第1讲-机械工程控制基础-绪论

机械控制工程基础FundamentalsofMechanicalControlEngineering目标交汇点导弹导引雷达导弹导弹发射架计算机目标跟踪雷达主要内容主要内容主要内容主要内容•第第第第1111章章章章绪论绪论绪论绪论•第第第第2222章章章章系统的数学模型系统的数学模型系统的数学模型系统的数学模型•第第第第3333章章章章时间响应时间响应时间响应时间响应分析分析分析分析•第第第第4444章章章章频率特性分析频率特性分析频率特性分析频率特性分析•第第第第5555章章章章系统的稳定性系统的稳定性系统的稳定性系统的稳定性•第第第第6666章章章章系统设计与校正系统设计与校正系统设计与校正系统设计与校正机械装备的发展方向:机械+控制+微电子+计算机数控机床数控机床数控机床数控机床十几万至几十万十几万至几十万十几万至几十万十几万至几十万数字化技术改造数字化技术改造数字化技术改造数字化技术改造价格相差数倍价格相差数倍价格相差数倍价格相差数倍普通机床普通机床普通机床普通机床4.54.54.54.5万左右万左右万左右万左右1.1控制系统的工作原理控制系统的工作原理控制系统的工作原理控制系统的工作原理控制（control）:给对象施加某种操作，使其产生预期的行为。自动控制:该操作由控制器自动完成，无须人的参与。基本问题:如何使对象按照给定的规律变化。例1：学习驾驶偏差偏差偏差偏差右右右右调整调整调整调整右右右右左左左左－＋＋＋＋左左左左延滞延滞延滞延滞对象——汽车；操作——转动方向盘等；预期行为——汽车按驾驶者意图行驶。例2：恒温控制Ch1Ch1Ch1Ch1绪论����人工控制����自动控制•人工控制与自动控制的共同点：检测偏差并纠正偏差。•自动控制系统中，偏差是通过反馈建立的。•给定量称为输入量，被控量称为输出量。•反馈就是指将输出量全部或部分返回到输入端，并与输入量比较。比较的结果称为偏差。•若反馈作用使偏差值越来越小，称为负反馈；反之，则称正反馈。•利用反馈控制原理组成的系统称为反馈控制系统。恒温箱自动控制的方框图输入量输出量给定元件比较元件反馈元件放大元件执行元件•人工控制与自动控制的共同点：检测偏差并纠正偏差。•自动控制系统中，偏差是通过反馈建立的。•给定量称为输入量，被控量称为输出量。•反馈就是指将输出量全部或部分返回到输入端，并与输入量比较。比较的结果称为偏差。•若反馈作用使偏差值越来越小，称为负反馈；反之，则称正反馈。•利用反馈控制原理组成的系统称为反馈控制系统。系统方框图控制器被控对象指令传感器输出量/被控量输入量/控制量希望值/指令值1.2控制系统的分类控制系统的分类控制系统的分类控制系统的分类炮瞄雷达系统——它是用于自动跟踪空中目标，测定目标坐标，并通过指挥仪控制高射炮瞄准射击的雷达，又称火炮控制雷达。——随动系统•控制工程研究对象——系统•控制论的对象是系统——钱学森1111....3333机械控制工程的研究对象与方法机械控制工程的研究对象与方法机械控制工程的研究对象与方法机械控制工程的研究对象与方法系统：相互作用的各部分组成的具有一定功能的整体。•机械工程控制论的研究对象它研究的是机械工程广义系统在一定的外界条件（即输入或激励、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；研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系——广义系统的动力学问题。系统输入输出机械工程控制论的研究对象•机械工程控制论的研究任务从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械工程控制论的任务主要有以下三种：1.已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；2.已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；3.已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。