机械控制工程基础 自动控制原理第一章 绪论
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第一章自动控制原理绪论自动控制原理是一门研究物理系统自动调节和控制的科学,主要包括控制系统的建立、控制策略设计和控制器设计等内容。
本章主要介绍了自动控制原理的基本概念和基本方法,以及自动控制的应用领域。
自动控制的基本概念包括系统、控制、反馈和误差等。
系统是由一组互相作用的物理元件构成的实物系统或数学模型,控制是通过调节系统的一些输入信号来达到预期目标的过程,反馈则是从系统的输出信号中获取信息进行调节的过程,而误差是系统输出信号与期望目标之间的差异。
自动控制的基本方法包括建立数学模型、分析系统的性态、设计控制策略和设计控制器等。
在建立数学模型时,可以通过质量、量、位置、能量守恒等原则,采用物理方程、电路方程、状态方程等方法进行建模。
在分析系统的性态时,可以通过系统的输入输出关系、传递函数、稳定性、响应特性等进行分析。
在设计控制策略时,可以根据系统的性质、要求和实际问题的特点进行选择。
在设计控制器时,可以采用比例、积分、微分控制器等方法,通过调节控制器参数和选择控制器结构来实现对系统的控制。
自动控制的应用领域非常广泛,包括工业自动化、航空航天、机器人、医疗设备、交通运输等。
在工业自动化中,自动化生产线、机械设备、电力系统等都需要自动控制来实现精确控制和高效运作。
在航空航天中,自动驾驶系统和导航系统需要自动控制实现飞行控制和航道控制。
在机器人中,自动控制可以实现机械臂的精确运动和姿态控制。
在医疗设备中,自动控制可以实现医学影像的采集和分析,以及手术机器人的操作。
在交通运输中,自动控制可以实现车辆的自动驾驶、交通信号的优化和路线规划等。
总之,自动控制原理是一门重要的学科,对于解决实际问题具有重要意义。
通过学习和应用自动控制原理,可以提高物理系统的控制性能,实现精确定位、稳定运行和高效控制,在各个应用领域都有着广泛的应用前景。
第1章绪论1.1 概述在科学技术飞速发展的今天,自动控制技术和理论已经成为现代化社会的不可缺少的组成部分。
自动控制技术及理论已经广泛地应用于机械、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应堆等各个学科领域。
近年来,控制学科的应用范围还扩展到交通管理、生物医学、生态环境、经济管理、社会科学和其它许多社会生活领域,并为各学科之间的相互渗透起了促进作用。
自动控制技术的应用不仅使生产过程实现自动化,从而提高了劳动生产率和产品质量,降低生产成本,提高经济效益,改善劳动条件,使人们从繁重的体力劳动和单调重复的脑力劳动中解放出来,而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术和创造人类社会文明等方面都具有十分重要的意义。
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。
学习和研究自动控制理论是为了探索自动控制系统中变量的运动规律和改变这种运动规律的可能性和途径,为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论根据。
作为现代的工程技术人员和科学工作者,都必须具备一定的自动控制理论基础知识。
在机械工程问题上,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“机械工程控制基础”。
例如,电梯可以不受乘员多少的影响按照人的要求准确地停在任一楼层,机床的数字控制可以实现工件的自动加工,导弹能够击中正在运动的目标,这些都离不开自动控制。
1.2 自动控制系统的基本概念所谓自动控制,是指在无人直接参与的情况下,利用控制装置使被控对象(如机器、设备或生产过程等)的某些物理量(或工作状态)(如温度、压力、位置、速度等)准确地按照预期规律变化(或运行)。
如空调能保持恒温;数控机床能加工出预期的几何形状;火炮控制系统能准确击中目标等。
一般地说,如何使被控制量按照给定量的变化规律而变化,这就是控制系统所要完成的基本任务。
机械工程控制基础课件第1章第1章绪论什么是控制?控制:为达到某种目的,对某一对象施加所需的操作。
如温度控制、人口控制、压力控制等控制实例1:发电机供电发电机要正常供电,就必须维持其输出电压恒定,尽量不受负荷变化和原动机转速波动的影响。
发电机是被控制的设备称为控制对象。
输出电压是被控制的物理量称为被控制量。
额定电压称为输入量。
控制的基本任务:使控制对象的被控制量等于输入量。
控制实例2:水位人工控制期望水位:输入量实际水位:被控制量图1.1水位人工控制检测偏差实施控制消除偏差控制器进水阀浮球出水阀图1.2水位自动控制系统控制实例3:水位自动控制自动控制:在无人直接参与的情况下,利用控制装置操纵控制对象。
杠杆——水位控制器当水位处于平衡位置时,进水量=出水量当水位H下降时,进水阀门增大,进水量增大∴水位H上升自动控制系统:在无人直接操作的情况下,通过控制器使控制对象自动地按照给定的规律运行,使被控制量按照给定的规律变化。
问题:水位自动控制系统能准确的控制水位吗?系统存在振动现象,很难预测其何时停止控制使水位到达目标位置。
自动控制理论:以自动控制系统为研究对象,采用数学方法进行分析与综合。
自动控制理论的发展18世纪,JamesWatt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器是自动控制领域的第一项重大成果;1877年,提出线性系统稳定性的判据;1932年,Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应,确定闭环系统稳定性的方法——Nyquist稳定性判据;1948年,出版《控制论》,标志这门学科的正式诞生。
1954年,钱学森出版《工程控制论》经典控制理论在复数域内利用传递函数研究单输入—单输出线性定常系统的稳定性、响应快速性与响应准确性的问题。
20世纪50年代及其以前的控制理论属于经典控制理论数学基础:拉普拉斯变换基本数学模型:传递函数主要的分析与综合方法:时域分析法、频率响应法现代控制理论在时间域内利用状态空间分析研究多输入—多输出系统的最优控制问题。