绪论机械工程控制基础

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1、第一章绪论控制实例控制实例控制三要素：施控者、被控对象、控制目标控制实质：控制理论体系：经典控制理论、现代控制理论研究对象单输入单输出定常线性系统多输入多输出时变系统（主要线性）数学工具Laplace变换,传递函数矩阵、向量空间研究领域复数域、频率域时间域基本内容传递函数、时间响应特性、频率特性（Nyquist图、Bode图）、稳定判据、系统校正环节设计线性控制理论、系统辨识、最优滤波、最优控制性能指标稳定性、响应快速性、响应准确性最优性控制器RC(无源滤波网络）数字机着眼点系统输出/输入系统状态分析&综合1）给定输入、系统，分析输出2）指定指标下，

2、研究系统参数1）揭示控制（输入）和初始条件对系统的作用影响2）在一定条件下，最佳状态（最优控制）第一节机械工程控制论研究的对象与任务机械工程控制论研究机械工程中广义系统的动力学问题。研究的对象：研究的任务：研究的领域：机械工程领域（b）（a）同一系统，不同的输入（a）（b）整理得：（a）解：（b）解：求输出求输入求系统（结构参数）定常线性系统1.系统——由相互联系、相互作用的若干部分组成有一定的目的或一定的运动规律的一个整体。系统的组成要素线性系统√元件子系统非线性系统第二节系统及其模型元素元素之间的联系系统具有如下特性：(1)系统的性能不仅与系统的

3、要素有关，而且还与系统的结构有关；(2)系统的内容比组成系统的各要素的内容要丰富得多、复杂得多。如下面的m-k系统。图1.2.1m-k简单系统此系统由两个元件:质块与弹簧组成m——质块的质量；k——弹簧的刚度.对弹簧由虎克定律孤立考虑：对质块由牛顿第二定律对二者组成的系统系统的动力学方程为系统在外力作用下，从初始位移y0或初始速度开始作“简谐振动”。分别研究两个元件，无论如何得不出这一结论。当研究某台机床切削加工过程中的动力学问题时，当研究此台机床加工的工件的某些质量指标时，当研究此台机床的操作者在加工过程中的作用时，如：机械工程中的广义系统：以实现

4、一定的机械运动、承受一定的机械载荷为目的，由机械元件组成的系统，称为机械系统。切削加工过程工件操作者2.广义系统——比如：、、、。3.模型模型——研究、认识、描述、分析系统的一种工具。数学模型——用数学方法描述的抽象的理论模型，用来表达系统内部各部分之间或系统与外部环境之间的关系。模型分为：数学表达式静态模型动态模型——反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在平衡状态下的特性；用代数公式描述。——反映系统在瞬变载荷作用下或在不平衡状态下的特性；用微分方程（差分方程）描述。机器与隔振垫系统：数学模型示例：一台机器放在隔振垫上将机器简化为一刚性质块，设其质

5、量为m；隔振垫近似看为一弹簧和阻尼的作用，弹性系数为k，阻尼系数为c。图机器与隔振垫系统简化模型F(t)——作用在质块上的外力N(t)——隔振垫的支反力x(t)——质块铅垂方向的振动位移y(t)——地基振动位移系统的数学模型如下：(1)以F(t)——输入，x(t)——输出系统的数学模型如下：(2)以y(t)——输入，x(t)——输出反馈——系统的输出部分或全部地被反过来用于控制系统的输入。第三节反馈——控制的实质一、反馈的定义、分类在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈。内反馈：外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈（依靠外部反

6、馈控制装置）。外反馈控制系统举例附加的反馈控制装置被控对象油门反馈控制方框图内反馈控制系统举例依靠系统内部各个元素（m、c、k）之间信息交互。外力作用f(t)作出响应y(t)部分反馈全闭环反馈全闭环反馈部分闭环反馈正反馈：如：自激振荡器、机器疲劳破坏加大偏差机床伺服系统如：检测偏差，并纠正偏差。负反馈控制方框图机床伺服控制系统负反馈举例负反馈控制原理图第四节系统的分类及对控制系统的要求步进电机驱动的数控机床原理图步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图、、伺服驱动的数控机床原理图伺服驱动的数控机床闭环控制系统方框图一个典型的闭环控制系统由：控制部分和

7、被控部分组成。控制部分由以下环节组成：闭环控制系统的组成给定环节：给出输入信号（给定值）的环节。测量环节：用于测量被控量（输出量），并转换为便于传送的物理量（一般为电量）。比较环节：比较输入信号与反馈信号，并输出偏差信号的环节。放大及运算环节：对偏差信号进行校正、功率放大的环节。执行环节：接收放大环节送来的信号，直接驱动被控对象按预期规律运行。输出信号反馈信号输入信号偏差如自动调整系统对稳定性要求较高。如随动系统对响应快速性要求较高。如数控机床对定位精度要求高。控制系统的性能评价指标本讲小结：机械工程控制论研究的对象与任务；系统（广义系统、机械系统）

8、、动力学问题、模型（静态模型、动态模型）；反馈（正、负反馈，内、外反馈）；控制系统的分类，闭环控制系统的组成