第一章機械控制基礎課件

1、控制工程基礎控制工程基礎主講人：楊艷主講人：楊艷2課程簡介課程簡介 課程課程性質性質：現代機械學中的一門重要：現代機械學中的一門重要技術基礎課技術基礎課。 教學學時教學學時：(42+6)學時學時 先修課程先修課程：復變函數、積分變換、機械動力學、電學理論等：復變函數、積分變換、機械動力學、電學理論等 后續(xù)課程后續(xù)課程：為專業(yè)基礎和專業(yè)課打下一定基礎。如：機電一體化技術、機：為專業(yè)基礎和專業(yè)課打下一定基礎。如：機電一體化技術、機械工程測試技術、機電傳動控制、材料成型及控制工程等。械工程測試技術、機電傳動控制、材料成型及控制工程等。 課程目的課程目的：本課程是數學物理等基礎課與專業(yè)課程之間的：本課

2、程是數學物理等基礎課與專業(yè)課程之間的橋梁橋梁。通過本課。通過本課程學習，學會運用程學習，學會運用“系統(tǒng)系統(tǒng)”、“動態(tài)動態(tài)”的觀點，運用控制理論的方法，的觀點，運用控制理論的方法，解決機械工程中的實際問題。解決機械工程中的實際問題。3課程簡介課程簡介教教 材材： 董景新主編董景新主編控制工程基礎控制工程基礎,清華大學出版社，清華大學出版社，2012參考書目參考書目：（1）楊叔子編）楊叔子編機械工程控制基礎機械工程控制基礎，華中科技大學出版社，華中科技大學出版社，2005（2）王積偉）王積偉 吳振順主編：吳振順主編：控制工程基礎控制工程基礎，高等教育出版社，高等教育出版社，2001 （3）田玉平主

3、編：）田玉平主編：自動控制原理自動控制原理，科學出版社，科學出版社，2006 （4）陳康寧主編：）陳康寧主編：機械工程控制基礎機械工程控制基礎 ，西安交大出版社西安交大出版社 ，2006 教材結構教材結構： 1）對研究對象（機械工程）問題建立數學模型，）對研究對象（機械工程）問題建立數學模型，第二章第二章 2) 在一定輸入下分析系統(tǒng)的輸出：在一定輸入下分析系統(tǒng)的輸出： 時間響應（時域分析）時間響應（時域分析） 第三章第三章 頻率響應（頻率分析）頻率響應（頻率分析）第四章第四章 3）系統(tǒng)性能分析：穩(wěn)定性判據）系統(tǒng)性能分析：穩(wěn)定性判據 第五章第五章 4）系統(tǒng)校正：使系統(tǒng)全面滿足性能指標要求）系統(tǒng)校

4、正：使系統(tǒng)全面滿足性能指標要求 第七章第七章4課程體系課程體系 Chp.3 Chp.1 Chp.2 Chp.4 Chp.6 Chp.5系統(tǒng)系統(tǒng)數學模型數學模型時域分析時域分析頻域分析頻域分析瞬態(tài)響應分析瞬態(tài)響應分析穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性分析系統(tǒng)校正系統(tǒng)校正課程成績確定方法：課程成績確定方法： 本課程將注重過程，采用過程評價體系。成績主本課程將注重過程，采用過程評價體系。成績主要由平時成績、實驗成績、考試成績三部分組成。每要由平時成績、實驗成績、考試成績三部分組成。每項說明如下：項說明如下：1.平時成績：到課率、遲到早退情況、作業(yè)情況、回平時成績：到課率、遲到早退情況、作業(yè)情況、回答問題情況、答問題情

