机械工程控制基础精选文档.ppt
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1、机械工程控制基础20032003年年2 2月月第第 页页本讲稿第一页,共七十三页20112011年年2 2月月第 2 页第一章第一章 绪论绪论(Introduction)(Introduction)在在科科学学和和工工程程技技术的的发展展过程程中中,自自动控控制制技技术起起着着非非常常重重要要的的作作用用。除除了了在在宇宇宙宙飞船船、导弹发射射和和飞机机驾驶等等系系统中中,自自动控控制制技技术具具有有特特别重重要要的的作作用用之之外外,它它在在现代代机机器器制制造造和和工工业生生产过程程中中也也是是不不可可缺缺少少的的重要重要组成部分。成部分。随随着着自自动控控制制理理论和和技技术的的不不断断
2、发展展,给人人们提提供供了了获得得动态系系统最最佳佳性性能能的的方方法法,提提高高了了产品品质量量,降降低低了了生生产成成本本,提提高高了了劳动生生产率率,使使人人们从从繁繁重重的体力的体力劳动和重复的手工操作中解放出来。和重复的手工操作中解放出来。本讲稿第二页,共七十三页20112011年年2 2月月第 3 页 本章将本章将对本本课程的主要内容作一个程的主要内容作一个简介,介,使使同学们同学们对自自动控制理控制理论的内容有一个基本的内容有一个基本的的了解,以便更好地学了解,以便更好地学习以后各章以后各章节。本讲稿第三页,共七十三页20112011年年2 2月月第 4 页 第一节第一节 自动控
3、制理论发展史简述自动控制理论发展史简述 第二节第二节 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念一、一、自动控制在国民经济中的作用自动控制在国民经济中的作用 自自动控制:控制:就是就是在在没有没有人直接参与的人直接参与的条件条件下,下,利用利用控制器使控制器使被控被控对象(如机器、象(如机器、设备、生、生产过程等)程等)的某些物理量(或工作的某些物理量(或工作状态)能状态)能自自动地按照地按照预定的定的规律律变化(或运行)变化(或运行)。自自动控制系控制系统的的应用是非常广泛的,例如:用是非常广泛的,例如:(一)自动控制一)自动控制技技术应用于用于军事、航天领域军事、航天领域 火炮、雷达、跟
4、踪系火炮、雷达、跟踪系统;人造人造卫星;星;宇宙宇宙飞船。船。本讲稿第四页,共七十三页20112011年年2 2月月第 5 页q 轧钢过程;程;q 工工业窑炉;窑炉;q 石油化工;石油化工;q 水泥建材;水泥建材;q 玻璃、造玻璃、造纸等。等。(二)自动控制技术应用于工业生产过程(二)自动控制技术应用于工业生产过程(三)自动控制技术应用于现代农业生产(三)自动控制技术应用于现代农业生产 q 自自动灌灌溉;q 农产品品质量量检测;q 疫情疫情检测等。等。q本讲稿第五页,共七十三页20112011年年2 2月月第 6 页 由于由于计算机等技算机等技术的的诞生和生和飞速速发展,使得控制技展,使得控制
5、技术水平不断提高,已水平不断提高,已扩大到大到经济与与社会生活的各个社会生活的各个领域域,如通信、交通、医学、如通信、交通、医学、环境保境保护、经济管理等管理等领域,控域,控制技制技术已成已成为现代社会不可缺少的重要代社会不可缺少的重要组成部分。成部分。近近年年来来,我我国国在在自自动化化仪表表、工工业调节器器、数数字字控控制制技技术、航航天天工工程程、核核动力力工工程程等等方方面面的的研研究究和和应用取得了用取得了长足足进展。展。本讲稿第六页,共七十三页20112011年年2 2月月第 7 页二、自动控制理论发展简介二、自动控制理论发展简介 自自动控制理控制理论是是自自动控制技控制技术的基的
6、基础理理论,是一是一门理理论性性较强的工程科学。根据自的工程科学。根据自动控制技控制技术的的发展展进程,自程,自动控制理控制理论可分可分为经典控制理典控制理论和和现代代控制理控制理论两大部分。两大部分。(一)、(一)、经典控制理典控制理论的形成和基本内容的形成和基本内容 古代两个典型的自古代两个典型的自动控制系控制系统本讲稿第七页,共七十三页20112011年年2 2月月第 8 页古代的液面和流量控制装置原理图古代的液面和流量控制装置原理图供水供水浮子浮子浮子浮子水钟水钟时时间间刻刻度度本讲稿第八页,共七十三页20112011年年2 2月月第 9 页离心调速器的应用示意图离心调速器的应用示意图
