1、02015.92015.9主講人：高愛華主講人：高愛華 機械與動力工程學院機械與動力工程學院機械類專業必修課機械類專業必修課機械工程控制基礎機械工程控制基礎11 1、課程準備、課程準備2 2、緒、緒 論論4 4、系統的時間響應分析、系統的時間響應分析3 3、系統的數學模型、系統的數學模型5 5、系統的頻率特性分析、系統的頻率特性分析6 6、系統的穩定性分析、系統的穩定性分析2 課程性質 本課程是機械類專業重要的技術基礎課，主要介紹應用現代機、電、液技術構成機電液一體化系統的理論與設計方法。涉及的基礎知識有工程數學、理論力學、機械設計、電工與電子技術和液壓傳動技術等，因此要求同學們在學習本課程時

2、應能夠經常回顧上述課程的有關內容，達到溫故而知新的目的。3本課程與其它課程的關系：本課程與其它課程的關系：機械控制工程基礎機械控制工程基礎電路理論電路理論大學物理大學物理信號與系統信號與系統復變函數復變函數拉氏變換拉氏變換模擬電子技術模擬電子技術線性代數線性代數微積分微積分各各 類類專業課專業課線性系統線性系統現代控現代控制理論制理論4 課程的性質和特點課程的性質和特點 控制論為理論基礎，研究機械工程中廣義系統控制論為理論基礎，研究機械工程中廣義系統的動力學問題，同時，它又是一種方法論，的動力學問題，同時，它又是一種方法論，從方法論的角度來研究系統的建立、分析與設計機械控制工程基礎是本學科的技

3、術基礎課。學習內容學習內容 本課程的主要學習內容有：緒論，積分變換，系統的數學模型，時間響應分析，頻率特性分析，系統的穩定性分析和系統的性能指標與校正等，屬于經典控制論的基本知識。學習目的學習目的 本課程的學習目的是：使學生逐步學會運用“系統和動態”的觀點，以及采用控制理論的方法解決機械工程中的實際技術問題。5 基本要求1、掌握經典控制理論的基本概念、基本理論與基本方法；2、能夠應用分析法建立簡單動力學系統的數學模型；3、能夠應用經典控制論分析線性定常系統的動態特性，基本掌握線性定常系統性能校正的方法；4、對于線性系統的時域和頻域分析、穩定性分析和性能指標有比較深入的理解。67機械工程控制課程

4、大綱：機械工程控制課程大綱：系統系統機械系統機械系統電器系統電器系統液壓、氣動系統液壓、氣動系統熱力系統熱力系統牛頓定律牛頓定律理論力學理論力學歐姆定律、克希夫定律歐姆定律、克希夫定律電工學電工學液壓與氣動液壓與氣動拉氏變換拉氏變換理論分析理論分析傳遞函數傳遞函數微分方程微分方程2 2補充補充時間響應分析時間響應分析3 3（時域分析）（時域分析）頻率特性分析頻率特性分析4 4（頻域分析）（頻域分析）系統的穩定性系統的穩定性 5 5系統性能指標與校正系統性能指標與校正6 6分析系統特性分析系統特性系統系統輸入輸入輸出輸出穩、快、準穩、快、準實驗數據實驗數據系統辨識初步系統辨識初步9 9數學模型數

5、學模型8 主要參考資料1、機械工程控制基礎（第四版） 楊叔子等編著 華中科技大學出版社 2002年1月2、機械控制工程基礎 朱驥北 機械工業出版社 2002年1月3、控制工程基礎 張伯鵬主編 清華大學出版社 2000年6月 4、 控制理論基礎 王顯正主編 科學技術出版社 2000年1月 9101112131415第一講第一講 控制系統及控制系統及其研究對象和任務其研究對象和任務16 機械工業是國民經濟中重要的基礎工業。機械工業的核心是機械制造工業。當前機械制造技術發展的一個明顯而主要的動向是越來越廣泛而深刻地引入控制理論。從根本上講，其原因是控制理論以它本身固有的辨證方法順應了機械制造工程技術

