河北工業(yè)大學(xué)控制工程課件

控制工程基礎(chǔ)主講：高鐵紅機(jī)械學(xué)院機(jī)械系控制工程基礎(chǔ)主講：高鐵紅1控制工程基礎(chǔ)(自編教材）

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材第一章緒論第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

第三章頻率特性第四章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析第五章

控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)誤差分析第六章控制系統(tǒng)的根軌跡分析第七章控制系統(tǒng)的綜合與校正第八章離散控制系統(tǒng)分析與校正控制工程基礎(chǔ)(自編教材）

普通高等教育“十一五”國(guó)2第一節(jié)概述第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本概念第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型第四節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求第五節(jié)

循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)示例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)第一章緒論第一節(jié)概述第一章緒論3第一節(jié)概述一、控制工程研究的主要內(nèi)容二、控制理論的發(fā)展三、控制理論在工程中的應(yīng)用四、控制理論的學(xué)習(xí)方法第一節(jié)概述一、控制工程研究的主要內(nèi)容4一、控制工程研究的主要內(nèi)容控制工程主要研究有關(guān)自動(dòng)控制和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論及其在工程中的應(yīng)用。它是一門(mén)新興技術(shù)科學(xué)，也是一門(mén)邊緣科學(xué)，它的理論基礎(chǔ)是控制理論。具體的講研究用控制理論的基本原理解決電氣、機(jī)械、測(cè)控、化工等一切工程系統(tǒng)中的控制技術(shù)問(wèn)題。（圖1-1）一、控制工程研究的主要內(nèi)容控制工程主要研究有關(guān)自動(dòng)控制和系統(tǒng)5離心調(diào)速器原理示意圖(圖1-1)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速離心調(diào)速器原理示意圖(圖1-1)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速6M輸入：驅(qū)動(dòng)力輸出：小車(chē)位移，擺桿角度問(wèn)題：如何使系統(tǒng)穩(wěn)定？如何通過(guò)控制使系統(tǒng)綜合性能達(dá)到期望值？如何通過(guò)控制使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)控制性能指標(biāo)？單倒立擺M輸入：驅(qū)動(dòng)力單倒立擺7輸入：各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩、角度、角速度等輸出：末端位置、各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)臂的位置、速度、加速度等問(wèn)題：如何使系統(tǒng)穩(wěn)定？如何通過(guò)控制使系統(tǒng)綜合性能達(dá)到期望值？如何通過(guò)控制使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)控制性能指標(biāo)？Robot機(jī)器人密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型輸入：各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩、角度、角速度等Robot機(jī)器人密8工程控制理論的實(shí)質(zhì)工程控制論實(shí)質(zhì)上是研究工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題．具體地說(shuō)，它研究的是工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)在一定的外界條件(即輸入或激勵(lì)，包括外加控制與外加干擾)作用下，從系統(tǒng)的一定的初始狀態(tài)出發(fā)，所經(jīng)歷的由其內(nèi)部的固有特性(即由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的特性)決定的系統(tǒng)整個(gè)動(dòng)態(tài)歷程；研究這一系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系．

系統(tǒng)輸入輸出工程控制理論的實(shí)質(zhì)工程控制論實(shí)質(zhì)上是研究工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的9學(xué)習(xí)控制工程基礎(chǔ)要解決的兩個(gè)問(wèn)題

