机械工程控制基础1(第一章绪论)课件.pptx

1、12 本本课程将注重过程，采用过程评价体系。成绩主要由平时成绩、课程将注重过程，采用过程评价体系。成绩主要由平时成绩、 实验成绩实验成绩、成绩、成绩三部分部分组成。三部分部分组成。1. 平时平时成绩：成绩：到课率、迟到早退情况、作业情况等到课率、迟到早退情况、作业情况等2. 考试考试方式：方式：闭卷，卷面考试成绩闭卷，卷面考试成绩成绩成绩的计算：的计算：平时（平时（10% ）+实验（实验（20% ）+考试（考试（ 70% ）注意：注意：1、迟到、早退、迟到、早退2次无平时成绩；次无平时成绩；2、缺席、不交作业累计、缺席、不交作业累计3次取消考试成绩。次取消考试成绩。课程成绩确定方法：课程成绩确

2、定方法：3机械工程控制基础机械工程控制基础课程教材及参考书课程教材及参考书 l教材：教材：1.1.自动控制原理自动控制原理胡寿松等编胡寿松等编 国防工业出版社国防工业出版社2.2.复变函数与积分变换复变函数与积分变换包革军等编包革军等编 科学出版社科学出版社3. 3. MATLABMATLAB实用教程实用教程 （美）穆尔著，高会生译（美）穆尔著，高会生译 电子工业出版社电子工业出版社l参考书：参考书：4本课程与其它课程的关系本课程与其它课程的关系机械控制工程基础机械控制工程基础电路理论电路理论大学物理大学物理信号与系统信号与系统复变函数复变函数拉氏变换拉氏变换模拟电子技术模拟电子技术线性代数线

3、性代数微积分微积分各各 类类专业课专业课线性系统线性系统现代控现代控制理论制理论 本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，不能轻视。否则，对以后的工作、学习将会造成影响。5主要教学内容主要教学内容基础知识基础知识分析方法分析方法基本概念基本概念控制系统结构体系控制系统结构体系控制系统数学模型控制系统数学模型工工程程控控制制技技术术时域分析时域分析频域分析频域分析系统稳定性判据系统稳定性判据工程应用工程应用系统性能指标系统性能指标系统校正系统校正6主要内容主要内容

4、6第一章 绪论第二章 系统的数学模型 第三章 系统时间响应分析 第四章 系统频率特性分析 第五章 系统的稳定性 第六章 系统性能指标与校正第七章 非线性系统初步 第八章 线性离散系统初步第九章 系统辨识初步7 2014年德国政府的工业推进计划年德国政府的工业推进计划“”引发了关于第四次工业革命的热议引发了关于第四次工业革命的热议问题问题随之而来随之而来： 到底什么是第四次工业革命？ 第四次工业革命与之前的工业发展有何根本的不同？ 是什么推动了人类进入第四次工业革命？ 这些推动因素在人类实现第四次工业革命中起到什么作用？8从工业从工业1.0 到工业到工业 4.0时间时间18世纪末工业工业1.0创

5、造了机器工厂的创造了机器工厂的“蒸汽时代蒸汽时代”20世纪初电力广泛应用电力广泛应用蒸汽机蒸汽机信息物联系统信息物联系统1970年代初今天工业工业2.0将人类带入分工明确、将人类带入分工明确、大批量生产的流水线大批量生产的流水线模式和模式和“电气时代电气时代”工业工业3.0应用电子信息技术，应用电子信息技术，进一步提高生产自动进一步提高生产自动化化水平的水平的“信息化时信息化时代代”自动化、信息化自动化、信息化工业工业4.0开始应用信息物理融开始应用信息物理融合系统（合系统（CPS）复复杂杂度度 目标：建立一个高度灵活的自动化、个性化、数字化产品与服务的生产模式 关键点：“原材料（物质）”=“

6、信息”。智能工厂使用了含有信息的原材料，实现了“原材料（物质）”=“信息”，制造业终将成为信息产业的一部分。9工业工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统统信息物理系统（信息物理系统（Cyber-Physical System) 相相结合的手段，将制造业向智能化转型结合的手段，将制造业向智能化转型l 一是一是“智能工厂智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化

