《机械控制工程基础》课件t.ppt
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1、控制工程基础授课方式与考核方式授课方式授课方式 以浙江大学出版社出版、张尚才编写的控制以浙江大学出版社出版、张尚才编写的控制工程基础(第二版)为指导,利用多媒体课件工程基础(第二版)为指导,利用多媒体课件为主、板书为辅进行理论教学;为主、板书为辅进行理论教学; 考核方式:平时成绩考核方式:平时成绩+ +期末期末 课堂考勤:课堂考勤:1010分分 平时作业平时作业5 5次:没交次:没交1 1次扣次扣1 1分,迟交扣分,迟交扣0.50.5分分 课堂表现:活跃课堂表现:活跃5 5,较活跃,较活跃3 3,其余,其余2 2 期末考试,占总评成绩的期末考试,占总评成绩的80%80%课程性质控制论控制论经典
2、控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论本课程的主要内容“机械控制工程基础机械控制工程基础”是控制论是控制论(Cybernetics)(Cybernetics)与机械工程与机械工程技术理论之间的边缘学科,侧重介绍机械工程的控制原技术理论之间的边缘学科,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。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机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势越来越来越广泛而深入地引入了控制理论。越广泛而深入地引入了控制理论。 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
3、用系统的、反馈的、控制的是科学方法论之一,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。方法来分析研究工程实际问题。课程任务与学习要求课程任务课程任务 通过课程教学,使学生掌握经典控制理论的通过课程教学,使学生掌握经典控制理论的基本原理和思想方法,初步培养进行系统分析基本原理和思想方法,初步培养进行系统分析与校正的能力,结合后续专业课程的学习,为与校正的能力,结合后续专业课程的学习,为将来在机械电子工程中解决一些实际问题打下将来在机械电子工程中解决一些实际问题打下一定的基础。一定的基础。学习要求学习要求 需要大家具备一定的数学、力学、电学方面需要大家具备一定的数学、力学、电学方面的基
4、础知识,还要有一定的机械工程方面的专的基础知识,还要有一定的机械工程方面的专业知识。需要大家认真对待每次的课后练习环业知识。需要大家认真对待每次的课后练习环节。节。主要教学内容机械控制工程基础机械控制工程基础基础知识基础知识工程应用工程应用分析方法分析方法基本概念基本概念控制系统结构体系控制系统结构体系控制系统数学模型控制系统数学模型时域分析时域分析频域分析频域分析系统稳定性判据系统稳定性判据系统性能指标系统性能指标系统校正系统校正第一章 绪 论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型 1.3 1.3 反馈反馈 1.
5、4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 本章教学大纲本章教学大纲1. 1. 了解机械工程控制论的基本概念、研究对象与任务;了解机械工程控制论的基本概念、研究对象与任务;2. 2. 掌握系统、模型、反馈、偏差等基本概念;掌握系统、模型、反馈、偏差等基本概念;3. 3. 掌握反馈控制系统工作原理的分析;掌握反馈控制系统工作原理的分析;4. 4. 掌握控制系统的组成、分类及基本性能要求。掌握控制系统的组成、分类及基本性能要求。u教学重点:反馈的基本概念、控制系统工作原理分析、教学重点:反馈的基本概念、控制系统工作原理分析、控制系统的分类控制系统的分类第一章第一章
6、 绪论绪论本章教学大纲本章教学大纲第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务一、控制论概述一、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。物变化和发展的一般规律。“控制论控制论”的两个核心是信息论和反馈控制。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)诺伯特诺伯特维纳,他于维纳,他于1948年发表了年发表了“控制论控制论”。1.1 1.1 机械工
7、程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论控制论控制论经济学经济学社会学社会学生物学生物学工程技术工程技术经济控制论经济控制论社会控制论社会控制论生物控制论生物控制论工程控制论工程控制论机械工程机械工程机械工程控制论机械工程控制论控制论与其它学科结合,形成众多的分支学科。控制论与其它学科结合,形成众多的分支学科。 控制论的中心思想控制论的中心思想通过信息的传递、加工处理通过信息的传递、加工处理并利用反馈来进行控制。并利用反馈来进行控制。1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论 1954年我国科学家钱学森
8、出版专著工程控制论年我国科学家钱学森出版专著工程控制论(英文版英文版),首先把控制论推广到工程技术领域。,首先把控制论推广到工程技术领域。 机械工程控制论机械工程控制论 研究机械工程技术中广义系统的动力学问题研究机械工程技术中广义系统的动力学问题研究的对象:系统(广义系统)研究的对象:系统(广义系统)研究的任务:动力学问题研究的任务:动力学问题研究的领域:机械工程领域研究的领域:机械工程领域P:2二、机械工程控制论的研究对象二、机械工程控制论的研究对象1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论 系统系统按一定规律联系在一起的元素的集合按一