•1769年：JamesWatt发明飞球调节器，用来控制蒸汽机的转速•1868年：J.C.Maxwell发表《调速器》，提出反馈控制的概念及稳定性条件•1884年：E.J.Routh提出劳斯稳定性判据•1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普诺夫稳定性理论•1895年：A.Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据经典控制理论的发展（至1954年）1.4控制理论发展简史控制理论发展简史控制理论发展简史控制理论发展简史离心调速器的工作原理方框1为原动机；方框2为工作机；框5内是由两个对称的摇杆滑块机构组成的调速器本体•1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。•1945年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法。•1948年：N.Wiener发表《控制论》，标志经典控制理论基本形成。•1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，并应用于反馈控制系统的设计。•1954年：钱学森发表《工程控制论》。•1956年：蓬特里亚金（Pontryagin）提出极大值原理•1957年：R.I.Bellman提出动态规划理论•1960年：R.E.Kalman提出卡尔曼滤波理论•1960～1980年：确定性系统的最优控制、随机系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制•1980迄今：鲁棒控制、H∞控制、非线性控制、智能控制等现代控制理论的发展（1954年至今）内容：控制理论的基本理论和方法，注意与机械工程结合。学习基础：高等数学、力学、电工学等多门课程。后续专业课测试技术、机器人、数控机床等的理论基础。多看参考书，加深理解。独立完成习题及注重实践。1.5本课程的学习方法本课程的学习方法本课程的学习方法本课程的学习方法例1.1机械工程控制论的研究对象是什么？什么是反馈？答：机械工程控制论的研究对象是机械工程技术中广义系统的动力学问题，即机械工程广义系统在一定的外界条件（输入或激励、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；研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。反馈就是指将输出量全部或部分返回到输入端，并与输入量比较。例1.2电热水器如图(例1.1.a)所示。为了保持希望的温度，由温控开关接通或断开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明该系统工作原理并画出系统的方框图。（注意有无干扰）解：在电热水器系统中，水箱内的水温需要控制，即水箱为被控对象。水的实际温度是被控制量，或称为系统的输出量，设为T0(℃)；输入量为用户希望的温度（给定值），设为T1(℃)；由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使水箱内水愠下降成为该系统的主要干扰。干扰（disturbance）：偶然的无法加入人为控制的信号。它也是一种输入信号，通常对系统的输出产生不利影响。被控对象输入量输出量控制技术控制技术控制技术控制技术应用举例应用举例应用举例应用举例(1)(1)(1)(1)工工工工业业业业控控控控制制制制•电机控制电机控制电机控制电机控制•机床控制机床控制机床控制机床控制•生产过程自动化控制生产过程自动化控制生产过程自动化控制生产过程自动化控制•机器人控制机器人控制机器人控制机器人控制•........................