5、況、上課情況上課情況等等2.實驗：實驗準備實驗：實驗準備情況情況及平時做實驗的完成情況及平時做實驗的完成情況3.考試：閉卷，卷面考試成績考試：閉卷，卷面考試成績 最終成績的給定大約按如下公式得到：最終成績的給定大約按如下公式得到： 平時成績平時成績+實驗實驗+考試成績考試成績 三者比重大約分別為：三者比重大約分別為：10%、20 % 、70%上課將會有提問、點名，課堂練習；上課將會有提問、點名，課堂練習；課后將會有作業(yè)，記入平時成績課后將會有作業(yè)，記入平時成績6 第一章第一章 緒緒 論論7基本要求基本要求 1. 了解機械工程控制論的基本含義和研究對象，學習本課了解機械工程控制論的基本含義和研究

6、對象，學習本課程的目的和任務；程的目的和任務； 2. 正確理解自動控制系統(tǒng)的基本概念，掌握反饋的含義正確理解自動控制系統(tǒng)的基本概念，掌握反饋的含義； 3. 了解廣義系統(tǒng)的分類，掌握閉環(huán)了解廣義系統(tǒng)的分類，掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理、控制系統(tǒng)的工作原理、基本組成，學會控制系統(tǒng)方框圖的繪制方法基本組成，學會控制系統(tǒng)方框圖的繪制方法； 4. 掌握掌握對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求。 8重點與難點重點與難點本章重點本章重點（ 1） 學會用系統(tǒng)論、信息論的觀點分析廣義系統(tǒng)的動態(tài)特性、學會用系統(tǒng)論、信息論的觀點分析廣義系統(tǒng)的動態(tài)特性、信息流，信息流， 理解信息反饋的含義及其作用。理解信息反饋的含

7、義及其作用。（ 2） 掌握控制系統(tǒng)的基本概念、基本變量、基本組成和工作掌握控制系統(tǒng)的基本概念、基本變量、基本組成和工作原理；原理； 繪制控制系統(tǒng)方框圖。繪制控制系統(tǒng)方框圖。本章難點本章難點 廣義系統(tǒng)的信息反饋及控制系統(tǒng)方框圖的繪制。廣義系統(tǒng)的信息反饋及控制系統(tǒng)方框圖的繪制。9 海洋探測機器人海洋探測機器人19901990年日本海洋科技中心年日本海洋科技中心 研制的研制的“海溝號海溝號”纜控式纜控式無人潛水器（左）及其在大海中工作時的情況（右）無人潛水器（左）及其在大海中工作時的情況（右） 控制技術的應用控制技術的應用10CR-01CR-01型型60006000米水下無纜機器米水下無纜機器人人1

8、9951995年年8 8月我國沈陽自動化所機器人月我國沈陽自動化所機器人中心研制的中心研制的CR-01CR-01型型60006000米水下無纜米水下無纜機器人（上）和正在下水的情況（右）機器人（上）和正在下水的情況（右）“蛟龍”號中國載人深潛器 11家家 用用 電電 器器 冰箱、洗衣機冰箱、洗衣機 家庭影院家庭影院 微波爐微波爐控制技術控制技術 應用舉例應用舉例 (2)(2) U U盤、盤、MP4MP4、MP5MP5 手機應用產品手機應用產品12智能樓宇的控制智能樓宇的控制控制技術控制技術 應用舉例應用舉例 (3)(3)可視對講、室內報警、遠程家電控制可視對講、室內報警、遠程家電控制. .13

9、汽車電子汽車電子汽汽 車車 電電 子子電源電源發(fā)動機控制發(fā)動機控制行駛裝置行駛裝置報警與安全裝置報警與安全裝置旅居性旅居性儀表儀表娛樂通訊娛樂通訊收音機、汽車電話、業(yè)余電臺收音機、汽車電話、業(yè)余電臺點火裝置、燃油噴射控制、點火裝置、燃油噴射控制、發(fā)動機電子控制發(fā)動機電子控制車速控制、間歇刮水、車速控制、間歇刮水、除霧裝置、車門緊鎖除霧裝置、車門緊鎖. .安全帶、車燈未關報警、安全帶、車燈未關報警、速度報警、安全氣囊速度報警、安全氣囊. .空調控制、動力窗控制空調控制、動力窗控制里程表、數字式速度表、里程表、數字式速度表、出租車用儀表出租車用儀表. .控制技術控制技術 應用舉例應用舉例 (4)(

