机械工程控制基础教教 材：材：控制工程基础控制工程基础 陈春俊编陈春俊编 西南交通大学出版社西南交通大学出版社参考书目：参考书目：机械工程控制基础机械工程控制基础 杨叔子等编著杨叔子等编著 华中科技大学出版社华中科技大学出版社现代控制工程现代控制工程 绪方胜彦著绪方胜彦著. 卢伯英译卢伯英译 科学出版社科学出版社控制工程基础控制工程基础 董景新，赵长德编著董景新，赵长德编著 清华大学出版社清华大学出版社自动控制原理自动控制原理 胡寿松主编胡寿松主编 国防工业出版社国防工业出版社Automatic Control System Benjamin C Kao Prentic-Hall工程控制论（上册）工程控制论（上册） 钱学森，宋健著钱学森，宋健著 科学出版社科学出版社1-1 概概 述述控制控制人工控制人工控制自动控制自动控制目标：使被控对象按指定规律变化目标：使被控对象按指定规律变化机械工程控制基础机械工程控制基础机械工程机械工程控制论控制论一、控制理论的发展一、控制理论的发展（一）（一）“控制控制”问题的提出问题的提出（二）（二）经典自动控制理论的发展经典自动控制理论的发展（一）（一）现代控制理论现代控制理论二、二、机械制造的发展和控制理论的应用机械制造的发展和控制理论的应用第一章第一章 绪绪 论论一、控制理论的发展一、控制理论的发展1. 蒸汽机转速的人工控制蒸汽机转速的人工控制眼、转速表眼、转速表 蒸汽机蒸汽机手、阀门手、阀门大脑大脑希望恒定转速希望恒定转速M实际实际n 蒸汽机蒸汽机负载负载Mn进汽量进汽量Q阀门阀门眼眼 脑脑手手测速表测速表希望恒希望恒定转速定转速（1）原理图）原理图控制控制某个主体使其他对象按照某个主体使其他对象按照 一定的目的来动作一定的目的来动作；反馈反馈将输出反回输入端的过程将输出反回输入端的过程；偏差偏差输入信号与反馈信号之差输入信号与反馈信号之差。控制的基本过程就是控制的基本过程就是“检测偏差用以纠正偏差检测偏差用以纠正偏差”的过程的过程（一）（一）“控制控制”问题的提出问题的提出（2）控制系统方框图控制系统方框图2. 蒸汽机转速的自动控制蒸汽机转速的自动控制（1）原理图）原理图 两者的基本原理相两者的基本原理相同，都是建立在同，都是建立在“检测检测偏差用以纠正偏差偏差用以纠正偏差”的的基础之上。基础之上。（2）控制系统方框图控制系统方框图离心离心机构机构 蒸汽机蒸汽机负载负载MnAB进汽量进汽量Q阀门阀门滑套滑套n1被控对象被控对象检测、比较机构检测、比较机构执行机构执行机构离心机构离心机构 蒸汽机蒸汽机阀门阀门比较机构比较机构给定给定NgM实际实际nQ（二）经典自动控制理论的发展（二）经典自动控制理论的发展1788 瓦特：蒸汽机离心调速器瓦特：蒸汽机离心调速器1868 J.C. Maxwell：“反馈控制反馈控制”概念概念1882 李亚普诺夫：系统稳定性的严格数学定义李亚普诺夫：系统稳定性的严格数学定义1884 E.J. Routh：线性系统代数稳定性判据线性系统代数稳定性判据1932 H. Nyquist：频域稳定性判据频域稳定性判据 H.W. Bode：对数坐标图对数坐标图 Harris：传递函数传递函数1945：第一部经典控制理论书籍伺服机构出版第一部经典控制理论书籍伺服机构出版1948 N.Wiener：发表著名的控制论发表著名的控制论形成完整的经典控制理论形成完整的经典控制理论1950 W.R. Evans：根轨迹法根轨迹法1954 钱学森钱学森：发表著名的工程控制论发表著名的工程控制论 创立创立工程控制论工程控制论这门学科这门学科研研究究复域内复域内(频域频域)单输入单输入/出、出、线性非时变线性非时变系统系统传递函数传递函数(频率响应函数频率响应函数)稳定性稳定性快速性快速性准确性准确性（三）现代控制理论的发展（三）现代控制理论的发展时域时域内、利用内、利用状态空间分析状态空间分析，研究，研究多输入多输入、多输出多输出、非线性非线性、时变时变系统的最优控制、系统识别等问题。