本課程的基本任務特點及學習方法

1、 本課程的基本任務特點及學習方法機電控制工程基礎是以控制理論為基礎，密切結合工程實際的一門專業(yè)基礎課，是機械設計制造及自動化專業(yè)必修課。本課程所討論的問題，都是在工程實踐的基礎上抽象出來的問題，是分析和設計控制系統(tǒng)的共性問題，這些問題理論較強，涉及的面也十分廣泛。因此，討論問題的周期長是本課程特點之一。為了學好本課程，在學習過程中就應對學過的內容經(jīng)常復習，明確前后問題的聯(lián)系，掌握進度。本課程中應用的數(shù)學較多，但是，所討論的問題都是和工程實踐緊密聯(lián)系著的。因此，學習本課程要特別重視理論聯(lián)系實際，重視在物理概念的基礎上對問題的理解。負反饋是構成自動控制系統(tǒng)的基本控制策略。因此，牢固地掌握反饋在工程

2、系統(tǒng)中的應用是學好本課程的關鍵?？刂葡到y(tǒng)分析，就是建立給定系統(tǒng)的數(shù)學模型，在規(guī)定的工作條件下，對它的數(shù)學模型進行分析研究。其研究的內容就是穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)（暫態(tài)）性能，以及分析某些參數(shù)變化對上述性能的影響，決定如何選取合理的參數(shù)等。系統(tǒng)綜合設計，就是在給定對系統(tǒng)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能要求情況下，根據(jù)己知的被控制對象，合理的確定控制器的數(shù)學模型，控制規(guī)律和參數(shù)，并驗證所綜合的控制系統(tǒng)是否是滿足性能指標要求。 機電控制工程基礎的基本問題是：建立系統(tǒng)的數(shù)學模型；系統(tǒng)分析計算；綜合校正確定控制規(guī)律。本課程的基本任務，是使學生獲得機電控制系統(tǒng)的基本理論，掌握系統(tǒng)的基本分析方法和計算方法。為設計機電控制系統(tǒng)及后繼課

3、程的學習和進一步研究學習控制理論打下一定的基礎。 1 控制系統(tǒng)的基本概念本章主要內容、基本要求、重點 主要內容：（1） 控制任務，被控制對象、輸入量、輸出量、擾動量。（2） 開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)及反饋的概念。（3） 控制系統(tǒng)的組成、基本環(huán)節(jié)及對控制系統(tǒng)的基本要求?；疽螅海?） 了解“機電控制工程基礎”課程特點，初步建立控制系統(tǒng)概念。（2） 了解反饋及反饋控制概念，了解開環(huán)系統(tǒng)及閉環(huán)系統(tǒng)概念。（3） 對本課程有一初步認識。重點：開環(huán)控制、閉環(huán)控制，系統(tǒng)的基本組成環(huán)節(jié)。學習本章內容主要了解基本含義、概念。被控制對象或對象 我們稱這些需要控制的工作機器、裝備為被控制對象或對象。輸出量（被控

4、制量） 將表征這些機器裝備工作狀態(tài)需要加以控制的物理參量，稱為被控制量（輸出量）。輸入量（控制量） 將要求這些機器裝備工作狀態(tài)應保持的數(shù)值，或者說，為了保證對象的行為達到所要求的目標，而輸入的量，稱為輸入量（控制量）擾動量 使輸出量偏離所要求的目標，或者說妨礙達到目標，所作用的物理量稱為擾動量?？刂频娜蝿諏嶋H上就是形成控制作用的規(guī)律，使不管是否存在擾動，均能使被控制對象的輸出量滿足給定值的要求。開環(huán)控制系統(tǒng)只有給定量影響輸出量（被控制量），被控制量只能受控于控制量，而被控制量不能反過來影響控制量的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)可以用結構示意圖表示，如圖所示?？刂破鞅豢刂茖ο?擾動量 輸入量

5、 輸出量 ur u a n 圖 開環(huán)控制結構圖結構圖可以表示這種系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間的關系。由圖可知，輸入量直接經(jīng)過控制器作用于被控制對象，所以只有輸入量影響輸出量。當出現(xiàn)擾動時，沒有人的干預，輸出量不能按照輸入量所期望的狀態(tài)去工作。閉環(huán)控制系統(tǒng)為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對輸出量進行測量，并將測量的結果反饋到輸入端與輸入量相減得到偏差，再由偏差產(chǎn)生直接控制作用去消除偏差。因此，整個控制系統(tǒng)形成一個閉合環(huán)路。我們把輸出量直接或間接地反饋到輸入端，形成閉環(huán),參與控制的系統(tǒng)，稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于系統(tǒng)是根據(jù)負反饋原理按偏差進行控制的，也叫作反饋控制系統(tǒng)或偏差控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)中各元件的作用和信號

