1、机械控制工程基础机械控制工程基础黄文怡黄文怡 主讲主讲工程学院机械设计系工程学院机械设计系机械设计制造(教材)n第一章第一章 绪论绪论n第二章第二章 拉普拉斯变换的数学方法拉普拉斯变换的数学方法n第三章第三章 系统的数学模型系统的数学模型 n第四章第四章 系统的系统的瞬态瞬态响应与误差分析响应与误差分析n第五章第五章 系统的频率特性系统的频率特性n第六章第六章 系统的稳定性分析系统的稳定性分析n第七章第七章 机械工程机械工程控制系统的校正与设计控制系统的校正与设计n第一节第一节 概述概述n第二节第二节 控制系统的基本概念控制系统的基本概念n第三节第三节 控制系统的基本类型控制系统的基本类型n第
2、四节第四节 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求第一章 绪论第一节 概述n一、控制工程研究的主要内容n二、控制理论的发展n三、控制理论在工程中的应用n四、控制理论的学习方法一、控制工程研究的主要内容n控制工程主要研究有关控制工程主要研究有关自动控制和系统动力自动控制和系统动力学学的基础理论及其在工程中的应用。它是一的基础理论及其在工程中的应用。它是一门新兴技术科学，也是一门边缘科学，它的门新兴技术科学，也是一门边缘科学，它的理论基础是控制理论。理论基础是控制理论。n具体的讲研究用控制理论的基本原理解决电具体的讲研究用控制理论的基本原理解决电气、机械、测控、化工等一切工程系统中的气、机械、测
3、控、化工等一切工程系统中的控制技术问题。（图控制技术问题。（图1-1）离心调速器原理示意图(图1-1)稳定、准确、快速工程控制理论的实质n工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题具体地说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件(即输入或激励，包括外加控制与外加干扰)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；n研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系n 系统输入输出学习控制工程基础要解决的两个问题学习控制工程基础要解决的两个问题n 学习控制工程基础要解决两个问题：n一是如何分析某个给定控制系统的
4、工作原理、稳定性和过渡过程品质；n二是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系统。n 前者主要是分析系统，后者是综合与设计，无论解决哪类问题，都必须具有丰富的控制理论知识。二、控制理论的发展n1、控制理论的产生可以追朔到1788年瓦特(J.Watt)为控制蒸汽机速度而发明的蒸汽机，其原理示意图如图1-1所示。n2、1868年，英国物理学家马克斯威尔（J.C.Maxwell）发表了第一篇关于“论调速器”的文章，首先提出了“反馈控制”的概念。n3、1884年和1895年,劳斯（E.J.Routh）和霍尔维茨(A.Hurwitz)把马克斯威尔的理论扩展到用高阶微分方
5、程描述的更为复杂的系统，并分别提出了两种著名的代数稳定性判据。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）研制出电子管振荡器，同时提出了著名的Nyquist稳定性判据。二、控制理论的发展n4、1948年美国数学家维纳（N.Wiener）出版了著名的控制论关于在动物和机器中控制和通讯的科学一书，他揭示了无论机器系统、生命系统甚至社会和经济系统中，都存在一个共同本质的特点，它们都是通过它们都是通过信息的传递信息的传递、处理处理与与反反馈馈这三个要素来进行控制，这就是控制论的中心这三个要素来进行控制，这就是控制论的中心思想思想。1950年伊万斯（W.R.Evans）提出的根轨迹法提供了寻找特征方程根的比
