1、機械工程控制(kngzh)基礎南通大學(dxu)機械工程學院 徐海黎7/19/20221第一講 緒論共六十四頁機械工程控制(kngzh)控制理論在工程技術領域(ln y)的體現在同機械工程相應的機械工程領域中的體現即自動控制，在無人參與的情況下，利用控制裝置使被控對象自動地按照預定規律運行或變化。7/19/20222第一講 緒論共六十四頁控制論是一門(y mn)既與技術科學又與基礎科學緊密相關的邊緣科學。控制論在它建立后很短時間內便迅速滲透到許多科學技術領域，大大推動了近代科學技術的發展，并從中派生出許多新型的邊緣學科，如，生物控制論，經濟控制論，社會控制論，工程控制論等。控制論從解決生產實踐

2、問題開始，反過來又大大促進了生產技術，從而派生出“工程控制論”這一新型的技術科學。7/19/20223第一(dy)講 緒論共六十四頁自動控制(z dn kn zh)的發展經典起源于1788年瓦特發明蒸汽機離心調速器帶來的離心調速問題。主要研究對象：單輸入單輸出系統的輸出控制(kngzh)。數學工具：傳遞函數方法：頻率法、根軌跡法7/19/20224第一講 緒論共六十四頁7/19/20225第一(dy)講 緒論共六十四頁7/19/20226第一(dy)講 緒論共六十四頁現代進入二十世紀六十年代發展起來主要研究對象：多變量系統的狀態變量控制數學工具矢量微分方程、矩陣論、集合論、概率論方法(fngf

3、)：狀態空間法新的先進控制(kngzh)理論： 模糊控制、神經網絡、遺傳算法7/19/20227第一講 緒論共六十四頁清華大學出版社 董景新編 控制工程基礎(jch)機械工業出版社 夏德鈐編 自動控制理論清華大學出版社 吳麒編 自動控制原理參考書目7/19/20228第一(dy)講 緒論共六十四頁答疑(d y)時間：每周三下午(xiw)3:00-4:30地點：12-3047/19/20229第一講 緒論共六十四頁第一章 緒論(xln)機械工程控制論的研究對象與任務系統及其模型反饋系統的分類(fn li)控制系統的基本要求教學大綱7/19/202210第一講 緒論共六十四頁1.1機械工程控制論的

4、研究(ynji)對象與任務一、研究對象系統（廣義系統）系統：元素按一定規律的集合，即相互作用的兩個或兩個以上的元素構成的整體。一般抽象成數學模型進行研究。機械工程控制基礎研究對象包括機械系統和控制系統以及(yj)機械生產過程。7/19/202211第一講 緒論共六十四頁二、任務(rn wu)廣義系統的動力學問題動態歷程輸入、系統(xtng)、輸出三者之間的關系7/19/202212第一講 緒論共六十四頁7/19/202213第一(dy)講 緒論共六十四頁上圖（a）表示組和機床動力滑臺銑平面時的情況(qngkung)。當切削力f(t)變化時，滑臺可能產生震動，從而降低被加工工件的表面質量。為了分

5、析這個系統，首先將動力滑臺連同銑刀抽象成如圖（b）所示的質量-彈簧-阻尼系統的力學模型。7/19/202214第一(dy)講 緒論共六十四頁質量(zhling)阻尼彈簧（m-c-k）單自由度系統其中：m質量(zhling)（kg）C粘性阻尼系數（Ns/m）K彈簧剛度（N/m）f(t)外力（N），為系統輸入（激勵）y(t)質量塊位移（m），為系統輸出（響應）7/19/202215第一講 緒論共六十四頁研究系統在力f(t)作用下的運動規律，系統動力學方程(fngchng)如下：7/19/202216第一(dy)講 緒論共六十四頁三、最常見研究問題：已知系統結構參數（m,c,k）、輸入(shr)，求