系统的最优控制、系统识别等问题。50年代未年代未60年代初：产生现代控制理论年代初：产生现代控制理论关键问题关键问题能否建立反映过程或系统的能否建立反映过程或系统的动态数学模型动态数学模型能否对此模型提供有效的能否对此模型提供有效的算法与程序算法与程序1956年前苏联邦特略京年前苏联邦特略京提出极大值原理提出极大值原理1957年美国贝尔曼年美国贝尔曼(R.I.Bellman)提出动态规划理论提出动态规划理论提出提出Kalman滤波滤波1960年美国卡曼年美国卡曼(R.E. Kalman)70年代：年代：自适应控制自适应控制计算机控制计算机控制模模 糊控制糊控制专专 家控制家控制智智 能控制能控制 本课程着重研究有关本课程着重研究有关机电控制系统机电控制系统的分析与设的分析与设计问题计问题二、机械制造的发展和控制理论的应用二、机械制造的发展和控制理论的应用成品成品人的感觉器官人的感觉器官加工对象加工对象人体、手人体、手需求需求干扰干扰人脑人脑特点：特点：人逐步从制造过程诸人逐步从制造过程诸环节的环节的直接参与直接参与中解中解脱出来；首先从脱出来；首先从加工加工(执行）执行）检测检测控控制制中解脱出来中解脱出来人的感觉器官人的感觉器官加工对象加工对象机器机构机器机构需求需求干扰干扰人脑人脑体力体力成品成品需求需求干扰干扰干扰干扰检测装置检测装置加工对象加工对象加工设备加工设备人脑人脑成品成品干扰干扰干扰干扰检测检测系统系统加工对象加工对象加工设备加工设备计算机计算机需求需求成品成品计算机集成生产计算机集成生产系统系统CIMS智能制造系统智能制造系统IMSERP控制理论在机械制造领域中应用最活跃的几个方面控制理论在机械制造领域中应用最活跃的几个方面在机械制造过程自动化方面在机械制造过程自动化方面 自动机床、自动生产线自动机床、自动生产线数控机床、柔性自动生产线数控机床、柔性自动生产线无人车间无人车间CIMS智能制造系统智能制造系统IMS在对加工过程的研究方面在对加工过程的研究方面 高速切削、强力切削、高速空程高速切削、强力切削、高速空程在产品与设备的设计方面在产品与设备的设计方面 经验、试凑、类比设计经验、试凑、类比设计计算机优化设计计算机优化设计人工智能专人工智能专家系统（人工智能技术家系统（人工智能技术AI、人工神经网络技术人工神经网络技术ANN)在动态过程或参数的测试方面在动态过程或参数的测试方面 静态静态动态动态1-2 研究对象与任务研究对象与任务系统系统输入输入输出输出实质实质是研究工程技术领域广义系统是研究工程技术领域广义系统的的动力学动力学问题。问题。 研究研究输入输入、系统特性系统特性、输出输出三者之间的动态关系。三者之间的动态关系。y(t)f(t)mkc令p=d/dt (mp2+cp+k)y(t) = f(t)y(t)x(t)y(t)mkc(mp2+cp+k)y(t) = (cp+k)x(t)1、系统分析系统分析：已知系统、输入，求输出（响应）。：已知系统、输入，求输出（响应）。2、最优控制最优控制：系统已确定，要求输出尽可能符合给定的最系统已确定，要求输出尽可能符合给定的最佳要求，求输入。佳要求，求输入。3、最优设计最优设计：已知输入，要求输出尽可能符合给定的最佳：已知输入，要求输出尽可能符合给定的最佳要求，进行系统结构和参数设计。要求，进行系统结构和参数设计。4、滤波与预测滤波与预测：已知输出，确定系统，以识别输入或输出：已知输出，确定系统，以识别输入或输出的有关信息。