6、發展的趨勢。 控制理論在工程技術領域中體現為工程控制論，在機械工程領域則體現為機械工程控制論。 17一、控制理論與控制系統一、控制理論與控制系統1 1、基本概念、基本概念 控控 制：制：以人為或自動的方式，通過一定的手段操以人為或自動的方式，通過一定的手段操縱受控對象或過程，使之按照預定的規律運行，并縱受控對象或過程，使之按照預定的規律運行，并具有一定的狀態與性能。具有一定的狀態與性能。控制實例控制實例1：液面控制：液面控制檢測偏差 消除偏差 實施控制 1819控制實例控制實例2：冰箱控制系統：冰箱控制系統20系統與外界的交互作用系統與外界的交互作用21機械工程中的廣義系統：機械工程中的廣義系

7、統：22研究對象研究對象：工程技術中的廣義動力學系統。工程技術中的廣義動力學系統。A廣義動力學系統在一定的外界條件下（輸入或激勵，廣義動力學系統在一定的外界條件下（輸入或激勵，包括外加控制與外加干擾）作用下，從系統的一定的包括外加控制與外加干擾）作用下，從系統的一定的初初始狀態始狀態出發，所經歷的由其出發，所經歷的由其內部固有特性內部固有特性（系統結構與（系統結構與參數所決定的特性）所決定的參數所決定的特性）所決定的動態歷經過程動態歷經過程。A研究系統及其輸入、輸出三者之間的研究系統及其輸入、輸出三者之間的動態關系動態關系232 2、工程控制論的內容劃分、工程控制論的內容劃分 控制論、量子論與

8、相對論被人們譽為控制論、量子論與相對論被人們譽為20世紀上半葉世紀上半葉的的3項科學革命。項科學革命。經典控制理論經典控制理論：（：（4050年代末）年代末）以傳遞函數為基礎，研究單輸入以傳遞函數為基礎，研究單輸入單輸出定常控制系統的分析與設計問題。單輸出定常控制系統的分析與設計問題。(自動調節器、伺服系統）自動調節器、伺服系統）現代控制理論：現代控制理論： （60年代初年代初現在）現在）研究多輸入多輸出、時研究多輸入多輸出、時變、非線性、高精度、高效能等控制系統的分析與設計問題。（航變、非線性、高精度、高效能等控制系統的分析與設計問題。（航天系統，導彈系統，人造衛星）天系統，導彈系統，人造衛

9、星）大系統理論：大系統理論： （70年代初年代初現在）現在）通常所說的大系統，指的是包通常所說的大系統，指的是包括工程技術、社會經濟、生物、生態等各個領域的復雜系統。（如括工程技術、社會經濟、生物、生態等各個領域的復雜系統。（如地球資源、能源、人口問題、世界模型）地球資源、能源、人口問題、世界模型）243 3、系統動力學問題分析典型實例、系統動力學問題分析典型實例 a)a)輸入相異的單自由度機械振動系統輸入相異的單自由度機械振動系統參數說明：參數說明：m m系統質量；系統質量；c c粘性阻尼系數；粘性阻尼系數；k k彈簧剛度彈簧剛度25b)b)系統動力學方程系統動力學方程A外力外力f(t)作用

10、下的系統動力學方程作用下的系統動力學方程A位移位移x(t)作用下的系統動力學方程作用下的系統動力學方程262728一般動力學系統分析：一般動力學系統分析：取算子取算子p=d/dt：A算子算子an pn+ an-1 pn-1+ a1 p+ a0反映系統本身的固有反映系統本身的固有特性。特性。A算子算子bm pm+ bm-1 pm-1+ b1 p+ b0反映系統與外界的反映系統與外界的聯系。聯系。參數參數y (t) ，(t)，為系統的狀態變量，為系統的狀態變量， y(0)，(0)，為為系統的初始狀態或初始變量。系統的初始狀態或初始變量。294 4、研究任務、研究任務: :按按系統、輸入、輸出三者的

