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第一章 机械工程控制基础PPT课件

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《机械工程控制基础》绪论 ppt课件

《机械工程控制基础》绪论 ppt课件
• 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。
图1p-p1t课件水箱水位的人工控制系统原理图11
实例一 水箱水位
2、自动控制：
当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且 其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号 将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际 水位重新与水位要求值相等时为止。
✓ 将开环控制与闭环控制适当地结合在一起，通常比较经济， 并且能够获得满意的综合性能。
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2、按系统性能来分
线性系统是指组成系统的元器件的静态特性为直线，能用 线性常微分方程描述其输出与输入关系的系统。线性系统的主 要特点是具有叠加性和齐次性。
本课程研究线性定常系统（或称为线性时不变系统、自治系 统），简单涉及非线性系统。
程序控制系统。特点：系统输 入量按预定程序变化。
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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。
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引言
一、自动控制技术应用于军事、航天领域 火炮、雷达、跟踪系统； 人造卫星； 宇宙飞船。
二、自动控制技术应用于工业生产过程 轧钢过程； 工业窑炉；石油化工； 水泥建材；玻璃、造
纸等 三、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。 四、自动控制技术应用于其他领域

机械工程控制理论基础PPT课件

机械工程控制理论基础PPT课件
• 第一节 稳定性概念 • 第二节 劳斯判据 • 第三节 乃奎斯特判据 • 第四节 对数坐标图的稳定性判据
8
第八章 控制系统的偏差 • 第一节 控制系统的偏差概念 • 第二节 输入引起的定态偏差 • 第三节 输入引起的动态偏差
9
第九章 控制系统的设计和校正
• 第一节 综述 • 第二节 希望对数幅频特性曲线的绘制 • 第三节 校正方法与校正环节 • 第四节 控制系统的增益调整 • 第五节 控制系统的串联校正 • 第六节 控制系统的局部反馈校正 • 第七节 控制系统的顺馈校正
反馈环节
图6-2
22
开环系统 优点：结构简单、稳定性能好； 缺点：不能纠偏，精度低。 闭环系统：与上相反。
23
第三节 典型控制信号
输入信号是多种多样的，为了对各种控制 系统的性能进行统一的评价，通常选定几种 外作用形式作为典型外作用信号，并提出统 一的性能指标，作为评价标准。
1．阶跃信号 x(t)=0 t＜0 x(t)=A t≥0
机械工程控制理论基础
张 克 仁 教授
1
目录
第一章 自动控制系统的基本原理
• 第一节 控制系统的工作原理和基本要求 • 第二节 控制系统的基本类型 • 第三节 典型控制信号 • 第四节 控制理论的内容和方法
2
第二章 控制系统的数学模型
• 第一节 机械系统的数学模型 • 第二节 液压系统的数学模型 • 第三节 电气系统的数学模型 • 第四节 线性控制系统的卷积关系式
24
X i(t)
A
0
t
图7
当A=1时，称为单位阶跃信号，写为1(t)。
阶跃信号是一种对系统工作最不利的外作用形式。例 如，电源突然跳动，负载突然增加等。因此，在研究过渡 过程性能时通常都选择阶跃函数为典型外作用，相应的过 渡过程称为阶跃响应。

《机械工程控制基础》课件

《机械工程控制基础》课件

二、开环、闭环和复合控制系统


控制系统按其有无反馈作用和反馈作用 的方式可分为三类： 1、开环控制系统 2、闭环控制系统 3、复合控制系统
开环控制系统


如果系统的输出量和输入量之间没有反 馈作用，输出量对系统的控制过程不发 生影响时，这样的系统称为开环控制系 统。 图1-5是数控线切割机的进给系统.
二、控制理论的发展

