1、,課程：控制工程基礎 教師：吳至境 ,教材：機械工程控制基礎 楊叔子 等編著 華中科技大學出版社 課程性質：專業(yè)基礎課 計劃學時: 48h (40+8)（C）；32h (24+8) (B) 主要內容: 結合機械工程講述經典控制論的基本內容。 成績: 平時成績-30% 考試-70%,第一章 緒論,1.1 引言 1.2 機械工程控制論的研究對象與任務 1.3 系統(tǒng)及其模型 1.4 反饋 1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求 1.6 對本課程的基本要求,1.1 引言,回答三個問題： 1、什么是“機械工程控制論”? 2、自動控制與自動控制理論 3、控制論的發(fā)展 機械工程控制論:是控制論在機械領域的體現；研

2、究用控制論的基本原理來解決機械工程中的實際技術問題。 控制：對對象施加某種操作，使其產生所期望的行為。 自動控制: 在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預定規(guī)律運行。特點：該操作由控制裝置自動完成，無須人的參與。,控制器和被控對象的總體即自動控制系統(tǒng)。 自動控制理論: 以自動控制系統(tǒng)為研究對象,采用數學的方法對自動控制系統(tǒng)進行分析與綜合。 例子：水箱液面控制系統(tǒng)：,控制論,控制論：關于控制原理和控制方法的學科，研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律（總體概述） 控制三要素： 被控對象、控制目標、控制裝置 可控與能控： 1. 被控對象（或其被控量）必須存在著多種發(fā) 展的可能性。如果

3、事物的未來只有一種可能 性，就無所謂控制了; 2. 被控制的對象不僅必須存在多種發(fā)展的可能 性，而且，可以在這些可能性中通過一定的 手段進行選擇，才談得到控制。,控制論方法： 1. 了解事物面臨的可能性空間是什么; 2. 在可能性空間中選擇某一狀態(tài)為目標 （控制目標）； 3. 控制條件，使事物向既定的目標轉化。,控制論：既是一門技術學科 又是一門技術哲學和一種科學方法論 控制論強調： 1. 所研究的對象是一個“系統(tǒng)”; 2. 系統(tǒng)在不斷地“運動” （經歷動態(tài)歷程，包括內部狀態(tài)和外部行為）； 3. 產生運動的條件是“外因” （外界的作用：輸入、干擾）； 4. 產生運動的根據是“內因”（系統(tǒng)的固有

4、特性）。,控制論強調： 元素間的相互作用：信息傳遞與交互 狀態(tài)變化 動態(tài)歷程 控制論實質上研究的是廣義的系統(tǒng)動力學， 其核心是系統(tǒng)內部以及系統(tǒng)與外界環(huán)境的信息 交互、傳遞和反饋。,控制輪與其它學科結合，形成了眾多的分支學科,控制論,經濟學,社會學,生物學,工程技術,經濟控制論,社會控制論,生物控制論,工程控制論,機械工程,機械工程控制論,共同的本質特點： 通過信息的傳遞、處理與反饋進行控制。,控制論的發(fā)展,發(fā)展歷史：,標志性事件： 18世紀，James Watt 為控制蒸汽機速度設計的離心調節(jié)器，是自動控制領域的第一項重大成果。 1877年，勞斯; 1895年霍爾維茨; 1932年，Nyqui

5、st提出了一種根據系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(對穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。 1948年,維納所著控制論出版標志這門學科的正式誕生。,提出確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的代數判據,1.2 機械工程控制論的研究對象與任務,研究對象：研究機械工程技術中廣義系統(tǒng)的動力學問題。 什么是動力學問題： 動力學問題： 系統(tǒng)在外界作用（輸入或激勵、包括外加控制與外界干擾）下，從一定初始狀態(tài)出發(fā)，經歷由其內部的固有特性（由系統(tǒng)的結構與參數決定）所決定的動態(tài)歷程（輸出或響應）。 這一過程中，系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關系即為系統(tǒng)的動力學問題。,例1-1 彈簧質量阻尼單自由度系統(tǒng) （書 p2）,同一系統(tǒng)、不同的外界作