7、分布式生产设施的实现以及网络化分布式生产设施的实现l 二二是是“智能生产智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用技术在工业生产过程中的应用智能工厂智能生产工业4.0机械工程控制机械工程控制P10现代控制现代控制应用应用 现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发发射，操纵，指导及跟踪射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现战，以及计算机技术的出现P11现代控制现代控制应用应用P12现代控制现代控制应用应用13控制

8、的应用举例控制的应用举例 电机控制电机控制 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 机器人控制机器人控制 . . . . . . . . . . .工业控制工业控制 机器人不再被固定在机器人不再被固定在 安全工作地点而是与人一起协同工作安全工作地点而是与人一起协同工作14控制的应用举例控制的应用举例蛟龙号载人潜水器是一艘由中国自行设计、自主集成研制的载人蛟龙号载人潜水器是一艘由中国自行设计、自主集成研制的载人潜水器潜水器。2009年至年至2012年，年，“接连取得接连取得1000米级、米级、3000米级、米级、5000米级和米级和7000米级米级海试成功。海试成功。2012年年

9、6月，在月，在马里亚纳海沟马里亚纳海沟创造了下潜创造了下潜7062米的中国载人深潜米的中国载人深潜纪录，也是世界同类作业型潜水器最大下潜深度纪录。纪录，也是世界同类作业型潜水器最大下潜深度纪录。蛟龙蛟龙号号:P15机械狗机械狗控制的应用举例控制的应用举例16控制的应用举例控制的应用举例汽汽 车车 电电 子子电源电源发动机控制发动机控制行驶装置行驶装置报警与安全装置报警与安全装置旅居性旅居性仪表仪表娱乐通讯娱乐通讯17控制的应用举例控制的应用举例其他其他工程应用工程应用 军事军事、航天、航天领域领域（火炮、雷达、跟踪系统、人造卫星、宇宙飞船火炮、雷达、跟踪系统、人造卫星、宇宙飞船等）等） 流程工

10、业（流程工业（轧钢过程、工业窑炉、石油化工、水泥建材、玻璃、造纸轧钢过程、工业窑炉、石油化工、水泥建材、玻璃、造纸等）等） 现代现代农业农业生产生产（自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测等等 ） 其他领域其他领域（通信、交通、医学、环境保护、经济管理通信、交通、医学、环境保护、经济管理等）等）18控制的基本概念控制的基本概念19控制实例控制实例2：冰箱控制系统：冰箱控制系统2021控制系统的基本概念（控制系统的基本概念（1 1）控制系统的数学模型（控制系统的数学模型（2 2）控制系统的的分析（控制系统的的分析（3 3、4 4、5 5）时域分析（时域分析（3 3）

11、频域分析（频域分析（4 4）根轨迹分析根轨迹分析稳定性分析（稳定性分析（5 5）控制系统的综合（控制系统的综合（6 6）时域分析法（时域分析法（3 3）频域分析法（频域分析法（4 4）根轨迹法根轨迹法22控制的基本概念控制的基本概念23控制的基本概念控制的基本概念2425第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务26第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 27第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务譬如：譬如：机器系统、生命系统机器系统、生命系统思维、学习、工作思维、学习、工作社会系统社会系统

12、生产系统生产系统自然系统自然系统人造系统人造系统实体系统实体系统概念系统概念系统28第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务29第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务30第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 机械系统中的机械系统中的“激励激励”与与“响应响应”分别分别代表着系统的输入和输出。代表着系统的输入和输出。31第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务实物模型实物模型物理模型物理模型数学模型数学模型静态模型静态模型动态模型动态模型静态模型静态模型：

13、反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统平衡状态下的特性反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统平衡状态下的特性。（一般用一般用代数方程代数方程描述）描述）动态模型动态模型：用于研究系统在迅变载荷作用下或在系统不平衡状态下的特性。用于研究系统在迅变载荷作用下或在系统不平衡状态下的特性。 （一般用一般用微分方程微分方程或或差分方程差分方程描述）描述）( (描绘系统的动态历程描绘系统的动态历程) ) 模型模型: : 就是对系统的一种客观描述，它通常是真实系统的一种简化。就是对系统的一种客观描述，它通常是真实系统的一种简化。32第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象