10、4)14機機電電 EVEV充電系統(tǒng)充電系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)汽車照明、汽車照明、電動轉向、空調、電動轉向、空調、音響、雨刷、安全音響、雨刷、安全報警、電動門窗報警、電動門窗. .電電 子子機械機械驅動控制系統(tǒng)驅動控制系統(tǒng)電機驅動系統(tǒng)電機驅動系統(tǒng)控制控制控制控制15口語汽車導航系統(tǒng)使用情景示意圖口語汽車導航系統(tǒng)使用情景示意圖汽車汽車GPSGPS定位，定位，GISGIS導航，導航，GSMGSM通信通信單片機單片機控制器控制器應用應用16 1. 概述 控制理論是在產業(yè)革命的背景下，在生產和軍事需求的刺激下，自動控制、電子技術、計算機科學等多種學科相互交叉發(fā)展的產物。 根據自動控制理論的內容和發(fā)

11、展的不同階段，控制理論可分為“經典控制理論經典控制理論”和“現代控制理論現代控制理論”兩大部分。 17控制論發(fā)展概況控制論發(fā)展概況l 一千多年前：銅壺滴漏計時器、指南針、各種天文儀器一千多年前：銅壺滴漏計時器、指南針、各種天文儀器 西漢漏壺時時間間刻刻度度浮子浮子銅壺滴漏銅壺滴漏開閉廟門和分發(fā)開閉廟門和分發(fā)圣水等自動裝置圣水等自動裝置18l 17881788年：年：J. Watt J. Watt 發(fā)明蒸汽發(fā)明蒸汽機調速器機調速器 l 18681868年：年：J. C. MaxwellJ. C. Maxwell發(fā)表發(fā)表 調速器調速器，提出反饋控制，提出反饋控制 的概念及穩(wěn)定性條件。的概念及穩(wěn)定性

12、條件。l 18841884年：年：E. J. RouthE. J. Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據。提出勞斯穩(wěn)定性判據。l 18921892年：年：A. M. LyapunovA. M. Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定提出李雅普諾夫穩(wěn)定 性理論。性理論。調速器調速器19l 1895 1895年：年：A. HurwifzA. Hurwifz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據。提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據。l 1932 1932年：年：H. NyquistH. Nyquist提出奈奎斯特穩(wěn)定性判據。提出奈奎斯特穩(wěn)定性判據。l 1945 1945年：年：H. W. BodeH. W. Bode提出反饋放大器的一般設

13、計方法。提出反饋放大器的一般設計方法。l 1948 1948年：年：N. WienerN. Wiener發(fā)表發(fā)表控制論控制論，標志經典控制，標志經典控制理論基本形成；經典控制理論以傳遞函數為基礎，主要理論基本形成；經典控制理論以傳遞函數為基礎，主要研究單輸入研究單輸入單輸出（單輸出（SISOSISO）系統(tǒng)的分析和控制問題；）系統(tǒng)的分析和控制問題； l 1950 1950年：年：W. R. EvansW. R. Evans提出根軌跡法，進一步充實了經提出根軌跡法，進一步充實了經典控制論；典控制論；20l 19541954年：錢學森發(fā)表年：錢學森發(fā)表工程控制論工程控制論； l 5050年代末年代末

14、6060年代初：年代初：現代控制理論形成現代控制理論形成；現代控制理；現代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎，主要分析和研究多輸入論以狀態(tài)空間法為基礎，主要分析和研究多輸入- -多輸出多輸出( MIMO )( MIMO )、時變、非線性等系統(tǒng)的最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、時變、非線性等系統(tǒng)的最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識、自適應控制、智能控制等問題；控制理論研系統(tǒng)辨識、自適應控制、智能控制等問題；控制理論研究的重點開始由頻域移到從本質上說是時域的狀態(tài)空間究的重點開始由頻域移到從本質上說是時域的狀態(tài)空間方法。方法。 21l 19561956年：蓬特里亞金（年：蓬特里亞金（PontryaginPontryagin）