6、用 圖1-3 m-c-k單自由度系統(tǒng),分析：分別寫出其動力學方程，為 系統(tǒng)（a）: (mp2+cp+k)y(t)=f(t) 系統(tǒng)（b）: (mp2+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t) 式中：p=d/dt（微分算子） 初始狀態(tài)：y(0)=y0, (0)=0 系統(tǒng)的固有特性：mp2+cp+k（與外界無關，左邊 算子） 外界的作用：x(t), f(t)（系統(tǒng)的輸入或激勵） 外界作用方式（與外界的關系，右邊算子）： ，cp+k 系統(tǒng)對輸入的響應（系統(tǒng)的輸出）：y(t),上例中，y(t)即微分方程的解，顯然，它是由系統(tǒng)的初始條件、系統(tǒng)的固有特性、系統(tǒng)的輸入及系統(tǒng)與輸入之間的關系所決定。 問題： 1

7、. 系統(tǒng)的輸入與系統(tǒng)的固有特性如何影響y(t)？ 三者之間表現為何種關系？ 2. 系統(tǒng)確定并已知時，對系統(tǒng)施加何種輸入， 使系統(tǒng)實現預期的響應（即y(t)）? 3. 對于確定的輸入，系統(tǒng)應具有什么特性， 才能使系統(tǒng)實現預期的響應？ 基本的動力學問題！,一般地，就系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的動態(tài)關系而言，需研究的問題包括： 1. 系統(tǒng)分析問題：已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的響應（或輸出）， 并通過響應來研究系統(tǒng)本身的問題； 2. 最優(yōu)控制問題：已知系統(tǒng)，確定輸入，使系統(tǒng)的輸出滿足要求； 3. 最優(yōu)設計問題：已知輸入，設計系統(tǒng)，使輸出滿足要求； 4. 濾波與預測問題：確定系統(tǒng)，以根據輸出識別輸入或輸入中的

8、 有關信息； 5. 系統(tǒng)辨識問題：已知輸入和輸出，識別是系統(tǒng)的結構和參數， 建立系統(tǒng)的數學模型。,1.3 系統(tǒng)及其模型,系統(tǒng)的特性： （1）系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關，而且還與系統(tǒng)的結構有關； （2）系統(tǒng)的內容比組成系統(tǒng)各元素的內容要豐富得多； （3）系統(tǒng)往往表現出在時域、頻域或空域等域內的動態(tài)特性。 機械系統(tǒng)： 以實現一定的機械運動、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)。 對于機械系統(tǒng)，其輸入和輸出分別稱為“激勵“和“響應”。,機械系統(tǒng),激勵,響應,擾動,系統(tǒng)模型： 系統(tǒng)的模型包括實物模型、物理模型和數學模型等等。,F(t),靜態(tài)模型,動態(tài)模型,靜態(tài)模型:,

9、動態(tài)模型:,1.4 反饋,控制論的三要素：信息、反饋、反饋控制。 信息：能表達一定含義的信號。 反饋（定義）：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)，與輸入信號相比較產生偏差信號的過程，稱為反饋。 若反饋的信號與輸入信號相減，使產生的偏差越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正反饋 “反饋控制”是控制論的中心思想 反饋控制系統(tǒng)：利用反饋原理構成的自動控制系統(tǒng)。 反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間的偏差，提高控制精度。,反饋控制的基本工作原理：測量偏差和糾正偏差,主反饋（外反饋）與內在反饋（內反饋） 主反饋：直接取自輸出端