控制技术的应用控制技术的应用控制技术的应用控制技术的应用CR-01CR-01CR-01CR-01型型型型6000600060006000米水下无缆机器人米水下无缆机器人米水下无缆机器人米水下无缆机器人1995199519951995年年年年8888月我国沈阳自动化所机器人中月我国沈阳自动化所机器人中月我国沈阳自动化所机器人中月我国沈阳自动化所机器人中心研制的心研制的心研制的心研制的CR-01CR-01CR-01CR-01型型型型6000600060006000米水下无缆机器米水下无缆机器米水下无缆机器米水下无缆机器人（上）和正在下水的情况（右）人（上）和正在下水的情况（右）人（上）和正在下水的情况（右）人（上）和正在下水的情况（右）瑞典博福斯公司研制的瑞典博福斯公司研制的瑞典博福斯公司研制的瑞典博福斯公司研制的““““双鹰双鹰双鹰双鹰””””水下扫雷机器人水下扫雷机器人水下扫雷机器人水下扫雷机器人锅炉汽轮机发电机速度调节器压力测量氧气测量温度测量控制器阀门阀门阀门给水燃料空气轴输出电功率控制量预期输出功率高压蒸汽转速测量电流电压测量预期工作状态船用火力发电综合控制系统船用火力发电综合控制系统船用火力发电综合控制系统船用火力发电综合控制系统家家家家用用用用电电电电器器器器•冰箱、洗衣机冰箱、洗衣机冰箱、洗衣机冰箱、洗衣机•家庭影院家庭影院家庭影院家庭影院•微波炉微波炉微波炉微波炉•........................控制技术控制技术控制技术控制技术应用举例应用举例应用举例应用举例(2)(2)(2)(2)消费类产品消费类产品消费类产品消费类产品•UUUU盘、盘、盘、盘、MP3MP3MP3MP3•手机应用产品手机应用产品手机应用产品手机应用产品•........................控制技术控制技术控制技术控制技术应用举例应用举例应用举例应用举例(3)(3)(3)(3)32323232、、、、64646464等等等等合弦音合弦音合弦音合弦音MCUMCUMCUMCU芯片芯片芯片芯片智能楼宇的控制智能楼宇的控制智能楼宇的控制智能楼宇的控制控制技术控制技术控制技术控制技术应用举例应用举例应用举例应用举例(4)(4)(4)(4)可视对讲、室内报警、远程家电控制可视对讲、室内报警、远程家电控制可视对讲、室内报警、远程家电控制可视对讲、室内报警、远程家电控制……………………....楼楼楼楼宇宇宇宇电电电电梯梯梯梯的的的的控控控控制制制制信信信信号号号号检检检检测测测测供供供供电电电电系系系系统统统统电机电机电机电机((((执行机构执行机构执行机构执行机构))))可编程序可编程序可编程序可编程序控制器控制器控制器控制器电机控制器电机控制器电机控制器电机控制器汽车电子汽车电子汽车电子汽车电子汽汽汽汽车车车车电电电电子子子子电源电源电源电源发动机控制发动机控制发动机控制发动机控制行驶装置行驶装置行驶装置行驶装置报警与安全装置报警与安全装置报警与安全装置报警与安全装置旅居性旅居性旅居性旅居性仪表仪表仪表仪表娱乐通讯娱乐通讯娱乐通讯娱乐通讯收音机、汽车电话、业余电台收音机、汽车电话、业余电台收音机、汽车电话、业余电台收音机、汽车电话、业余电台点火装置、燃油喷射控制、点火装置、燃油喷射控制、点火装置、燃油喷射控制、点火装置、燃油喷射控制、发动机电子控制发动机电子控制发动机电子控制发动机电子控制车速控制、间歇刮水、车速控制、间歇刮水、车速控制、间歇刮水、车速控制、间歇刮水、除雾装置、车门紧锁除雾装置、车门紧锁除雾装置、车门紧锁除雾装置、车门紧锁…………....安全带、车灯未关报警、安全带、车灯未关报警、安全带、车灯未关报警、安全带、车灯未关报警、速度报警、安全气囊速度报警、安全气囊速度报警、安全气囊速度报警、安全气囊…………....空调控制、动力窗控制空调控制、动力窗控制空调控制、动力窗控制空调控制、动力窗控制里程表、数字式速度表、里程表、数字式速度表、里程表、数字式速度表、里程表、数字式速度表、出租车用仪表出租车用仪表出租车用仪表出租车用仪表…………....控制技术控制技术控制技术控制技术应用举例应用举例应用举例应用举例(5)(5)(5)(5)机机机机电电电电机电一体化机电一体化机电一体化机电一体化EVEVEVEV充电系统充电系统充电系统充电系统电池管理系统电池管理系统电池管理系统电池管理系统汽车照明、汽车照明、汽车照明、汽车照明、电动转向、空调、电动转向、空调、电动转向、空调、电动转向、空调、音响、雨刷、安全音响、雨刷、安全音响、雨刷、安全音响、雨刷、安全报警、电动门窗报警、电动门窗报警、电动门窗报警、电动门窗……………………....电电电电子子子子机械机械机械机械驱动控制系统驱动控制系统驱动控制系统驱动控制系统电机驱动系统电机驱动系统电机