机械控制工程基础-自动控制原理第一章-绪论

控制工程基础课件第一章绪论

19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。从1960年到1980，确定线性系统、随机系统的最佳控制及复杂系统的自适应和智能控制，都得到充分的研究。从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。
按给定量的特点来分：
（1）连续控制系统：系统的各环节输入量与输出量是信号连续的系统称为～
按系统反应特性来分
（2）离散控制系统：系统的各环节输入量、输出量信号是离散的系统称为～（如采样信号）
三反馈控制系统的基本组成
1. 组成：给定元件、比较元件、反馈元件、放大元件、执行元件、控制对象及校正元件。
②闭环控制系统：反馈控制系统也称为闭环控制系统，是指系统的输入端与输出端之间存在反馈回路，输出量对控制作用有直接影响，其作用应用反馈来减少偏差，但不能消除偏差。
(1)开环控制系统特点抗干扰能力差，控制精度低，但结构简单，调整方便，成本低，无自动纠偏能力。
(2)闭环控制系统特点抗干扰能力强，控制精度高，结构复杂，能自动纠偏。缺点：由于引入反馈，存在稳定、振荡和超调等问题，设计分析比较复杂。
人工控制恒温箱系统功能框图
总结：人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差
（2）自动控制系统
恒温箱的自动控制系统原理图
恒温箱自动控制系统工作原理：（1）恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压 U2（2）恒温箱期望温度由U1给定，并与实际温度U2 比较得到温度偏差信号△U＝U1 - U2（3）温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之，加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差△U＝0，电机停止转动。

控制工程基础第1章绪论

(6) 1954年美国德沃（George Devol）研制出第一台工业机器人样机，两年后，被称为机器人之父的恩格尔伯格（Joseph Engelberger）创立了第一家机器人公司－通用机器人（Unimation）
R.E. Kalman
(7) 1960年美籍匈牙利人卡尔曼（R. E. Kalman）发表“控制系统全面理论”（“On the General Theory of Control Systems”）等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础
(5) 1937年英国图灵（A. M. Turine）提出图灵计算机的设想
(6) 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的申龙（C. Shannon） 1938年提出继电器逻辑自动化理论，1948年发表专著《通信的数字理论》 (The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础
(13) 1970年英国罗森布拉克（H.H
Rosenbrock ）发表“状态矢量空间与多变
量理论”（State Space and Multivariable
Theory）。 1974年加拿大旺纳姆（W.M
System)
(8) 1948年美国尹文思（W. Evans）提出根轨迹法 (Root Locus Method) ，完成了以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作。
(9) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括1942年史密斯（Ed. S. Smith）的《自动控制工程学》（《Automatic Control Engineering 》）， 1945年H. Bode的《回路分析和反馈放大器》（《 Network Analysis and Feedback Amplifier 》）， 1945年麦科尔（L.A. MacColl）的《伺服系统基本原理》（《 Fundamental Theory of Servomechanisms》），以及1954年钱学森的《工程控制论》(《 Engineering Cybernetics》)

机械工程控制基础01绪论

闭环系统
优点：抗干扰能力强，稳态精度高，动态精度好。缺点：构造复杂，设计与制造较困难，成本较高。
机械工程控制基础01绪论
开环控制系统如：步进电机驱动的数控机床、普通洗衣机、微波炉
步进电机驱动的数控机床原理图步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图
机械工程控制基础01绪论
闭环控制系统如：伺服电机驱动的数控机床、离心调速系统、恒温箱(冰箱、空调)
反馈控制方式的优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起的变动。
给定值
E
比较
－
运算执行测量
干扰被控量被控对象
反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈；反之称为正反馈。在正反馈系统中，正反馈信号只会让偏差信号、输入信号变得越来越大，会导致系统失稳、发散，即“恶性循环”。
机械工程控制基础01绪论
例：发动机离心调速系统
被控对象：发动机被控量：转速ω
控制信息传递与反馈：
转速ω
离心机构偏差
(检测或感知）
杠杆
油门
液压比例控制器
机械工程控制基础01绪论
表示系统结构与工作原理的物理框图：
比较
控制器
运算放大
执行
控制部分
检测离心调速系统控制方框图
被控对象被控部分
机械工程控制基础01绪论
出量变化规律的信号；
✓ 输出信号：（输出量、被控制量、被调节量、响应）输出是输入的结果，它的变化规律通过控制应与输入信号之间保持有确定的关系；
✓ 反馈信号：输出信号经反馈元件变换后全部或部分返回到输
入端的信号称反馈信号；
✓ 偏差信号：输入信号与（主）反馈信号之差； ✓ 误差信号：输出量实际值与希望值之差； ✓ 扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号；