一是如何分析某個(gè)給定控制系統(tǒng)的工作原理、穩(wěn)定性和過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)；二是如何根據(jù)實(shí)際需要來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并用機(jī)、電、液、光等設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)。前者主要是分析系統(tǒng)，后者是綜合與設(shè)計(jì)，無(wú)論解決哪類(lèi)問(wèn)題，都必須具有豐富的控制理論知識(shí)。學(xué)習(xí)控制工程基礎(chǔ)要解決的兩個(gè)問(wèn)題一是如何分析某個(gè)給定控制系10二、控制理論的發(fā)展1、控制理論的產(chǎn)生可以追朔到1788年瓦特(J.Watt)為控制蒸汽機(jī)速度而發(fā)明的蒸汽機(jī)離心調(diào)速器，其原理示意圖如圖1-1所示。2、1868年，英國(guó)物理學(xué)家馬克斯威爾（J.C.Maxwell）發(fā)表了第一篇關(guān)于“論調(diào)速器”的文章，首先提出了“反饋控制”的概念。1884年和1895年,勞斯（E.J.Routh）和霍爾維茨(A.Hurwitz)把麥克斯威爾的理論擴(kuò)展到用高階微分方程描述的更為復(fù)雜的系統(tǒng)，并分別提出了兩種著名的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）研制出電子管振蕩器，同時(shí)提出了著名的Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)。

二、控制理論的發(fā)展1、控制理論的產(chǎn)生可以追朔到1788年瓦特11二、控制理論的發(fā)展3、1948年美國(guó)數(shù)學(xué)家維納（N.Wiener）出版了著名的《控制論—關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》一書(shū)，他揭示了無(wú)論機(jī)器系統(tǒng)、生命系統(tǒng)甚至社會(huì)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，都存在一個(gè)共同本質(zhì)的特點(diǎn)，它們都是通過(guò)信息的傳遞、處理與反饋這三個(gè)要素來(lái)進(jìn)行控制，這就是控制論的中心思想。1950年伊萬(wàn)斯（W.R.Evans）提出的根軌跡法提供了尋找特征方程根的比較簡(jiǎn)易的圖解方法，至此，形成了完整的經(jīng)典控制理論。二、控制理論的發(fā)展3、1948年美國(guó)數(shù)學(xué)家維納（N.Wien12二、控制理論的發(fā)展4、我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森從控制論這一總題目中，把已被當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)和工程實(shí)踐所證明的部分分離出來(lái)，創(chuàng)立了“工程控制論”，并于1954年出版了《工程控制論》這一名著，這對(duì)控制理論的發(fā)展與應(yīng)用起到了很大的推動(dòng)作用。二、控制理論的發(fā)展4、我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森從控制論這一總題目13二、控制理論的發(fā)展5、50年代末與60年代初，一方面由于工業(yè)生產(chǎn)、火箭和空間技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多變量、非線(xiàn)性和時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求；另一方面由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，半導(dǎo)體和電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，各種傳感器和自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使控制理論發(fā)展到了一個(gè)新階段，從而產(chǎn)生了現(xiàn)代控制理論。隨著科技進(jìn)步特別是計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，控制論無(wú)論是在三要素的內(nèi)涵上，還是在其深度與廣度上都在發(fā)展變化著，對(duì)促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響.二、控制理論的發(fā)展5、50年代末與60年代初，一方面由于工業(yè)14控制理論發(fā)展幾個(gè)階段

1940——1950經(jīng)典控制理論發(fā)展階段研究對(duì)象：?jiǎn)螜C(jī)自動(dòng)化，解決單輸入單輸出（SISO-SingleInputSingleOutput）線(xiàn)性定常系統(tǒng)的控制問(wèn)題；主要數(shù)學(xué)工具：微分方程、拉普拉斯變換數(shù)學(xué)模型：傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）主要研究方法：時(shí)域法、頻域法和根軌跡法；主要解決問(wèn)題：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性。

控制理論發(fā)展幾個(gè)階段1940——1950經(jīng)典控制理論發(fā)15控制理論發(fā)展幾個(gè)階段1960——1970現(xiàn)代控制理論發(fā)展階段研究對(duì)象：機(jī)組自動(dòng)化和各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的多輸入多輸出（MIMO-Multi-InputMulti-Output）系統(tǒng)的控制問(wèn)題；數(shù)學(xué)工具：線(xiàn)性代數(shù)、矩陣論數(shù)學(xué)模型：狀態(tài)空間法(可以描述內(nèi)部行為）主要研究方法：變分法、極大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論等；重點(diǎn)解決問(wèn)題:最優(yōu)控制、隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制；最優(yōu)估計(jì)和濾波