6、较简易的图解方法，至此，形成了完整的经典控制理论。形成了完整的经典控制理论。二、控制理论的发展n5、我国著名科学家钱学森从控制论这一总题目中，把已被当时科学技术和工程实践所证明的部分分离出来，创立了“工程控制论”，并于1954年出版了工程控制论这一名著，这对控制理论的发展与应用起到了很大的推动作用。二、控制理论的发展n6、50年代末与60年代初，一方面由于工业生产、火箭和空间技术的发展，出现了多变量、非线性和时变参数系统，经典控制理论已经不能满足要求；另一方面由于电子计算机技术的发展与应用，半导体和电子技术、计算技术的发展，各种传感器和自动检测技术的发展，使控制理论发展到了一个新阶段，从而产生
7、了现代控制理论。n 随着科技进步特别是计算机科学的发展，控制论无论是在三要素的内涵上，还是在其深度与广度上都在发展变化着，对促进生产的发展和社会进步产生着深远的影响。二、控制理论的发展n控制理论发展大体可分三个阶段：n 第一阶段第一阶段：n20世纪4050年代为经典控制论经典控制论发展时期。经典控制论的内容是以微分方程、传递函数为基础，主要研究单输入、单输出控制系统的分析和设计问题，对线性定常系统，这种方法是成熟而有效的。二、控制理论的发展n 第二阶段第二阶段：n20世纪6070年代为现代控制论现代控制论发展时期，这期间随着计算机技术的发展和空间技术的进步，产生了把经典控制论中的高阶常微分方程
8、转化为一阶微分方程组来描述系统的方法，即所谓状态空间法状态空间法，这种方法可以解决多输入、多输出问题，对非线性、时变系统也有效。n该方法是自适应控制、自学习控制、最优控制、最优滤波（卡尔曼滤波）的基础。二、控制理论的发展n 第三阶段：第三阶段：n20世纪70年代末至今，控制论向着“大系统理论”和“智能控制论”发展。n“大系统理论大系统理论”是用控制和信息的观点研究大系统的结构方案、总体设计中的分析方法和协调问题。n“智能控制论智能控制论”是研究与模拟人类活动的机理。现代科学揭示，人体是一个具有高度自组织、自适应、自调节能力的生命有机体，是具有非线性、时变和随机性、模糊性的特大系统。研究具有仿人
9、智能的工程控制和信息处理问题，以使具有高度复杂性、高度不确定性的系统达到人们对控制系统越来越高的要求。三、控制理论在工程中的应用1、军事2、数控机床、加工中心3、机器人4、机电一体化系统5、动态测试6、机械动力系统性能分析7、液压系统的动态特性分析8、生产过程控制四、控制理论特点及学习方法n本课程特点：n（1）比较抽象n（2）起点高n（3）系统性强n学习本门课程应以新的视角分析和考虑问题。n学习本门课程要能以系统的而不是孤立的、动态的而不是静态的观点和方法来思考和解决问题。n掌握控制理论的基本概念、基本理论和基本方法并注意结合实际，为解决工程中的控制问题打下基础。五、本课程参考书n杨叔子主编
10、机械工程控制基础 华中理工大学出 版社n朱骥北主编 机械控制工程基础 机械工业出版社n胡寿松主编 自动控制原理 科学出版社n董景新编著 控制工程基础 清华大学出版社n王积伟编著 控制工程基础 高等教育出版社 第二节 控制系统的基本概念n一、控制系统的基本工作原理n二、开环、闭环和复合控制系统n三、闭环控制系统的基本组成一、控制系统的基本工作原理n系统：是由相互制约的各个部分组成的具有一定功能的有机整体。n自动控制系统：能够进行自动控制的一整套设备或装置。通常由控制器（控制装置）和被控对象两大部分组成。n被控对象是指系统中需要加以控制的机器、设备或生产过程；n控制器是指能够对被控对象产生控制作用
11、的设备的总体。n控制系统的任务就是使被控制对象的物理量按照预先给定的控制规律变化。一、控制系统的基本工作原理n实现自动控制的优点：n1、提高生产率、降低能源消耗。n2、减轻体力和脑力劳动。n3、生产安全、废品少、产品质量高。温度人工控制的恒温箱（图1-2）被控对象被控制量自动控制的恒温箱（图1-3）实现控制的三个基本步骤不论采用人工控制还是自动控制都具有以下的共同点：一是要检测被控制量的实际值；二是被控制量的实际值要与给定值进行比较得出 偏差值；三是要用偏差值产生控制调节作用再去消除偏差。总结：检测偏差，消除偏差总结：检测偏差，消除偏差 反馈控制原理反馈反馈是指对系统的被控制量进行测量，并加以