的有关信息。5、系统辨识系统辨识： 根据系统的输入、输出分析系统由哪些环根据系统的输入、输出分析系统由哪些环节组成，并求出各环节参数。即建立系统的数学模型。节组成，并求出各环节参数。即建立系统的数学模型。研究方面：研究方面：系统系统输入输入输出输出干扰干扰调节机构调节机构系统系统输入输入输出输出反馈信息反馈信息给定信息给定信息真实信息真实信息干扰干扰1-3 控制系统的基本概念控制系统的基本概念一、反馈一、反馈 1. 反馈反馈 将系统输出的全部或部分返回到输入将系统输出的全部或部分返回到输入(1) 内反馈内反馈系统本身自然形成的反馈，是系统处于系统本身自然形成的反馈，是系统处于 运动状态的内因运动状态的内因(2) 外反馈外反馈人为增加的反馈人为增加的反馈2. 反馈反馈 、动态历程、微分方程三者之间关系、动态历程、微分方程三者之间关系一个系统的动力学方程可写成一个系统的动力学方程可写成微分方程微分方程，就揭示了系统本身，就揭示了系统本身状态变量间的联系，也就体现了系统本身存在反馈；状态变量间的联系，也就体现了系统本身存在反馈；而而微分方程的解微分方程的解就体现了由于系统本身反馈的存在与外界对就体现了由于系统本身反馈的存在与外界对系统的作用的存在而决定的系统的系统的作用的存在而决定的系统的动态历程动态历程。可以说，系统的可以说，系统的微分方程微分方程是本身的反馈与外界对系统的作用是本身的反馈与外界对系统的作用这两者的一种这两者的一种数学体现形式数学体现形式；系统的；系统的动态历程动态历程是这两者存在是这两者存在的的结果结果；表示系统本身固有特性的微分方程；表示系统本身固有特性的微分方程左端算子左端算子，就表，就表示系统本身示系统本身反馈反馈的情况，是系统这一客观事物的内因。的情况，是系统这一客观事物的内因。反馈反馈 、动态历程、微分方程三者是紧密相联的。、动态历程、微分方程三者是紧密相联的。例例1：瓦特式蒸汽机离心调速器：瓦特式蒸汽机离心调速器tMMotnt1Ng3. 反馈控制反馈控制离心离心机构机构 蒸汽机蒸汽机负载负载MnAB进汽量进汽量Q阀门阀门滑套滑套n1离心机构离心机构 蒸汽机蒸汽机阀门阀门比较机构比较机构给定给定NgM实际实际nQ例例2：水位控制系统：水位控制系统+- -电电位位器器放大器放大器阀门阀门进水进水出水出水输入给定水位输入给定水位Ug电机电机Ux要求要求水位水位浮子电位器浮子电位器水缸水缸阀门阀门放大器放大器给定水位给定水位出水量干扰出水量干扰实际水位实际水位进水量进水量电机电机3. 反馈控制反馈控制 测量环节测量环节被控被控对象对象放大运放大运算环节算环节给定给定环节环节干扰干扰比较比较环节环节执行执行环节环节xiexo控制部分控制部分二、控制系统结构二、控制系统结构给定环节：给定环节：确定被控对象的目标值确定被控对象的目标值 xi ；测量环节测量环节：测量被控变量测量被控变量 xo，并将其转换成便于传递的物理量，并将其转换成便于传递的物理量，再反馈到比较环节再反馈到比较环节；比较环节：比较环节：输入信号与输出信号在比较环节进行比较，得到偏差输入信号与输出信号在比较环节进行比较，得到偏差信号信号 e = xi - xo；放大运算环节：放大运算环节：对偏差信号作功率放大，以推动执行环节动作；对偏差信号作功率放大，以推动执行环节动作；执行环节：执行环节：驱动被控对象按预定规律运动。驱动被控对象按预定规律运动。被控对象：被控对象：是控制系统要操作的对象。是控制系统要操作的对象。干扰信号：干扰信号：不是由元件产生的，而是由系统外部环境或内部因素不是由元件产生的，而是由系统外部环境或内部因素造成的，它集中作用在被控对象上，影响系统输出。造成的，它集中作用在被控对象上，影响系统输出。