6、的流通情況，可用結構圖表示。控制器被控制對象檢測裝置 ur ue ua n 輸入量 輸出量 ucf 反饋 圖 閉環(huán)系統(tǒng)結構圖圖中符號 表示比較元件，負號表示負反饋。 歸納一下開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)各自的特點如下：（1） 開環(huán)控制系統(tǒng)中，只有輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用；從控制結構上來看，只有從輸入端到輸出端的信號傳遞通道（該通道稱為前向通道），控制系統(tǒng)簡單，實現(xiàn)容易。閉環(huán)控制系統(tǒng)中除前向通道外，還必須有從輸出端到輸入端的信號傳遞通道，使輸出信號也參與控制，該通道稱為反饋通道。閉環(huán)控制系統(tǒng)就是由前向通道和反饋通道組成的，控制系統(tǒng)結構復雜。（2） 閉環(huán)控制系統(tǒng)能抑制內部和外部各種形式的干擾，對干擾不甚敏

7、感。因此，可采用不太精密和成本較低的元件來構成控制精度較高的系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)，因為輸入量與輸出量之間沒有反饋聯(lián)系，所以對干擾所造成的誤差，系統(tǒng)不具備修正能力。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度，完全由采用高精度元件和有效的抗干擾措施來保證。（3） 對閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，始終是一個首要問題。穩(wěn)定是閉環(huán)控制系統(tǒng)正常工作必要條件。對于開環(huán)控制系統(tǒng)，或者不存在不穩(wěn)定問題，或者容易解決。例題：液面控制系統(tǒng)如圖所示。要求在運行中容器的液面高度保持不變。試簡述其工作原理，并畫出系統(tǒng)原理結構圖。解：被控對象是容器，其液面高度H應為輸出量。浮子跟隨液面上下浮動，可以反映出液面的實際高度H，也可以表明實際

8、高度對輸入高度的偏差HrH，相當于測量元件。 浮子帶動杠桿，杠桿聯(lián)動閥門1以調節(jié)進入容器的流量，進而控制液面高度，故杠桿相杠桿浮子閥門1 Q1 Hr 閥門2 Q2 圖 閉環(huán)液面控制系統(tǒng)當于放大，執(zhí)行元件。浮子杠桿閥門1水箱 由以上分析可畫出系統(tǒng)的原理結構圖如圖所示。 Q2 Hr Q1 H圖 閉環(huán)液面控制系統(tǒng)的結構圖 例題 下圖是數(shù)控機床工作臺閉環(huán)進給控制系統(tǒng)?？刂破鞑竭M電機工作臺 xc xr x 磁尺 工作臺閉環(huán)進給控制系統(tǒng)圖中xr為輸入位移指令是輸入量，xc為工作臺位移量是輸出量，工作臺是被控對象，直流電機齒輪傳動及絲杠螺母是執(zhí)行機構，磁尺用來測量工作臺的位移量是測量元件。為了保證工作臺能依

9、輸入量作隨從運動，控制器同時接收輸入量xr和磁尺測量出的代表工作臺位移xc的量，并進行比較得出差值xxrxc，由差值x控制直流電動機驅動齒輪絲杠傳動機構，帶動工作臺移動去減小差值。其結構圖如圖所示?？刂破髦绷麟姍C傳動機構工作臺磁 尺 xr xc圖工作臺閉環(huán)進給控制系統(tǒng)結構圖例題：(1) 什么叫反饋？什么是負反饋？ 答：把系統(tǒng)輸出全部或部分地返回到輸入端，就叫做反饋。把輸出量反饋到系統(tǒng)的輸入端與輸入量相減稱為負反饋。(2) 什么樣系統(tǒng)叫開環(huán)控制系統(tǒng)？舉例說明。 答：若系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)沒有控制作用，即系統(tǒng)沒有反饋回路時，則該控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。如自動售貨機，自動洗衣機，步進電機控制刀架進給

10、機構等。(3) 什么叫閉環(huán)控制系統(tǒng)？舉例說明之。答：當系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)有控制作用時，即系統(tǒng)存在著負反饋回路稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，例如：人手在抓取物件時的動作。機器人手臂運動控制，火炮跟蹤目標的運動，導彈飛行運動控制等等。自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的種類繁多，很難確切地對自動控制系統(tǒng)進行分類。現(xiàn)在將經(jīng)常討論的幾種自動控制系統(tǒng)的類型概括如下：1 線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)按組成自動控制系統(tǒng)主要元件的特性方程式的性質，可以分為線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)。線性系統(tǒng)是由線性元件組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)的運動方程式可用線性微分方程式或線性差分方程式來描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)主要特點是具有迭加性和齊次性。就是