7、本讲稿第九页,共七十三页20112011年年2 2月月第 10页 最早期的、在工业中起重要作用的最早期的、在工业中起重要作用的第一个第一个自动调节装置是自动调节装置是1788年瓦特发明的蒸汽机中的离心调速器。这是一个自动调节系统年瓦特发明的蒸汽机中的离心调速器。这是一个自动调节系统的问题,也是一个典型的机械动力学问题。调速器的工作原理的问题,也是一个典型的机械动力学问题。调速器的工作原理是:是:如果负载增加,如果负载增加,(若若P不变不变Mn)蒸汽机转速蒸汽机转速 下下降,则离心振子降,则离心振子下降。滑块下降。滑块将通过杠杆将通过杠杆使蒸汽阀门开使蒸汽阀门开大,使蒸汽供给量增加(大,使蒸汽供
8、给量增加(M不变,不变,Pn ),从而使),从而使蒸汽机转速上升。蒸汽机转速上升。本讲稿第十页,共七十三页20112011年年2 2月月第 11页蒸汽机蒸汽机比较机构比较机构离心机构离心机构转换机构转换机构蒸汽量蒸汽量Q阀门阀门本讲稿第十一页,共七十三页20112011年年2 2月月第 12页 反之若负载减小,蒸汽机转速上升则离心调速器可使转反之若负载减小,蒸汽机转速上升则离心调速器可使转速下降。这样,速下降。这样,离心调速器可自动地抵制负载的变化,使转速保持离心调速器可自动地抵制负载的变化,使转速保持在某一给定范围之内。在某一给定范围之内。可以说,这是最早的自动反馈控制系统。但可以说,这是最
9、早的自动反馈控制系统。但是后来发现,汽阀的速度调节并不完善。若使速度恢复较快,就是后来发现,汽阀的速度调节并不完善。若使速度恢复较快,就是加强反馈效果(如,即使速度有微小变化也使供汽量的变化较是加强反馈效果(如,即使速度有微小变化也使供汽量的变化较大),但这样一来,就会出现速度反复变化频繁的大),但这样一来,就会出现速度反复变化频繁的振荡振荡现象,现象,若其参数处理不好时,还会使蒸汽机产生剧烈的振荡(在反馈控若其参数处理不好时,还会使蒸汽机产生剧烈的振荡(在反馈控制系统中,振荡是经常出现的现象)。制系统中,振荡是经常出现的现象)。本讲稿第十二页,共七十三页20112011年年2 2月月第 13
10、页最早的系统稳定性研究:最早的系统稳定性研究:J.C.Maxwell(麦克斯韦尔)(麦克斯韦尔),1868年发表论调节器,研究调年发表论调节器,研究调节器的微分方程,线性化处理,从描述系统的微分方程的解中有无节器的微分方程,线性化处理,从描述系统的微分方程的解中有无增长指数函数项来判断系统的稳定性,证明系统稳定性取决于增长指数函数项来判断系统的稳定性,证明系统稳定性取决于微分微分方程的特征根是否都具有负的实部方程的特征根是否都具有负的实部,针对二阶和三阶系统讨论了使特,针对二阶和三阶系统讨论了使特征根具有负实部时,特征多项式系列应满足的条件。征根具有负实部时,特征多项式系列应满足的条件。系统稳
11、定准则:系统稳定准则:A.M.Lyapunov(李雅普诺夫)(李雅普诺夫)于于1882年提出了李雅普诺夫第一法年提出了李雅普诺夫第一法与第二法与第二法;Hurwitz(霍尔维茨)(霍尔维茨)和和 E.J.Routh(劳斯)(劳斯)于于1884年提出的劳斯年提出的劳斯-霍尔维茨稳定判据。霍尔维茨稳定判据。本讲稿第十三页,共七十三页20112011年年2 2月月第 14页 H.Nyquist(奈奎斯特)(奈奎斯特)于于1932年提出奈氏判据及年提出奈氏判据及“稳定裕度稳定裕度”的概念,的概念,Bode(伯德)伯德)于于1945年提出了对数频率特性的方法。年提出了对数频率特性的方法。二二战战期期间间
12、,军军事事科科学学的的需需要要大大大大促促进进了了反反馈馈控控制制理理论论的的发发展展。美美国国麻麻省省理理工工学学院院雷雷达达实实验验室室的的科科学学家家们们将将反反馈馈放放大大器器理理论论、PID(比比例例-积积分分-微微分分)控控制制以以及及N.Wiener(维维纳纳)的的随随机机过过程程理理论论等等结结合合在在一一起起,形形成成了了一一整整套套被被称称为为随随动动控控制制系系统统(servo control system)的设计方法。的设计方法。本讲稿第十四页,共七十三页20112011年年2 2月月第 15页根轨迹方法:根轨迹方法:(root locus)W.R.Evans(伊万斯)
13、(伊万斯)提出的方法和规则是当系统参数变化时特征方提出的方法和规则是当系统参数变化时特征方程式根变化的几何轨迹。目前仍然是系统设计和稳定性分析的一种重要方程式根变化的几何轨迹。目前仍然是系统设计和稳定性分析的一种重要方法。法。1948年美国数学家年美国数学家N.Wiener(维纳)(维纳)发表了一篇题为控制论发表了一篇题为控制论的著作,首创了的著作,首创了(Cybernetics)这个名词,这本著作的出版,标志着这个名词,这本著作的出版,标志着控制论这门学科的正式诞生。控制论这门学科的正式诞生。第二次世界大战后,控制理论在民用工业中得到进一步应用,如化第二次世界大战后,控制理论在民用工业中得到
