机电系统控制基础第1章绪论201409peng

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1.1.1 控制的概念
系统工作框图如下:
Ti 电位 器
温控 开关
电加 热器
干扰 To
水箱
测温 元件
若要考察水箱中的水温To能否保持为希望的温度Ti,并通过
实际输出的水温To与希望的温度Ti之间的差别,考察各个组 成部分的参数是否合理,即为系统分析问题。
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1.1.1 控制的概念
1954年,我国科学家钱学森在美国运用控制论思想和方 法,用英文出版《工程控制论》,首次把控制论推广到 工程技术领域。
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1.1.1 控制的概念
自动控制理论是自动控制技术的基础理论,是一门理论性较 强的工程科学。根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段,控 制理论可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。
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教学内容
1.1 概述
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1.1.1 控制的概念
一、基本概念
控 制:以人为或自动的方式,通过一定的手段操纵受控对象或过 程,使之按照预定规律运行,并具有一定的状态与性能。
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 照预定规律变化(或运行)。
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1.1.2 机械与控制
目前,控制理论在机械制造领域中应用最为活跃的有下面几个 主要方面: (1)在产品与设备的设计方面 (2)在加工过程的研究方面 (3)在机械制造过程的自动化方面 (4)在动态过程或参数的测试方面
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1.1.2 机械与控制
三坐标数控机床
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课程简介
三、教学与考核方法?(HOW)
教学形式主要采用:
• 理论讲课 • 小组实验 • 课后作业
重点放在学生自主学习方面,并通过随机抽查课堂测试、 大作业与实验来检验和评估学生学习效果。
要求学生认真听讲,按时独立自主完成布置作业,展示自
己实验结果。
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系统分析
第6章 机电控制系统的误差分析和计算
第7章 机电控制系统的设计与校正 第8章 计算机控制系统(拓展应用)
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课程简介
二、该课程的内容?(WHAT)
《机电系统控制基础》是工科专业的一门技术基础课。本课程 针对机电系统讲解自动控制的基本理论、自动控制系统的分析 方法、设计方法及其在机电系统自动控制中的应用。
N.Wiener给出的反馈控制定义为:
“Feedback is a method of controlling a
system by inserting into it the result of its
past performance”
控制论的奠基人美国科学家维
纳(Wiener,N.,1894~1964)
流体控制及 液压元件、液压元件制造工艺、液压控制系统、气压传动与控制、机电液系统动态分析、机械系 统设计、机电液系统的计算机控制、机电液系统实验测试技术、液压系统计算机辅助设计、液压
自动化 控制系统仿真
工程机械与 测试技术与仪器、机械动力学、工程机械设计基础、工程机械结构分析基础、工程机械自动化控
制技术、物流设备与技术、工程机械系统智能化控制技术、工程机械液压控制技术、工程机械金
控制实例1:液面控制
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1.1.1 控制的概念
控制实例2:冰箱控制系统
冷却管
电冰箱箱体
Tc
压缩机
继电器 uc
Δu
K
接触器
蒸发器
Tr
控制盒
给定温度Tr 比较、变换装置
(控制盒)
ur
继电器 接触器
电动机 压缩机
测温装置 (控制盒)
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环境 温度
冰箱 箱体
大学物理
各类 专业课
线性系统
现代控 制理论
本课程与其它课程的关系
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课程简介
一、该课程有何用?(WHY)
专业模块
主干课程
机械制造及 测试技术与仪器制造、系统自动化技术、数控技术、机械制造装备设计、现代机械设计方法、精 自动化 密和超精密加工技术、CAD/CAM技术基础
机电控制及 传感与测试技术、机电一体化系统设计、机电控制技术、机电系统建模与仿真、机械系统设计、 自动化 机械振动、计算机组成与信息处理技术
• 学分:3.5
• 性质:机械工程专业技术基础课
• 主要教材及参考书: • 教材:自编教材
拓展阅读: 推荐但不仅限!
• 主要参考书:
1. 杨叔子. 机械工程控制基础 (第六版). 华中科技大学出版社.2011.
2. 董景新. 控制工程基础 (第三版). 清华大学出版社. 2009.
