机械控制工程基础第一章
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
的动态特性. 使用:系统的动态特
性(安全、性能) 维护：监测与故障预
测、诊断
3.动态测试、信号处理（信号与系统）
传感器的选择、信号预处理器的设计、数字信号的处理、特征提取
加工状态监控
喷气发动机性能监控
4.生产组织管理（过程的优化）
5.其他工程应用
军事、航天领域
火炮、雷达、跟踪系统、人造卫星、宇宙飞船等 流程工业
第一章 绪论
为什么要学控制论？
1.机电一体化产品的出现与逐渐普及
“机”+“电”?
“信息传递与交换” 控制论、系统论、 信息论、微电子技 术（计算机技术） 相结合的产品
2.机械系统朝高速、高负载、超精密、超大型或超微型等方向 发展。（设计、制造、使用、维护）“动态”
设计: 动态设计 制造: 关注制造过程
别输入或输入中的有关信息。 ➢ 系统辨识问题：已知输入和输出，要识别系统的结构和参
数，建立系统的数学模型。
三、反馈
1.信息
定义1：一切能表达一定意义的信号、符号和密码等。 如：报纸，烽火，电报，记号、手势等等
定义2：能够用来消除不确定性的东西。如： 报纸（过时、适时），情报（过时，适时），足球比赛 （势均力敌，势力悬殊），书籍（好，差）等 定义3：事物运动的状态和方式。如：
元素 要素 元素之间的联系
外界对系统的作用：输入、干扰 系统与外界的交互作用
系统对外界响应：输出
外界的作用
系统的响应
信息的传递 与交互
二、机械工程控制论研究对象与任务
系统普遍存在信息的传递、交互与反馈是控制论的中心思想 控制论：技术学科、技术哲学、科学方法论
控制论强调： 对象是一个“系统”； 系统不断“运动” (经历动态历程，包括内部状态和
二、机械工程控制论研究对象与任务
2. 系统的动力学问题 研究的是机械工程广义系统在一定的外界条件（即输入或 激励、干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所 经历的由其内部的固有特性（即由系统的结构与参数所决 定的特性）所决定的整个动态历程。 研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。
二、机械工程控制论研究对象与任务
外部行为) “外因” (输入、干扰)是运动的条件 “内因”(系统的固有特性)是运动的根据
二、机械工程控制论研究对象与任务
控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科
经济学
经济控制论
控制论
社会学 生物学
社会控制论 生物控制论
工程技术
工程控制论
机械工程
机械工程控制论
共同的本质特点：通过信息传递，处理与反馈进行控制
系统的输出： y ( t )
研究任务
➢ 系统分析问题：已知系统和输入，求输出（或响应），并 通过响应来研究系统本身的问题。
➢ 最优控制问题：已知系统和理想输出，求最优输入，使实 际输出满足要求。
➢ 最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。 ➢ 滤波与预测问题：设计或选择合适的系统，以便由输出识
机械工程控制基础
教材：
杨叔子等,机械工程控制基础,华中科技大学出版社,(第六 版),2011
参考文献：
1.胡寿松等,自动控制原理,科学出版社,(第五版),2009. 2.李友善.自动控制原理,国防工业出版社,2010. 3.陈康宁.机械工程控制基础.西安交通大学出版社.2005. 4.Matlab使用手册
轧钢过程、工业窑炉、石油化工、水泥建材、玻璃、造纸等 现代农业生产
自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测等。 其他领域
通信、交通、医学、环境保护、经济管理等
6.个人日常生活和工作 电冰箱、电饭煲、空调器、音响、收音机等等
7. 方法论 “反馈控制的思想”
一、概述
控制：施加某种操作于对象，使其产生所期望的行为。
体温——人体状态； 设备的振动、噪声、温度等——设备的状态 设计图纸——产品状态（产品信息） 工艺卡——制造过程状态（工艺信息）
反馈：系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分地返回， 并作用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ系统。 例1. 控制原理：
负载减小，使w增加
离心机构滑套上移
液压滑阀上移， 动力活塞下移，
油门关小，w减小
如：离心调速系统 液面控制 动物捕食 火炮自动瞄准 学习和工作中的负反馈
检测偏差 实施控制 纠正偏差
二、机械工程控制论研究对象与任务
系统的层次性与相对性： 系统的组成元素可以是子系统； 又可是更上一层系统的组成元素。
广义系统： 具备系统要素的一切事物或对象 如：机器系统、生产系统、生命系统、 思维、学习、工作， 社会、经济系统等
机械工程中的广义系统：
元件、部件、仪器、设备、加工过程、操作设备、测量、车 间、部门、工厂、企业、企业集团、全球制造业
离心滑套下移 滑阀回复中位，
w回到设定值
w反过来对系统产生作用
例2. 加工过程
理想零件
加工过程示意图
s-a
切削运动
+
+
y
力 刀具刀架系统
切削
零件
r
例3.
