1、機(jī)械工程控制基礎(chǔ)第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理第一節(jié) 控制系統(tǒng)的工作原理和基本要求第二節(jié) 控制系統(tǒng)的基本類型第三節(jié) 典型控制信號(hào)第四節(jié) 控制理論的內(nèi)容和方法第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第一節(jié) 機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第二節(jié) 液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三節(jié) 電氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第四節(jié) 線性控制系統(tǒng)的卷積關(guān)系式第三章 拉氏變換第一節(jié) 傅氏變換第二節(jié) 拉普拉斯變換第三節(jié) 拉普拉斯變換的基本定理第四節(jié) 拉普拉斯逆變換第四章傳遞函數(shù)第一節(jié)傳遞函數(shù)的概念與性質(zhì)第二節(jié) 線性控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)第三節(jié) 系統(tǒng)框圖及其運(yùn)算第四節(jié) 多變量系統(tǒng)的傳遞函數(shù)第五章時(shí)間響應(yīng)分析第一節(jié) 概述第二節(jié) 單位脈沖輸入的時(shí)間響應(yīng)第三節(jié) 單位階躍輸入的

2、時(shí)間響應(yīng)第四節(jié) 高階系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)第六章 頻率響應(yīng)分析第一節(jié) 諧和輸入系統(tǒng)的定態(tài)響應(yīng)第二節(jié) 頻率特性極坐標(biāo)圖第三節(jié) 頻率特性的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖第四節(jié) 由頻率特性的實(shí)驗(yàn)曲線求系統(tǒng)傳遞函數(shù)第七章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性第一節(jié) 穩(wěn)定性概念第二節(jié) 勞斯判據(jù)第三節(jié) 乃奎斯特判據(jù)第四節(jié) 對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖的穩(wěn)定性判據(jù)第八章 控制系統(tǒng)的偏差第一節(jié) 控制系統(tǒng)的偏差概念第二節(jié) 輸入引起的定態(tài)偏差第三節(jié) 輸入引起的動(dòng)態(tài)偏差第九章控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正第一節(jié)綜述第二節(jié) 希望對(duì)數(shù)幅頻特性曲線的繪制第三節(jié) 校正方法與校正環(huán)節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的增益調(diào)整第五節(jié) 控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正第六節(jié) 控制系統(tǒng)的局部反饋校正第七節(jié) 控制系統(tǒng)的順饋校正第一章 自動(dòng)

3、控制系統(tǒng)的基本原理定義：在沒有人的直接參與下，利用控制器使控制對(duì)象的某一物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。第一節(jié) 控制系統(tǒng)的工作原理和基本要求一、 控制系統(tǒng)舉例與結(jié)構(gòu)方框圖例1 一個(gè)人工控制的恒溫箱，希望的爐水溫度為100C,利用表示函數(shù)功能的方塊、信號(hào)線，畫出結(jié)構(gòu)方塊圖。圖1 人通過(guò)眼睛觀察溫度計(jì)來(lái)獲得爐內(nèi)實(shí)際溫度，通過(guò)大腦分析、比較，利用手和鍬上煤炭助燃。圖2例2 圖示為液面高度控制系統(tǒng)原理圖。試畫出控制系統(tǒng)方塊圖和相應(yīng)的人工操縱的液面控制系統(tǒng)方塊圖。解：浮子作為液面高度的反饋物，自動(dòng)控制器通過(guò)比較實(shí)際的液面高度與希望的液面高度，調(diào)解氣動(dòng)閥門的開合度，對(duì)誤差進(jìn)行修正，可保持液面高度穩(wěn)定。圖3

