1机械工程控制基础(绪论)

第一章绪论机械工程控制基础主讲人:钟金豹[e-mail]内蒙古科技大学机械工程学院第一章绪论专业技术基础课(选修）课程性质:服务对象:大学机电类专业课程特点：内容丰富，技术更新快，紧密联系实际，应用非常广泛。本课程是非电专业的机电技术专业基础课，应用广泛，学时少、内容多，不能轻视。否则，对以后的工作、学习将会造成影响。前导课程：复变函数、电路理论、机械制造技术基础后续课程：机电控制，机电控制系统设计第一章绪论主要教学环节习题独立完成作业，按时交作业。紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解题方法和技巧。课堂教学课外补充复习：复变函数Laplace变换自学：Matlab编程。第一章绪论主要教学内容基础知识分析方法基本概念控制系统结构体系控制系统数学模型工程控制技术时域分析频域分析系统稳定性判据工程应用系统性能指标系统校正第一章绪论课程成绩确定方法：本课程将注重过程，采用过程评价体系。成绩主要由平时成绩、作业成绩和考试成绩三部分组成。每项说明如下：1.平时成绩：到课率、迟到早退情况、回答问题情况、上课情况等。2.作业成绩：4-6次作业，当堂交作业。3.随堂考试：闭卷，卷面考试成绩。最终成绩的给定大约按如下公式得到：平时成绩+作业成绩+考试成绩三者比重大约分别为：20%、20%、60%逃课、早退、未交作业累计五次，不允许参加考试第一章绪论《工程控制基础》课程教材及参考书教材：《机械工程控制基础》（第五版），杨叔子、杨克冲等编著，华中科技大学出版社，20051.韩致信等编．《机械自动控制工程》．科学出版社2.梅晓榕主编．《自动控制原理》．科学出版社3.柳洪义编著．《机械控制工程》．科学出版社4.陈康宁等编．《机械控制工程》．西安交通大学出版社5.陈丽兰等编．《自动控制原理教程》．电子工业出版社参考书：第一章绪论希望和要求:教学形式:课堂上，多媒体授课为主，板书为辅；学习模式：预习－听课－复习(作业等形式)意见要求及时反馈新生事物大家支持教师严谨治学学生积极配合师生共同创造佳绩建议希望踊跃发言第一章绪论控制技术应用举例(1)工业控制•电机控制•机床控制•生产过程自动化控制•机器人控制•......控制技术的应用第一章绪论•海洋探测机器人1990年日本海洋科技中心研制的“海沟号”缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）第一章绪论CR-01型6000米水下无缆机器人1995年8月我国沈阳自动化所机器人中心研制的CR-01型6000米水下无缆机器人（上）和正在下水的情况（右）第一章绪论瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人第一章绪论一个典型的运动控制系统第一章绪论船用火力发电综合控制系统第一章绪论家用电器•冰箱、洗衣机•家庭影院•微波炉•......控制技术应用举例(2)第一章绪论消费类产品•U盘、MP3•手机应用产品•......控制技术应用举例(3)32、64等合弦音MCU芯片第一章绪论智能楼宇的控制控制技术应用举例(4)可视对讲、室内报警、远程家电控制…….第一章绪论楼宇电梯的控制信号检测供电系统电机(执行机构)可编程序控制器ProgrammableLogicController电机控制器第一章绪论汽车电子汽车电子电源发动机控制行驶装置报警与安全装置旅居性仪表娱乐通讯收音机、汽车电话、业余电台点火装置、燃油喷射控制、发动机电子控制车速控制、间歇刮水、除雾装置、车门紧锁….安全带、车灯未关报警、速度报警、安全气囊….空调控制、动力窗控制里程表、数字式速度表、出租车用仪表….控制技术应用举例(5)第一章绪论21世纪绿色环保汽车EV安全、舒适、可靠无废气排放(零排放)高效率EV?第一章绪论机电机电一体化EV汽车照明、电动转向、空调、音响、雨刷、安全报警、电动门窗…….电子机械控制控制第一章绪论基于CAN总线的汽车内部控制示意图第一章绪论口语汽车导航系统使用情景示意图汽车GPS定位，GIS导航，GSM通信单片机控制器应用第一章绪论由行程开关控制的自动往返起动线路典型应用第一章绪论一、引言1、控制系统简介•自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。•开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制。•后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制。•目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等。所谓自动控制指的是在没有人直接参与的情况下，利用控制器自动调节和控制机器设备或生产过程的工作状态，使之保持不变或按预定的规律变化这样一种现象，叫做自动控制。第一章绪论补充知识自动控制理论的发展自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从1868年马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一章绪论第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：智能控制发展阶段。第一章绪论经典控制理论控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据。1895年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论；1948年，伊万斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。第一章绪论经典控制理论的基本特征（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；（2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。应该指出的是，反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。第一章绪论现代控制理论由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。第一章绪论大系统理论20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。第一章绪论智能控制是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。第一章绪论2、控制的定义:控制:对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。例.[钢铁轧制]:轧出厚度一致的高精度铁板存在温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。自动控制:在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。第一章绪论例.典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等。例.控制实例-液面控制人工控制自动控制第一章绪论3、控制论:定义：关于控制原理和控制方法的学科，研究事物变化和发展的一般规律。控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置控制论强调：1)所研究的对象是一个系统；2)系统在不断地运动（经历动态历程、包括内部状态和外部行为）；3)产生运动的条件是外因（外界的作用：输入、干扰）4)产生运动的根据是内因（系统的固有特性）第一章绪论控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。控制论经济学社会学生物学工程技术经济控制论社会控制论生物控制论工程控制论机械工程机械工程控制论共同的本质特点：通过信息的传递、处理与反馈进行控制。第一章绪论二、机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论研究机械工程中广义系统的动力学问题。1、系统(广义系统):按一定的规律联系在一起的元素的集合。。元素之间的联系）有关而且与系统的结构（即系统的元素有关，系统的特性不仅与构成　　元素之间的联系元素要素：出（响应）系统对外界的作用：输入、干扰外界对系统的作用：输：系统与外界的交互作用第一章绪论系统框图如下:系统的层次性和相对性：系统的组成元素也可以是一个系统（子系统），整个系统又可以是更上一层系统的组成元素。广义系统：具备系统要素的一切事物或对象，如机器系统、生命系统、社会系统、生产系统、思维、学习等。机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加工过程、测量、车间、部门、工厂、企业、企业集团等。第一章绪论2、动力学问题:系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即为系统的动力学问题。例.弹簧－质量－阻尼单自由度系统。分析：这是同一个系统，不同的外界作用第一章绪论可得：根据牛顿第二定律，，受三个力的作用对于物体,m)(),()()(2微分算子dtdptftykcpmp可得：定律，是输出，根据牛顿第二是输入，对于系统)()(,tytxb是输出。是输入，解：对于系统)()(,tytfa)(),()()()(2微分算子dtdptxkcptykcpmp00)0(,)0()1yyyy初