3. R.C. Dorf. 现代控制系统 (第十一版). 电子工业出版社. 2012.
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教学内容
第1章 绪论
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教学内容
本章 学习目标
• 了解本课程的学习对象和基本内容 • 理解控制系统中各个物理量的含义 • 掌握控制系统的分类 • 掌握自动控制系统的组成与基本要求 • 掌握根据工作原理图绘制系统方框图的方法
重点:(1)开环控制与闭环控制 (2)自动控制系统的组成 (3)控制系统的基本要求
• 1208105、1208106、1208107、1215102: 周一(单周5~6节),周三(3~5节)、周五(5~6节)
助 教:李卫全(15846334368 ) 佐立营(15004666482 )
作业提交信箱:Gaoliang.P@gmail.com 任课教师:
彭高亮 主楼115(电话:86403820) 第1~4章 石胜君 科技园2F栋楼416(电话:) 第5~8章
被控量
Tc
1.1.1 控制的概念
二、控制理论的形成及其发展
公元1788年,英国人J.Watt用离心 式调速器控制蒸汽机的速度,由此 产生了第一次工业革命。
弹 簧
钢球 套筒
离心调速机
圆锥齿轮
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调节连杆
进汽阀
蒸汽
蒸汽机
负载
n ωc
1.1.1 控制的概念
维纳,MIT教授。早期进行模拟计 算机研究,二战期间参与火炮控制 研究,提炼出负反馈概念。 1948年,维纳所著《控制论》的出 版,标志着这门学科的正式诞生。
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1.1.2 机械与控制
机器手
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1.1.2 机械与控制
柔性制造系统
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1.1.2 机械与控制
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1.1.3 机电一体化系统
Mechatronics (机电)
Mechanics (机械学)
Electronics (电子学)
本课程的主要目的是培养学生: • 掌握经典控制的基本理论(贯穿始终) • 掌握分析机电控制系统的基本方法(第2、3、4、5、6章) • 掌握设计、调试、评价机电控制系统的基本手段(第7章)
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课程简介
三、教学与考核方法?(HOW)
• 总学时:58 讲课学时:46 实验学时:12
1.1.1 控制的概念
例2 数控机床工作台的传动系统。
伺服电机
比较器 控制指令
(输入)
放大器
工作台
检测装置
移动量 (输出)
➢ 如果考虑传动系统的制造误差,为了使工作台均匀移动, 试确定其输入,此即最优控制问题。
➢ 若系统的输入已知(例如电动机转速),要求确定系统且 其输出符合工作台均匀移动的要求,即为最优设计问题。
经典控制理论 ❖ 形成时间:二十世纪40年代到50年代形成的一门独立学科。 ❖ 研究对象:以单输入单输出线性定常系统为主要研究对象。 ❖ 研究方法:以传递函数作为系统的基本数学描述,以频率法
和根轨迹法作为分析和设计系统的两种方法。
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1.1.1 控制的概念
现代控制理论
❖ 形成时间:始于二十世纪50年代末60年代初。 ❖ 研究对象:适于研究多输入多输出系统,这些系统可以是 线性的、非线性的、定常的或时变的。
机械类专业技术基础课
机电系统控制基础
机电工程学院 2014年9月
课程简介
➢该课程有何用?(WHY) ➢该课程的内容? (WHAT) ➢如何教与学?如何考核?(HOW)
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课程简介
一、该课程有何用?(WHY)
电工技术 电子技术
工科数学
复变函数 拉氏变换
代数与几何
机械原理
机电系统控制基础
物流
属结构、起重与运输机械。
机械设计
测试技术与仪器、机械制造装备设计、机械系统自动化技术、复杂机械系统设计、机构设计、机 械系统传动技术、数字化设计与仿真、机械系统可靠性技术、机械振动、机械系统动力学设计
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课程简介
二、该课程的内容?(WHAT)
第1章 绪 论 第2章 系统的数学模型 第3章 系统的时域分析 第4章 系统的频率特性分析 第5章 机电控制系统的稳定性分析
开电加热器的电源。在使用热水时,水箱中流出热水并补充冷水。试说明 该系统工作原理并画出系统的方框图。 解:
控制对象:水箱; 被控制量(输出量):水箱的实际水温To; 输入量:用户希望的水温Ti; 干扰:由放出热水并注入冷水或水箱散
热等原因导致的水箱内水温下降。
当To= Ti时,测温元件将实际温度转化成电信号,与温控开关预先设定 的信号进行比较得到的偏差信号为0,此时加热器不工作,水箱中的水 保持希望的温度。当注入冷水使To下降时,偏差不为0,电控开关接通 电源使电加热器工作对水加热,直到To= Ti为止。
课程简介
三、教学与考核方法?(HOW)
• 课程考核按百分制计分,考试采用累加式的考试办 法,即课程的总成绩由以下几部分构成:
(1) 大作业 (2) 实验 (3) 期末考试
10% 20% 70%
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课程简介
三、教学与考核方法?(HOW)
上课时间:
• 1208101 、 1208102、 1208103 、 1208104(125人) : 周一(单周3~4节)、周三(5~6节)、周五(3~4节)
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1.1.1 控制的概念
例3 电子称的原理如下图。
显示即为输出,重物的重量 为输入,要求确定系统(即 电子称)以识别输入或输入 中的有关信息,此即滤波与 预测问题。
重物 系统 显示(指针或数字)
若输入(重物)和输出(显示)已知,求系统的结构 和参数 ,即建立系统的数学模型,此即系统识别或系 统辩识问题。
1.1.1 控制的概念
时域法
线性频域法 本课程学习重点
根轨迹法
相平面法
经典控制理论非 采线 样性 控制 李 波 描雅 波 述普 夫 函 Z诺 法 数变夫 法换法法
自动控制理论
(19世纪中叶 20世纪50年代)
状态反馈控制 最优控制
智能控制
现代控制理论自 预适 测应 控控 制制
模糊控制
1.1.1 控制的概念
三、研究对象与任务
研究对象:工程技术中的广义动力学系统。
广义动力学系统:在一定的外界条件(输入或激励,包括
外加控制与外加干扰)作用下,系统从某初始状态出发, 所经历的、由其内部固有特性(系统结构与参数所决定的 特性)所决定的动态过程。
研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系
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1.1.1 控制的概念
研究任务 系统分析问题
最优控制问题
输入
系 统 输出
输入
系 统 输出
最优设计问题
输入
系 统 输出
滤波与预测问题 系统识别或辩识问题
输入
识别 信息
输入
系统
输出
系 统 输出
结构、参数
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1.1.1 控制的概念
例1 如图所示的电热水器,为了保持希望的温度,由温控开关接通或断
传统的机械制造技术与控制技术和信息技术的有机结合
❖ 研究方法:以状态空间表达式作为系统的基本数学描述, 以状态空间法作为主要研究方法。
❖最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这 一领域重要的研究课题,近年来计算机技术和现代应用数学的 结合,又使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智能活动的 人工智能控制等诸多领域有了重大发展。
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大系统多层分散控制
(60年代以来)
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1.1.1 控制的概念
在短短的几十年里,控制理论已经渗透到各个领域,并伴 随着其它科学技术的发展,极大地改变了整个世界。控制理论 的中心思想是通过信息的传递、加工处理并加以反馈来进行控 制,控制理论是信息学科的重要组成方面。
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