外反馈(反馈控制)：附加反馈控制装置引起信息交互 内反馈：
负反馈：输出(被控量)偏离设定值(目标值)时，反馈作用使输 出偏离程度减小，并力图达到设定值。
M easured speed
M etal sphere G overnor
B oiler S te a m
Valve
O utput shaft
E n g in e
图1.1 蒸汽机离心调速器
自动控制：由控制装置自动完成，无需人的参与。
图1.2 液位人工控制
检测偏差
实施控制
图1.3 液位自动控制
消除偏差
控制的三要素
控制对象、控制目标、控制手段（装置、算法等）
可控性与能控性
控制对象有多种运动状态的可能性； 能够通过控制手段使控制对象的状态达到控制目标
控制论的方法论
明确事物发展的多种可能性 确定其中一种可能性为控制目标 实施控制实现控制目标
二、机械工程控制论研究对象与任务
机械工程控制论研究机械工程技术中的广义系统动力学问题。 1.系统：元素按一定规律组合起来的能完成一定 功能的集合。
例：弹簧-质量-阻尼单自由度系统
(a)
(b)
(m p2cpk)y(t)f(t) (m p 2 c p k )y (t) (c p k )x (t)
初始状态：
y(0)y , 0
.
.
y(0) y0
系统固有特性： mp2 cpk
外界作用： f (t) , x(t)
与外界的关系： 1, cpk
初始状态、系统 固有特性、外界 作用、与外界的 关系等四大因素 决定系统响应
性(安全、性能) 维护：监测与故障预
测、诊断
3.动态测试、信号处理（信号与系统）
传感器的选择、信号预处理器的设计、数字信号的处理、特征提取
加工状态监控
喷气发动机性能监控
4.生产组织管理（过程的优化）
5.其他工程应用
军事、航天领域
火炮、雷达、跟踪系统、人造卫星、宇宙飞船等 流程工业
第一章 绪论
为什么要学控制论？
1.机电一体化产品的出现与逐渐普及
“机”+“电”?
“信息传递与交换” 控制论、系统论、 信息论、微电子技 术（计算机技术） 相结合的产品
2.机械系统朝高速、高负载、超精密、超大型或超微型等方向 发展。（设计、制造、使用、维护）“动态”
设计: 动态设计 制造: 关注制造过程
别输入或输入中的有关信息。 ➢ 系统辨识问题：已知输入和输出，要识别系统的结构和参
数，建立系统的数学模型。
三、反馈
1.信息
定义1：一切能表达一定意义的信号、符号和密码等。 如：报纸，烽火，电报，记号、手势等等
定义2：能够用来消除不确定性的东西。如： 报纸（过时、适时），情报（过时，适时），足球比赛 （势均力敌，势力悬殊），书籍（好，差）等 定义3：事物运动的状态和方式。如：
元素 要素 元素之间的联系
外界对系统的作用：输入、干扰 系统与外界的交互作用
系统对外界响应：输出
外界的作用
系统的响应
信息的传递 与交互
二、机械工程控制论研究对象与任务
系统普遍存在信息的传递、交互与反馈是控制论的中心思想 控制论：技术学科、技术哲学、科学方法论
控制论强调： 对象是一个“系统”； 系统不断“运动” (经历动态历程，包括内部状态和
二、机械工程控制论研究对象与任务
2. 系统的动力学问题 研究的是机械工程广义系统在一定的外界条件（即输入或 激励、干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所 经历的由其内部的固有特性（即由系统的结构与参数所决 定的特性）所决定的整个动态历程。 研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。
二、机械工程控制论研究对象与任务
外部行为) “外因” (输入、干扰)是运动的条件 “内因”(系统的固有特性)是运动的根据
二、机械工程控制论研究对象与任务
控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科
经济学
经济控制论
控制论
社会学 生物学
社会控制论 生物控制论
工程技术
工程控制论
机械工程
机械工程控制论
共同的本质特点：通过信息传递，处理与反馈进行控制