自动控制原理：第一章绪论

Motivation1、为什么选择学习自动化？2、你理解的自动化是什么？3、哪些地方用到了自动化技术？4、本课程学习什么？1）自动控制系统遵循的基本原理；）如何描述个自动控制系统；2）如何描述一个自动控制系统；3）如何分析自动控制系统的性能；4）如何设计或者校正自动控制系统。

ContentsCh2：控制系统的Ch1：自动控基本如何描述数学模型制系统的基本概念和要求Ch3原理：控制系统的稳定性及特性复杂？自动控制系统分析系统Ch4: 时域分析如何分析简单？完全取的性能Ch7Ch8Ch9Ch5:根轨迹分析决于你自己Ch7:控制系Ch8:线性离：非线性Ch6:频率特性分析主要针对线性如何设计统的校正散控制系统控制系统定常连续系统和校正How?1、打好基础高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）2、做好预习讲课的速度较快了解课程内容3、听好课讲课的速度较快、了解课程内容听好课掌握基本理论和基本方法4、做好习题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题1.1.1 自动控制理论发展简史远古时期的自动装置刻漏（自动计时装置）浮在受水壶水面上的漏箭随水面上升指示时间。

如何工作？？指南车(来自互联网)无论左拐还是右拐，木头人的指向不变。

如何工作？　计里鼓车马车行驶到到定的里程候风地动仪(来自互联网)(来自互联网)马车行驶到到一定的里程，木人击鼓一次。

震源方向上的铜丸掉落蟾蜍口中.如何工作？如何工作？1第次工业革命近代控制理论的逐步形成和发展1、第一次工业革命。

从工厂手工业向机器大工业过渡的阶段过渡的阶段。

2、第二次工业革命，1870第次革命，年至1914年的工业革命。

西欧和美国以及1870年后的日本，工业得到速发第次革命电3、第三次工业革命，数字化革命使传统飞速发展。

第二次工业革命以电力的大规模应用为代表，电灯的发明为标志数字化革命，使传统工业更加机械化、自动化，从而减少了工作成本发明为标志。

从而减少了工作成本。

1时期1：蒸汽机调速近代控制理论的逐步形成和发展1、时期1：蒸汽机调速。

机械工程控制基础(第一章)

形式也不同，下面分三种情况讨论：
•F(s)只含有不相同的极点
•F(s)包含共轭复数极点
•F(s)中包含有多重极点
6. Laplace变换的应用：解微分方程
用拉氏变换求解微分方程的一般步骤是： •对线性微分方程的每一项进行拉氏变换，使微分方程
变成以s变量的代数方程； •求解代数方程，得到输出变量象函数的表达式； •将象函数展开成部分分式； •对部分分式进行拉氏反变换，得到微分方程的解。
• 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》。
在频域内，用传递函数分析单输入单输出系统的稳定性和校正问题。
现代控制理论的发展（1954---至今）
1）脉冲信号
2）阶跃信号
3）斜坡信号------也称速度信号
4）抛物线信号----也称加速度信号
5）正弦信号
6）余弦信号
3. Laplace变换的基本定理
（一）线性定理设F1(s)= L[f1(t)],F2(s)= L[f2(t)],a和b为常数，
则有：
L[af1(t)+bf2(t)]=aL[f1(t)]+bL[f2(t)] =aF1(s)+bF2(s)
1. laplace变换的定义
常称F(s)为f(t) 的变换函数或象函数，而f(t)为F(s) 的原函数。在上式中，其积分下限为零，但严格说有0-和0+之分。对于在t=0处连续或只有第一类间断点的函数，0-和0+型的拉氏变换是相同的，但对于在t=0处有无穷跳跃的函数，两种拉氏变换的结果是不一致的。为反映这些函数在[0-，0+]区间的表现，我们约定式中的积分下限为0-。

