《机械工程控制基础》课程授课教案(讲义)第一章 绪论(内蒙古科技大学:谭心)

机械工程控制基础 学时数:40学时 学院:机械工程学院 教师:谭心
机械工程控制基础 学时数: 40 学时 学 院:机械工程学院 教 师:谭心

重要性及其应用 重要性 为“机械设计制造及其自动化”专业必修课,是机械工程类专业, 特别是机电工程类专业的重要理论基础之一。 “方法论”:系统、动态、本身特性(内因)、外界输入干 扰(外因)。 应用: 数控机床:按预先排定的工艺程序一几何形状 火炮自动瞄准:跟踪雷达、指挥仪一目标 人造地球卫星:按规定轨道发射,并准确回收 预备知识 (复变函数、积分变换等)良好的数学、力学、电学等基础,一定 的机械工程方面的专业知识。 通过用控制论解决机械工程问题,如:机床工作台低速运动出现爬 行现象,驱动工作台移动的物理模型如图1.1。 xo(t) →x) 777777777 图1.1物理模型
重要性及其应用 重要性: 为“机械设计制造及其自动化”专业必修课,是机械工程类 专业, 特别是机电工程类专业的重要理论基础之一。 “方法论”:系统、动态、本身特性(内因)、外界输入干 扰(外因)。 应用: 数控机床:按预先排定的工艺程序—几何形状 火炮自动瞄准:跟踪雷达、指挥仪—目标 人造地球卫星:按规定轨道发射,并准确回收 预备知识 (复变函数、积分变换等)良好的数学、力学、电学等基础,一定 的机械工程方面的专业知识。 通过用控制论解决机械工程问题,如:机床工作台低速运动出现爬 行现象,驱动工作台移动的 物理模型如图 1.1。 m xi(t) x0(t) c k 图 1.1 物理模型

求解:输入与输出的关系 数学模型:m成=k(飞-)-c, 科研:定性→定量 分析+规律 课题的性质、任务及目的 性质:侧重原理,内容切合工程实际,是一门专业基础课。以控制 论为理论基础,研究机械工程中广义系统的动力学问题;同时,也是一 种“方法论”。 任务及目的:使学生能以动力学的观,点而不是静态观点去看待一个 机械工程系统;从整个系统中的信息传递、转换的反馈等角度来分析系 统的动态行为:能结合工程实际,应用经典控制论的基本概念和基本方 法来分析、研究和解决其中的问题。 主要的两个问题: ①对机电系统中存在的问题能用控制论的观,点和思维方法进行科 学分析,以找出问题的本质和有效的解决方法。 ②如何控制一个机电系统,使之按规定的规律运动,以达到预定的 技术经济指标,为实现最佳控制打下基础。 课程的基本要求
求解:输入与输出的关系 数学模型: mx k x x cx 0 0 0 i 科研:定性→定量 分析→规律 课题的性质、任务及目的 性质:侧重原理,内容切合工程实际,是一门专业基础课。 以控制 论为理论基础,研究机械工程中广义系统的动力学 问题;同时,也是一 种“方法论”。 任务及目的:使学生能以动力学的观点而不是静态观点去 看待一个 机械工程系统;从整个系统中的信息传递、转换 的反馈等角度来分析系 统的动态行为;能结合工程实际, 应用经典控制论的基本概念和基本方 法来分析、研究和解 决其中的问题。 主要的两个问题: ①对机电系统中存在的问题能用控制论的观点和思维方 法进行科 学分析,以找出问题的本质和有效的解决方法。 ②如何控制一个机电系统,使之按规定的规律运动,以达到预定的 技术经济指标,为实现最佳控制打下基础。 课程的基本要求

l.对建立机电系统的数学模型,Laplace应用,传函及框图的求取、 简化,运算等,应概念清楚,熟练掌握。 2.对经典系统的时域和频域特性,应用清楚的基本概念并能熟练掌 握。 3.掌握判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据。 教学内容与学时分配 40学时:第一章绪论 2学时 第二章系统的数学模型 10学时 第三章时间响应与误差分析 10学时 第四章系统的频率特性分析 10学时 第五章系统的稳定性 8学时 考核方式:考试成绩80%+平时成绩20%
1.对建立机电系统的数学模型,Laplace 应用,传函及 框图的求取、 简化,运算等,应概念清楚,熟练掌握。 2.对经典系统的时域和频域特性,应用清楚的基本概念并能熟练掌 握。 3.掌握判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据。 教学内容与学时分配 40 学时: 第一章 绪论 2 学时 第二章 系统的数学模型 10 学时 第三章 时间响应与误差分析 10 学时 第四章 系统的频率特性分析 10 学时 第五章 系统的稳定性 8 学时 考核方式:考试成绩 80%+平时成绩 20%