15、提出極大值原理）提出極大值原理l 19571957年：年：R. I. BellmanR. I. Bellman提出動態(tài)規(guī)劃理論提出動態(tài)規(guī)劃理論 l 19601960年：年：R. E. KalmanR. E. Kalman提出卡爾曼濾波理論提出卡爾曼濾波理論l 1960196019801980年：確定性系統(tǒng)的最優(yōu)控制、隨機系統(tǒng)的年：確定性系統(tǒng)的最優(yōu)控制、隨機系統(tǒng)的最優(yōu)控制、復雜系統(tǒng)的自適應和自學習控制最優(yōu)控制、復雜系統(tǒng)的自適應和自學習控制l 19801980迄今：魯棒控制、迄今：魯棒控制、H H 控制、非線性控制、智能控控制、非線性控制、智能控制、模糊控制等制、模糊控制等22從從18681868

16、年麥克斯威爾（年麥克斯威爾（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）提出）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據至今一百多年里，自低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據至今一百多年里，自動控制理論的發(fā)展可分為動控制理論的發(fā)展可分為三個主要階段：三個主要階段：第一階段：第一階段：經典控制理論（或古典控制理論）的產生、發(fā)經典控制理論（或古典控制理論）的產生、發(fā)展和成熟；展和成熟；第二階段：第二階段：現代控制理論的興起和發(fā)展；現代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展及智能控制發(fā)展階段。大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展及智能控制發(fā)展階段。23 1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念 控制控制: 對對象施加某種操作，使其產生所

17、期望的行為。對對象施加某種操作，使其產生所期望的行為。自動控制自動控制: 在沒有人直接參與的情況下，利用外在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使加的設備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（通稱被控對象）的某個機器、設備或生產過程（通稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數（即被控量）自動地按照預定的工作狀態(tài)或參數（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。規(guī)律運行。例例.典型控制系統(tǒng)：數控機床、機車、船舶及飛機自動駕駛、導彈典型控制系統(tǒng)：數控機床、機車、船舶及飛機自動駕駛、導彈制導等。制導等。一、自動控制一、自動控制24例例. .控制實例控制實例- -

18、液面控制液面控制人工控制人工控制自動控制自動控制25二、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成二、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成加熱電阻絲加熱電阻絲220V220V調壓器調壓器人工控制的恒溫箱人工控制的恒溫箱 溫度計溫度計例：例：26人工控制恒溫箱調節(jié)過程工控制恒溫箱調節(jié)過程： 觀測恒溫箱內的溫度（被控制量）；觀測恒溫箱內的溫度（被控制量）； 與要求的溫度（給定值）進行比較，得到溫度偏差的與要求的溫度（給定值）進行比較，得到溫度偏差的大小和方向；大小和方向； 根據偏差大小和方向調節(jié)調壓器，控制加熱電阻絲的根據偏差大小和方向調節(jié)調壓器，控制加熱電阻絲的電流以調節(jié)溫度回復到要求值電流以調節(jié)溫度回復到要求值。27人

19、工控制過程的實質：人工控制過程的實質：檢測偏差再糾正偏差檢測偏差再糾正偏差。大腦大腦手手調壓器調壓器恒溫箱恒溫箱眼睛眼睛實際實際溫度溫度期望期望溫度溫度人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖溫度計溫度計28加熱電阻絲加熱電阻絲220V220V調壓器調壓器熱電偶熱電偶給定信號給定信號比較比較電壓電壓放大器放大器功率功率放大器放大器執(zhí)行執(zhí)行電動機電動機減速器減速器u u2 2u u1 1+ + u u恒溫箱自動控制系統(tǒng)恒溫箱自動控制系統(tǒng)例：例：29恒溫箱自動控制系統(tǒng)工作原理：恒溫箱自動控制系統(tǒng)工作原理：恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓u u