一、按反馈情况分类一、按反馈情况分类1、开环系统开环系统：当一个系统以所需要的方框图表示而没有：当一个系统以所需要的方框图表示而没有反馈回路时，称为开环系统。反馈回路时，称为开环系统。2、闭环系统闭环系统：当一个系统以所需要的方框图表示而存在：当一个系统以所需要的方框图表示而存在反馈回路时，称为闭环系统。反馈回路时，称为闭环系统。1-3 系统分类系统分类Notes: 以同等精度元件组成的系统，闭环系统精度高于开环系统；以同等精度元件组成的系统，闭环系统精度高于开环系统； 闭环系统的输出信号对系统工作有控制作用，而开环系统无；闭环系统的输出信号对系统工作有控制作用，而开环系统无； 闭环系统抗干扰能力强，开环系统弱。闭环系统抗干扰能力强，开环系统弱。电电位位器器Ug 电电 压压 放大器放大器 功功 率率 放大器放大器负载负载UfnU1U2I测速发电机测速发电机电动机电动机测速发电机测速发电机 电动机电动机功率放功率放大器大器电位器电位器给定给定转速转速负载负载实际实际n电压放电压放大器大器IUfUgU2U1二、按输入变化规律分类二、按输入变化规律分类1、定值系统定值系统：输入是固定值。：输入是固定值。Ug=常数常数2、随动系统随动系统：输入是未知的时间函数。：输入是未知的时间函数。Ug=随机函数随机函数3、程控程控系统系统：输入是已知的时间函数。：输入是已知的时间函数。Ug=确定性函数确定性函数三、按系统中信号特性分类三、按系统中信号特性分类1、连续控制系统连续控制系统：系统中各部分传递的信号都是连续时间变：系统中各部分传递的信号都是连续时间变量的系统量的系统 线线 性性 系系 统统：能用线性微分方程表示的系统。：能用线性微分方程表示的系统。 非线性非线性系统系统：不能用线性微分方程表示的系统。：不能用线性微分方程表示的系统。2、离散离散控制系统控制系统：系统中某处或多处的信号是脉冲序列或数：系统中某处或多处的信号是脉冲序列或数字信号传递的系统字信号传递的系统 此外还可按系统部件的物理性质分为此外还可按系统部件的物理性质分为机械机械/电气电气/机电机电/液液压压等控制系统等控制系统输出输出检测元件检测元件执行机构执行机构D/A输入输入计算机计算机控制器控制器A/D被控对象被控对象+-系统的系统的稳定性稳定性、响应的、响应的快速性快速性、响应的、响应的准确性准确性tnNg(a) 不不稳定稳定tnNg(b) 稳定稳定1-4 1-4 控制系统的基本性能指标控制系统的基本性能指标控制系统的基本性能指标控制系统的基本性能指标1、系统的稳定性、系统的稳定性稳定性稳定性由于控制系统中都包含储能元件，若系统参数由于控制系统中都包含储能元件，若系统参数匹配不当，便可能引起振荡。稳定性是指系统动态过程中匹配不当，便可能引起振荡。稳定性是指系统动态过程中的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。 稳定性要求是系统工作的稳定性要求是系统工作的首要条件首要条件。tnNg图图1ABtnNg图图2ABtf(t)图图3AB输入输入2、响应的快速性、响应的快速性(1) 瞬时响应时间瞬时响应时间ts(2) 超调量超调量Mp快速性快速性指当系统指当系统输入输出量间产生偏输入输出量间产生偏差时，消除这种偏差差时，消除这种偏差的快慢程度。的快慢程度。3、响应的准确性、响应的准确性准确性准确性指在过渡过程结束后，输出量与给定输入量指在过渡过程结束后，输出量与给定输入量（或与之相应的稳态输出量）的偏差，又称（或与之相应的稳态输出量）的偏差，又称静态精度静态精度或或稳态精度稳态精度。 它也是衡量系统工作性能的重要指标。它也是衡量系统工作性能的重要指标。tnNg