12、处理（取其一部分或全部、或其函数等）后，再返回输入端与系统的给定量进行比较的过程。如果反馈量对给定量起增强作用，则称为正反馈；反之，如果反馈量对给定量起减弱作用，则称为负反馈。通常，控制系统采用负反馈。基于负反馈基础上的基于负反馈基础上的“检测偏差并用以消除偏差检测偏差并用以消除偏差”的控制原理，称为反馈控制原理。利用反馈控制原理组成的系统称为反馈控制系统。固有反馈（或内在反馈）固有反馈是指没有外加的检测装置，但是，变量与变量之间相互制约，构成了闭合的因果关系。例如机械传动系统、机械加工系统、直流电机系统等。从控制理论的角度，它们都是一个反馈控制过程，因而都可以用控制理论加以解决。职能方框图
13、把表示系统的组成、各元件作用关系及信号传递（或流通）关系的图形称为职能方框图。控制系统中常用的概念和术语的含义说明 输出量输出量（或称输出信号、被控制量）：是指控制系统中需要加以控制的物理量。系统的输出量常用符号xo(t)表示。输入量输入量（或称输入信号、给定值、给定量）：是指输入给控制系统用以控制输出量变化规律的物理量它作用于系统输入端，直接地或间接地表示系统输出量的期望值（给定值）。系统的输入量常用符号xi(t)表示.扰动量扰动量（或称扰动信号）：指那些能使输出量偏离预定要求（期望值）的意外干扰因素。反馈量反馈量（或称反馈信号）：是指把输出量取出并直接或经转换以后送回到输入端与输入信号进行
14、比较的物理量。二、开环、闭环和复合控制系统n控制系统按其有无反馈作用和反馈作用的方式可分为三类：n1、开环控制系统n2、闭环控制系统n3、复合控制系统开环控制系统n如果系统的输出量和输入量之间没有反馈作用，输出量对系统的控制过程不发生影响时，这样的系统称为开环控制系统。n图1-5是数控线切割机的进给系统.数控线切割机的进给系统(图1-5)开环控制系统职能方框图（图1-6）开环控制系统优缺点：1、结构简单，成本低。2、动作快，较稳定。3、有了误差无法自动调整。闭环控制系统n如果系统的输出量与输入量之间具有反馈联系，如果系统的输出量与输入量之间具有反馈联系，即输出量对系统的控制过程有直接影响即输出
15、量对系统的控制过程有直接影响，这样的系统称为闭环控制系统闭环控制系统。闭环控制系统是按照反馈控制原理工作的，又称为反馈控制系统。这种系统的信号传递路线构成闭合回路（闭环）。n前面介绍的离心调速器控制系统和恒温箱温度恒定自动控制系统都是闭环控制系统。直流伺服电机速度伺服控制系统（图1-8）直流伺服电机速度控制系统职能方框图（图1-9）闭环系统的优缺点1、可以自动的纠正和补偿输出量误差，提高控制精度。2、结构复杂，成本高。3、参数选择不适当将会引起闭环控制系统振荡，甚至不能工作。复合控制系统n在输出和输入之间同时存在开环控制和闭环控制的系统，称为复合控制系统。n它实质上是在闭环控制系统的基础上，用
16、开环通路提供一个补偿的输入作用，如图1-11所示。复合控制系统(图1-11）这种系统兼有开环和闭环两种系统的优点，因而可大大提高系统的性能。三、闭环控制系统的基本组成输入量输入量x xi i输出量输出量x xo o主反馈主反馈局部反馈局部反馈偏差信号偏差信号e e主反馈信号主反馈信号x xb b给定元件给定元件放大元件放大元件 执行元件执行元件反馈元件反馈元件被控对象被控对象比较元件比较元件+-串联校正元件串联校正元件 +-并联校正元件并联校正元件n给定元件 反馈元件(检测元件)n比较元件 放大变换元件 执行元件（驱动元件）n被控对象 校正元件（校正装置）给定元件n用来产生控制信号或输入信号（
17、输入量）的元件。n例如数控机床进给系统的输入装置、恒温箱控制系统的给定电位器就是给定元件。反馈元件(检测元件)n用来测量（输出量）被控制量的实际值，并经过处理，转换为与输出量有一定函数关系的反馈量的元件。n检测元件大多是将非电量转换为电量的元件。n它是用来对输入信号和反馈信号进行比较，得出偏差信号的元件。比较元件实际上是信号综合环节（可以相减或相加），它往往不是一个专门的物理元件，有时也叫比较环节。n例如：离心调速器的套筒比较机构、恒温箱自动控制系统中的比较电路等。比较元件n它是对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件。n如电压、电流、功率放大器、可控硅整流调压装置和电液伺服阀等。放大变换元件n