20、2 2；恒溫箱期望溫度由電壓恒溫箱期望溫度由電壓u u1 1給定，并與實際溫度給定，并與實際溫度u u2 2比較得到溫比較得到溫度偏差信號度偏差信號 u uu u1 1 u u2 2；溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動執(zhí)行電動機，并溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差此時，偏差 u u0 0，電機停止轉動。，電機停止轉動。30給定給定信號信號電

21、壓電壓功率功率放大器放大器控制控制電機電機減減速速器器調調壓壓器器恒溫箱恒溫箱( (控制控制對象對象) )熱電偶熱電偶u u1 1u u2 2 u uu ua an nv vu u溫度溫度t t( (被控量被控量) )擾動擾動恒溫箱自動控制系統(tǒng)功能框圖恒溫箱自動控制系統(tǒng)功能框圖31 輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統(tǒng)的輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進行比較，產生輸入端，使之與輸入量進行比較，產生偏差偏差（給定信號（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。與返回的輸出信號之差）信號。 輸出量的返回過程稱為輸出量的返回過程稱為反饋反饋。返回的全部或部分輸出。返

22、回的全部或部分輸出信號稱為信號稱為反饋信號反饋信號。從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見： 給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量系統(tǒng)輸入量。 也稱為也稱為參考輸入量參考輸入量（信號信號）。）。 被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量。32反饋分類n外反饋：外反饋：相對于被控對象而言，由附加的反饋控制裝置引起的信息交換。n內反饋內反饋：系統(tǒng)內部的信息交互； 反映系統(tǒng)內部元素之間互為因果的關系， 反映系統(tǒng)的動態(tài)特性n負反饋：負反饋：輸出（被控量）偏離設定值（目標值）時，反饋作用使輸出偏離程度減小，并力圖達到

23、設定值。33綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理：綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理：檢測輸出量（被控制量）的實際值；檢測輸出量（被控制量）的實際值；將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比 較得出偏差；較得出偏差； 用偏差值產生控制調節(jié)作用去消除偏差，使得用偏差值產生控制調節(jié)作用去消除偏差，使得 輸出量維持期望的輸出。輸出量維持期望的輸出。 顯然，自動控制系統(tǒng)控制方式是顯然，自動控制系統(tǒng)控制方式是“檢測偏差再糾正偏差檢測偏差再糾正偏差”。這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進行比較，這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間既定關系的系

24、統(tǒng)。稱為并力圖保持兩者之間既定關系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備反饋控制系統(tǒng)具備測量測量、比較比較和和執(zhí)行執(zhí)行三個基本功能。三個基本功能。341.2.1研究對象與任務研究對象與任務 控制論控制論+工程技術工程技術工程控制論工程控制論 控制論控制論+機械工程機械工程機械工程控制機械工程控制 研究對象研究對象：研究：研究廣義系統(tǒng)廣義系統(tǒng)在一定在一定外界條件外界條件下，從系統(tǒng)下，從系統(tǒng)初始狀態(tài)初始狀態(tài)出發(fā)所經歷的由其內部出發(fā)所經歷的由其內部固有特性固有特性所決定的整個所決定的整個動態(tài)歷程。動態(tài)歷程。（1） 廣義系統(tǒng)廣義系統(tǒng): (a )可大可小，可繁可簡，可虛可實。可大可小，可

25、繁可簡，可虛可實。 （b）一般可建立數學模型：微分方程、傳遞函數、頻率響）一般可建立數學模型：微分方程、傳遞函數、頻率響應函數等應函數等 （c）系統(tǒng)具有固有特性，由結構和參數決定）系統(tǒng)具有固有特性，由結構和參數決定 （2）外界條件外界條件：指對系統(tǒng)的輸入（激勵）：指對系統(tǒng)的輸入（激勵） 包括人為激勵、控制輸入、干擾輸入等包括人為激勵、控制輸入、干擾輸入等351.2.1研究對象與任務研究對象與任務分析系統(tǒng)，就是分析分析系統(tǒng)，就是分析x(t)、g(t)、y(t)三者關系（動態(tài)歷程）三者關系（動態(tài)歷程）（3）初始條件初始條件：系統(tǒng)在：系統(tǒng)在x(0-)時的狀態(tài)。時的狀態(tài)。 x(0-）視為一種特殊）視為