第一章 绪论 教学内容: 一机械工程控制基础的基本概念,研究对象和任务,学习本课程的 目的和意义: 二关于“系统”、“信息传递”和反馈及“反馈控制”的基本概念: 三系统及其模型,控制系统的分类,反馈控制系统的基本组成,对 控制系统的基本要求,本课程的特点。 一控制系统工作原理及组成 自动控制:利用控制装置自动地操纵机器设备或生产过程,使其具 有希望的状态或功能。 自动控制系统:能够实现自动控制任务的系统。如:电炉炉温自动 控制系统(比较人工控制)。 测量 比较 、执行 少经电压功和,电机成建图压图少,每题面中 热电偶 图1.2电炉炉温自动控制系统 二.自动控制系统的几种分类及基本要求
第一章 绪论 教学内容: 一.机械工程控制基础的基本概念,研究对象和任务,学习本课程的 目的和意义; 二.关于“系统”、“信息传递”和反馈及“反馈控制”的基本概念; 三.系统及其模型,控制系统的分类,反馈控制系统 的基本组成,对 控制系统的基本要求,本课程的特点。 一.控制系统工作原理及组成 自动控制:利用控制装置自动地操纵机器设备或生产 过程,使其具 有希望的状态或功能。 自动控制系统:能够实现自动控制任务的系统。如:电炉炉温自动 控制系统(比较人工控制)。 测量 比较 执行 电压功率k 电机 减速器 调压器 U1 ΔU Ua + n γ 恒温箱 U3 热电偶 t0 U2 - 图 1.2 电炉炉温自动控制系统 二.自动控制系统的几种分类及基本要求

A.自动控制系统的分类 (一)按反馈情况,可分为:开环控制系统、闭环控制系统。 1.开环控制系统 输入、输出间不存在反馈,输出量对系统的控制作用无影响,精度 取决于系统各部分的标准精度以及工作中元件和参数的稳定程度。 特点:若不存在内外干扰,且元件参数稳定,系统简单,可保证足 够精度。如:导弹发射架控制系统。 恒温箱 例1.人工控制的恒温箱 →温度计 加热电阻丝 220V 调压器 图1.3人工控制的恒温箱 测量:温度计 被控对象:恒温箱 被控量:温度 控制器:调压器,改变加热电阻丝的电流 观察的温度与要求的温度进行比较一偏差,当低于所要求的T时,向 右移动触头,I↑、T↑。反之,左移
A.自动控制系统的分类 (一)按反馈情况,可分为:开环控制系统、闭环控制系统。 1.开环控制系统 输入、输出间不存在反馈,输出量对系统的控制作用无影响,精度 取决于系统各部分的标准精度以及工作中元件和参数的稳定程度。 特点:若不存在内外干扰,且元件参数稳定,系统简单,可保证足 够精度。 如:导弹发射架控制系统。 恒温箱 例 1.人工控制的恒温箱 温度计 加热电阻丝 220V 调压器 图 1.3 人工控制的恒温箱 测量:温度计 被控对象:恒温箱 被控量:温度 控制器:调压器,改变加热电阻丝的电流 观察的温度与要求的温度进行比较—偏差,当低于所要求的T时,向 右移动触头,I↑、T↑。反之,左移

例2.自动控制的恒温箱 给定信号 电机 由 热电偶 放大器放大器 0 加热电阻丝 图1.4自动控制的恒温箱 温度计→热电偶,增加了电气、电机、减速器等。热电偶测出的电 压信号,与箱内温度成正比例。△V=-上,经电压及功率放大后,来 控制电机的旋转速度及方向,又经传动机构减速器使调压器的触头移 动,使I↑或↓,直至T到达给定值。△V=0,电机停转,完成任务。 对比 将以上两个系统对比: 人工 自控 (1)测量 温度计→眼睛 热电偶→V2 (2)比较 头脑 自动控制器 (3)执行 电机等 例控制实例-液面控制
例 2.自动控制的恒温箱 热电偶 加热电阻丝 220V 调压器 给定信号 V2 V1 ΔV1 电压 放大器 功率 放大器 电机 减速器 图 1.4 自动控制的恒温箱 温度计→热电偶,增加了电气、电机、减速器等。热电偶测出的电 压信号 V2 ,与箱内温度成正比例。 V V V 1 2 ,经电压及功率放大后,来 控制电机的旋转速 度及方向,又经传动机构减速器使调压器的触头移 动,使 I↑或↓,直至 T 到达给定值。 V 0 ,电机停转,完成任务。 对比 将以上两个系统对比: 人工 自控 (1)测量 温度计→眼睛 热电偶→ V2 (2)比较 头脑 自动控制器 (3)执行 手 电机等 例.控制实例-液面控制