14、进一步应用,如化工、石油、冶金等部门,实现了对过程的控制,解决了压力、温度、流量工、石油、冶金等部门,实现了对过程的控制,解决了压力、温度、流量与化学成分的控制问题。与化学成分的控制问题。50年代中期,以反馈控制为中心的理论体系基本年代中期,以反馈控制为中心的理论体系基本形成。一般把形成。一般把50年代年代掌舵人掌舵人本讲稿第十五页,共七十三页20112011年年2 2月月第 16页末以前形成的理论称为经典控制理论。主要讨论的内容末以前形成的理论称为经典控制理论。主要讨论的内容有:有:系统数学模型的建立、时域分析法、根轨迹法、频系统数学模型的建立、时域分析法、根轨迹法、频率响应法、系统综合与校
15、正、非线性系统率响应法、系统综合与校正、非线性系统和和采样控制系采样控制系统分析法统分析法等。等。经典控制论是在复数域中以经典控制论是在复数域中以传递函数传递函数概念为理论概念为理论体系。主要研究体系。主要研究单输入单输入输出定常线性系输出定常线性系统的分析与设计统的分析与设计。Transformation function本讲稿第十六页,共七十三页20112011年年2 2月月第 17页(二)、现代控制理论概述(二)、现代控制理论概述 50年年代代末末,由由于于导导弹弹制制导导、航航天天、航航海海、航航空空技技术术的的发发展展需需要要和和电电子子计计算算机机技技术术的的成成熟熟,控控制制理理
16、论论发发展展到到一一个个新新的的阶阶段,出现了现代控制论。段,出现了现代控制论。1956年年 前前 苏苏 联联特特 略略 金金 提提 出出 的的最最 优优 控控 制制,1957年年 美美 国国 的的Bellman(贝贝尔尔曼曼)提提出出的的动动态态规规划划理理论论,1960年年美美国国Kalman(卡卡尔曼)尔曼)提出的提出的最优过滤理论最优过滤理论形成了现代控制理论的基础。形成了现代控制理论的基础。经经典典控控制制论论是是具具有有一一定定的的局局限限性性的的,它它所所研研究究的的系系统统限限于于线线性性时时不不变变单单回回路路系系统统,且且它它为为我我们们提提供供分分析析的的方方法法,然然后
17、后改改进进系系统统再再进进行行尝尝试试,不不能能提提供供最最好好的的设设计计。由由于于数数字字计计算算机机的的发发展使得十年前尚无法进行的计算问题成为可能,展使得十年前尚无法进行的计算问题成为可能,本讲稿第十七页,共七十三页20112011年年2 2月月第 18页这这时时李李雅雅普普诺诺夫夫的的工工作作被被引引人人到到控控制制理理论论中中来来,而而由由Wiener(维维纳纳)等等人人在在第第二二次次世世界界大大战战期期间间关关于于最最优优控控制制的的研研究究也也被被用用来来研研究究系系统统状状态态轨轨迹迹的的优优化化问问题题。这这种种方方法法在在标标准准形形式式或或状状态态形形式式的的常常微微
18、分分方方程程的的基基础础上上直直接接引引进进并并大大量量使使用用了了计计算算机机。这这种种方方法法通通常常称称为为“现现代代控控制制理理论论”,以以区区别别于于60年年代代以以前前的的“经典控制理论经典控制理论”。1892年提出的理论年提出的理论The classic control theoryThe modern control theory本讲稿第十八页,共七十三页20112011年年2 2月月第 19页 现代控制理论的重要标志:现代控制理论的重要标志:状态空间法状态空间法被引入到控制理论中来被引入到控制理论中来 Kalman提出了提出了能控性能控性与与能观测性能观测性。表征系统结构特征
19、的重要概念。表征系统结构特征的重要概念。“内部研究内部研究”代替了传统的代替了传统的“外部研究外部研究”。并使分析与综合过。并使分析与综合过程建立在严格的理论基础之上。程建立在严格的理论基础之上。主主要要分分支支学学科科:线线性性系系统统理理论论、最最优优控控制制理理论论、系系统统辨辨识识与与自自适适应应控控制制、大大系系统统理理论论和和特特大大系系统统理理论论等等。一一些些分分支支学学科科还还渗渗透透到到相相邻邻学学科科中中去去,如如滤滤波波技技术术、自自学学习习理理论论与与人人工工智智能能、建建模模理理论论与与系系统统工工程程等。等。本讲稿第十九页,共七十三页20112011年年2 2月月