4、1948年美国数学家维纳（N.Wiener）出版了 著名的《控制论—关于在动物和机器中控制和通 讯的科学》一书，他揭示了无论机器系统、生命 系统甚至社会和经济系统中，都存在一个共同本 质的特点，它们都是通过信息的传递、处理与反 馈这三个要素来进行控制，这就是控制论的中心 思想。1950年伊万斯（W.R.Evans）提出的根轨 迹法提供了寻找特征方程根的比较简易的图解方 法，至此，形成了完整的经典控制理论。
控制系统中常用的概念和术语的含义说明
• 输出量（或称输出信号、被控制量）：是指控制系统中需要
加以控制的物理量。系统的输出量常用符号xo(t)表示。 • 输入量（或称输入信号、给定值、给定量）：是指输入给控 制系统用以控制输出量变化规律的物理量它作用于系统输入端 ，直接地或间接地表示系统输出量的期望值（给定值）。系统 的输入量常用符号xi(t)表示. • 扰动量（或称扰动信号）：指那些能使输出量偏离预定要求 （期望值）的意外干扰因素。 • 反馈量（或称反馈信号）：是指把输出量取出并直接或经转 换以后送回到输入端与输入信号进行比较的物理量。
一、控制系统的基本工作原理





系统：是由相互制约的各个部分组成的具有一 定功能的有机整体。 自动控制系统：能够进行自动控制的一整套设 备或装置。通常由控制器（控制装置）和被控 对象两大部分组成。 被控对象是指系统中需要加以控制的机器、设 备或生产过程； 控制器是指能够对被控对象产生控制作用的设 备的总体。 控制系统的任务就是使被控制对象的物理量按 照预先给定的控制规律变化。

机械工程控制基础课件

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1 反映系统快速性的指标是：tr，tp，ts 反映系统平稳性的指标是：MP%，N
2 n↑时，tr(tP ,ts)↓ (r ,b,c) ↑时，MP%(N)↓ ----MP的大小反映系统的阻尼特性
3 tr , MP 两项指标间存在矛盾
系统的稳态偏差为：
ss
lim (t)
t
lim sE(s)
s0
lim
低频段表征了闭环系统的稳定性 开环频率特性 中频段表征了系统的动态特性
高频段表征了系统的复杂程度
串联校正
一 相位超前校正
Gc
(s)
(Ts 1)
(Ts 1)
其 中:
R2 1
R1 R2
T R1C
幅 频 特 性 ： | G c ( j ) |
1 (T )2 1 (T ) 2
相 频 特 性 ：G c ( j ) arctan T arctan T
节的传递函数； 传递函数方框图的绘制及简化；（难点）
一 微分方程的列写 • 典型元件所遵循的物理定律
列写步骤
• 微分方程：时域中描述系统动态特性的数学模型； • 列写微分方程的一般方法： 1、确定系统的输入量和输出量（注意：输入量包括给定输 入量和扰动量） 2、按信息传递的顺序，从系统输入端出发，根据各变量所 遵循的物理定律，列写系统中各个环节的动态微分方程；
,b3
a1a 6 a 0a 7 a1
,
c1
b1a 3 a1b2 b1
,c2
b1a 5 a1b3 b1
,c3
b1a 7 a1b4 b1
,
结论
（1）若表中第一列的系数均为正值,则系统稳定
（2）如果表中第一列的系数有正、负符号变化，其变化的次数等于该

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16
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

机械工程控制基础(清华大学出版社)课件第1章绪论

机械工程控制基础(清华大学出版社)课件第1章绪论

4.放大元件：对偏差信号进行放大和功率放大 的元件。例如，伺服功率放大器、电液伺 服阀等。
5.执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。 例如，执行电动机、液压马达等。
6.控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的 输出量即为系统的控制量，例如，机床工 作台等。
7.校正元件：或称校正装置，用以提高控制系 统动态性能。有反馈校正和串联校正等形 式
1.已知系统的参数m、k、f及输入x(t)，确 定输出y(t)；
2.已知输入x(t)及输出y(t)，确定系统的参数
m、k及f；
3.已知系统的参数m、k及f，给定输出y(t)时， 确定输入x(t)。
第二节 系统的基本概念
系统是由相互联系、相互作用的若干部分构 成且具有一定运动规律的一个有机整体。 系统与外界之间的关系如下图所示，其中， 输入：外界对系统的作用； 输出：系统对外界的作用。
图 1-7 典型的反馈控制系统框图
1.给定元件：主要用于产生给定信号或输入信 号例如，调速系统的给定电位计。
2.反馈元件：它测量被控量或输出量，产生主 反馈信号，该信号与输出量存在着确定的 函数关系（通常为比例关系）。例如，调 速系统用于测速的测速发电机。
3.比较元件：用来比较输入信号和反馈信号之 间的偏差。可以是一个差接的电路，它往 往不是一个专门的物理元件，有时也叫比 较环节；自整角机、旋转变压器、机械式 差动装置都是物理的比较元件。
经典控制理论是自动控制理论的基础，又称为 控制理论基础。
学习控制理论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、 稳定性和过渡过程品质；
2. 如何根据实际需要来设计控制系统。
前者主要是分析系统，后者是综合与设计。
第一节 机械工程控制理论研究的 对象与任务