11、說對于線性控制系統(tǒng)，幾個輸入信號同時作用在系統(tǒng)上所引起的輸出等于各自輸入時，系統(tǒng)輸出之和。如果微分方程式或差分方程式的系數(shù)，不隨時間的變化而變化即是常數(shù)，則稱這類系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)，或稱為常參數(shù)系統(tǒng)。如果線性微分方程式或差分方程式的系數(shù)，隨時間的變化而變化則稱這類系統(tǒng)為線性時變系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)是由非線性微分方程式來描述的系統(tǒng)稱非線性系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中，若有一個元件是非線性的，這個系統(tǒng)就是非線性系統(tǒng)。典型非線性環(huán)節(jié)特性如圖所示。 xc xc xc xr xr xr 0 0 0 (a) (b) (c)（a）繼電器特性， （b）飽和特性， （c）不靈敏特性 圖 典型非線性環(huán)節(jié)特性1 2. 連續(xù)系

12、統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng) 控制系統(tǒng)中各元件的輸入、輸出信號都是時間t的連續(xù)函數(shù)時，則稱此系統(tǒng)為連續(xù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（或稱連續(xù)系統(tǒng)）。連續(xù)系統(tǒng)一般由微分方程式來描述。離散系統(tǒng) 是指系統(tǒng)的某一處或幾處，信號是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞。離散系統(tǒng)的主要特點是：在系統(tǒng)中使用脈沖開關或采樣開關，將連續(xù)信號轉變?yōu)殡x散信號。離散信號取脈沖形式的系統(tǒng)，稱為脈沖控制系統(tǒng)；離散信號以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)，稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。3 恒值系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。恒值系統(tǒng)，如恒速、恒溫、恒壓等自動控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的輸入量保持不變。程序控制系統(tǒng)，如程序控制機床的控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)輸入量是按照一定的時間函數(shù)變化的。隨動控制系統(tǒng)，

13、在這種系統(tǒng)中，輸入量是按照事先不知道的時間函數(shù)變化，要求輸出跟隨輸入量變化，如火炮的控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)的組成與對控制系統(tǒng)的基本要求是我們從控制功能的角度來看，自動控制系統(tǒng)一般均由以下基本環(huán)節(jié)（基本元件）組成。閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)（1） 被控對象或調節(jié)對象：是指要進行控制的設備或過程。（2） 比較環(huán)節(jié)（比較元件）：用來實現(xiàn)將所檢測到的輸出量和輸入量進行比較，并產(chǎn)生偏差信號的元件。在多數(shù)控制系統(tǒng)中，比較元件常常和測量元件或測量線路結合在一起。（3） 放大環(huán)節(jié)（放大元件）：由于偏差信號一般比較微弱，不能直接用于驅動被控對象，需要進行放大。因此控制系統(tǒng)必須具有放大環(huán)節(jié)。常用放大元件有：放大器

14、、可控硅整流器、液壓伺服放大器等。（4） 執(zhí)行環(huán)節(jié)（執(zhí)行元件）：用來實現(xiàn)控制動作，直接操縱被控對象的元件。常用執(zhí)行元件有：交、直流電機、液壓馬達、傳動裝置等。（5） 檢測環(huán)節(jié)（測量元件）：是用來測量被控制量的元件。由于測量元件的測量精度直接影響到系統(tǒng)的控制精度，因此應盡可能采用高精度的測量元件和合理的測量電路，常用的測量元件有：測速電機、編碼器、自整角機等。（6） 校正環(huán)節(jié)（校正元件）：對控制性能要求比較高的系統(tǒng)或者比較復雜的系統(tǒng)，為了改善系統(tǒng)的控制性能，提高控制系統(tǒng)的控制質量，需要在系統(tǒng)中加入校正環(huán)節(jié)。由上述元件構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，就其信號的傳遞和變換的功能來說，都可抽象出如圖所示的控制系統(tǒng)結構圖。放 大執(zhí) 行反饋校正檢 測被控對象放大串聯(lián)校正 擾動量 比較 輸入量 輸出量 偏 差 反 量 饋 （局部反饋） 量 （主反饋） 閉環(huán)控制系統(tǒng)結構圖對控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性如果系統(tǒng)受擾動后偏離了原工作狀態(tài)，擾動消失后，系統(tǒng)能自動恢復到原來的工作狀態(tài)，這樣的系統(tǒng)稱為穩(wěn)定系統(tǒng)，否則為不