核心控制裝置是電子計(jì)算機(jī)；控制策略是建立在已知系統(tǒng)的基礎(chǔ)上的控制理論發(fā)展幾個(gè)階段1960——1970現(xiàn)代控制理論發(fā)展16控制理論發(fā)展幾個(gè)階段1970——1980以后智能控制理論發(fā)展時(shí)期

智能自動(dòng)化智能系統(tǒng)能夠模仿人腦，在沒(méi)有人的干預(yù)下，能夠進(jìn)行自我調(diào)節(jié)、自我學(xué)習(xí)和自我組織，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化，并作出相應(yīng)的決策和控制。采用的方法：自動(dòng)控制理論、專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)籌學(xué)等研究?jī)?nèi)容包括：最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、控制等等。

控制理論發(fā)展幾個(gè)階段1970——1980以后智能控制17三、控制理論在工程中的應(yīng)用1、軍事（飛機(jī)方向控制、火炮控制、軍艦航行控制等）2、數(shù)控機(jī)床、加工中心3、機(jī)器人4、機(jī)電一體化系統(tǒng)(打印機(jī)、掃描儀、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、倒立擺等）5、動(dòng)態(tài)測(cè)試6、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力性能分析7、液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析8、生產(chǎn)過(guò)程控制三、控制理論在工程中的應(yīng)用1、軍事（飛機(jī)方向控制、火炮控制、18飛機(jī)俯仰角控制系統(tǒng)飛機(jī)俯仰角控制系統(tǒng)19三、控制理論在工程中的應(yīng)用三、控制理論在工程中的應(yīng)用20三、控制理論在工程中的應(yīng)用三、控制理論在工程中的應(yīng)用21河北工業(yè)大學(xué)控制工程課件22密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型香港理工AGV模型密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型香港理工AGV模型23

倒立擺控制系統(tǒng)倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)典型的高階次、多變量、嚴(yán)重不穩(wěn)定和強(qiáng)耦合的非線(xiàn)性系統(tǒng)。由于它的行為與火箭飛行以及兩足機(jī)器人行走等有很大的相似性,因而對(duì)其研究具有重大的理論和實(shí)踐意義。

AutomaticControl

自動(dòng)控制倒立擺控制系統(tǒng)倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)典24四、控制理論特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法本課程特點(diǎn)：（1）比較抽象（2）起點(diǎn)高（3）系統(tǒng)性強(qiáng)學(xué)習(xí)本門(mén)課程應(yīng)以新的視角分析和考慮問(wèn)題。學(xué)習(xí)本門(mén)課程要能以系統(tǒng)的而不是孤立的、動(dòng)態(tài)的而不是靜態(tài)的觀點(diǎn)和方法來(lái)思考和解決問(wèn)題。掌握控制理論的基本概念、基本理論和基本方法并注意結(jié)合實(shí)際，為解決工程中的控制問(wèn)題打下基礎(chǔ)。四、控制理論特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法本課程特點(diǎn)：25五、本課程參考書(shū)楊叔子主編《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》華中理工大學(xué)出版社朱驥北主編《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》機(jī)械工業(yè)出版社胡壽松主編《自動(dòng)控制原理》科學(xué)出版社緒方勝?gòu)┲⒈R伯英等譯《現(xiàn)代控制工程》科學(xué)出版社董景新、趙長(zhǎng)德編著《控制工程基礎(chǔ)》清華大學(xué)出版社王積偉等編著

《控制工程基礎(chǔ)》高等教育出版社五、本課程參考書(shū)楊叔子主編《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》華26本課程教學(xué)安排本課程總學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)課堂教學(xué)學(xué)時(shí)：42學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)：6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)分配(含實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)）：第一章緒論6學(xué)時(shí)

(含2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型8學(xué)時(shí)