26、一種特殊的輸入。的輸入。（4）動態(tài)歷程動態(tài)歷程：即系統(tǒng)的輸出：即系統(tǒng)的輸出y(t)隨隨t而變化的過程，而變化的過程， 或系統(tǒng)從一種穩(wěn)態(tài)到另一穩(wěn)態(tài)之間所經歷的過程?；蛳到y(tǒng)從一種穩(wěn)態(tài)到另一穩(wěn)態(tài)之間所經歷的過程。 動態(tài)特性動態(tài)特性：系統(tǒng)在過渡過程中，輸出響應的：系統(tǒng)在過渡過程中，輸出響應的快速性快速性和和平穩(wěn)性平穩(wěn)性 靜態(tài)特性靜態(tài)特性：過渡過程結束后，系統(tǒng)工作的：過渡過程結束后，系統(tǒng)工作的準確性準確性（穩(wěn)態(tài)誤差）（穩(wěn)態(tài)誤差）36控制系統(tǒng)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程控制系統(tǒng)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程371.2.1研究對象與任務研究對象與任務（5）系統(tǒng)）系統(tǒng)研究類型研究類型： （a） h(t)已定，已定， x(t)已知，求出已知

27、，求出y(t)，通過，通過y(t)研究系研究系統(tǒng)本身問題統(tǒng)本身問題系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析 （b) h(t)已定，已定， 確定確定x(t)，使，使y(t)符合給定最佳要求符合給定最佳要求 最優(yōu)控制最優(yōu)控制 （c） x(t)已知，確定已知，確定h(t)，使，使y(t)符合給定最佳要求符合給定最佳要求 最優(yōu)設計最優(yōu)設計 （d） x(t)已知，確定已知，確定h(t)，以識別，以識別x(t)的有關信息的有關信息 濾波與預測濾波與預測 （e） x(t) 、y(t)已知，確定已知，確定h(t)的結構與參數（即建立的結構與參數（即建立數學模型）數學模型）系統(tǒng)識別或辯識系統(tǒng)識別或辯識381.2.2系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)及其

28、模型n系統(tǒng)：由相互聯系、相互作用的若干部分構成，具有一定的目的或運動規(guī)律的一個整體。n系統(tǒng)與元件區(qū)別 ky(t)f(t)mmy(t)ky(t)f(t)391.2.2系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)及其模型n機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)：以實現一定的機械運動、承受一定的機械載荷為目的，有機械元件組成的系統(tǒng)激勵激勵響應響應控制：人為的有意識地加上去的激勵擾動：偶然的產生而無法完全人為控制的激勵401.2.2系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)及其模型n模型（數學模型）：模型（數學模型）：是指用數學方法所描述的抽象的理論模型，用來表達系統(tǒng)內部各部分之間，或系統(tǒng)與外界環(huán)境之間的關系。n靜態(tài)模型：靜態(tài)模型：反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統(tǒng)平

29、衡狀態(tài)下的特性 現時輸入 現時輸出 代數公式描述代數公式描述n動態(tài)模型：動態(tài)模型：系統(tǒng)在迅變載荷或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性。 輸入及之前的時間歷程 輸出 微分方程微分方程411.2.31.2.3系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求1 1、開環(huán)控制與閉環(huán)控制、開環(huán)控制與閉環(huán)控制實際的控制系統(tǒng)根據有無反饋作用可分為：實際的控制系統(tǒng)根據有無反饋作用可分為： 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)42 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)特點特點：系統(tǒng)僅受輸入量和擾動量控制；輸出端和輸入端之間不存在系統(tǒng)僅受輸入量和擾動量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個控