6、輸出 系統分析已知系統結構參數（m,c,k）、輸出， 求輸入 最優控制已知系統輸入、輸出，求系統的參數 最優設計 教材P47/19/202217第一(dy)講 緒論共六十四頁1.2系統(xtng)及其模型一、系統由相互聯系相互作用的各部分組成，有一定目的或一定運動規律的一個整體(zhngt)。研究的廣義系統可大可小、可實可虛、可繁可簡。不是對其本身進行研究，而是抽象成數學模型。7/19/202218第一講 緒論共六十四頁二、機械系統實現一定(ydng)的機械運動、輸出一定(ydng)的機械能，以及承受一定(ydng)的機械載荷為目的的系統輸入輸出稱為“激勵”與“響應”，激勵一般是對系統的作用，

7、如加在系統的載荷，響應則指系統的變形或位移。激勵如果是人為加上則稱作“控制”，非人為加上則稱為“擾動”。7/19/202219第一(dy)講 緒論共六十四頁三、模型用數學方法描述的抽象的理論模型，表達(biod)系統內部及其與外部的關系，又稱數學模型一般以微分方程形式或者差分方程、傳遞函數、動態結構圖等進行描述7/19/202220第一(dy)講 緒論共六十四頁上圖地基(dj)振動位移x(t)為激勵，機器位移y(t)為響應。則對機器有：k7/19/202221第一(dy)講 緒論共六十四頁即：7/19/202222第一(dy)講 緒論共六十四頁1.3反饋(fnku)一、定義一個系統的輸出，部分

8、或全部地被反過來用于控制系統的輸入，稱為系統的反饋。反饋調節完全可以看成是一種原因(yunyn)與結果不斷相互作用的關系。反饋有兩種方式：正反饋、負反饋。7/19/202223第一講 緒論共六十四頁二.示例(shl)優點：控制方式簡單(jindn)；缺點：從驅動電路到工作臺這整個“傳遞鏈”中的任一環 的誤差均會影響工作臺的移動精度或定位精度。7/19/202224第一講 緒論共六十四頁檢測裝置隨時測定工作臺的實際位置（即其輸出信息）；反饋送回輸入端，與控制指令比較；根據工作臺實際位置與目的位置之間的誤差(wch)，決定控制動作，達到消除誤差(wch)的目的。7/19/202225第一(dy)講

9、 緒論共六十四頁一般控制系統的工作原理及原理圖：檢測實際輸出量；將實際值與給定值進行比較；用偏差(pinch)產生調節作用消除偏差(pinch)。7/19/202226第一(dy)講 緒論共六十四頁給定元件：用于產生給定信號或輸入信號。測量元件：用于測量被測量量（輸出量），產生與被控量有確定函數關系（通常為比例或與其導數成比例）的反饋信號。比較元件：用于比較輸入信號和反饋信號，并產生偏差信號，有些比較元件與測量元件是結合在一起的。放大元件：對偏差信號進行(jnxng)幅值或功率放大，以及信號形式變換。執行元件：直接對被控對象進行操縱的元件。被控對象：控制系統所要控制的對象。7/19/20222

10、7第一(dy)講 緒論共六十四頁三、特點控制作用由偏差引起。一旦出現偏差就產生控制作用，控制作用總是使系統的被控制量自動(zdng)沿減小或消除偏差的方向運動按偏差控制（調節）從信號的途徑看，輸出信號通過測量元件回送到輸入端，使信號通路閉合，構成閉合通路，稱為閉環，回送信號的過程稱為反饋，這一系統反饋聯結的方式是負反饋，因此稱為負反饋閉環控制。7/19/202228第一(dy)講 緒論共六十四頁7/19/202229第一(dy)講 緒論共六十四頁7/19/202230第一(dy)講 緒論共六十四頁7/19/202231第一(dy)講 緒論共六十四頁 在飛行器的儀表中，為了將陀螺(或其它測量元件

11、)測得的姿態角的數據，傳遞到比較遠的地方(如駕駛室的儀表板上)，就要進行轉角的遠距離傳送，可以利用圖示隨動系統來實現上述要求。該系統的任務就是(jish)保持輸出軸始終緊緊跟蹤輸入軸變化，又由于輸入軸位置是未知的時間函數，所以該系統是一個位置隨動系統。7/19/202232第一(dy)講 緒論共六十四頁 系統的工作原理如下：利用兩個電位器R1和R2分別把輸入(shr)軸和輸出軸的轉角r和c變成相應的電壓，然后把這兩個電壓反向串聯(相減)即得與角度偏差 成比例的電壓 ，該電壓經過放大器放大后加到電動機上，電動機的軸經減速器和輸出軸相聯，并且同時帶動電位器R2的電刷移動，如 ，則 ，放大后的電壓u