系统的输出： y ( t )
研究任务
➢ 系统分析问题：已知系统和输入，求输出（或响应），并 通过响应来研究系统本身的问题。
➢ 最优控制问题：已知系统和理想输出，求最优输入，使实 际输出满足要求。
➢ 最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。 ➢ 滤波与预测问题：设计或选择合适的系统，以便由输出识
机械工程控制基础
教材：
杨叔子等,机械工程控制基础,华中科技大学出版社,(第六 版),2011
参考文献：
1.胡寿松等,自动控制原理,科学出版社,(第五版),2009. 2.李友善.自动控制原理,国防工业出版社,2010. 3.陈康宁.机械工程控制基础.西安交通大学出版社.2005. 4.Matlab使用手册
轧钢过程、工业窑炉、石油化工、水泥建材、玻璃、造纸等 现代农业生产
自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测等。 其他领域
通信、交通、医学、环境保护、经济管理等
6.个人日常生活和工作 电冰箱、电饭煲、空调器、音响、收音机等等
7. 方法论 “反馈控制的思想”
一、概述
控制：施加某种操作于对象，使其产生所期望的行为。
体温——人体状态； 设备的振动、噪声、温度等——设备的状态 设计图纸——产品状态（产品信息） 工艺卡——制造过程状态（工艺信息）
反馈：系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分地返回， 并作用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ系统。 例1. 控制原理：
负载减小，使w增加
离心机构滑套上移
液压滑阀上移， 动力活塞下移，
油门关小，w减小
如：离心调速系统 液面控制 动物捕食 火炮自动瞄准 学习和工作中的负反馈
检测偏差 实施控制 纠正偏差
二、机械工程控制论研究对象与任务
系统的层次性与相对性： 系统的组成元素可以是子系统； 又可是更上一层系统的组成元素。
广义系统： 具备系统要素的一切事物或对象 如：机器系统、生产系统、生命系统、 思维、学习、工作， 社会、经济系统等
机械工程中的广义系统：
元件、部件、仪器、设备、加工过程、操作设备、测量、车 间、部门、工厂、企业、企业集团、全球制造业
离心滑套下移 滑阀回复中位，
w回到设定值
w反过来对系统产生作用
例2. 加工过程
理想零件
加工过程示意图
s-a
切削运动
+
+
y
力 刀具刀架系统
切削
零件
r
例3.
外反馈(反馈控制)：附加反馈控制装置引起信息交互 内反馈：
负反馈：输出(被控量)偏离设定值(目标值)时，反馈作用使输 出偏离程度减小，并力图达到设定值。
M easured speed
M etal sphere G overnor
B oiler S te a m
Valve
O utput shaft
E n g in e
图1.1 蒸汽机离心调速器
自动控制：由控制装置自动完成，无需人的参与。
图1.2 液位人工控制
检测偏差
实施控制
图1.3 液位自动控制
消除偏差
控制的三要素
控制对象、控制目标、控制手段（装置、算法等）
可控性与能控性
控制对象有多种运动状态的可能性； 能够通过控制手段使控制对象的状态达到控制目标
控制论的方法论
明确事物发展的多种可能性 确定其中一种可能性为控制目标 实施控制实现控制目标
二、机械工程控制论研究对象与任务
机械工程控制论研究机械工程技术中的广义系统动力学问题。 1.系统：元素按一定规律组合起来的能完成一定 功能的集合。
例：弹簧-质量-阻尼单自由度系统
(a)
(b)
(m p2cpk)y(t)f(t) (m p 2 c p k )y (t) (c p k )x (t)
初始状态：
y(0)y , 0
.
.
y(0) y0
系统固有特性： mp2 cpk
外界作用： f (t) , x(t)
与外界的关系： 1, cpk
初始状态、系统 固有特性、外界 作用、与外界的 关系等四大因素 决定系统响应