。如數(shù)控加工系統(tǒng)。第48頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）隨動(dòng)系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律。如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。第49頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3按系統(tǒng)信號(hào)的性質(zhì)分（1）連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)為隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。（2）離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。第50頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖給定環(huán)節(jié)：確定被控制對(duì)象的“目標(biāo)值”控制部分給定環(huán)節(jié)放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對(duì)象測(cè)量環(huán)節(jié)+-xix0比較環(huán)節(jié)xb第51頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月測(cè)量環(huán)節(jié)：測(cè)量被控量，并將被控量轉(zhuǎn)換成便于傳送的另一物理量（一般為電量）控制部分給定環(huán)節(jié)放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對(duì)象測(cè)量環(huán)節(jié)+-xix0比較環(huán)節(jié)xb第52頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月比較環(huán)節(jié)：輸入信號(hào)xi與測(cè)量環(huán)節(jié)發(fā)出的有關(guān)被控變量xo的反饋xb兩相比較，并得到一個(gè)小功率的偏差信號(hào)

?？刂撇糠纸o定環(huán)節(jié)放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對(duì)象測(cè)量環(huán)節(jié)+-xix0比較環(huán)節(jié)xb第53頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)：將偏差信號(hào)作必要的校正，然后進(jìn)行功放以便推動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)；控制部分給定環(huán)節(jié)放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對(duì)象測(cè)量環(huán)節(jié)+-xix0比較環(huán)節(jié)xb第54頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月執(zhí)行環(huán)節(jié)：接受放大環(huán)節(jié)送來(lái)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行；執(zhí)行環(huán)節(jié)一般是一個(gè)有源的功率放大裝置，工作中要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換?？刂撇糠纸o定環(huán)節(jié)放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對(duì)象測(cè)量環(huán)節(jié)+-xix0比較環(huán)節(jié)xb第55頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性：

系統(tǒng)在受到外加信號(hào)作用下，輸出量隨著時(shí)間變化的全過(guò)程輸入輸出txo(t)第56頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠回復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的首要條件。第57頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月xo(t)t發(fā)散（不穩(wěn)定）收斂（穩(wěn)定）第58頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）響應(yīng)的快速性指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快速程度。第59頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月xo(t)tts誤差帶第60頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）響應(yīng)的準(zhǔn)確性指在調(diào)整過(guò)程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量之間的偏差，或稱為靜態(tài)精度；是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。一般用穩(wěn)態(tài)誤差ess表示。第61頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月xo(t)teSS第62頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月注意：1、系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性必須建立在系統(tǒng)是穩(wěn)定的基礎(chǔ)上2、對(duì)系統(tǒng)的要求是穩(wěn)、快、準(zhǔn)兼顧3、三項(xiàng)指標(biāo)存在矛盾第63頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.5機(jī)械制造的發(fā)展與控制理論的應(yīng)用控制理論在機(jī)械制造領(lǐng)域中應(yīng)用的幾個(gè)主要方面：在機(jī)械制造過(guò)程自動(dòng)化方面在對(duì)加工過(guò)程的研究方面在產(chǎn)品與設(shè)備的設(shè)計(jì)方面在動(dòng)態(tài)過(guò)程或參數(shù)的測(cè)試方面第64頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.6控制理論發(fā)展的簡(jiǎn)單回顧一千多年前：銅壺滴漏計(jì)時(shí)器、指南針、各種天文儀器時(shí)間刻度浮子銅壺滴漏第65頁(yè)，課件共70頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1788年：J.Watt發(fā)明蒸汽機(jī)調(diào)速器1868年：J.C.Maxwell發(fā)表《調(diào)速器》，提出反饋控制的概念及穩(wěn)定性條