图1.5a人工控制 图1.5b自动控制 2.闭环控制系统 输入、输出间有反馈回路,输出量对控制作用有直接影响。产生控 制的关镀→偏差。“检测偏差,用以消除之”。 如:导弹发射架控制系统如图1.6所示 +V9 装收凸功,执行电 热电偶 图1.6导弹发射架控制系统 3闭环与开环控制系统比较: 稳定性:开环(好):闭环:参数若不当+振荡→不稳定→失控 开环闭环 精度 成本 y ↑ 结构 简单 复杂
图 1.5a 人工控制 图 1.5b 自动控制 2.闭环控制系统 输入、输出间有反馈回路,输出量对控制作用有直接影响。产生控 制的关键→偏差。“检测偏差,用以消除之”。 如:导弹发射架控制系统如图 1.6 所示。 差放 功放 执行电机 U1 R1 + θm 热电偶 U2 - +V -V Ue Ua R2 +V -V θ0 θ1 图 1.6 导弹发射架控制系统 3.闭环与开环控制系统比较: 稳定性:开环(好);闭环:参数若不当→振荡→不稳定→失控 开环 闭环 精度 ↓ ↑ 成本 ↓ ↑ 结构 简单 复杂

稳定性↑↓ 若要求复杂且准确度↑的控制任务,可将开、闭环控制结合一起应 用→经济、性能的控制系统。 (二)按系统功能(输出变化规律)可分为: 1自动调节系统(恒值控制系统)一闭环系统。 在外界干扰作用下,系统的输出仍能基本保持为常量。 如:恒温调节系统电热水器。 给定温度→→程装风→强室 输出温度 元件 热电偶 图17恒温调节系统电热水器系统 2.随动系统(伺服跟踪系统)一无章可循 系统的输入量随时间任意变化,输出以要求的精度及时平稳地复现 输入量。 如:炮瞄雷达系统、液压仿形刀架(配钥匙) (飞机的位置一输入,放射跑的指向一输出,放射跑的指向随飞机 位置的变动而变动) 3程序控制系统一有章可循 系统的输出按规定程序变化的系统。 如:数控机床进给系统
稳定性 ↑ ↓ 若要求复杂且准确度↑的控制任务,可将开、闭环控制结合一起应 用→经济、性能 的控制系统。 (二)按系统功能(输出变化规律)可分为: 1.自动调节系统(恒值控制系统)—闭环系统。 在外界干扰作用下,系统的输出仍能基本保持为常量。 如:恒温调节系统电热水器。 热敏感 元件 调温装置 恒温室 热电偶 给定温度 输出温度 图 1.7 恒温调节系统电热水器系统 2.随动系统(伺服跟踪系统)—无章可循 系统的输入量随时间任意变化,输出以要求的精度及时平稳地复现 输入量。 如:炮瞄雷达系统、液压仿形刀架(配钥匙) (飞机的位置—输入,放射跑的指向—输出,放射跑的指向随飞机 位置的变动而变动) 3.程序控制系统—有章可循 系统的输出按规定程序变化的系统。 如:数控机床进给系统

(三)按系统性能可分为: 1.线性与非线性系统: 线性定常即线性微分方程,系数为常数,满足迭加原理。 非线性→不满足迭加原理,线性化处理(Computer应用)。 如:时变宇宙飞船控制系统(随飞机船上燃料的消耗,飞船的质量 在发生变化,而随飞船与地球距离的变化,所受地球引力也在变化)。 2.连续与离散系统 Computer控制的系统一离散(数字)控制系统 ⌒连续 连续 系统连续 采裤器口 保特器☐ 离终四离散 图1.7离散(数字)控制系统 图1.8连续和离散信号 B对自动控制系统的基本要求:稳、快、准 稳:稳定性;快:快速性;准:准确性(稳态精度) 1稳定性 由于惯性,各参数配合不当→振荡→失去工作能力。 要求:输出量偏离给定输入量的初始值应随时间增长渐趋于0。 2.快速性
(三)按系统性能可分为: 1.线性与非线性系统: 线性定常即线性微分方程,系数为常数,满足迭加原理。 非线性→不满足迭加原理,线性化处理(Computer 应用)。 如:时变宇宙飞船控制系统(随飞机船上燃料的消耗,飞船的质量 在发生变化,而随飞船与地球距离的变化,所受地球引力也在变化)。 2.连续与离散系统 Computer 控制的系统—离散(数字)控制系统 Computer 系统 采样器 A/D D/A 保持器 离散 离散 连续 连续 y t y t 连续 离散 图 1.7 离散(数字)控制系统 图 1.8 连续和离散信号 B.对自动控制系统的基本要求: 稳、快、准. 稳:稳定性; 快:快速性; 准:准确性(稳态精度) 1.稳定性 由于惯性,各参数配合不当→振荡→失去工作能力。 要求:输出量偏离给定输入量的初始值应随时间增长渐趋于 0。 2.快速性
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