机械工程控制基础----01绪论

➢闭环控制系统 :系统有反馈回路。输出对系统有控制作用。
开环系统
优点：构造简单，成本低。
缺点：无抗干扰能力，不能自动纠偏，控制精度 较低。
闭环系统
优点：抗干扰能力强，稳态精度高，动态精度好。 缺点：构造复杂，设计与制造较困难，成本较高。
开环控制系统 如：步进电机驱动的数控机床 、普通洗衣机 、微波炉
反馈
反馈是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念
反馈的定义：系统的输出通过适当的测量装置全部或部分地返 回到输入端，并与输入共同作用于系统的过程。 反馈量与输入量的比较结果叫偏差。
基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的原理又称为反馈 控制原理。
利用此原理组成的系统称为反馈控制系统。它具备测量、比较 和执行三个基本功能。 反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。
研究的对象：系统（广义系统） 研究的任务：动力学问题 研究的领域：机械工程领域
1、系统——按一定规律联系在一起的元素的集合。
系统的要素
元素 元素之间的联系
输入(激励)、 干扰(扰动)
外界对系统的作用 系统与外界的交互作用
系统对外界的作用
输出(响应)
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 、全球制造行业等
3、按系统中传递信号的性质
➢ 连续控制系统 系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制 系统通常采用微分方程描述。
➢ 离散（数字）控制系统 系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。 离散控制系统通常采用差分方程描述。
4、按数学模型分
➢ 线性系统 由线性元件组成，输入输出间具有叠加性和均匀性性质，以线 性微分方程来表述。 ➢ 非线性系统 系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性 质。用非线性微分方程来表述。
自动控制技术应用于现代农业生产 自动灌溉；农产品质量检测等。
自动控制技术应用于其他领域 生物：人口控制，药物动力学
金融：货币控制 家庭：电饭煲，洗衣机，空调，冰箱
例：[钢铁轧制]:存在温 度控制、生铁成分控制 、厚度控制等。
道路交通的应用——车牌自动识别
勇气号火星探测器（美国）
机械工程控制论——研究机械工程技术中广义系统的动力学问题
基础知识 分析方法
基本概念 控制系统结构体系 控制系统数学模型 时域分析 频域分析 系统稳定性判据
工程应用
系统性能指标 系统校正
基础知识
课堂教学内容 1 绪论 2 控制系统的数学模型(除2.2、2.5) 3 系统的时间响应与快速性分析(除3.5) 4 稳态误差与准确性分析 5 控制系统的频域分析 6 控制系统的稳定性 7 系统的性能分析与校正
统平衡状态下的特性；
代数公式描述
动态模型——用于研究系统在迅变载荷作用下或在系统不平
衡状态下的特性；
微分方程或差分方程来描述
在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。
动态模型是描述系统的动态历程的，机械工程控制论研究的 是机械工程技术中广义系统的动力学问题，所以往往需要采用 动态数学模型，即需要建立微分方程或差分方程来描述系统的 动态特性。
定常系统 5、按时间概念分：
时变系统
位移控制系统 6、按控制量分： 温度控制系统
速度控制系统 …………
7、…………
对控制系统的基本要求： 稳、快、准
当实际水位高于 要求水位呢？
例：发动机离心调速系统
控制原理：
如汽车上
如果负载变化使ω增大， 坡变下坡
离心机构滑套上移
液压滑阀上移，动力活
塞下移，油门关小， ω减小
直到滑阀回复到中位，
ω回到设定值 通过离心机构检测系统的实
际输出值，并与设定值进行比
较，反过来作用于系统，形成
反馈，进而调节系统的输出。 发动机离心调速系统结构原理简图
2.系统确定并已知时，对系统施加何种输入， 能使系统实现预期的响应（即输出y(t)）？ 求输入
3. 对于确定的输入输出，系统应具有什么特性 ， 才能使系统实现预期的响应？求系统(结构参数)
基本的动力学问题
3、（数学）模型
定义：研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种工具
。
种静类态：模实型物—模—型反、映物系理统模在型恒和定数载学荷模或型缓等变。载荷作用下或在系
例：发动机离心调速系统
被控对象： 发动机 被控量： 转速ω
