机械控制工程基础.ppt
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1、控 制 工 程 基 础主讲教师:王晓云参考教材1 杨叔子、杨克冲.机械工程控制基础(第五版).武汉:华中科技大学出版社,2005年7月2熊良才、杨克冲.机械工程控制基础学习辅导与题解.武汉:华中科技大学出版社,2002年4月3朱骥北.机械控制工程基础(第15版).北京:机械工业出版社,2005年4董景新、赵长德.控制工程基础(第3版).北京:清华大学出版社,2009年6月5刘叔军、樊京.MATLAB控制系统应用与实例.北京:清华大学出版社,2008年5月 授课方式与考核方式授课方式 以电子工业出版社、玄兆燕编写的机械工程控制基础为指导,利用多媒体课件为主、板书为辅进行理论教学;利用MATLAB
2、/Simulink软件开展实验教学。考核方式 平时作业5次,占总评成绩的20%;实验2次,占总评成绩的10%;期末闭卷考试,占总评成绩的70%。出勤率低于1/3取消期末考试资格。课程性质控制论经典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”是控制论(Cybernetics)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越来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,强调用系统的、反馈的、控制的方法来分析研究工程实际问题。课程任
3、务与学习要求课程任务 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一定的基础。学习要求 需要大家具备一定的数学、力学、电学方面的基础知识,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节。主要教学内容机械控制工程基础基础知识工程应用分析方法基本概念控制系统结构体系控制系统数学模型时域分析频域分析系统稳定性判据系统性能指标系统校正绪论 (2学时)拉普拉斯变换(2学时)系统的数学模型 (8+2学时)系统的时间响应分析 (8+2学时)系统的频率特性分析 (8+2学时
4、)系统的稳定性(4学时)复习 (2学时)课程章节第一章 绪 论1.1 机械工程控制论的研究对象与任务 1.2 系统及其模型 1.3 反馈 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求 本章教学大纲1.了解机械工程控制论的基本概念、研究对象与任务;2.掌握系统、模型、反馈、偏差等基本概念;3.掌握反馈控制系统工作原理的分析;4.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、控制系统的分类第一章 绪论本章教学大纲第一章 绪论1.1 机械工程控制论的研究对象与任务一、控制论概述 控制论是关于控制原理与控制方法的学科,它研究事物变化和发展的一般规律。“控制论”的
5、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(Norbert Wiener)诺伯特维纳,他于1948年发表了“控制论”。1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论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。控制论的中心思想通过信息的传递、加工处理并利用反馈来进行控制。1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论 1954年我国科学家钱学森出版专著工程控制论(英文版),首先把控制论推广到工程技术领域。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的对象
6、:系统(广义系统)研究的任务:动力学问题研究的领域:机械工程领域二、机械工程控制论的研究对象1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论 系统按一定规律联系在一起的元素的集合系统的要素元素元素之间的联系系统与外界的交互作用外界对系统的作用系统对外界的作用输入(激励)干扰(扰动)输出(响应)系统的框图1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论 机械工程中的广义系统:元件、部件、仪器、设备;加工过程、操作设备、测量;车间、部门、工厂、企业、企业集团、全球制造行业等 如:机器系统生命系统社会经济系统生产系统思维、学习、工作 广义系统具备系统要素的一切事物或对象1.1 机械工程控制论的研
7、究对象与任务第一章 绪论系统非控制系统控制系统人工控制系统自动控制系统 非控制系统仅具有由人工开、关两种状态的系统如:搅拌机(视频链接)教室里的照明系统 控制系统系统的可变输出,能按照要求由参考输入或控制输入进行调节的系统1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论如:空调加热电阻丝220V调压器人工控制的恒温箱 温度计自动控制系统教室中的风扇人工控制系统1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论加热电阻丝220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1u恒温箱自动控制系统1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论根据自己的生活和学习经验,列举
8、控制系统的例子问题:1)普通全自动洗衣机 2)全自动照相机的闪光系统、调焦系统 3)饮水机,微波炉 4)抽水马桶水箱的液面自动调节器液面控制1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论生物、医学、环境、经济管理等其它机器人、导弹制导、核动力等高新领域宇航:火箭、飞船、卫星道路交通:信号灯控制、车牌自动识别日常:冰箱、洗衣机、空调农业:恒温大棚、农业自动化机械应用范围工业:数控机床、轧钢机、恒温箱等1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论蒸汽机离心调速器工业:1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论数控机床进给系统模拟图1.1 机械工程控制论的研究对象与任务在农业机械领
9、域的应用第一章 绪论1.1 机械工程控制论的研究对象与任务在日常生活中的应用第一章 绪论1.1 机械工程控制论的研究对象与任务道路交通的应用车牌自动识别第一章 绪论1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论人形机器人1.1 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,2004)第一章 绪论1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论自动火炮、导弹制导等高新领域的应用1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论在雷达领域的应用1.1 机械工程控制论的研究对象与任务海洋探测机器人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
10、(右)第一章 绪论1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 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、车辆、金属、化学、建材等实验1.1 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第一章 绪论 动力学问题 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、输出三者之间的动态关系。即输入或激励,包括外加控制与外界干扰即由系统的结构与参数
11、所决定的特性 下面,我们通过一个简单的例子,让大家更深刻的理解“机械工程控制论的研究任务”这一问题。1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论同一系统,不同的输入例1-1 弹簧-质量-阻尼单自由度系统 系统(a)系统(b)m-c-k单自由度系统1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论(a)(b)整理得:(a)解:(b)解: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:mp +cp+k2系统与外界之间的关系:1,cp+k系统对输入的响应(系统的输出):y(t)系统的输入或激励:f(t),x(t)
12、代表了系统在一定外界条件下的动态历程令 p=d/dt(微分算子)系统(a)(mp+cp+k)y(t)=f(t)系统(b)(mp+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t)221.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论问题:1.系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)?三者之间表现为何种关系?2.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y(t))?3.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?求输出求输入求系统(结构参数)基本的动力学问题1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论研究任务:(1)系统分析问题(2)最优控制问题(3)最优设
13、计问题(4)滤波与预测问题(5)系统辨识问题已知系统和输入,求系统的响应(或输出),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,设计输入已知输入和理想输出时,设计系统输出已知,确定系统,以识别输入或输入中的的有关信息已知系统的输入与输出,求系统的结构与参数,即建立系统的数学模型1.1 机械工程控制论的研究对象与任务第一章 绪论1.2 系统及其模型一、系统 系统具有如下特性:(1)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;(2)系统的内容比组成系统的各元素的内容要丰富很多;(3)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。1.2 系统及其模型1.2 系统
14、及其模型第一章 绪论二、机械系统 定义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。如:切削加工过程工件操作者当研究某台机床切削加工过程中的动力学问题时;当研究此台机床加工的工件的某些质量指标时;当研究此台机床的操作者在加工过程中的作用时;输入激励(外界对系统的作用,如载荷等)输出响应(系统对外界的作用,如变形、位移)1.2 系统及其模型第一章 绪论激励控制输入人为地、有意识地加上去;扰动偶然因素产生而一般无法完全人为 控制的(干扰);三、数学模型 模型的定义研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种工具。模型的种类实物模型、物理模型和数学模型等。1.2 系统及其模型
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