机械工程控制基础(清华大学出版社)课件第1章绪论.ppt

1、办公地点：机械工程学院东楼办公地点：机械工程学院东楼403第一章 绪论掌握住对象不使任意活动或超出范围；或掌握住对象不使任意活动或超出范围；或使其按控制者的意愿活动。使其按控制者的意愿活动。（现代汉语词典现代汉语词典）控制，是指对事物起因、发展及结果的全控制，是指对事物起因、发展及结果的全过程的一种把握，是能预测和了解并决定过程的一种把握，是能预测和了解并决定事物的结果。事物的结果。是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器（机械装置、电气装置或电子计算机）使生产（机械装置、电气装置或电子计算机）使生产过程或被控制对象（机器、设备）的某一物理过程或被控制对

2、象（机器、设备）的某一物理量（温度、压力、液面、流量、速度、位移等）量（温度、压力、液面、流量、速度、位移等）自动地按照预定的规律运行。自动地按照预定的规律运行。例如：例如：u 电冰箱自动地控制冰箱中的温度恒定；电冰箱自动地控制冰箱中的温度恒定；u 无塔供水系统保证楼宇自动恒压供水；无塔供水系统保证楼宇自动恒压供水；u 加工中心根据加工工艺的要求，能够自动地加工中心根据加工工艺的要求，能够自动地按照一定的加工程序加工出所需要的工件。按照一定的加工程序加工出所需要的工件。研究机械工程中研究机械工程中系统系统的动态的动态特性。特性。图图1-1 质量质量-阻尼阻尼-弹簧系统弹簧系统m、k及及f分别代

3、表系统的分别代表系统的质量、弹簧刚度系数及粘质量、弹簧刚度系数及粘性阻尼系数。如果输入性阻尼系数。如果输入x(t)代表系统的外力，而输出代表系统的外力，而输出y(t)代表系统的位移响应，代表系统的位移响应，那么系统的数学模型可由那么系统的数学模型可由微分方程描述。其关系为微分方程描述。其关系为)(ty)(tx K f m 22()()()()d y tdy tmfky tx tatdt1.已知系统的已知系统的参数参数m、k、f及及输入输入x(t)，确，确定定输出输出y(t)；2.已知已知输入输入x(t)及及输出输出y(t)，确定系统的，确定系统的参参数数m、k及及f；3.已知系统的已知系统的参

4、数参数m、k及及f，给定，给定输出输出y(t)时，时，确定确定输入输入x(t)。所谓系统的动态性能，主要分如下三类所谓系统的动态性能，主要分如下三类 系统系统 输入输入 输出输出 在各种生产过程和生产设备中，常常需在各种生产过程和生产设备中，常常需要使其中某些物理量（如温度、压力、要使其中某些物理量（如温度、压力、位置、速度等）保持恒定，或者让它们位置、速度等）保持恒定，或者让它们按照一定的规律变化，要满足这种需要，按照一定的规律变化，要满足这种需要，就应该对生产机械或设备进行及时的控就应该对生产机械或设备进行及时的控制和调整，以抵消外界的扰动和影响。制和调整，以抵消外界的扰动和影响。恒温系统

5、恒温系统:实现恒温控制有两种方法：实现恒温控制有两种方法：人工控制人工控制和和自动控制自动控制 1.人工控制人工控制图图1-2所示为人工控制的恒温箱。恒温箱的温度是靠所示为人工控制的恒温箱。恒温箱的温度是靠通过改变调压器的电压来达到控制温度的目的。箱通过改变调压器的电压来达到控制温度的目的。箱内温度是由温度计测量的。内温度是由温度计测量的。图图1-2 人工控制的恒温箱人工控制的恒温箱人工控制恒温的过程可归结如下：人工控制恒温的过程可归结如下：2.自动控制自动控制 u2u1热电偶热电偶给定信号给定信号加热电阻丝加热电阻丝电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器减速器减速器调压器调压器u220V比

6、较比较+执行电动机执行电动机达到希望的速度时为止。达到希望的速度时为止。给定量给定量也叫控制系统的输入量。也叫控制系统的输入量。被控制量被控制量称为系统的输出量。称为系统的输出量。反馈反馈就是指输出量通过适当的测量装置将信号全部就是指输出量通过适当的测量装置将信号全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。比较的结果叫比较的结果叫偏差偏差。基于反馈基础上的基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差检测偏差用以纠正偏差”的原的原理又称为反馈控制原理。利用反馈控制原理组成的理又称为反馈控制原理。利用反馈控制原理组成的系统称为系统称为反馈控制系统反馈控制系统。

7、开环控制系统的优点：开环控制系统的优点：结构简单、调试方便，且结构简单、调试方便，且造价低廉。造价低廉。缺点缺点是精度较低。是精度较低。闭环控制系统突出的优点：闭环控制系统突出的优点：精度高，不管出现什精度高，不管出现什么干扰，只要被控制量的实际值偏离给定值时，么干扰，只要被控制量的实际值偏离给定值时，闭环控制就会产生控制作用来减小这一偏差。闭环控制就会产生控制作用来减小这一偏差。闭环系统的缺点：闭环系统的缺点：这类系统是检测偏差用以纠正这类系统是检测偏差用以纠正偏差，或者说是靠偏差进行控制。在工作过程中偏差，或者说是靠偏差进行控制。在工作过程中系统总会存在偏差，由于元件的惯性（如负载的系统总

8、会存在偏差，由于元件的惯性（如负载的惯性），很容易引起振荡，使系统不稳定。因此惯性），很容易引起振荡，使系统不稳定。因此精度和稳定性是闭环系统存在的一对矛盾。精度和稳定性是闭环系统存在的一对矛盾。三三 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成 给定给定 元件元件 图图 1-7 典型的反馈控制系统框图典型的反馈控制系统框图 串联校正串联校正元元 件件 执行执行元件元件 控制控制对象对象 反馈元件反馈元件 放大变放大变换元件换元件 并联校正并联校正 元元 件件 主反馈信号主反馈信号 xb 局部反馈局部反馈 主反馈主反馈 比较元件比较元件 输出输出 信号信号 xo+-+偏差偏差 信号信号 e 输

9、入输入 信号信号 xi 扰动扰动 4.偏差信号偏差信号（或称偏差）：它是控制信号与主反馈信（或称偏差）：它是控制信号与主反馈信号之差。有时也称为作用误差。号之差。有时也称为作用误差。3.快速性快速性：这是在系统稳定的前提下提出的。快：这是在系统稳定的前提下提出的。快速性是指当系统输出量与给定量之间产生偏差速性是指当系统输出量与给定量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。时，消除这种偏差过程的快速程度。对控制系统的基本要求是稳、准、快。对控制系统的基本要求是稳、准、快。由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、准、快的要求各有侧重，例如，随动系统对、准、快的要求各有侧重，例如，随动系统对快速性要求较高，而调速系统则对稳定性提出快速性要求较高，而调速系统则对稳定性提出较严格的要求。较严格的要求。同一系统稳、准、快是相互制约的。快速性好同一系统稳、准、快是相互制约的。快速性好，可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制过程，可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制过程可能又过于迟缓，精度也可能变坏。分析和解可能又过于迟缓，精度也可能变坏。分析和解决这些矛盾，也是本学科讨论的重要内容。决这些矛盾，也是本学科讨论的重要内容。