20、第 20页三、三、自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统 (一)、自动控制的概念(一)、自动控制的概念 自动控制中的被控制的物理量有各种各样的,如温度压力、流自动控制中的被控制的物理量有各种各样的,如温度压力、流量、电压、转速、位移和力等。虽然组成这些控制系统的元、部件有量、电压、转速、位移和力等。虽然组成这些控制系统的元、部件有较大的较大的差异,但是系统的基本结差异,但是系统的基本结构是大致相类似的,先来构是大致相类似的,先来看下面的具体例子:看下面的具体例子:1 1、手动控制、手动控制(manual control)水箱水位的手动控制:水箱水位的手动控制:h1本讲稿第二十页,共七十三
21、页20112011年年2 2月月第 21页图中图中F1 1为放水阀,为放水阀,F2 2为进水阀,控制要求液面的希望高度等于为进水阀,控制要求液面的希望高度等于h0 0。人参与了液面高度的控制。观测实际水位,将实际水位与要求的水位值人参与了液面高度的控制。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。相比较,得出两者偏差。根据偏差的大小和方向调节根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度,即当实际进水阀门的开度,即当实际水位高于要求值时,关小进水位高于要求值时,关小进水阀门开度,否则加大阀门水阀门开度,否则加大阀门开度以改变进水量,从而改开度以改变进水量,从而改变水箱水位,以达到维持液
22、变水箱水位,以达到维持液面高度不变的目的。面高度不变的目的。h1本讲稿第二十一页,共七十三页20112011年年2 2月月第 22页 我们从上面的例子中可以看出,人在参与控制中起了以下三方面我们从上面的例子中可以看出,人在参与控制中起了以下三方面的作用:的作用:q 测量测量实际液面的高度实际液面的高度h1用眼睛;用眼睛;q 将测得的实际液面的高度将测得的实际液面的高度h1与希望液面的高度与希望液面的高度h0相相 比较比较用脑;用脑;q 根据比较的结果,即按照偏差的正负去根据比较的结果,即按照偏差的正负去执行执行控制的控制的 动作动作用手。用手。人工控制液面高度的过程人工控制液面高度的过程可以用
23、以下框图来表示:可以用以下框图来表示:本讲稿第二十二页,共七十三页20112011年年2 2月月第 23页人工控制液面高度的过程可以用以下人工控制液面高度的过程可以用以下框图框图来表示:来表示:block diagram本讲稿第二十三页,共七十三页20112011年年2 2月月第 24页 用人工控制既不能保证系统所需的控制精度,也不能减轻人的劳用人工控制既不能保证系统所需的控制精度,也不能减轻人的劳动强度,这是不言而喻的道理。动强度,这是不言而喻的道理。显然,如果用自动控制系统去代替上述的人工控制系统,那么在显然,如果用自动控制系统去代替上述的人工控制系统,那么在自动控制系统中必须同样具有上述
24、三种职能机构,即自动控制系统中必须同样具有上述三种职能机构,即测量机构、比测量机构、比较机构和执行机构较机构和执行机构。如果将该人工控制系统改为自动控制系统,就可。如果将该人工控制系统改为自动控制系统,就可以实现不论放水阀以实现不论放水阀Fl l输出的流量如何变化,系统总能自动地维持其液面输出的流量如何变化,系统总能自动地维持其液面高度在允许的偏高度在允许的偏(误误)差范围之内。液面高度自动控制系统如下图所示:差范围之内。液面高度自动控制系统如下图所示:2 2、自动控制、自动控制(Automatic control)本讲稿第二十四页,共七十三页20112011年年2 2月月第 25页电动执行器
25、(角行程)电动执行器(角行程)本讲稿第二十五页,共七十三页20112011年年2 2月月第 26页电动执行器(直行程)电动执行器(直行程)本讲稿第二十六页,共七十三页20112011年年2 2月月第 27页液面自动控制系统液面自动控制系统五个部分所组成五个部分所组成Automatic control system of a liquid level本讲稿第二十七页,共七十三页20112011年年2 2月月第 28页 比较机构比较机构比较浮子的希望位置与实际位置的差值;比较浮子的希望位置与实际位置的差值;(Measurement device)电位器电位器 放大机构放大机构当测量元件测得的信号与
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