14、与任务 模型模型是研究系统、认识系统、描述系统以及分析系统的是研究系统、认识系统、描述系统以及分析系统的工具工具。静态模型和动态模型分析示例静态模型和动态模型分析示例机器隔振系统机器隔振系统F(t)：外力，即激励：外力，即激励N(t)：隔振垫对机器的支反力：隔振垫对机器的支反力 y(t)：地基的位移，亦可作激励：地基的位移，亦可作激励x(t)：机器的位移，即响应：机器的位移，即响应 动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或控制工程动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或控制工程中，一般关心的是系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。中，一般关心的是系统的动态

15、特性，因此，往往需要采用动态数学模型。即，即，一般所指的系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式。一般所指的系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式。33第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务输入相异的单自由度机械振动系统输入相异的单自由度机械振动系统参数说明：参数说明：m系统质量；系统质量；c粘性阻尼系数；粘性阻尼系数；k弹簧刚度弹簧刚度34第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务（1）外力）外力f(t)作用下的系统动力学方程作用下的系统动力学方程动力学方程：动力学方程：Fma f tky tcy tmy t微分算

16、子：微分算子：dpdt dy typ ydt动力学方程简化为：动力学方程简化为： 2mpcpk y tf t 222dy typydt被动力之和被动力之和= =主动力主动力则：则：35第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务（2）位移）位移x(t)作用下的系统动力学方程作用下的系统动力学方程动力学方程：动力学方程： k x ty tc x ty tmy t微分算子：微分算子：dpdt dy typ ydt动力学方程简化为：动力学方程简化为： 2mpcpk y tcpk x t 222dy typydt则：则：36第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械

17、工程控制论的研究对象与任务2mpcpk0(0),yy0.(0)yy( ) ,( )f tx t( )y t初始状态、系统固有特性、外界作初始状态、系统固有特性、外界作用、与外界的关系等四大因素决定用、与外界的关系等四大因素决定系统响应系统响应 2mpcpk y tcpk x t 2mpcpk y tf t37第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务38第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务例例1 图示为数控机床工作台的传动系统。如果考虑传动系统的制造误差，图示为数控机床工作台的传动系统。如果考虑传动系统的制造误差，为了使为了

18、使工作台均匀移动工作台均匀移动，试确定其输入，试确定其输入。若系统的输入已知（例如电动机转速），要求确定系统且其输出符合工作台均匀移动的要求。此即此即最优控制问题最优控制问题。即为最优设计问题。39第一第一讲讲 机械工程机械工程控制论的研究对象与任务控制论的研究对象与任务例例2 2 电子称电子称的原理如下图。显示即的原理如下图。显示即为为输出输出，重物的重量为，重物的重量为输入输入，要求，要求确确定系统定系统（即电子称）以识别输入或输（即电子称）以识别输入或输入中的有关入中的有关信息。信息。若若输入输入（重物）和（重物）和输出输出（显示）已知，求（显示）已知，求系系统的结构和参数统的结构和参数

19、 ，即建立系统的，即建立系统的数学模型。数学模型。系统识别或系系统识别或系统辩识统辩识问题问题滤波滤波与预测与预测问题问题40本讲小结本讲小结A了解控制并认识控制系统了解控制并认识控制系统A控制论的研究对象控制论的研究对象A控制论的研究任务或内容控制论的研究任务或内容第一讲第一讲 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务41第一章第一章 绪论绪论第二讲第二讲 反馈反馈42第二讲第二讲 反馈反馈自动控制示例自动控制示例1 1：液位控制系统：液位控制系统分析控制系统的组成要素分析控制系统的组成要素：被被控制对象：控制对象：贮罐贮罐；控制控制目标：目标：液位恒定液位恒定；控制控制