4、 圖4圖5結(jié)構(gòu)方塊圖說(shuō)明：1.信號(hào)線：帶有箭頭的直線（可標(biāo)時(shí)間或象函數(shù)）U(t),U(s)；2.引用線：表示信號(hào)引出或測(cè)量的位置；3比較點(diǎn)：對(duì)兩個(gè)以上的同性質(zhì)信號(hào)的加減運(yùn)算環(huán)節(jié)；4方框：代表系統(tǒng)中的元件或環(huán)節(jié)。方塊圖中要注明元件或環(huán)節(jié)的名稱，函數(shù)框圖要寫明函數(shù)表達(dá)式。二控制系統(tǒng)的組成1給定環(huán)節(jié)：給出輸入信號(hào)，確定被控制量的目標(biāo)值。2比較環(huán)節(jié)：將控制信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差值。3放大環(huán)節(jié)：將偏差信號(hào)放大并進(jìn)行必要的能量轉(zhuǎn)換。4執(zhí)行環(huán)節(jié)：各種各類。5被控對(duì)象：機(jī)器、設(shè)備、過(guò)程。6測(cè)量環(huán)節(jié)：測(cè)量被控信號(hào)并產(chǎn)生反饋信號(hào)。7校正環(huán)節(jié)：改善性能的特定環(huán)節(jié)。三控制系統(tǒng)特點(diǎn)與要求1目的：使被控對(duì)象的某

5、一或某些物理量按預(yù)期的規(guī)律變化。2過(guò)程：即“測(cè)量對(duì)比補(bǔ)償”。或“檢測(cè)偏差糾正偏差”。3基本要求：穩(wěn)定性系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，不能震蕩；快速性接近目標(biāo)的快慢程度，過(guò)渡過(guò)程要?。粶?zhǔn)確性第二節(jié) 控制系統(tǒng)的基本類型1開環(huán)變量控制系統(tǒng)（僅有前向通道）圖62閉環(huán)變量控制系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性能好；缺點(diǎn)：不能糾偏，精度低。閉環(huán)系統(tǒng)：與上相反。第三節(jié)典型控制信號(hào)輸入信號(hào)是多種多樣的，為了對(duì)各種控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行統(tǒng)一的評(píng)價(jià)，通常選定幾種外作用形式作為典型外作用信號(hào)，并提出統(tǒng)一的性能指標(biāo)，作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。1階躍信號(hào) x(t)=0 t0X(t)=A t0圖7當(dāng)A=1時(shí)，稱為單位階躍信號(hào)，寫為1（t）。階躍信

6、號(hào)是一種對(duì)系統(tǒng)工作最不利的外作用形式。例如，電源突然跳動(dòng)，負(fù)載突然增加等。因此，在研究過(guò)渡過(guò)程性能時(shí)通常都選擇階躍函數(shù)為典型外作用，相應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程稱為階躍響應(yīng)。2脈沖函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式 x(t)=A/T 0tTX(t)=0 其它圖8脈沖函數(shù)的強(qiáng)度為A，即圖形面積。單位脈沖函數(shù)（函數(shù)）定義為(t)=1(t)性質(zhì)有: (t)=0 t0(t)= t0且圖9強(qiáng)度為A的脈沖函數(shù)x(t)也可寫為x(t)=A(t)必須指出，脈沖函數(shù)(t)在現(xiàn)實(shí)中是不存在的，它只有數(shù)學(xué)上的意義，但它又是很重要的很有效的數(shù)學(xué)工具。3斜坡函數(shù)（恒速信號(hào)）x(t)=At t0 x(t)=0 t0圖10在研究飛機(jī)系統(tǒng)時(shí)，常用恒速信號(hào)作為

7、外作用來(lái)評(píng)價(jià)過(guò)渡過(guò)程。4恒加速信號(hào)x(t)=At2/2 t0 x(t)=0 t0圖11在研究衛(wèi)星、航天技術(shù)的系統(tǒng)時(shí)，常用恒加速信號(hào)作為外作用來(lái)評(píng)價(jià)過(guò)渡過(guò)程。5正弦函數(shù)（諧波函數(shù)、諧和信號(hào)）x(t)=xm.sin(t ) t0 x(t)=0 t0-圖126延時(shí)函數(shù)（信號(hào)）f(t)=x(t-) tf(t)=0 t0圖137隨機(jī)信號(hào)（使用白噪聲信號(hào)代替）第四節(jié)控制理論的研究?jī)?nèi)容和方法一經(jīng)典控制理論1主要內(nèi)容：分析掌握系統(tǒng)的特性，進(jìn)行系統(tǒng)性能的改善；實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)特性和改善措施進(jìn)行測(cè)試；綜合按照給定的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。2方法時(shí)域法以典型信號(hào)輸入，分析輸出量隨時(shí)間變化的情況；頻域法以諧和信號(hào)輸入，分析