18、它接收放大变换元件发出的控制信号，直接驱动被控对象工作，使输出量按照预期的规律运行。n例如前述例子中的调压器、直流电机等均为此类元件。执行元件（驱动元件）n它是控制系统需要进行控制的装置、设备或过程等。被控对象中要进行控制的物理量或参数称为被控制量（输出量）。n例如前述例子中的蒸汽机、恒温箱等。被控对象（控制对象）n它是为改善系统的性能而加入系统中的辅助元件（装置），而不是闭环控制系统必须具有的元件（装置）。n串联在系统前向通道内的校正元件称为串联校正装置；接成反馈形式的校正元件称为并联校正装置。n常用的电子调节器、测速发电机等均可作为此类元件。校正元件（校正装置）第三节 控制系统的基本类型n
19、一、按输入量输出量的运动规律可分为三种；n二、按系统传递信号性质可分为两种。按输入量输出量的运动规律可分为三种按输入量输出量的运动规律可分为三种n恒值控制系统（自动调节系统）恒值控制系统（自动调节系统）n程序控制系统程序控制系统n随动系统随动系统恒值控制系统（自动调节系统）恒值控制系统（自动调节系统）n这类系统的输入量是一个不变的恒值，系统的基本任务是排除各种干扰因素的影响，使被控制量（输出量）以一定精度等于系统的输入量。n例如蒸汽机离心调速器系统、恒温箱温度控制系统等。程序控制系统程序控制系统n这类系统的输入量是变化的，且变化规律是预先确定了的已知的时间函数。系统的任务是使输出量按预先给定的
20、规律（程序）变化。n例如，数控线切割机床进给系统、热处理炉温控制系统等都属于此类。随动系统随动系统n这类系统的输入量是变化规律预先不能确定的任意时间函数，系统的任务是保证输出量以一定精度跟随输入量的变化，并能克服各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律，即输入量是随机的，而输出量是随动的（随动系统在工业领域又称为伺服系统）。按系统传递信号性质可分为两种n连续控制系统连续控制系统n离散控制系统离散控制系统连续控制系统连续控制系统n系统中的运动状态和各个部分所传输的信号都是连续变化的模拟量的系统称为连续控制系统。n前述的离心调速器、恒温箱温度控制系统、液压伺服系统等大多数的闭环控制系统都属
21、于此类。离散控制系统离散控制系统n系统中某一处或数处信号是以脉冲序列或数码的形式传递的系统称为离散控制系统。n若用采样开关（采样器）将连续信号转换为脉冲形式的系统，称为脉冲控制系统；n用模数（A/D）转换器将连续信号转换为数字信号并用数字控制器或数字计算机进行控制和信号处理的系统，称为数字控制系统或称计算机控制系统。第四节 对控制系统的基本要求快速性稳定性准确性基本要求稳稳 定定 性性n控制系统能够正常工作的首要条件是系统必须稳定，这是对控制系统提出的最基本的要求。n系统稳定性是系统本身的一种特性，由系统的结构及组成元件的参数所决定。稳稳 定定 性性n如果在输入量的作用下系统的输出量能够达到一
22、个新的平衡状态或扰动量去掉以后系统的输出量能够恢复到原来的平衡状态，则系统是稳定的。稳定系统的时间响应曲线（图1-13）不稳定系统的时间响应曲线（图1-14）稳稳 定定 性性n系统稳定性包括两方面的含义：一是系统是稳定的，这就是系统的绝对稳定性，前面定义的稳定性就是这个含义；二是系统稳定性的程度，即相对稳定性。快快 速速 性性n控制系统的快速性是指当系统的输出量与给定的输入量（或输出量的期望值）之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。n快速性有两方面的含义：一是系统对输入量的响应速度，它表现为当输入量施加以后，系统输出量跟随输入量变化的迅速程度；二是振荡衰减的快慢程度，它表现为系统输出量跟随输