10、的反饋叫主反饋。相對于被控制對象而然，由于附加的反饋控制裝置引起的信息交互。 內在反饋：非人為的，而是元件或系統(tǒng)中存在著相互耦合作用而形成的固有反饋。 內反饋例子：,用“”號代表比較元件，“”號代表兩者符號相反，“+”號代表兩者符號相同。信號沿箭頭方向從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構成的內回路。,(mp2+cp+k)y(t)=f(t),外反饋例子,例1：數控機床工作臺,無反饋控制 開環(huán)系統(tǒng),反饋控制 閉環(huán)系統(tǒng),例2：發(fā)動機離心調速系統(tǒng)：,控制原理： 1.如果負載變

11、化使轉速W增加; 2.離心機構滑套上移; 3.液壓滑閥上移，動力活塞下移動，油門關小，W減??； 4.直到滑閥回復中位，W回到設定值。 通過檢測系統(tǒng)的實際輸出值，并與設定值進行比較，反過來作用于系統(tǒng)，形成反饋，進而調節(jié)系統(tǒng)的輸出。 反饋實質上是信息的傳遞與交互。 （本例中反饋表現為W變化引起的信息傳遞與交互）。,以發(fā)動機離心調速系統(tǒng)為例： 被控對象：發(fā)動機 被控量：轉速W 被控量的目標設定：預緊彈簧設定 控制信息傳遞與反饋：,反饋裝置,控制裝置 給定環(huán)節(jié)：其職能是給出與期望的被控量相對應的系統(tǒng)輸入量 測量環(huán)節(jié)：其職能是測量被控制的物理量 比較環(huán)節(jié)：把輸入量與測量元件發(fā)來的有關被控量的反饋值進行比

12、較，求出它們之間的偏差。 放大環(huán)節(jié)：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。 執(zhí)行環(huán)節(jié)：直接推動被控對象，使其被控量按照預期的規(guī)律運行。,反饋控制系統(tǒng)的分類： 1. 按反饋情況 開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)沒有控制作用，系統(tǒng)沒有反饋回路。 例如：步進驅動的數控機床,閉環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)輸出對系統(tǒng)有控制作用，系統(tǒng)有反饋回路。 例如：伺服驅動的數控機床,閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較,閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點 偏差控制，可以抑制內、外擾動對被控制量產生的影響。精度高、結構復雜，設計、分析麻煩。,開環(huán)控制系統(tǒng)的特點 順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗

13、擾動性較差。結構簡單、調整方便、成本低。,2. 按輸出量的變化規(guī)律 自動調節(jié)系統(tǒng)（恒值系統(tǒng)）：系統(tǒng)的輸出保持常量。 如：前例中的離心調速系統(tǒng) 恒溫箱、液面控制等。 此類系統(tǒng)同時也是閉環(huán)系統(tǒng)。 隨動系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出相應于系統(tǒng)的輸入按任意規(guī)律變化。 如：炮瞄雷達系統(tǒng) 放形加工等。 此類系統(tǒng)同時也是閉環(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：數控機床 全自動洗衣機等。 此類系統(tǒng)可以是開環(huán)系統(tǒng)，也可以是閉環(huán)系統(tǒng)。,1 輸入信號（又叫輸入量、控制量、給定量）：指控制輸出量變化規(guī)律的信號。,2 輸出信號（又叫輸出量、被控制量、被調節(jié)量）：是輸入的結果，應與輸入信號間保持確定的關系。,3 偏差

14、信號：是輸入信號與反饋信號之差。,4 誤差信號：輸出希望值與實際值之差。,術語,5 擾動信號,擾動是一種對系統(tǒng)的輸出產生不利影響的信號。如果擾動產生在系統(tǒng)內部稱為內擾；擾動產生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾。外擾也是系統(tǒng)的輸入量。,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,穩(wěn)、快、準。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性： 穩(wěn)定性是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復平衡狀態(tài)的能力，這是系統(tǒng)正常工作的首要要求。 1 對恒值系統(tǒng)，要求當系統(tǒng)受到擾動后，經過一定時間的調整能夠回到原來的期望值。 2 對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據量的變化。,穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現預定任務。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結構決定與外界因素無關。,系統(tǒng)的快速性： 在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，當系統(tǒng)的輸出量與給