8、輸出量隨頻率變化的情況；根軌跡法根據(jù)系統(tǒng)的特征方程式的根，隨系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律來(lái)研究系統(tǒng)（又稱圖解法）。二現(xiàn)代控制理論1引入狀態(tài)空間概念；2動(dòng)態(tài)最佳控制；3靜態(tài)最優(yōu)控制；4自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)系統(tǒng)。圖14 瓦特調(diào)速器第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為了確定控制系統(tǒng)內(nèi)部各物理量之間定量關(guān)系，必須建立數(shù)學(xué)模型。這一章中心問(wèn)題是如何從控制系統(tǒng)實(shí)體中抽象出數(shù)學(xué)模型。第一節(jié)機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1.機(jī)械平移系統(tǒng)（應(yīng)用牛頓定律）F=0, F=mF(t)-c-kx=m或 F(t)-Fc(t)-Fk(t)=mFc(t)=阻尼器產(chǎn)生的阻尼力，為c(t)Fk(t)=彈性恢復(fù)力，為kx(t)整理：m c kx=F(t)2機(jī)械旋轉(zhuǎn)系

9、統(tǒng)J(t) c(t) k(t)=M(t)J轉(zhuǎn)動(dòng)慣量c阻尼系數(shù)K剛度系數(shù)圖14圖153機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的歸算機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)形式：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)。機(jī)械系統(tǒng)的組成元件：齒輪、軸、軸承、絲杠、螺母、滑塊等。對(duì)一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，必須把各部件參數(shù)歸算到同一部件上。在這個(gè)部件的慣性力、阻尼力、彈性恢復(fù)力稱為當(dāng)量參數(shù)。如何歸算？采用單因素法。31 慣性參數(shù)的歸算1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的歸算將圖示系統(tǒng)中的J1、J2和J3歸算到a軸上。圖16 列各軸力矩平衡方程式：a軸： M=J1 Mb-ab軸： Ma-b=J2 Mc-bc軸： Mb-c=J3Mb-a負(fù)載力矩；Ma-b是b軸的主動(dòng)（驅(qū)動(dòng)）力矩。列關(guān)系式：=，同理力相等關(guān)

10、系由線速度相等關(guān)系：1=2得，同理，代入各關(guān)系式，得M(t)=M=J1 J2()2 J3()2= JaJa稱為歸算到a軸上的歸算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。推之，對(duì)于系統(tǒng)有n個(gè)軸，歸算到a軸時(shí)，Ja =Ui是從a軸到第i軸的總速比，即主動(dòng)齒輪齒數(shù)積/被動(dòng)齒輪齒數(shù)積。2移動(dòng)質(zhì)量歸算為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量列運(yùn)動(dòng)平衡方程式絲杠：M=J M1滑塊: F=m=F軸式中：M1是滑塊作用于絲杠的力矩；F軸是絲杠作用于滑塊的軸向力。為求M與F之間的關(guān)系,列關(guān)系式,把絲杠按D展成平面。tg=F周/F軸=S/D由關(guān)系式 F周=M1, 則F軸=F=根據(jù)運(yùn)動(dòng)關(guān)系=代入到M=J M1中，整理后得M=J m()2=JJ=J m ()2圖17圖18第二節(jié)液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析思路（見圖19）：劃分為兩個(gè)環(huán)節(jié)。滑閥：輸入量 xi(t)輸