11、動態關系系統、輸入、輸出三者的動態關系 A系統分析問題系統分析問題A最優控制問題最優控制問題A最優設計問題最優設計問題A濾波與預測問題濾波與預測問題A系統識別或辯識問題系統識別或辯識問題30例1 如圖所示的電熱水器，為了保持希望的溫度，由溫控開關接通或斷開電加熱器的電源。在使用熱水時，水箱中流出熱水并補充冷水。試說明該系統工作原理并畫出系統的方框圖。解：在電熱水器系統中，水箱內的水溫需要控制，即水箱為控制對象。水的實際溫度是被控制量，或系統的輸出量，設為To，輸入量為用戶希望的溫度，設為Ti；由于放出熱水并注入冷水或水箱散熱等原因而使水箱內水溫下降為系統的干擾。當To= Ti時，測溫元件將實際

12、溫度轉化成電信號，與溫控開關預先設定的信號進行比較得到的偏差信號為0，此時加熱器不工作，水箱中的水保持希望的溫度。當注入冷水使To下降時，偏差不為0，電控開關接通電源使電加熱器工作對水加熱，直到To= Ti為止。31系統工作框圖如下：系統工作框圖如下： 若要考察水箱中的水溫To能否保持為希望的溫度Ti，并通過實際輸出的水溫To與希望的溫度Ti之間的差別，考察各個組成部分的參數是否合理，即為系統分析問題。32例2 圖示為數控機床工作臺的傳動系統。如果考慮傳動系統的制造誤差，為了使工作臺均勻移動，試確定其輸入。此即最優控制問題。 若系統的輸入已知（例如電動機轉速），要求確定系統且其輸出符合工作臺均

13、勻移動的要求，即為最優設計問題。33例 3 電子稱的原理如下圖。顯示即為輸出，重物的重量為輸入，要求確定系統（即電子稱）以識別輸入或輸入中的有關信息，此即濾波與預測問題。 若輸入（重物）和輸出（顯示）已知，求系統的結構和參數 ，即建立系統的數學模型，此即系統識別或系統辯識問題。34三、本講小結三、本講小結A了解控制并認識控制系統了解控制并認識控制系統A控制論的研究對象控制論的研究對象A控制論的研究任務或內容控制論的研究任務或內容35思考題：思考題：舉例說明生活中控制問題。舉例說明生活中控制問題。36第二講第二講 反饋及系統模型反饋及系統模型37383940外反饋：外反饋：人為反饋（閉環系統、開

14、環系統）人為反饋（閉環系統、開環系統）41內反饋：內反饋：耦合反饋（系統或過程中自然形成的反饋）耦合反饋（系統或過程中自然形成的反饋）內反饋實例分析內反饋實例分析單自由度系統單自由度系統42狀態方程表示：狀態方程表示：取取有：有：狀態方程用方框圖表示為：狀態方程用方框圖表示為：y1和和y2之間具有信息交互作之間具有信息交互作用，本質上是彈簧的位能與用，本質上是彈簧的位能與質量的動能之間的轉換。質量的動能之間的轉換。 y2本身的交互作用就是阻尼消本身的交互作用就是阻尼消耗能量的過程。耗能量的過程。43 4445 1 1給定環節；給定環節；2 2比較環節；比較環節；3 3校正環節；校正環節；4 4