9、定规律联系在一起的元素的集合系统的要素系统的要素元素元素元素之间的联系元素之间的联系系统与外界的交互作用系统与外界的交互作用外界对系统的作用外界对系统的作用系统对外界的作用系统对外界的作用输入输入(激励激励)干扰干扰(扰动扰动)输出输出( (响应响应) )系统的框图系统的框图1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论 机械工程中的广义系统机械工程中的广义系统: 元件、部件、仪器、设备元件、部件、仪器、设备; 加工过程、操作设备、加工过程、操作设备、测量测量; 车间、部门、工厂、企车间、部门、工厂、企业、业、 企业集团、全球制造行企业集团、
10、全球制造行业等业等 如如:机器系统机器系统生命系统生命系统社会经济系统社会经济系统生产系统生产系统思维、学习、工作思维、学习、工作 广义系统广义系统具备系统要素的一切事物或对象具备系统要素的一切事物或对象1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论系统系统非控制系统非控制系统控制系统控制系统人工控制系统人工控制系统自动控制系统自动控制系统 非控制系统非控制系统仅具有由人工开、关两种状态的系统仅具有由人工开、关两种状态的系统如:搅拌机如:搅拌机 (视频链接)(视频链接) 教室里的照明系统教室里的照明系统 控制系统控制系统系统的可变输出,能按照
11、要求由参考输系统的可变输出,能按照要求由参考输入或控制输入进行调节的系统入或控制输入进行调节的系统1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论如如: : 空调空调加热电阻丝加热电阻丝220V调压器调压器人工控制的恒温箱人工控制的恒温箱 温度计温度计自动控制系统自动控制系统教室中的风扇教室中的风扇人工控制系统人工控制系统1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论加热电阻丝加热电阻丝220V调压器调压器热电偶热电偶给定信号给定信号比较比较电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器执行执行电动
12、机电动机减速器减速器u2u1 u u恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论根据自己的生活和学习经验,列举控制系统的例子根据自己的生活和学习经验,列举控制系统的例子问题:问题:1)普通全自动洗衣机)普通全自动洗衣机 2)全自动照相机的闪光系统、调焦系统)全自动照相机的闪光系统、调焦系统 3)饮水机,微波炉)饮水机,微波炉 4)抽水马桶水箱的液面自动调节器)抽水马桶水箱的液面自动调节器液面控制液面控制1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论生物、
13、医学、环境、经济管理等其它生物、医学、环境、经济管理等其它机器人、导弹制导、核动力等高新领域机器人、导弹制导、核动力等高新领域宇航:火箭、飞船、卫星宇航:火箭、飞船、卫星道路交通:信号灯控制、车牌自动识别道路交通:信号灯控制、车牌自动识别日常:冰箱、洗衣机、空调日常:冰箱、洗衣机、空调农业:恒温大棚、农业自动化机械农业:恒温大棚、农业自动化机械应用范围应用范围工业:数控机床、轧钢机、恒温箱等工业:数控机床、轧钢机、恒温箱等1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论蒸汽机离心调速器蒸汽机离心调速器工业:工业:1.1 1.1 机械工程控制论的
14、研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论数控机床进给系统模拟图数控机床进给系统模拟图1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务在农业机械领域的应用在农业机械领域的应用第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务在日常生活中的应用在日常生活中的应用第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务道路交通的应用道路交通的应用车牌自动识别车牌自动识别第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对
15、象与任务第一章第一章 绪论绪论人形机器人人形机器人1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务勇气号火星探测器(美国,勇气号火星探测器(美国,20042004)第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论自动火炮、导弹制导等高新领域的应用自动火炮、导弹制导等高新领域的应用1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论在雷达领域的应用在雷达领域的应用1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务海洋探测机器人
16、海洋探测机器人19901990年日本海洋科技中心年日本海洋科技中心 研制的研制的“海沟号海沟号”缆控式缆控式无人潜水器(左)及其在大海中工作时的情况(右)无人潜水器(左)及其在大海中工作时的情况(右) 第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论瑞典博福斯公司研制的瑞典博福斯公司研制的“双鹰双鹰”水下扫雷机器人水下扫雷机器人 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论 恒温恒湿试验箱又名环境试验箱,实验各种材料的耐热、耐寒、耐干、耐湿性能。适合电子、电器、食品、车
17、辆、金属、化学、建材等实验1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务三、机械工程控制论的研究任务三、机械工程控制论的研究任务第一章第一章 绪论绪论 动力学问题动力学问题 机械工程技术中的广义系统在一定的外机械工程技术中的广义系统在一定的外界条件作用下,从一定的初始状态出发,经历由其内界条件作用下,从一定的初始状态出发,经历由其内部的固有特性所决定的整个动态历程;部的固有特性所决定的整个动态历程;研究这一过程中,系统及其输入、输出三者之间的动研究这一过程中,系统及其输入、输出三者之间的动态关系。态关系。即输入或激励,包括外加控制与外界干扰即输入或激励,包括外加控