20、手段手段：手动手动/ /自动调节阀门自动调节阀门的的部分部分43第二讲第二讲 反馈反馈自动控制示例自动控制示例1 1：液位控制系统：液位控制系统系统的表达控制系统中各子系统间的信号的传递与反馈系统的表达控制系统中各子系统间的信号的传递与反馈 关系关系：期望期望液位液位阀门阀门贮罐贮罐实际液位实际液位（输出）（输出）液液位位计计人脑人脑实际实际液位液位扰动扰动人手人手人眼人眼实际与期实际与期望液位差望液位差44第二讲第二讲 反馈反馈自动控制示例自动控制示例1 1：液位控制系统：液位控制系统系统的表达控制系统中各子系统间的信号的传递与反馈系统的表达控制系统中各子系统间的信号的传递与反馈 关系关系：

21、浮浮球球杠杆杠杆阀门阀门贮罐贮罐实际液位实际液位（输出）（输出）实际液位实际液位扰动扰动浮球浮球位置位置期望期望液位液位45第二讲第二讲 反馈反馈1、反馈、反馈（1 1）根据反馈信号的来源分）根据反馈信号的来源分n 反馈的分类：反馈的分类： 外反馈（反馈控制）：外反馈（反馈控制）：相对于被控对象而言，由附加相对于被控对象而言，由附加的反馈装置引起的信息交互。的反馈装置引起的信息交互。外外反馈反馈举例说明：举例说明：46第二讲第二讲 反馈反馈1、反馈、反馈（1 1）根据反馈信号的来源分）根据反馈信号的来源分n 反馈的分类：反馈的分类：内反馈：内反馈：系统或过程中由于各元素间的相互联系而自然形成的

22、各种反馈系统或过程中由于各元素间的相互联系而自然形成的各种反馈 ，是，是系系统内部的信息的交互统内部的信息的交互；反映系统内部元素间互为因果的内在联系；反映系统内部元素间互为因果的内在联系；内反馈举例说明：内反馈举例说明： 人体的温度自我调节人体的温度自我调节系统系统内反馈是造成内反馈是造成机械系统存在机械系统存在一一定的动态特性的根本原因！定的动态特性的根本原因！47第二讲第二讲 反馈反馈 内反馈：内反馈：耦合反馈（系统或过程中自然形成的反馈）耦合反馈（系统或过程中自然形成的反馈）内反馈实例分析内反馈实例分析单自由度系统单自由度系统48第二讲第二讲 反馈反馈状态方程表示：状态方程表示：取取有

23、：有：状态方程用方框图表示为：状态方程用方框图表示为：y1和和y2之间具有信息交互作之间具有信息交互作用，本质上是弹簧的位能用，本质上是弹簧的位能与质量的动能之间的转换。与质量的动能之间的转换。 y2本身的交互作用就是阻本身的交互作用就是阻尼消耗能量的过程。尼消耗能量的过程。49第二讲第二讲 反馈反馈1、反馈、反馈(2)(2)根据反馈的作用的结果分类根据反馈的作用的结果分类n 反馈的分类：反馈的分类：负反馈：负反馈：反馈信息与控制信息的作用方向相反，因而制约控制部分的活动。反馈信息与控制信息的作用方向相反，因而制约控制部分的活动。 输出（被控量）偏离设定值（目标值）时，反馈的作用使输出偏离的程

24、度输出（被控量）偏离设定值（目标值）时，反馈的作用使输出偏离的程度减小，并力图达到设定值。减小，并力图达到设定值。 如如： 液面控制系统液面控制系统 火炮瞄准火炮瞄准 50第二讲第二讲 反馈反馈1、反馈、反馈(2)(2)根据反馈的作用的结果分类根据反馈的作用的结果分类n 反馈的分类：反馈的分类： 正反馈：正反馈：反馈信息不是制约控制部分的活动，而是促进和加强控制部分的活动。反馈信息不是制约控制部分的活动，而是促进和加强控制部分的活动。 输出（被控量）偏离设定值（目标值）时，反馈的作用使输出偏离的程度加剧。输出（被控量）偏离设定值（目标值）时，反馈的作用使输出偏离的程度加剧。 如：图示的液位控制

