第一篇 控制工程基础第一章第一节

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第一篇 控制工程基础

第一章 机械系统控制工程的一般概念

1948年,维纳的《控制论》的出版,标志着控制理论作为一门学科正式诞生。二战后,控制理论在化工、电力、冶金等部门得到了广泛的应用,解决了压力、温度、流量、化学成分的各种控制问题、形成了以反馈为中心的经典控制理论体系,其主要研究基于单输入-单输出的定常系统。

上个世纪50年代末,随着计算机技术的发展,控制理论发展到了一个新的阶段、即出现了现代控制理论。控制对象发展为导弹制导、航天、航海、航空等领域中的多输入-多输出系统。这些系统可以是定常的或时变的、离散的或连续的、确定的或随机的。八十年代佾以来,控制理论正向大系统理论和智能控制理论等方面深入发展。

本课程主要讲述经典控制理论的基本概念、基本理论和方法。研究对象限于线性定常系统。

§1-1自动控制理论及系统的基本概念

一、实例

首先,根据实例向同学们介绍自动控制理论及系统的基本概念。

实例1.(图1-1)

上例的控制过程为:

(1)根据图纸设定x方向加工尺寸;

(2)把此数据输入机床控制器中;在控制器中把工作台行程换算成当量脉冲,即总脉冲数/脉冲当量;

(3)按计算所得脉冲数(电压信号)输给步进电机; (4)步进电机输出转角通过减速齿轮传给丝杠;

(5)丝杠输出,通过螺母传给工作台,工作台输出直线运动;

上述过程可以用框图表示如下:

实例2

(图1-3)(图见教材)

控制过程:

(1)指令电位器W1的滑动触点确定给工作台的位置指令,即输入指令,输出电压;

(2)当最初给出位置指令时;在工作台改变位置之前的瞬间,则电桥输出为偏差电压;

(3)经放大器放大后,放大器输出电压;

(4)输入到直流伺服电机,输出;

(5)经齿轮减速器,传给丝杠,丝杠输出转角;

(6)丝杠通过螺母收运动传给工作台,工作台输出直线运动;

(7)工作台运动量为,使(反馈)电位器的滑动触点移动,而使于触点端输出(反馈)电压;

(8)当时,,工作台停止运动,整个机械系统控制过程完毕;如果,即可知,工作台继续向前运动;反之,工作台向后运动,直到,运动停止;用框图表示:

通过以上二例介绍一下控制系统的基本概念

二、基本概念

(1)被控对象:指人们要求实现某种确定的运动、生产过程、状态以及特定要求的机器设备;如机器人;称为对系统的输入量,也是系统输出量的希望值;

如例1、2中工作台即被控对象,要求的运动是(或可把伺服电机也放在被控对象中);

(2)控制装置:指对被控对象起控制作用,使之实现所要求动作的机械-电子系统总体;例子中除被控对象以外的装置。

(3)自动控制系统:由控制装置和被控对象组成自动控制系统;

(4)反馈:把输出量送回到输入端并与输入信号比较的过程称为反馈;如例2中,即为反馈电位器,为反馈信号;为系统输出量即输出量的实际值。系统输入量经由检测装置(反馈装置)到达输入端所经过的路径称为主反馈通路,其信号称为主反馈信号。

(5)开环控制系统:是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系的控制系统。简言之,即没有反馈的控制系统;如例1,被控对象输出量的希望值与实际值之间的差无法调整;如自动印像机自动洗衣机等;普通机床的运动。

(6)闭环控制系统:是指控制装置与被控对象之间既有顺向作用,又有反向联系,即有反馈的控制系统所以又叫反馈控制系统;如例2。闭环控制是自然界中一切物体控制的自身运动的基本规律之一,可以实现复杂而精确的控制;如人和动物(为寻求目标)的行走、汽车驾驶过程、导弹控制过程等。