15、放大環節；放大環節；5 5執行機構；執行機構；6 6被控對象；被控對象；7 7檢測裝置檢測裝置反饋控制系統的結構及基本環節反饋控制系統的結構及基本環節設定被控制設定被控制量的給定值量的給定值的裝置的裝置將所檢測的被控制量將所檢測的被控制量與給定量進行比較，與給定量進行比較，確定兩者之間的偏差確定兩者之間的偏差量，多用差動放大器量，多用差動放大器實現負反饋實現負反饋一般由傳動裝置和調一般由傳動裝置和調節機構組成。執行機節機構組成。執行機構直接作用于控制對構直接作用于控制對象，使被控制量達到象，使被控制量達到所要求的數值所要求的數值要進行控要進行控制的設備制的設備或過程或過程控制系統所控制系統所控

16、制的物理控制的物理量（被控量）量（被控量） 檢測被控制量，檢測被控制量，并將其轉換為與并將其轉換為與給定量相同的物給定量相同的物理量理量用來實現調節作用來實現調節作用，如放大、整用，如放大、整流，也稱為調節流，也稱為調節器或調節環節器或調節環節4647閉環自動控制系統的特點：利用輸入信息與反饋至輸入處的信息之間的偏差對系統的輸出進行控制，使被控對象按一定的規律運動。48開環控制開環控制：只有輸入量對：只有輸入量對輸出量產生控制作用，輸輸出量產生控制作用，輸出量不參與對系統的控制。出量不參與對系統的控制。結構簡單、維護容易、結構簡單、維護容易、成本低、不存在穩定性問成本低、不存在穩定性問題題輸入

17、控制輸出輸入控制輸出輸出不參與控制輸出不參與控制系統沒有抗干擾能力系統沒有抗干擾能力適用范圍適用范圍：輸入量已：輸入量已知、控制精度要求不高、知、控制精度要求不高、擾動作用不大。擾動作用不大。閉環控制閉環控制：把輸出量的一：把輸出量的一部分檢測出來部分檢測出來, ,反饋到輸入反饋到輸入端端, ,與給定信號進行比較，與給定信號進行比較，產生偏差產生偏差, ,此偏差經過控制此偏差經過控制器產生控制作用器產生控制作用, ,使輸出量使輸出量按照要求的規律變化；按照要求的規律變化；輸入控制輸出，輸出輸入控制輸出，輸出參與控制參與控制檢測偏差、糾正偏差檢測偏差、糾正偏差具有抗干擾能力具有抗干擾能力結構復雜

18、結構復雜495051騎自行車過程中信息流動與反饋騎自行車過程中信息流動與反饋A反饋結構圖反饋結構圖 人騎自行車時，總是希望具有一定的理想狀態（比如速度、方人騎自行車時，總是希望具有一定的理想狀態（比如速度、方向、安全等），人腦根據這個理想狀態指揮四肢動作，使自行車按預向、安全等），人腦根據這個理想狀態指揮四肢動作，使自行車按預定的狀態運動，此時，路面的狀況等因素會對自行車的實際狀態產生定的狀態運動，此時，路面的狀況等因素會對自行車的實際狀態產生影響，使自行車偏離理想狀態，人的感覺器官感覺自行車的狀態，并影響，使自行車偏離理想狀態，人的感覺器官感覺自行車的狀態，并將此信息返回到大腦，大腦根據實際

19、狀態與理想狀態的偏差調整四肢將此信息返回到大腦，大腦根據實際狀態與理想狀態的偏差調整四肢動作，如此循環往復。其信息流動與反饋過程可用下圖表示。動作，如此循環往復。其信息流動與反饋過程可用下圖表示。A工作原理工作原理524）機械系統及系統模型）機械系統及系統模型機械系統機械系統機械系統：機械系統：以實現一定的機械運動，承受一定的機以實現一定的機械運動，承受一定的機械載荷為目的，由機械元件組成的系統。械載荷為目的，由機械元件組成的系統。概念說明概念說明激勵：激勵：外界對系統的作用。外界對系統的作用。響應：響應：系統的變形或位移。系統的變形或位移。 機械系統中的機械系統中的“激勵激勵”與與“響應響應

