机械工程控制基础课件-第一章

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1、学时：学时：4040教师：谭心、钟金豹、张文兴、邢静宜教师：谭心、钟金豹、张文兴、邢静宜学院：机械工程学院学院：机械工程学院重要性：重要性： 为“机械设计制造及其自动化”专业必修课，是机械工程类专业，特别是机电工程类专业的重要理论基础之一。 “方法论”：系统、动态、本身特性（内因）、外界输入干扰（外因）。应用：应用： 数控机床：按预先排定的工艺程序几何形状 火炮自动瞄准：跟踪雷达、指挥仪目标 人造地球卫星：按预定轨道发射，并准确回收重要性及其应用重要性及其应用前期知识：前期知识：（复变函数、积分变换等）良好的数学、力学、（复变函数、积分变换等）良好的数学、力学、电学基础，一定的机械工程方面的专

2、业知识。电学基础，一定的机械工程方面的专业知识。目标：目标：用控制论解决机械工程问题用控制论解决机械工程问题如：机床工作台低速运动出现爬行现象，驱动工作台移动的 物理模型？求解：输入与输出的关系数学模型： 科研：定性定性 定量定量 分析分析 规律规律000imxk xxcx性质：性质：侧重原理，内容切合工程实际，是一门专业基础课。 以控制论为理论基础，研究机械工程中广义系统的动 力学问题；同时，也是一种“方法论”。任务及目的：任务及目的：使学生能以动力学的观点而不是静态观点去看待一个机械工程系统；从整个系统中的信息传递、转换、反馈等角度来分析系统的动态行为；能结合工程实际，应用经典控制论的基本

3、概念和基本方法来分析、研究和解决其中的问题。课程的性质、任务及目的课程的性质、任务及目的主要的两个问题：主要的两个问题： 对机电系统中存在的问题能用控制论的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题的本质和有效的解决方法。 如何控制一个机电系统，使之按规定的规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。 1.对建立机电系统的数学模型，Laplace应用，传函及框图的求取、简化，运算等，应概念清楚，熟练掌握。 2.对经典系统的时域和频域特性，应用清楚的基本概念并能熟练掌握。 3.掌握判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据。课程的课程的基本要求基本要求4040学时：学时： 第一章第一章

4、绪论绪论 2 2 第二章第二章 系统的数学模型系统的数学模型 1010 第三章第三章 时间响应与误差分析时间响应与误差分析 1010 第四章第四章 系统的频率特性分析系统的频率特性分析 1010 第五章第五章 系统的稳定性系统的稳定性 8 8 考核方式：闭卷考试考核方式：闭卷考试 考试成绩考试成绩80%+80%+平时成绩平时成绩20%20%教学内容与学时分配教学内容与学时分配第一章第一章 绪论绪论教学内容：教学内容： 一一. .机械工程控制基础的基本概念，研究对象和任务，机械工程控制基础的基本概念，研究对象和任务， 学习本课程的目的和意义；学习本课程的目的和意义； 二二. .关于关于“系统系统

5、”、“信息传递信息传递”和反馈及和反馈及“反馈控反馈控 制制”的基本概念；的基本概念； 三三. .系统及其模型，控制系统的分类，反馈控制系统系统及其模型，控制系统的分类，反馈控制系统 的基本组成，对控制系统的基本要求，本课程的特点。的基本组成，对控制系统的基本要求，本课程的特点。自动控制：自动控制：在没人直接参与的情况下，利用控制装置自动地操纵机器设备或生产过程，使其具有希望的状态或功能。自动控制系统：自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统。例如：电炉炉温自动控制系统 （比较人工控制）一一. .控制系统工作原理及组成控制系统工作原理及组成1.人工控制的恒温箱测量：温度计被控对象：恒温箱被控量

6、：温度控制器：调压器，改变加热电阻丝的电流观察的温度与要求的温度进行比较偏差，当低于所要求的T时，向右移动触头，I 、T 。反之，左移。举例举例- -恒温箱恒温箱2.自动控制的恒温箱举例举例- -恒温箱恒温箱 温度计 热电偶，增加了电气、电机、减速器等。 热电偶测出的电压信号 ，与箱内温度成正比例。 ，经电压及功率放大后，来控制电机的旋转速度及方向，又经传动机构减速器使调压器的触头移动，使I 或 ，直至T到达给定值。 ,电机停转，完成任务。2V12VVV0V恒温箱自动控制系统方框图：将以上两个系统对比： 人工 自控（1）测量 温度计 眼睛 热电偶（2）比较 头脑 自动控制器（3）执行 手 电机

