机械工程控制基础

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1、1.1.1控制论控制：对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置人类一切实践活动的目的在于认识世界和改造世界，而客观世界是由大大小小、各式各样的系统所组成的。控制理论是研究各种系统的一般性共同控制规律的科学。对于一个被控系统，控制理论必须回答下列三个基本问题：1.系统能否被控制？可控性有多大？2.如何克服系统结构的不确定性及干扰带来的影响？3.如何具体找到和实现满足要求的控制策略？为了回答上述问题，首先要建立系统的数学模型。由于实际系统的复杂性，往往不能从基本的物理、化学和生物学定律直接推导出准确的数学模型，而必须利

2、用系统的输入和输出数据做“反演”，这就形成了系统辨识理论。由于系统的许多状态变量无法直接测量且系统中常有随机噪声的干扰，这就发展了信号滤波理论。又由于许多系统的结构参数无法事先确定且随时间不断变化，这就产生了鲁棒和自适应控制理论。对于具有更大不确定性和复杂性的系统，还需要发展能更好地模仿人类智能的智能控制理论。为了得到具体的控制策略，需要动态全局优化的数学理论和方法，而为了真正实现这种策略，还必须借助于先进的计算手段和各种仪表与执行部件。49自动控制经历了从古典控制理论到现代控制理论的转变。古典控制理论主要讨论单输入单输出线性系统，代表性的理论和方法包括R

3、outh-Hurwitz稳定性判据，Nyquist分析、Bode图、Ziegler-Nichols调节律和Wiener滤波等。单复变函数论和平稳过程理论等是古典时期重要的数学工具。现代控制理论诞生的标志包括极大值原理，美国著名数学家Bellman的动态规划和Kalman的递推滤波以及状态空间模型的能控性、能观测性、反馈镇定等代数理论的出现等。近40年来，现代控制理论在工程技术需求和计算机发展的有力推动下得到了蓬勃发展，特别在非线性控制、分布参数控制、随机控制、稳健控制、自适应控制、辨识与滤波、离散事件动态系统等若干主要方向上取得了重要进展。1.1.1机械工

4、程控制论机械制造技术发展的一个明显而主要的动向是越来越广泛而紧密地同信息科技交融，越来越广泛地引入控制理论。以机械工程技术为对象的控制论问题。机械工程的自动控制理论。机械工程控制论研究机械工程中广义系统的动力学问题。研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。(1)系统(广义系统)：按一定的规律联系在一起的元素的集合。系统元素结构49(1)系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的结构有关；（2）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；（3）系统往往具有表现出在时域、频域或复域等域内的动态特性。系统与外界的交互作用：输入(干扰)输出(响应)动力学问题

5、系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即为系统的动力学问题。机械系统:以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。491.1.1机械工程控制主要解决的问题(1)当系统已定、输人(或激励)已知时，求出系统的输出(或响应)，并通过输出来研究系统本身的有关问题，即系统分析。(2)当系统已定时，确定输

6、入，且所确定的输入应使得输出尽可能符合给定的最佳要求，即最优控制问题。(3)当输入已知时，确定系统，且所确定的系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求，即最优设计问题。(4)当输出已知时，确定系统，以识别输入或输中的有关主信息，即滤波与预测问题。(5)当输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，即系统识别或系统辨识问题。本课程主要以经典控制理论研究系统分析问题。1.2机械工程系统中的信息传递、反馈以及反馈控制的概念控制论的核心内容是：通过信息的传递、加工处理和反馈来进行控制。信息：控制论把能表达一定含义的信号、符号、密码和消息等统称为信

7、息。信息传递：指信息在系统及过程中，以某种关系动态地传递，亦称转换。反馈：系统的输出不断地，直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统，其实质就是信息的传递与交互。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，称为外反馈。内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。它是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变得异常复杂。49自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）

8、的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。扰动扰动