12、驅動電動機轉動，轉動方向最終應使c向r接近，使 減小。最后，兩者取得一致， ，則 ，電機停止轉動，系統進入平衡狀態(假定元件沒有死區)。這樣，就保證了輸出軸緊緊地跟隨著輸入軸的變化。 7/19/202233第一(dy)講 緒論共六十四頁7/19/202234第一(dy)講 緒論共六十四頁1.4 系統(xtng)的分類（1）按控制方式分：開環控制系統閉環控制系統復合控制系統按給定量（輸入）的變化規律分：恒值控制系統（恒值調節(tioji)系統）隨動系統程序控制系統7/19/202235第一講 緒論共六十四頁1.4 系統(xtng)的分類（2）按系統反應特性分：連續(linx)控制系統和離散（數字

13、）控制系統 按執行元件的物理性質分：電氣控制系統液壓控制系統氣壓控制系統機械控制系統機電一體化控制系統7/19/202236第一講 緒論共六十四頁開環控制系統(kn zh x tn)控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯系的控制。開環系統(xtng)的輸出量不對系統(xtng)的控制發生作用。數控機床工作臺驅動的開環系統原理圖：7/19/202237第一講 緒論共六十四頁閉環控制系統(xtng)（1）控制裝置與被控(bi kn)對象之間既有順向作用，又有反向聯系的控制。數控機床工作臺驅動的閉環系統原理圖：7/19/202238第一講 緒論共六十四頁閉環控制系統(xtng)（2）典型(d

14、inxng)閉環負反饋系統方框圖優點：精度高缺點：存在穩定性問題，元件慣性引起振蕩，系統不穩定。7/19/202239第一講 緒論共六十四頁復合(fh)控制系統開環控制方式(fngsh)和閉環控制方式(fngsh)組合在一起的控制方式(fngsh)。在閉環回路的基礎上，附加一個輸入信號或擾動作用的順饋信號，以提高系統的精度。7/19/202240第一講 緒論共六十四頁恒值控制系統(kn zh x tn)又稱自動調節系統，鎮定(zhndng)系統。在外界干擾作用下，系統的輸出仍能保持為常量的系統。其分析設計的重點是要求系統具有良好的抗干擾性能。如前面講過的蒸汽機離心調速系統。7/19/20224

15、1第一講 緒論共六十四頁隨動系統(xtng)又稱跟蹤系統。外界條件作用下，系統的輸出能相應于輸入在廣闊的范圍內按任意規律變化。對隨動系統來說，輸入信號是隨機的，其變化規律事先無法(wf)確定，要求輸出能迅速而準確地復現輸入信號的變化，其分析和設計的重點是研究系統的跟隨性能。國防工業的火炮自動瞄準系統、雷達導引系統、機械加工設備的伺服機構、天文望遠鏡的跟蹤系統。7/19/202242第一講 緒論共六十四頁程序(chngx)控制系統又稱過程控制系統。外界條件作用下，系統的輸出按預定程序變化。其輸入量為已知給定的時間函數。程序控制系統和隨動系統相似，只是輸入信號的變化規律是預先確定的。程序控制系統可

16、以是開環系統，也可以是閉環系統。應用實例：仿形銑床(xchung)、數控機床、機械手控制系統。7/19/202243第一講 緒論共六十四頁連續(linx)系統系統的各個環節的輸入信號和輸出信號都是連續時間的函數。線性系統：組成系統的各個環節的輸入輸出特性都是線性的，系統的數學模型可以用線性微分方程描述。在線性微分方程中，只含輸入量或輸出量各階導數的一次項。非線性系統：系統中有一個以上(yshng)的元件的特性是非線性的系統。非線性系統的數學模型要用非線性微分方程描述。7/19/202244第一講 緒論共六十四頁離散系統系統中有一處或數處的信號是以脈沖序列或數字編碼形式出現(chxin)的。離散