7、等 2V人工控制人工控制自动控制自动控制例例. .控制实例控制实例- -液面控制液面控制测量测量比较比较执行执行A.A.自动控制系统的分类：自动控制系统的分类：（一）按有无反馈，可分为：1.1.开环控制系统开环控制系统 输入、输出间不存在反馈，输出量对系统的控制作用无影响，精度取决于系统各部分的标准精度以及工作中元件和参数的稳定程度。特点：特点：若不存在内外干扰，且元件参数稳定，系统简单，可保证足够精度。如：导弹发射架控制系统二二. .自动控制系统的几种分类及基本要求自动控制系统的几种分类及基本要求2.2.闭环控制系统：闭环控制系统： 输入、输出间有反馈回路，输出量对控制作用有直接影响。 产生

8、控制的关键 偏差。“检测偏差，用以消除之”导弹发射架控制系统3.3.闭环与开环控制系统比较：闭环与开环控制系统比较：稳定性：开环（好）；闭环：参数若不当 振荡 不稳定 失控 开环 闭环 精度 成本 结构 简单 复杂 稳定性 若要求复杂且准确度 的控制任务，可将开、闭环控制结合一起应用 经济、性能 的控制系统。 （二）按系统功能（输出变化规律）可分为：（二）按系统功能（输出变化规律）可分为：1.1.自动调节系统（恒值控制系统）自动调节系统（恒值控制系统）闭环系统闭环系统在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保持为常量。如：恒温调节系统、电热水器、稳压电源。2.2.随动系统（伺服跟踪系统）随动系统（

9、伺服跟踪系统）无章可循无章可循 系统的输入量随时间任意变化，输出以要求的精度及时平稳地复现输入量。如：炮瞄雷达系统、液压仿形刀架（配钥匙）（飞机的位置输入，高射炮的指向输出，高射炮的指向随飞机位置的变动而变动）3.3.程序控制系统程序控制系统有章可循有章可循系统的输出按规定程序变化的系统。如：数控机床进给系统。（三）按系统性能可分为：（三）按系统性能可分为：1.1.线性与非线性系统：线性与非线性系统： 线性定常 线性微分方程，系数为常数，满足迭加原理。 非线性 不满足迭加原理，线性化处理（Computer应用） 时变系统 例如：宇宙飞船控制系统2.2.连续与离散系统连续与离散系统Compute

10、r控制的系统离散（数字）控制系统B.B.对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求: :稳:稳定性; 快:快速性; 准:准确性（稳态精度）典型二阶系统阶跃响应曲线稳、快、准稳、快、准1.稳定性 动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。由于惯性，各参数配合不当 振荡 失去工作能力。要求：输出量偏离给定输入量的初始值应随时间增长渐趋于0。2.快速性 消除偏差过程的快慢程度。 指被控量达到稳态值的95%（或98%）所需的时间。 表现响应速度输入信号加入后，输出量跟随输入量变化的迅速程度,主要取决于系统的惯量及阻力作用的强弱等。:st3.准确性 稳态误差（精度）：调整结束后， 要求：输出

11、量尽量接近或复现输入量，从一个稳态 另一个稳态.对同一个系统，输入信号变化规律不同，稳态精度也不同。 CtCt期望实际差典型反馈控制系统一般组成三三. .反馈（反馈（feedbackfeedback）注：校正元件：参数或结构便于调整的元件，用于改善系统性能。主反馈一定是负反馈。局部反馈：主要是为对系统进行校正，补偿或线性化而加入的。1.给定环节：给出输入信号的环节 确定被控对象的“目标值”可用各种形式发出信号：如电量、数字量、模拟量等。2.测量环节： 用于测量被控变量，并将被控变量转换为便于传送的另一物理量（如：电量） 如用电位计将机械转角 电压信号，用测速电机将转速 电压信号，位移传感器，热