第三章頻率特性10學(xué)時(shí)

(含2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）第四章系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析6學(xué)時(shí)

第五章時(shí)間響應(yīng)及誤差分析6學(xué)時(shí)

(含2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）第六章控制系統(tǒng)的根軌跡分析

4學(xué)時(shí)第六章控制系統(tǒng)的綜合與校正

4學(xué)時(shí)

第七章離散控制系統(tǒng)分析與校正2學(xué)時(shí)

總結(jié)復(fù)習(xí)2學(xué)時(shí)

考試形式：考試一本課程教學(xué)安排本課程總學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)27課程學(xué)習(xí)要求按時(shí)上課，認(rèn)真聽(tīng)講親筆手書(shū)，完成作業(yè)參與實(shí)驗(yàn)，撰寫(xiě)報(bào)告閉卷考試，成績(jī)疊加課程學(xué)習(xí)要求按時(shí)上課，認(rèn)真聽(tīng)講28第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本概念一、控制系統(tǒng)的基本工作原理二、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和復(fù)合控制系統(tǒng)三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本概念一、控制系統(tǒng)的基本工作原理29一、控制系統(tǒng)的基本工作原理系統(tǒng)：是由相互制約的各個(gè)部分組成的具有一定功能的整體。自動(dòng)控制系統(tǒng)：能夠進(jìn)行自動(dòng)控制的一整套設(shè)備或裝置。通常由控制器（控制裝置）和被控對(duì)象兩大部分組成。被控對(duì)象是指系統(tǒng)中需要加以控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程；控制器是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象產(chǎn)生控制作用的設(shè)備的總體?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)就是使被控制對(duì)象的物理量按照預(yù)先給定的控制規(guī)律變化。一、控制系統(tǒng)的基本工作原理系統(tǒng)：是由相互制約的各個(gè)部分組成的30一、控制系統(tǒng)的基本工作原理請(qǐng)同學(xué)動(dòng)腦筋想一想身邊的自動(dòng)控制系統(tǒng)的例子。被控對(duì)象控制器一、控制系統(tǒng)的基本工作原理請(qǐng)同學(xué)動(dòng)腦筋想一想身邊的自動(dòng)控制系31一、控制系統(tǒng)的基本工作原理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)：1、提高生產(chǎn)率、降低能源消耗。2、減輕體力和腦力勞動(dòng)。3、生產(chǎn)安全、廢品少、產(chǎn)品質(zhì)量高。一、控制系統(tǒng)的基本工作原理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)：32溫度人工控制的恒溫箱（圖1-2）被控對(duì)象被控制量溫度人工控制的恒溫箱（圖1-2）被控對(duì)象被控制量33自動(dòng)控制的恒溫箱（圖1-3）自動(dòng)控制的恒溫箱（圖1-3）34實(shí)現(xiàn)控制的三個(gè)基本步驟不論采用人工控制還是自動(dòng)控制都具有以下的共同點(diǎn)：一是要檢測(cè)被控制量的實(shí)際值；二是被控制量的實(shí)際值要與給定值進(jìn)行比較得出偏差值；三是要用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用再去消除偏差。

總結(jié)：檢測(cè)偏差，消除偏差

實(shí)現(xiàn)控制的三個(gè)基本步驟不論采用人工控制還是自動(dòng)控制都具有以下35反饋控制原理反饋是指對(duì)系統(tǒng)的被控制量進(jìn)行測(cè)量，并加以處理（取其一部分或全部、或其函數(shù)等）后，再返回輸入端與系統(tǒng)的給定量進(jìn)行比較的過(guò)程。如果反饋量對(duì)給定量起增強(qiáng)作用，則稱(chēng)為正反饋；反之，如果反饋量對(duì)給定量起減弱作用，則稱(chēng)為負(fù)反饋。通常，控制系統(tǒng)采用負(fù)反饋。