控制信息传递与反馈：
转速ω
离心机构 偏差
(检测或感知）
杠杆
油门
液压比例控制器
表示系统结构与工作原理的物理框图：
比较
控制器
运算放大
执行
控制部分
检测 离心调速系统控制方框图
被控对象 被控部分
反馈控制方式的优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的 变化而引起的变动。
数控机床、工业机器人、机床动态分析与测试、电气液压伺服系统
是科学方法论之一，强调用系统的、反馈的、控制的方法来分 析研究工程实际问题。
该课程与其它课程的关系，如下图所示：
信号与系统
复变函数、 拉普拉斯变换
大学物理
理论力学
机械工程控制理论
高等数学 线性代数
电路理论
模拟电子技术 机械原理 电机与拖动
机械工程控制基础
制 系 统
被控对象 校正环节 并联校正 测量环节
比较 环节
扰动
给定环节 r(t)
e(t) 控制器 u(t) 被控对象
c(t)
b(t) 测量环节
✓ 输入信号: 源自文库输入量、控制量、给定量、激励）是指控制输
出量变化规律的信号；
✓ 输出信号：（输出量、被控制量、被调节量、响应）输出是 输入的结果，它的变化规律通过控制应与输入信 号之间保持有确定的关系；
✓ 反馈信号：输出信号经反馈元件变换后全部或部分返回到输
入端的信号称反馈信号；
✓ 偏差信号：输入信号与（主）反馈信号之差； ✓ 误差信号：输出量实际值与希望值之差； ✓ 扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号；
例：用冰 箱的温度 控制说明 各种信号
控制系统的几种分类：
1. 按反馈情况分
➢开环控制系统 :系统没有反馈回路。输出对系统没有控制作 。
控制：对对象施加某种操作，使其产生所预期的行为。
自动控制：该操作由控制装置自动完成，无须人直接参与。 即，在人不直接参与的情况下，通过控制器使被控对象（如 机器设备、生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动 地按照预定的规律变化（或运行）。
学习机械工程控制基础要解决两个问题：1、如何分析某个 给定控制系统的工作原理、稳定性、过渡过程品质；2、如 何根据实际需要来进行控制系统的设计，并用机电液光等设 备来实现这一设计系统。
步进电机驱动的数控机床原理图 步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图
闭环控制系统 如：伺服电机驱动的数控机床、离心调速系统、恒温箱(冰箱、 空调)
伺服电机驱动的数控机床原理图
伺服驱动的数控机床闭环控制系统方框图
如：全自动洗衣机，既有开环控制，又有闭环控制。
最初级的洗衣机有加水、洗衣、排水甩干，这一流程按生 产商设定好的程序依次进行，是开环控制。
给定值
E
比较
－
运算执行 测量
干扰 被控量 被控对象
反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为 负反馈；反之称为正反馈。在正反馈系统中，正反馈信号只 会让偏差信号、输入信号变得越来越大，会导致系统失稳、 发散，即“恶性循环”。
常见的“单位负反馈”是指：反馈值为 1 的负反馈。同理，也 有单位正反馈。
2、动力学问题: 系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）
下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统 的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。
这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即 为系统的动力学问题。
1. 系统的输入与系统的固有特性已知，如何影 响输出？ 求输出
其它章节内容为课外自学内容
教学用书 《机电工程控制基础》 吴炳胜主编 冶金工业出版社
教辅用书 《自动控制原理》 胡寿松等编 国防工业出版社 《机械工程控制基础》 杨叔子、杨克冲等编著 华 中科技大学出版社
第一章 绪论
1.1 概述 1.2 自动控制系统的基本概念 1.3 对控制系统的基本要求 1.4 自动控制简史 1.5 控制工程实践 1.6 本课程的特点与学习方法
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（电） 工程控制论
自动控制技术应用于军事、航天领域 火炮、雷达、跟踪系统； 人造卫星；宇宙飞船。
自动控制技术应用于工业生产过程 轧钢；工业窑炉；石油化工；水泥建材；玻璃、造纸等
举例：智能楼宇的控制
高层 楼宇 的电 梯控 制
可视对讲、室内报警、远程家电控制…….