20、”分別代表著分別代表著系統的輸入和輸出。系統的輸入和輸出。系統控制：系統控制：激勵由人為有意識的添加。激勵由人為有意識的添加。擾擾 動：動：由系統偶然因素產生而一般無法完全認為控制的由系統偶然因素產生而一般無法完全認為控制的 激勵。激勵。53系統靜態模型和動態模型系統靜態模型和動態模型模模 型：型：一種用數學方法所描述的抽象一種用數學方法所描述的抽象的理論模型，用來表達一個系統內部的理論模型，用來表達一個系統內部各部分之間，或系統與其他外部環境各部分之間，或系統與其他外部環境之間的關系，之間的關系，又稱數學模型又稱數學模型。 模型模型是研究系是研究系統、認識系統、統、認識系統、描述系統以及分描

21、述系統以及分析系統的析系統的工具工具。靜態模型：靜態模型：反映系統在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系反映系統在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統平衡狀態下得特性，統平衡狀態下得特性，表現為代數方程表現為代數方程。如彈簧模型。如彈簧模型。動態模型：動態模型：用于研究系統在迅變載荷作用下或在系統不平用于研究系統在迅變載荷作用下或在系統不平衡狀態下的特性，表現為微分方程或差分方程。衡狀態下的特性，表現為微分方程或差分方程。靜態模型靜態模型現時輸出決定于現時輸入；現時輸出決定于現時輸入； 動態模型動態模型現時輸出決定于以前輸入的歷史。現時輸出決定于以前輸入的歷史。54靜態模型和動態模型分析示例靜態模型和動

22、態模型分析示例機器隔振系統機器隔振系統55 若以機器若以機器m為隔離體，以為隔離體，以F (t) 為激勵為激勵(不考慮不考慮y (t)，以，以位移位移x(t)為響應，應用牛頓第二定律列出該系統的動力學為響應，應用牛頓第二定律列出該系統的動力學方程為：方程為：若仍以機器若仍以機器m為隔離體，以為隔離體，以 y (t) 為激勵為激勵(不考慮不考慮F (t) ，以位移以位移x(t)為響應，應用牛頓第二定律列出該系統的動為響應，應用牛頓第二定律列出該系統的動力學方程為：力學方程為： (a) (b)方程方程(a),(b)即為該系統的動態模型。即為該系統的動態模型。56若系統運動很慢，即有：若系統運動很慢

23、，即有：則上式（則上式（a），（），（b）可化為：）可化為：此即系統的此即系統的靜態模型靜態模型，實際上，實際上x(t)x(t)與與y(t)y(t)之之間是一種代數關系，即間是一種代數關系，即代數方程式代數方程式。57三、對控制系統的基本要求三、對控制系統的基本要求58三、對控制系統的基本要求三、對控制系統的基本要求A穩定性穩定性：指動態過程的振蕩傾向和系統能夠恢復平指動態過程的振蕩傾向和系統能夠恢復平衡狀態的能力衡狀態的能力。穩定性好，則系統恢復平衡狀態的能力。穩定性好，則系統恢復平衡狀態的能力強強A快速性快速性：系統輸出量與給定的輸入量之間產生偏系統輸出量與給定的輸入量之間產生偏差時，消除這種偏差的快速程度差時，消除這種偏差的快速程度。快速性好，則消除。快速性好，則消除偏差快，或調整時間短。其表述系統動態特性。偏差快，或調整時間短。其表述系統動態特性。A準確性準確性：調整過程結束后輸出量與給定的輸入調整過程結束后輸出量與給定的輸入量之間的偏差程度，或稱靜態精度量之間的偏差程度，或稱靜態精度。準確性好，則。準確性好，則調整過程結束后，輸出值與期望值偏差小，其表述調整過程結束后，輸出值與期望值偏差小，其表述系統穩態特性系統穩態特性系統評價指標多樣，但基本和最重要是以上系統評價指標多樣，但基本和最重要是以上三種；控制系統設計根據需要各有側重。三種；控制系統設計根據需要各有側重。