机械控制工程基础第一章课件


2018/7/28
21
• （2）中国马钧研制出用齿轮传动的自动指 示方向的指南车(235年) 。
2018/7/28
Some Examples
电子门
2018/7/28
16
飞机导航系统
导弹发射系统
现代的高新技术让导弹长上 了“眼睛”和“大脑”，利用 负反馈控制原理去紧紧盯住目 标。
2018/7/28 17
综上所述
控制系统的工作原理：
检测输出量（被控制量）的实际值； 将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较 得出偏差； 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输 出量维持期望的输出。
原理结构图
方 框 图
2018/7/28 14
开环控制系统与闭环控制系统的比较：
开环控制系统 优点 结构简单 价格便宜 调试简单 缺点 准确性差 反应慢 不抗干扰 元件变化影响大
2018/7/28
闭环控制系统 准确，精度高 反应灵敏 元件变化影响小，抗干扰 稳定性好 结构复杂 成本高 调试复杂
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1.1.3 控制系统示例
2018/7/28 9
元素：
（1）
（ 2） （ 3） （ 4）
：环节/系统.
：信号传递方向,进入方框的为环节/系统的输入信号,
背离方框的为环节/系统的输出信号.
：比较点（信号叠加）. ：引出点（分支、信号强度）.
（ 5）
+/-
：符号的意义（正、负反馈；或信号的叠加）.
闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正偏差 , 使系 统达到较高的控制精度。
机械控制工程基础
机电工程系 张国忠 教授
2018/7/28
1
机械控制工程是控制论在机械工程中的应用。 • 控制论（Cybernetics）：是研究动物(包括人类) 和机器内部的控制与通信的一般规律的学科,着重 于研究过程中的数学关系。