基于負(fù)反饋基礎(chǔ)上的“檢測(cè)偏差并用以消除偏差”的控制原理，稱(chēng)為反饋控制原理。利用反饋控制原理組成的系統(tǒng)稱(chēng)為反饋控制系統(tǒng)。

反饋控制是自然界中一切物體控制的自身運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律之一，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而精確的控制；如人和動(dòng)物（為尋求目標(biāo)）的行走、汽車(chē)駕駛過(guò)程、導(dǎo)彈控制過(guò)程等。

反饋控制原理反饋是指對(duì)系統(tǒng)的被控制量進(jìn)行測(cè)量，并加36反饋負(fù)反饋正反饋。反饋控制原理。反饋控制系統(tǒng)。。

反饋37固有反饋（或內(nèi)在反饋）固有反饋是指沒(méi)有外加的檢測(cè)裝置，但是，變量與變量之間相互制約，構(gòu)成了閉合的因果關(guān)系。

例如:機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械加工系統(tǒng)、直流電機(jī)系統(tǒng)等。從控制理論的角度，它們都是一個(gè)反饋控制過(guò)程，因而都可以用控制理論加以解決。固有反饋（或內(nèi)在反饋）固有反饋是指沒(méi)有外加的檢測(cè)38職能方框圖把表示系統(tǒng)的組成、各元件作用關(guān)系及信號(hào)傳遞（或流通）關(guān)系的圖形稱(chēng)為職能方框圖。圖1-4恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)職能方框圖職能方框圖把表示系統(tǒng)的組成、各元件作用關(guān)系及信號(hào)39控制系統(tǒng)中常用的概念和術(shù)語(yǔ)的含義說(shuō)明

輸出量（或稱(chēng)輸出信號(hào)、被控制量）：是指控制系統(tǒng)中需要加以控制的物理量。系統(tǒng)的輸出量常用符號(hào)xo(t)表示。

輸入量（或稱(chēng)輸入信號(hào)、給定值、給定量）：是指輸入給控制系統(tǒng)用以控制輸出量變化規(guī)律的物理量它作用于系統(tǒng)輸入端，直接地或間接地表示系統(tǒng)輸出量的期望值（給定值）。系統(tǒng)的輸入量常用符號(hào)xi(t)表示.

擾動(dòng)量（或稱(chēng)擾動(dòng)信號(hào)）：指那些能使輸出量偏離預(yù)定要求（期望值）的意外干擾因素。

反饋量（或稱(chēng)反饋信號(hào)）：是指把輸出量取出并直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換以后送回到輸入端與輸入信號(hào)進(jìn)行比較的物理量。控制系統(tǒng)中常用的概念和術(shù)語(yǔ)的含義說(shuō)明輸出量（或40繪制方框圖舉例1：

繪制方框圖舉例1：41繪制方框圖舉例2：

繪制方框圖舉例2：42二、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和復(fù)合控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)按其有無(wú)反饋?zhàn)饔煤头答佔(zhàn)饔玫姆绞娇煞譃槿?lèi)：1、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)2、閉環(huán)控制系統(tǒng)3、復(fù)合控制系統(tǒng)二、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和復(fù)合控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)按其有無(wú)反饋?zhàn)饔煤头答佔(zhàn)?3開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量和輸入量之間沒(méi)有反饋?zhàn)饔?，輸出量?duì)系統(tǒng)的控制過(guò)程不發(fā)生影響時(shí)，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。如手表、交通燈控制、機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)等。圖1-5是數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng).開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量和輸入量之間沒(méi)有反饋?zhàn)饔茫敵隽?4數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)(圖1-5)數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)(圖1-5)45數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)(圖1-5)上例的控制過(guò)程為：（1）根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)定x方向位移；（2）把此數(shù)據(jù)輸入機(jī)床控制器中；在控制器中把工作臺(tái)行程換算成當(dāng)量脈沖，即總脈沖數(shù)=加工尺寸a/脈沖當(dāng)量。（3）按計(jì)算所得脈沖數(shù)（電壓信號(hào)）輸入給步進(jìn)電機(jī)。（4）步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角通過(guò)減速齒輪傳給絲杠。（5）絲杠輸出，通過(guò)螺母?jìng)鹘o工作臺(tái)，工作臺(tái)輸出直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)(圖1-5)上例的控制過(guò)程為：46