17、系統包括采樣控制系統和數字控制系統。采樣控制系統：系統中的連續信號被采樣成脈沖序列。數字控制系統：系統中的連續信號被采樣后量化成數字信號。7/19/202245第一(dy)講 緒論共六十四頁控制系統(kn zh x tn)的基本要求穩定最基本要求(yoqi)準確穩態要求快速動態要求7/19/202246第一講 緒論共六十四頁穩定性系統動態過程的振蕩趨向和系統能夠恢復平衡的能力。穩定性是保證系統能正常(zhngchng)工作的先決條件，任何系統只有在穩定的情況下才有可能正常(zhngchng)工作。系統的穩定是有裕度的，也稱為穩定裕度。穩定裕度越大，系統的穩定程度越深，系統抗干擾的能力就越強。7

18、/19/202247第一(dy)講 緒論共六十四頁準確性穩態精度，調節過程結束后，輸出量與輸入量之間的偏差。將系統引到一個穩定的工作(gngzu)狀態時的性能稱為穩態性。通常它由穩態精度來描述和刻劃，亦稱為穩態誤差。這里誤差是指希望輸出與實際輸出的差別。7/19/202248第一(dy)講 緒論共六十四頁快速性系統穩定條件下，輸出量與給定輸入量之間產生偏差時，消除這種偏差過程的快速程度。動態性能(xngnng)是指系統從一個狀態變化到另一個狀態，即過渡過程的性能(xngnng)。過渡過程的性能(xngnng)主要由快速性能(xngnng)和振蕩性能(xngnng)來描述。一般的對控制系統來說，

19、快速性是越快越好，振蕩性是越小越好，有的系統不允許有振蕩。例：火炮系統的快速性很重要 車床的給進系統不允許有振蕩7/19/202249第一(dy)講 緒論共六十四頁不同類型系統對三者要求各有側重穩準快相互制約，快速性好，會有強烈振蕩，改善穩定性，控制過程會減慢，精度也會降低。機械動力學系統的首要問題(wnt)是穩定性，過大振蕩會使部件過載損壞防止自振、降低噪聲、增加剛度。7/19/202250第一(dy)講 緒論共六十四頁機器人控制系統(kn zh x tn)CCD攝像機（Charge Coupled Device）可裝在手爪(shu zho)上，也可裝在環境中。7/19/202251第一講

20、緒論共六十四頁穩定性防止振蕩(zhndng)準確性準確抓起快速性快速到位7/19/202252第一(dy)講 緒論共六十四頁控制工程基礎(jch)教學大綱緒論(xln)控制系統的數學模型控制系統的時域分析控制系統的頻率法分析控制系統的校正7/19/202253第一講 緒論共六十四頁緒論(xln)1.1 機械工程控制論的研究對象與任務1.2 系統及其模型1.3 反饋1.4系統的分類及對控制系統的基本(jbn)要求7/19/202254第一講 緒論共六十四頁控制系統(kn zh x tn)的數學模型2.1 系統的微分方程2.2 系統的傳遞函數2.3 系統的傳遞函數方框圖及其簡化2.4 反饋(fnk

21、u)控制系統的傳遞函數2.5 相似原理7/19/202255第一講 緒論共六十四頁控制系統(kn zh x tn)的時域分析3.1 時間(shjin)響應及其組成 3.2 典型輸入信號3.3 一階系統3.4 二階系統3.5 高階系統3.6 系統穩定性的初步概念3.7 Routh穩定判據3.8 系統誤差分析與計算7/19/202256第一講 緒論共六十四頁控制系統(kn zh x tn)的頻率特性分析4.1 頻率特性概述4.2 頻率特性的圖示方法(fngf)4.3 Nyquist穩定判據4.4 Bode穩定判據4.5 系統的相對穩定性4.6 閉環頻率特性4.7 頻率特性的特征量4.8 最小相位系統與非最小相位系統7/19/202257第一講 緒論共六十四頁