25、系统如：图示的液位控制系统 电子加速器电子加速器 火药爆炸火药爆炸 热核反应热核反应 51第二讲第二讲 反馈反馈512、反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成52第二讲第二讲 反馈反馈 1 1给定环节；给定环节；2 2比较环节；比较环节；3 3校正环节；校正环节；4 4放大环节；放大环节；5 5执行机构；执行机构；6 6被控对象；被控对象；7 7检测装置检测装置反馈控制系统的结构及基本环节反馈控制系统的结构及基本环节设定被控制量设定被控制量的给定值的装的给定值的装置置将所检测的被控制量将所检测的被控制量与给定量进行比较，与给定量进行比较，确定两者之间的偏差确定两者之间的偏差量，多用差动放大器量，

26、多用差动放大器实现负反馈实现负反馈一般由传动装置和调一般由传动装置和调节机构组成。执行机节机构组成。执行机构直接作用于控制对构直接作用于控制对象，使被控制量达到象，使被控制量达到所要求的数值所要求的数值要进行控制要进行控制的设备或过的设备或过程程控制系统所控控制系统所控制的物理量制的物理量（被控量）（被控量） 检测被控制量，检测被控制量，并将其转换为与并将其转换为与给定量相同的物给定量相同的物理量理量用来实现调节作用，用来实现调节作用，如放大、整流，也如放大、整流，也称为调节器或调节称为调节器或调节环节环节53第二讲第二讲 反馈反馈3、控制系统的分类控制系统的分类图图1.4.1 开环系统示意图

27、开环系统示意图54第二讲第二讲 反馈反馈图图1.4.21.4.2闭环系统示意图闭环系统示意图55第二讲第二讲 反馈反馈56第二讲第二讲 反馈反馈57第二讲第二讲 反馈反馈连续控制系统连续控制系统离散控制系统离散控制系统定常系统定常系统时变系统时变系统位移控制系统位移控制系统温度控制系统温度控制系统速度控制系统速度控制系统 引出点（分支点）：引出点（分支点）：从某一信号线上引出新的分支，箭头表示信号的传递从某一信号线上引出新的分支，箭头表示信号的传递方向，线上标记信号的名称。方向，线上标记信号的名称。 比较点（相加点）：比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号进行相加或相减运算。表示两个或两个

28、以上的信号进行相加或相减运算。“+”+”表示信号相加；表示信号相加；“-”-”表示信号相减。表示信号相减。 元件方框：元件方框：方框中写入元、部件的名称，进入箭头表示其输入信号；引出方框中写入元、部件的名称，进入箭头表示其输入信号；引出箭头表示其输出信号。箭头表示其输出信号。 描述反馈系统各环节间的联系，它包括三个基本的要素，即：描述反馈系统各环节间的联系，它包括三个基本的要素，即： 4、反馈控制系统、反馈控制系统的框图的框图 （4 4）按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连）按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连 接起来。接起来。 自动控制系统方框图的绘制步骤：自动控制系统方框图

29、的绘制步骤：（1 1）根据控制系统的三个组成要素，找出被控对象。）根据控制系统的三个组成要素，找出被控对象。 （2 2）根据控制目标找出输出量。）根据控制目标找出输出量。 （3 3）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。 （5 5）分析系统的控制原理。）分析系统的控制原理。 运动系统神经系统鹰爪鹰的实际方位小鸡的方位鹰眼鹰脑q 例题讲解例题讲解1 1：根据控制系统的组成原理画出老鹰抓小鸡根据控制系统的组成原理画出老鹰抓小鸡控控 制系统框图。制系统框图。控制目标？控制目标？被控对象？被控对象？控制原理？控制原理？预期行车路线预期行车路线实际行车路线实际行车路线q 如图所示无阻尼单自由度系统如图所示无阻尼单自由度系统q 例题讲解例题讲解2 2：根据控制系统的组成原理，画出人按预定行车：根据控制系统的组成原理，画出人按预定行车路线路线驾驶驾驶汽车，行驶到目的地的控制系统框图。汽车，行驶到目的地的控制系统框图。62第二讲第二讲 反馈反馈第二讲第二讲 反馈反馈几几点说明：点说明：642022-6-2