在日常生活中
空调的模式 选择与温度 控制
洗衣机 的定时、 正反转
冰箱 的温 度控 制
控制论概述 控制论是关于控制原理与控制方法的学科，它研究 事物变化和发展的一般规律。 “控制论”的两个核心是信息论和反馈控制。 首先创立控制论学科的是美国的数学家、信息理论 家(Norbert Wiener)诺伯特·维纳，他于1948年发表了 “控制论”。 1954年我国科学家钱学森出版专著《工程控制论》( 英文版)，首先把控制论推广到工程技术领域。
➢Q2变大 H减小，浮
子下降
杠杆倾斜
阀门开大
Q1
变大 Q1=Q2，液面
重新稳定。
➢Q2变小 H变大，
浮子上升 杠杆倾斜
阀门关小
Q1
变小 Q1=Q2，液面
重新稳定。
缺点：出水量越多，水位就 越低，偏离期望值就越远， 误差越大。控制的结果，总 存在着一定的误差值。
例：再改进——自动控制： 其 将 水该进制大有位系 行 精小正重当统调度反的新实在节。映变与际运，了化水水行最实，位位时终际电要低，总水动求于无是位机值要论使与带相求何实水动等水种际位减时位干水要速为时扰位求器止，引等值使。电起于的阀位水期差门器位望值开输的值，度出偏，放增电差大大加压，大器，值系提输直为统高出到正都了信实，要控号际且
例 手动控制：
➢ 观测实际水位，将
实际水位与要求的水位 值相比较，得出两者偏 差。
➢ 根据偏差的大小和
方向调节进水阀门的开 度，即当实际水位高于 要求值时，关小进水阀 门开度，否则加大阀门 开度以改变进水量，从 而改变水箱水位，使之 与要求值保持一致。
被控对象 —水池
？
—水位
被控量？
例：改进——自动控制： Q1入水流量、 Q2出水流量
自动控制系统的一般组成形式
比较 环节
给定环节 r(t) e(t) 串联校正
放大元件
扰动
u(t)
执行元件 被控对象
c(t)
b(t)
并联校正
(反馈校正)
反馈环节
比较 环节
扰动
给定环节 r(t)
e(t) 控制器 u(t) 被控对象
c(t)
b(t) 反馈环节
典 给定环节
型
反 比较环节 放大环节
馈 控
控制器 执行环节 串联校正
重点：自动控制系统的基本概念和要求。 难点：开环控制和闭环控制。
自动控制技术及理论已经广泛应用于机械、冶金、石 油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应 堆等各个领域。
自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和 设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术 科学。
在机电工程问题上，机械、电气、液压和计算机被广 泛采用，而且常常互相渗透、相互配合，这就需要结 合机电液系统阐述工程上共同遵循的基本控制规律， 即“机械（电）工程控制基础”。
机械工程控制基础----01 绪论
2020年7月17日星期五
机械工程控制基础
河北工程大学 机械与装备工程学院
周雁冰
控制论
经典控制理论 现代控制理论
“机械（电）工程控制基础”是控制论与机电工程技术理论之
间的交叉学科，侧重介绍机械工程的控制原理，同时密切结合
工程实际，是一门技术基础课程。
机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势——越来越广泛 而深入地引入了控制理论。
若洗衣机高级些，排水甩干这一环节可能自动检测衣物的 洗衣粉残留，据此来定漂洗的数量和时间，这一环节是闭 环控制。
2、按给定量的运动规律分 ➢ 恒值控制系统 系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系 统的输出量为恒值。 如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。
➢ 程序控制系统 输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律 ，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。 如：数控加工系统。 ➢ 随动系统（伺服系统） 输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速 、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响 ，准确地复现输入信号的变化规律。 如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。