控制工程基础第一章绪论

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第一章结束
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牛头刨床
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内燃机
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连杆机构
齿轮机构
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凸轮机构
螺旋机构
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平面机构
空间机构
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机械设计基础 ——
包括机械原理和机械设计，是研究机械的组成原理、运动学和动力学以及组成机械的通用零件设计的学科。
目录
第一章第二章
第三章第四章
第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章第十二章第十三章第十四章
绪论平面连杆机构
凸轮机构间歇运动机构
机械的调速和平衡机械零件设计和计算概论联接带传动和链传动齿轮传动蜗杆传动轮系、减速器和无级变速传动轴轴承联轴器、离合器和制动器
学习目的：能选用、分析基本机构，能分析、使用和维护简单的机械装置，为学习专业课程中的机械部分打下基础。
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§1-3 机械设计的基本要求和过程
一、设计机械应满足的基本要求在满足预期功能的前提下，性能好，效率高，
成本低，造型美观。在预定的使用期限内安全可靠，操作方便，
维修简单。
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构件：运动单元零件：加工制造单元
● 机构由若干构件组成 ● 构件由零件组成
零件
构件
机构
机器
第9页
机械
通用零件：在各类机械中经常可以遇到的，具有同一功用及性能的零件。联接零件：铆钉、焊接、螺纹、键传动零件：带传动、齿轮传动、链传动等轴系零件：轴、轴承、联轴器其它零件：弹簧等
专用零件：只适于特定型式的机械上的零件。如：内燃机的活塞，汽轮机的叶片等。

机械工程控制基础-第一章

主要教学环节
课堂教学紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解题方法和技巧。
习题独立完成作业，按时交作业。
课外补充复习：复变函数Laplace变换自学：Matlab编程。
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) 希望和要求:
教师严谨治学学生积极配合
程序控制系统。特点：系统输入量按预定程序变化。
4、按系统内部传输信号的性质来分
连续系统，各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟量，可用微分方程来描述各部分输入-输出关系的系统。
离散系统，某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。离散系统也有线性离散系统和非线性离散系统、定常离散系统和时变离散系统之分。
反馈信号：输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号称
反馈信号；
偏差信号：输入信号与主反馈信号之差；误差信号：输出量实际值与希望值之差；扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号；
反馈控制系统的组成、名词术语和定义 (2)
参考(给定)输入r: 输入到控制系统中的指令信号；
(主)反馈b: 与输出成正比或某种函数关系且与参考输入量纲相同的反馈信号；
生物系统等。 3. 按系统功能：温度、压力、位置、速度 4. 按系统性能：线性与非线性、定常与时变 5. 按输入信号变化规律：恒值、随动、程序控制 6. 按系统内部传输信号的性质：连续与离散 7. 按输入、输出信号的数目：单输入-单输出系统与多输入-多输出系统
1、按反馈情况
自动控制系统有三种基本控制方式：开环控制方式、闭环控制方式（反馈控制方式）和复合控制方式，它们都有其各自的特点和不同的使用场合。其中闭环控制方式是自动控制系统最基本的控制方式,也是应用最广泛的一种控制方式。

机械工程控制基础ppt课件

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为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益
五、本课程参考书
杨叔子主编版社
朱骥北主编胡寿松主编董景新编著
王积伟编著
《机械工程控制基础》
《机械控制工程基础》《自动控制原理》《控制工程基础》《控制工程基础》
为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益
机械设计制造(教材)
第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章
绪论拉普拉斯变换的数学方法系统的数学模型系统的瞬态响应与误差分析系统的频率特性系统的稳定性分析机械工程控制系统的校正与设计
二、控制理论的发展
控制理论发展大体可分三个阶段：第一阶段： 20世纪40～50年代为经典控制论发展时期。经
典控制论的内容是以微分方程、传递函数为基础，主要研究单输入、单输出控制系统的分析和设计问题，对线性定常系统，这种方法是成熟而有效的。
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为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益
实现控制的三个基本步骤
•不论采用人工控制还是自动控制都具有以下的共同点： •一是要检测被控制量的实际值； •二是被控制量的实际值要与给定值进行比较得出偏差值； •三是要用偏差值产生控制调节作用再去消除偏差。
• 总结：检测偏差，消除偏差
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为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益