30、制過程中對系統(tǒng)控制不產生任何影響。反饋回路；輸出量在整個控制過程中對系統(tǒng)控制不產生任何影響。 優(yōu)點優(yōu)點：簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數值比簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度?？刂破骺刂破鲗ο蠡蜻^程對象或過程輸入量輸入量輸出量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)框圖開環(huán)控制系統(tǒng)框圖缺點缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力。：精度通常較低、無自動糾偏能力。43 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)特點特點：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程有輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過

31、程有直接影響。閉環(huán)的作用：應用反饋，減少偏差。直接影響。閉環(huán)的作用：應用反饋，減少偏差。 優(yōu)點優(yōu)點：精度高，對外部擾動和系統(tǒng)參數變化不敏感。精度高，對外部擾動和系統(tǒng)參數變化不敏感。 控制器控制器對象或過程對象或過程輸入量輸入量輸出量輸出量測量元件測量元件閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量反饋量缺點缺點：存在穩(wěn)定、振蕩、超調等問題，系統(tǒng)性能分析和設計存在穩(wěn)定、振蕩、超調等問題，系統(tǒng)性能分析和設計麻煩。麻煩。 44閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成給定給定元件元件 +串聯校正串聯校正元件元件放大變換放大變換元件元件執(zhí)行執(zhí)行元件元件控制控制對象對象_ +_并聯校正并聯校正元件元件局部局部反饋反

32、饋反饋元件反饋元件主反主反饋饋控制部分控制部分比較比較元件元件比較比較元件元件輸入信號輸入信號 x xi i偏差信號偏差信號 e e主反饋信號主反饋信號 x xb b擾動信號擾動信號輸出輸出 x xo o閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成45 反饋元件反饋元件 測量被控制量（輸出量），產生反饋信號。測量被控制量（輸出量），產生反饋信號。 為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。 比較元件比較元件 對給定信號和反饋信號進行比較，產生偏差對給定信號和反饋信號進行比較，產生偏差信號；信號； 放大元件放大元件 對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅對偏差信號進行放大，使之

33、有足夠的能量驅動執(zhí)行元件實現控制功能。動執(zhí)行元件實現控制功能。 給定元件給定元件 產生給定信號或輸入信號。產生給定信號或輸入信號。 執(zhí)行元件執(zhí)行元件 直接對受控對象進行操縱的元件；如電動機、直接對受控對象進行操縱的元件；如電動機、液壓馬達等；液壓馬達等； 校正元件校正元件 用以改善系統(tǒng)控制質量的裝置。用以改善系統(tǒng)控制質量的裝置。462、按數學模型分類（線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)）、按數學模型分類（線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)） 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)由線性元件組成，輸入輸出間具有疊由線性元件組成，輸入輸出間具有疊加性和均勻性性質，以線性微分方程加性和均勻性性質，以線性微分方程來表述。來表述。 非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)

34、系統(tǒng)中有非線性元件，輸入系統(tǒng)中有非線性元件，輸入輸出間不具有疊加性和均勻輸出間不具有疊加性和均勻性性質。用非線性微分方程性性質。用非線性微分方程來表述。來表述。47 定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)3、按時間概念分、按時間概念分定常系統(tǒng)：系統(tǒng)中所有參數都不隨時間變化時變系統(tǒng)：484 4、按給定量的運動規(guī)律分、按給定量的運動規(guī)律分 恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿帐潜ＷC在任何擾動作用系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿帐潜ＷC在任何擾動作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。下系統(tǒng)的輸出量為恒值。 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 輸入量的變化規(guī)律預先確知，輸入裝置根據輸入的變化輸入量的變化規(guī)律預先確

35、知，輸入裝置根據輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運動。如數控加工系統(tǒng)。動。如數控加工系統(tǒng)。 隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)） 輸入量的變化規(guī)律不能預先確知，其控制要求是輸出量輸入量的變化規(guī)律不能預先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準確地復現輸入信號的變化規(guī)律。影響，準確地復現輸入信號的變化規(guī)律。495、按系統(tǒng)中傳遞信號的性質分類按系統(tǒng)中傳遞信號的性質分類 連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中各部分傳遞的信號為隨