23、入量变化的瞬态响应过程（过渡过程）结束的迅速程度。准准 确确 性性n控制系统的准确性是用系统的稳态误差来衡量的。n稳态误差是指输入量作用系统以后，当过渡过程结束时，输出量的实际值与输出量的期望值之间的差值。n稳态误差是衡量系统工作性能的重要指标，其值越小，控制系统的准确性越好，控制精度越高。小 结n不同的控制系统对稳、准、快这三方面的要求是有所侧重的。n对于同一个控制系统的稳、准、快这三方面的要求是相互制约的。n分析和解决控制系统的稳定性、快速性和准确性，并解决它们之间的矛盾，正是本书所要讨论的主要内容。习题1、试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。2、试列举几个日常生活中的开环和闭环控制
24、系统，并说明它们的工作原理。习题3.图1-15所示是水箱液位控制系统。试说明其工作原理，找出输入量、输出量、扰动量及被控对象，并绘制出职能方框图。习题n解：图解：图1-15所示是水箱液位控制系统，控制目的是保证液面所示是水箱液位控制系统，控制目的是保证液面高度不变。当出水截门打开时，水箱水位下降，通过浮子反高度不变。当出水截门打开时，水箱水位下降，通过浮子反馈实际液面高度，并与希望的液面高度比较，得出液面偏差，馈实际液面高度，并与希望的液面高度比较，得出液面偏差，经过杠杆使阀门（锥塞）开大，液面上升；达到控制水位后，经过杠杆使阀门（锥塞）开大，液面上升；达到控制水位后，阀门关闭，从而保持液面高
25、度不变。这是一个具有负反馈的阀门关闭，从而保持液面高度不变。这是一个具有负反馈的闭环控制系统。闭环控制系统。n输入量（控制量）：输入量（控制量）：希望的液面高度希望的液面高度n输出量（被控制量）：实际液面高度输出量（被控制量）：实际液面高度n扰动量：扰动量：流量的变化（出水截门打开导致的流量的变化）流量的变化（出水截门打开导致的流量的变化）n被控对象：被控对象：水箱水箱 习题4.n解解:当合上开门开关时，电位器桥式测量电路产生当合上开门开关时，电位器桥式测量电路产生偏差电压，经放大器放大后，驱动伺服电动机带动偏差电压，经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，使大门向上提起。与此同时，与大门
26、连绞盘转动，使大门向上提起。与此同时，与大门连在一起的电位器点刷上移，直到桥式测量电路达到在一起的电位器点刷上移，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，开门开关自动断开。反之，平衡，电动机停止转动，开门开关自动断开。反之，当合上关门开关时，伺服电动机反向转动，带动绞当合上关门开关时，伺服电动机反向转动，带动绞盘使大门关闭。从而实现了远距离自动控制大门开盘使大门关闭。从而实现了远距离自动控制大门开闭的要求。闭的要求。4.解解:（1）在给定值参考输入下，即要求送料速度为某一数值时，系统）在给定值参考输入下，即要求送料速度为某一数值时，系统在稳定状态，由重锤在稳定状态，由重锤G、动滑轮动滑轮L等
27、组成的系统力平衡：等组成的系统力平衡：n 动滑轮受力为：重锤的重力动滑轮受力为：重锤的重力Q（通过动滑轮向上作用在动滑轮通过动滑轮向上作用在动滑轮上）、动滑轮自重上）、动滑轮自重P（铅垂向下）、带的张力铅垂向下）、带的张力2T（向上）向上）n P=2T+Qn 由于受力平衡，测量头输入轴不动。由于受力平衡，测量头输入轴不动。n（2）当送料速度在短时间内突然发生变化时，如电源变化引起了电）当送料速度在短时间内突然发生变化时，如电源变化引起了电动机转速波动，所输送的带料不均匀等，从而使带料在输送过程中张动机转速波动，所输送的带料不均匀等，从而使带料在输送过程中张力发生变化，即力发生变化，即TT+T。力平衡被破坏，于是动滑轮位置发生变力平衡被破坏，于是动滑轮位置发生变化，测量头输入轴发生转动，角位移输入放大器。化，测量头输入轴发生转动，角位移输入放大器。（3）放大器将角位移与给定值比较后的误差信号放大为控制信）放大器将角位移与给定值比较后的误差信号放大为控制信号输入电动机，调整电动机按减小带料张力的增量的方向转动。号输入电动机，调整电动机按减小带料张力的增量的方向转动。从而抑制了张力的变化，达到控制张力的目的。该系统的方框从而抑制了张力的变化，达到控制张力的目的。该系统的方框图如图图如图