机械工程控制基础课件第1章

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。

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u=0,电机停止转动。
《控制工程基础》2012，2
1.1 控制系统的原理
第一章 绪论
人的有目 的的活动
具有控制
功能的机 器
人工控制与自动控制对比
测量 比较 纠正偏差
活动 测试机构 决策机构 执行机构
取物 眼、耳 大脑 手、脚
火炮打敌机 雷达
指挥仪 随动系统
《控制工程基础》2012，2
1.1 控制系统的原理
2
主要参考资料
❖ 1. 教材、讲义
❖ （）
❖ 2. 自动控制原理简明教程.胡寿松主编.科学出版社. ❖ 3. 《机械工程控制基础（第四版）学习辅导与题解》，
华中科技大学出版社。 ❖ 4. 自动控制原理 导教·导学·导考 刘慧英主编 西北工业
大学出版社。
《控制工程基础》2012，2
《控制工程基础》课程学习参考资料
2.实验总学时：4（2次试验，CAD中心）
3.授课内容：教材 1、2、3、4、5、6章
4.
实验 （试验指导书）
控制工程基础 2012，2
8
《控制工程基础》2012，2
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《控制工程基础》2012，2
第一章 绪 论
1. 控制系统的原理 2. 控制系统的结构方框图 3. 自动控制系统的基本要求 4. 控制理论的发展
二、自动控制
1、定义
第一章 绪论
一个或一些被控物理量按 给定量的变化而变化。
在没有人直接参予的情况下，使生产过程和被控对象的某些物 理量准确地按照预期规律变化。
一般地说，如何使被控量按给定量的变化规律而变化，是 控制系统所要解决的基本任务。
《控制工程基础》2012，2
1.1 控制系统的原理
二、自动控制
第一章 绪论
2、基本组成
比较自动控制与人工控制系统，可见自动控制系统存 在着三个最基本的职能元件。
（1） 测量元件与变送器 代替人的眼睛，完成信号的采集测量和变送；
（2） 控制器 代替人的大脑，完成比较、计算、判断，并发出调节指令；
（3） 执行元件 代替人的肌肉和手，完成或实现对被控对象的调节作用。
南阳理工学院主页/精品课程/控制工程基础
控制工程基础 2012，2
教材与学习辅导
《控制工程基础》2012，2
课程学习须知
1.email: 2.作业：课代表收齐，两周交一次。 3.3.课程考核:
4.闭卷(80)＋作业(5)＋平时(5)＋实验(10)
控制工程基础 2012，2
课程进程纵览
1.课堂总学时：28（14次课，6407）
[ 动态过程 Dynamic process ]
➢ Measure: 观测恒温箱内
的温度（被控制量）
➢ Compare: 与要求的温度
（给定值）进行比较得到 温度偏差的大小和方向
➢ Actuate: 根据偏差大小和
方向调节调压器，控制加 热电阻丝的电流以调节温 度回复到要求值。
《控制工程基础》2012，2
随动 控制 系统
机械手控制系统
恒值 调节 系统
《控制工程基础》2012，2
1.1 控制系统的原理
第一章 绪论
二、自动控制
（2）按系统的数学模型分类
3、分类
A. 线性系统
➢从几何上来看，是指元件的静态特性为一条通过 坐标原点的直线。
线性系统的特性：（齐次性）和叠加性
齐次性(比例性)：若 x（t）→y（t） 则 K x（t）→K y（t） 叠加性：若 x1（t）→y1（t），x2（t）→y2（t）
《控制工程基础》2012，2
1.1 控制系统的原理
二、自动控制
第一章 绪论
2、基本组成
（1）给定元件
产生系统控制指令，给出 与期望的输出相对应的系统 输入量。
（2）测量元件 （3）比较元件 （4）放大元件 （5）执行元件
（6）校正元件
为提高控制性能，在控制系统的基本结构上附加的一定装置（元件）。
《控制工程基础》2012，2
Байду номын сангаас10
1.1 控制系统的原理
第一章 绪论
一、控制
为了达到某种目的，对事物进行主动的干预、管理或操纵。
温度计
控制过程：
加热电阻丝
调压器
220V
恒温控制系统
1、温度测量 2、求出温度差 3、调整温度
《控制工程基础》2012，2
1.1 控制系统的原理
[实质]检测偏差再纠正偏差。
1 2
3
第一章 绪论
人工控制
系统的数学模型可以用线性 微分方程来描述。
线性 定常
dd2xt2(t)6dxd(tt)10x(t)1
y2 (12y)yy0非
❖ 系统的给定输入按预先的规律变化，系统的输出能严格按输入变化 而变化，并具有足够的精度，这类系统称为程序控制系统。如数控 加工、自动流水生产线系统等。
《控制工程基础》2012，2
1.1 控制系统的原理
二、自动控制
程序控 制系统
第一章 绪论
（1）按给定信号的特征分类
使导弹与 目标间距离 h(t) 逐渐减小 并趋于零。
控制工程基础
测控技术系
2012.2
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1
课程性质说明
➢专业必修课 ➢自动控制技术是建立在控制论基础上的，而控制论研 究的是控制的一般性理论，它不具体面对某一类控制系 统，因此它是一门以理论为主的课程。 ➢控制论以数学工具作为主要研究手段，是应用数学的 一个分支，它的某些理论的研究还要借助于抽象数学。
1.1 控制系统的原理
二、自动控制
3、分类
第一章 绪论
（1）按给定信号的特征分类
❖ 希望系统的输出维持在给定值上不变或变化很小的系统叫做恒值调 节系统，如稳压电源、恒温系统等；
❖ 给定信号的变化规律是事先不确定的随机信号，控制系统的主要任 务是使系统的输出能快速、准确地跟随输入的变化，故这类系统常 常又称为跟踪控制系统。如仿形加工系统、火炮、雷达、导弹制导 等控制系统。
1.1 控制系统的原理
自动控制
第一章 绪论
➢测量：由热电偶转换为
对应的电压u2
➢比较：期望温度由电压
u1给定，经电压放大器
与实际温度u2比较得到
温度偏差信号u=u1-u2
➢调节：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
则x1（t）＋x2（t）→y1（t）＋y2（t）
B. 非线性系统
➢系统的数学模型是非线性微分方程，凡是系统中有一个以上元 件的特性是非线性的系统称为非线性系统。
《控制工程基础》2012，2
1.1 控制系统的原理
二、自动控制
3、分类
A. 线性系统 B. 非线性系统
第一章 绪论
（2）按系统的数学模型分类