18、制与外界干扰即由系统的结构与参数所决定的特性即由系统的结构与参数所决定的特性P:2P:2 下面,我们通过一个简单的例子,让大家更深刻的理解下面,我们通过一个简单的例子,让大家更深刻的理解“机械工程控制机械工程控制论的研究任务论的研究任务”这一问题。这一问题。1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论同一系统,不同的输入同一系统,不同的输入例例1-1 1-1 弹簧弹簧- -质量质量- -阻尼单自由度系统阻尼单自由度系统 系统(系统(a a) 系统(系统(b b) m-c-k m-c-k单自由度系统单自由度系统1.1 1.1 机械工程控制论的
19、研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论(a)(b)整理得:整理得:)()()()(tftkytyctym (a a)解:)解:)()()()(tymtyctkytf (b b)解:)解:)()()()()(tkxtxctkytyctym 动力学方程:动力学方程: y(t)即微分方程的解,它是由系统的初始条件、系统的即微分方程的解,它是由系统的初始条件、系统的固有特性、系统的输入及系统与输入之间的关系所决定。固有特性、系统的输入及系统与输入之间的关系所决定。系统的固有特性系统的固有特性: mp + cp : mp + cp + k+ k2系统与外界之间的关系系统与外界
20、之间的关系: 1: 1, cp+k cp+k系统对输入的响应(系统的输出):系统对输入的响应(系统的输出):y(t)y(t)系统的输入或激励系统的输入或激励: f(t): f(t), x(t) x(t)代表了系统在一定外界条件下的动态历程代表了系统在一定外界条件下的动态历程令令 p=d/dt p=d/dt (微分算子)(微分算子)系统系统(a) (mp + cp + k)y(t)=f(t)(a) (mp + cp + k)y(t)=f(t)系统系统(b) (mp + cp + k)y(t)=(cp + k)x(t)(b) (mp + cp + k)y(t)=(cp + k)x(t)221.1
21、1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论问题:问题: 系统的输入与系统的固有特性如何影响系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)y(t)? 三者之间表现为何种关系?三者之间表现为何种关系? 2. 2. 系统确定并已知时,对系统施加何种输入,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(即能使系统实现预期的响应(即y(t)y(t))?)? 3. 3. 对于确定的输入,系统应具有什么特性,对于确定的输入,系统应具有什么特性, 才能使系统实现预期的响应?才能使系统实现预期的响应?求输出求输出求输入求输入求系统求系统(结构参数结构参
22、数)基本的动力学问题基本的动力学问题1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论研究任务研究任务: :系统分析问题系统分析问题最优控制问题最优控制问题最优设计问题最优设计问题滤波与预测问题滤波与预测问题系统辨识问题系统辨识问题已知系统和输入,求系统的响应已知系统和输入,求系统的响应(或输出或输出),并通过响应来研究系统本身的问题并通过响应来研究系统本身的问题已知系统和系统的理想输出,设计输入已知系统和系统的理想输出,设计输入已知输入和理想输出时,设计系统已知输入和理想输出时,设计系统输出已知,确定系统,以识别输出已知,确定系统,以识别输入或
23、输入中的的有关信息输入或输入中的的有关信息已知系统的输入与输出,求系统的结构已知系统的输入与输出,求系统的结构与参数,即建立系统的数学模型与参数,即建立系统的数学模型1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型一、系统一、系统 系统具有如下特性:系统具有如下特性:系统的性能不仅与系统的元素有关,而且还与系统的结系统的性能不仅与系统的元素有关,而且还与系统的结构有关;构有关; 系统的内容比组成系统的各元素的内容要丰富很多系统的内容比组成系统的各元素的内容要丰富很多; 系统往往具有表现在时间域、频率域或空
24、间域等领域系统往往具有表现在时间域、频率域或空间域等领域内的动态特性。内的动态特性。1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型第一章第一章 绪论绪论二、机械系统二、机械系统 定义定义以实现一定的机械运动,承受一定的机械载以实现一定的机械运动,承受一定的机械载荷为目的,由机械元件组成的系统。荷为目的,由机械元件组成的系统。 如:如:切削加工过程切削加工过程工件工件操作者操作者当研究某台机床切削加工过程中的动力学问题时;当研究某台机床切削加工过程中的动力学问题时;当研究此台机床加工的工件的某些质量指标时;当研究此台机床加工的工件的某些质量指标时;当研究此台机床
25、的操作者在加工过程中的作用时;当研究此台机床的操作者在加工过程中的作用时;输入输入激励(外界对系统的作用,如载荷等)激励(外界对系统的作用,如载荷等)输出输出响应(系统对外界的作用,如变形、位移)响应(系统对外界的作用,如变形、位移)1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型第一章第一章 绪论绪论激励激励控制输入控制输入人为地、有意识地加上去;人为地、有意识地加上去;扰动扰动偶然因素产生而一般无法完全人为偶然因素产生而一般无法完全人为 控制的(干扰);控制的(干扰);三、数学模型三、数学模型 模型的定义模型的定义研究系统、认识系统、描述系统与分析研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种工具。
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