36、時間連續(xù)變化的信號。連系統(tǒng)中各部分傳遞的信號為隨時間連續(xù)變化的信號。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。 離散（數字）控制系統(tǒng)離散（數字）控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數字量傳遞系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。 506 6、其它分類系統(tǒng)、其它分類系統(tǒng) 機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)51系統(tǒng)中的系統(tǒng)中的量量 1、 輸出量（被控量、被控參量）輸出

37、量（被控量、被控參量）x0：最終控制的目標值。：最終控制的目標值。 2、控制量（給定量）控制量（給定量）xi：根據設計要求與輸出量相適應的：根據設計要求與輸出量相適應的預先給定信號。預先給定信號。 3、干擾量（擾動量）：引起輸出變化的各種外部和內部條干擾量（擾動量）：引起輸出變化的各種外部和內部條件，屬于一種偶然的無法人為控制的隨機輸入信號。件，屬于一種偶然的無法人為控制的隨機輸入信號。 4、 輸入量：控制量與干擾量的總稱，一般多指控制量。輸入量：控制量與干擾量的總稱，一般多指控制量。 5、 反饋量：由輸出端引回到輸入端的量。反饋量：由輸出端引回到輸入端的量。 6、 偏差量：控制量與反饋量之差

38、。偏差量：控制量與反饋量之差。 7、 誤差量：實際輸出量與希望輸出量之差值。誤差量：實際輸出量與希望輸出量之差值。 e (t)=x0 (t)x0*(t)521.2.5對控制系統(tǒng)的基本要求（1）穩(wěn)定性 穩(wěn)定性就是指系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復平衡狀態(tài)的能力。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應隨著時間收斂并且回到初始的平衡狀態(tài)。 穩(wěn)定性是系統(tǒng)工作的首要條件。 穩(wěn)穩(wěn) 準準 快快53（2）快速性 這是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的。指當系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產生偏差時，消除這種偏差過程的快速程度。（3）準確性 指調整過程結束后，輸出量與給定的輸入量之間的偏差，即靜態(tài)精度（穩(wěn)態(tài)精度），這也是衡量系統(tǒng)工作性能的重

39、要指標。1.2.5對控制系統(tǒng)的基本要求54注意：注意： 不同性質的控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定性、精確性和快不同性質的控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定性、精確性和快 速性要求各有側重。速性要求各有側重。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應 根據實際需求合理選擇。根據實際需求合理選擇。55 1.3 本課程的特點和學習方法一、本課程的主要內容和特點一、本課程的主要內容和特點1 1、主要內容、主要內容 介紹經典控制理論的基礎知識，包括：介紹經典控制理論的基礎知識，包括： 控制系統(tǒng)數學模型的建立控制系統(tǒng)數學模型的建立 控制系統(tǒng)的時域分析控制系統(tǒng)的時域分析 控制系統(tǒng)的頻域分析控制系統(tǒng)的

40、頻域分析 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 控制系統(tǒng)的設計和校正控制系統(tǒng)的設計和校正562 2、課程特點、課程特點 內容豐富，理論性較強內容豐富，理論性較強 基礎知識要求高，技術更新快基礎知識要求高，技術更新快 緊密聯系實際，研究帶有普遍性緊密聯系實際，研究帶有普遍性57二、本課程的學習方法二、本課程的學習方法 思考問題，提出問題，解決問題思考問題，提出問題，解決問題 重視抽象思維與實際結合重視抽象思維與實際結合 重視習題，獨立完成作業(yè)重視習題，獨立完成作業(yè)58例例1.11.1設電熱水器如下圖所示。為了保持希望的溫度，由溫控開設電熱水器如下圖所示。為了保持希望的溫度，由溫控開關接通或斷開電加熱器的電源。在使用熱水時