机电工程控制基础01绪论

校正环节
串联校正 并联校正
比较
环节
给定环节 r(t)
e(t) 控制器 u(t)
✓ 输入信号 ✓ 输出信号 ✓ 反馈信号 ✓ 偏差信号 ✓ 误差信号 ✓ 扰动信号
扰动
被控对象 c(t)
b(t)
反馈环节
机电工程控制基础01绪论
✓ 输入信号: （输入量、控制量、给定量）是指控制输出量 变化规律的信号；
✓ 输出信号：（输出量、被控制量、被调节量）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；
1、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
外界对系统的作用 系统与外界的交互作用
系统对外界的作用
输入(激励)、 干扰(扰动)
输出(响应)
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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
2. 按给定量的运动规律分 ➢ 恒值控制系统 系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系 统的输出量为恒值。 如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。
➢ 程序控制系统 输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律， 发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。 如：数控加工系统。 ➢ 随动系统（伺服系统） 输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、 平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响， 准确地复现输入信号的变化规律。
自动控制技术应用于现代农业生产 自动灌溉；农产品质量检测等。
自动控制技术应用于其他领域 生物：人口控制，药物动力学
金融：货币控制 家庭：电饭煲，洗衣机，空调，冰箱
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。
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举例：智能楼宇的控制
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例 手动控制：
➢ 观测实际水位，将
实际水位与要求的水位 值相比较，得出两者偏 差。
➢ 根据偏差的大小和
方向调节进水阀门的开 度，即当实际水位高于 要求值时，关小进水阀 门开度，否则加大阀门 开度以改变进水量，从 而改变水箱水位，使之 与要求值保持一致。
被控对象？ 被控量？
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机电工程控制基础01绪论
基本概念
机
基础知识
控制系统结构体系
电
工
控制系统数学模型
程
时域分析
控 分析方法 频域分析
制
系统稳定性判据
基
系统性能指标
础 工程应用
系统校正
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课堂教学内容
1 绪论
2 控制系统的数学模型(除2.2、2.5)
3 系统的时间响应与快速性分析(除3.5)
4 稳态误差与准确性分析
静态模型——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；
代数公式描述
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；
微分方程或差分方程来描述
在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。
动态模型是描述系统的动态历程的，机械工程控制论研究的 是机械工程技术中广义系统的动力学问题，所以往往需要采用 动态数学模型，即需要建立微分方程或差分方程来描述系统的 动态特性。
给定环节 r(t) e(t) 串联校正
放大元件
扰动
u(t)
执行元件 被控对象
c(t)
b(t)
并联校正
反馈环节
比较 环节
扰动
给定环节 r(t)
e(t) 控制器 u(t) 被控对象
c(t)
b(t)
反馈环节
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被控对象
自 给定环节
动 控
比较环节
制 系 统
反馈环节 放大环节 控制器 执行环节
反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。
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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
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表示系统结构与工作原理的物理框图：
控制器
比较
运算放大
执行
控制部分
检测 离心调速系统控制方框图
例 再改进——自动控制： 其 将 水该进制大有位系行精小正重当统调度反的新实在节。映变与际运，了化水水行最实，位位时终际电要低，总水动求于无是位机值要论使与带相求何实水动等水种际位减时位干水要速为时扰位求器止，引等值使。电起于的阀位水期差门器位望值开输的值，度出偏，放增电差大大加压，大器，值系提输直为统高出到正都了信实，要控号际且
例 改进——自动控制：
➢Q2变大 H减小，浮
子下降
杠杆倾斜
阀门开大 Q1变
大 Q1=Q2，液面重新
稳定。
➢Q2变小 H变大，浮
子上升
杠杆倾斜
阀门关小 Q1变
小 Q1=Q2，液面重新
稳定。
缺点：出水量越多，水位就越低， 偏离期望值就越远，误差越大。控 制的结果，总存在着一定的误差值。
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➢闭环控制系统 :系统有反馈回路。输出对系统有控制作用。
开环系统
优点：构造简单，成本低。
缺点：无抗干扰能力，不能自动纠偏，控制精度 较低。
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。
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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
机电工程控制基础01绪论
第一章 绪论
1.1 概述 1.2 自动控制系统的基本概念 1.3 对控制系统的基本要求 1.4 自动控制简史 1.5 控制工程实践 1.6 本课程的特点与学习方法
机电工程控制基础01绪论
自动控制技术及理论已经广泛应用于机械、冶金、石 油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应 堆等各个领域。
机电工程控制基础01绪论
反馈
反馈是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念
反馈的定义：系统的输出通过适当的测量装置全部或部分地返 回到输入端，并与输入共同作用于系统的过程。 反馈量与输入量的比较结果叫偏差。 基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的原理又称为反 馈控制原理。
利用此原理组成的系统称为反馈控制系统。它具备测量、比较 和执行三个基本功能。
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。
机电工程控制基础01绪论
该课程与其它课程的关系，如下图所示：
信号与系统
复变函数、 拉普拉斯变换
大学物理
理论力学
机电工程控制理论
高等数学 线性代数
电路理论
模拟电子技术 机械原理 电机与拖动
自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和 设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术 科学。
在机电工程问题上，机械、电气、液压和计算机被广 泛采用，而且常常互相渗透、相互配合，这就需要结 合机电液系统阐述工程上共同遵循的基本控制规律， 即“机电工程控制基础”。
机电工程控制基础01绪论
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”。 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。
机电工程控制基础--01 绪论
2020/11/18
机电工程控制基础01绪论
控制论
经典控制理论 现代控制理论
“机电工程控制基础”是控制论与机电工程技术理论之间的交叉
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。
被控对象 被控部分
机电工程控制基础01绪论
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
计算比较
执行
干扰 被控量
被控对象
－
测量
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。
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自动控制系统的一般组成形式
比较 环节
机电工程控制基础01绪论
控制：对对象施加某种操作，使其产生所预期的行为。 自动控制：该操作由控制装置自动完成，无须人直接参与。 即，在人不直接参与的情况下，通过控制器使被控对象（如 机器设备、生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动 地按照预定的规律变化（或运行）。 学习机电工程控制基础要解决两个问题：1、如何分析某个 给定控制系统的工作原理、稳定性、过渡品质；2、如何根 据实际需要来进行控制系统的设计，并用机电液光等设备来 实现这一设计系统。
当实际水位高于 要求水位呢？
机电工程控制基础01绪论
例：发动机离心调速系统
控制原理： 如果负载变化使ω增大，
离心机构滑套上移 液压滑阀上移，动力活 塞下移，油门关小， ω减小 直到滑阀回复到中位， ω回到设定值 通过离心机构检测系统的实 际输出值，并与设定值进行比 较，反过来作用于系统，形成 反馈，进而调节系统的输出。 发动机离心调速系统结构原理简图
机电工程控制基础01绪论
2、动力学问题: