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机械工程控制绪论

2002 控制原理 例1 质量-阻尼-弹簧系统.以位移y(t)为输出,以外力 f(t)为输入. 列出系统的动力学方程. m· y(t) f(t) c k 图1-1 阻尼力 弹性力 小车的运动方程: , (1) 系统的输出响应y(t)取决于: 1)输入信号; 2)系统结构参数; 3)初始条件; 4)输入与系统的关系. m y(t) 图1-2 c k x(t) 例2 质量-阻尼-弹簧系统. 以位移 为输入,求小 车的位移 . 【解】 (2) 小车运动方程: 系统、输入、输出三者之间的关系 1. 已知系统、输入、求输出(响应)—系统分析 2. 已知系统,根据尽可能优化的输出,求输入--最优控制 已知输入,根据最优输出来设计系统—最优设计 4. 已知输出,确定系统,识别输入中的信息—滤波与(预)测量 5. 已知输入、输出,求系统的数学模型,并估计参数--系统辨识和参数估计 机械工程控制的任务:运用古典控制理论进行控制系统建模、分析和综合(设计),重点是系统分析。 1.2.3 控制系统的分类 1 按反馈分 1) 开环控制系统:输出和输入之间无反馈,输出对 系统的控制作用无影响。 特点:结构简单,不产生振荡,但控制 精度不高,抗干扰能力差。 2) 闭环控制系统:输入、输出之间有反馈,输出对 控制作用有影响,反馈的作用就 是减小偏差。 特点:精度高,抗干扰能力强,易产生 振荡。 2 按输出变化规律来分 1) 自动调节系统:在外界干扰存在情况下,输出基本 恒定(给定输入信号为恒值)。如恒温、 恒压、恒速控制系统等。 2) 随动系统:输出在宽范围内跟随输入任意变化 (给定输入信号是预先未知的时间函数)。 如自动火炮跟踪目标的控制系统等。 3) 程序控制系统:输出量按预先程序变化(给定输 入信号是已知的时间函数)。 3 按控制方式来分 1). 连续控制系统:各环节输入和输出信号均为连续 信号. 2). 离散控制系统:系统中有一处或数处的信号是离 散的(脉冲序列或数字信号). 1.3.1 自动控制系统的构成 1 测量单元(Sensing Unit) 用于检测被控量大小的各种传感器(如速度、 位置、流量、压力、电流、温度等,给出系统 反馈信号。 1.3 反馈和反馈控制 3 执行器(Actuator) 对控制命令进行功率放大,推动被控对象,如电磁阀、节气门、控制电动机、液压缸、气压缸。 提供参考指令,接受传感器的反馈信号,计算给定值与反馈信号之间的偏差,通过进行存储、计算和分析处理后向执行器发出指令,完成系统的控制功能。 2 控制单元(control Unit) 1.3.2 反馈与反馈控制 输入xi 输出xo G ? 图1-3 1. 反馈 反馈是自动控制系统的要素。扰动引起的不确定性是采用反馈控制系统的主要原因之一。即使不知道系统准确的工作状态,通过测量系统的输出量和参考量相比较,调整可用的控制变量,就能够使系统恢复到正常的工作状态。 反馈分为正反馈和负反馈。 2. 反馈控制 测量、计算和执行环节构成的反馈回路是自动控制的基本结构。控制器通过参考输入值和和系统输出值计算出校正值,并作用于被控系统使其产生期望的变化。控制的关键是采用反馈方法消除或减少系统的不确定性。不确定性包括:传感器的测量噪声、系统负载扰动、系统本身的不确定性(参数变化、模型简化引起的误差)。 反馈控制可以使互联系统的整体性高于子系统。当系统存在不确定性时,反馈控制将提供高性能、高可靠性及可重复的工作状态。例如电子系统利用反馈机制补偿元件或参数的变化。 比较得温度偏差 的大小。 2)与给定温度 (期望的) 3 反馈控制实例 电阻丝 温度计 恒温箱 调压器 -220V 图1-4 a. 人工恒温调节系统 1)目测温度计温度 (实

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