數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)職能方框圖控制器被控對(duì)象輸入量輸出量圖1-6開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的職能方框圖xoxi數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)職能方框圖控制器被控對(duì)象輸入47開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。2、動(dòng)作快，較穩(wěn)定。3、有了誤差無(wú)法自動(dòng)調(diào)整。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。48閉環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間具有反饋聯(lián)系，即輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制過(guò)程有直接影響，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)是按照反饋控制原理工作的，又稱(chēng)為反饋控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的信號(hào)傳遞路線(xiàn)構(gòu)成閉合回路（閉環(huán)）。前面介紹的離心調(diào)速器控制系統(tǒng)和恒溫箱溫度恒定自動(dòng)控制系統(tǒng)都是閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間具有反饋聯(lián)系，即輸出49數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給閉環(huán)控制系統(tǒng)（圖1-7）請(qǐng)同學(xué)自己繪制該閉環(huán)系統(tǒng)的職能方框圖。1—比較環(huán)節(jié)；2—放大器；3—編碼器；4—直流伺服電機(jī)；5—滾珠絲杠；6—工作臺(tái)；7—直線(xiàn)位移測(cè)量裝置；8—放大器數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給閉環(huán)控制系統(tǒng)（圖1-7）請(qǐng)同學(xué)自己繪50液壓伺服系統(tǒng)（圖1-10）輸出量：液壓缸缸體直線(xiàn)位移輸入量：伺服閥閥芯直線(xiàn)位移液壓伺服系統(tǒng)（圖1-10）輸出量：液壓缸缸體直線(xiàn)位移輸入量：51返回飛機(jī)俯仰角控制系統(tǒng)示意圖返回飛機(jī)俯仰角控制系統(tǒng)示意圖52給定電位器放大器舵機(jī)飛機(jī)

反饋電位器

垂直陀螺儀θiθ擾動(dòng)俯仰角控制系統(tǒng)方框圖飛機(jī)俯仰角控制系統(tǒng)方框圖給定電位器放大器舵機(jī)飛機(jī)反饋電位器垂直陀螺儀θiθ擾動(dòng)53GIP倒立擺本體(直線(xiàn))電機(jī)基座擺桿角編碼器同步帶帶輪小車(chē)限位開(kāi)關(guān)滑桿GIP直線(xiàn)倒立擺本體結(jié)構(gòu)如右圖所示，主要部件有：交流伺服電機(jī)，同步帶，增量式光電編碼器，小車(chē)，擺桿，滑桿，限位開(kāi)關(guān)等。運(yùn)動(dòng)過(guò)程：小車(chē)由電機(jī)通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)在滑桿上來(lái)回運(yùn)動(dòng)，保持?jǐn)[桿平衡。電機(jī)編碼器和角編碼器向運(yùn)動(dòng)卡反饋小車(chē)和擺桿位置（線(xiàn)位移和角位移）。倒立擺(直線(xiàn))本體圖GIP倒立擺本體(直線(xiàn))電機(jī)基座擺桿角編碼器同步帶帶輪小車(chē)54

系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服機(jī)構(gòu)、倒立擺本體和光電碼盤(pán)幾大部分，組成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。光電碼盤(pán)1將小車(chē)的位移、速度信號(hào)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制卡，下面一節(jié)擺桿（和小車(chē)相連）的角度、角速度信號(hào)由光電碼盤(pán)2反饋回控制卡和伺服驅(qū)動(dòng)器，上面一節(jié)擺桿的角度和角速度信號(hào)則由光電碼盤(pán)3反饋。計(jì)算機(jī)從運(yùn)動(dòng)控制卡中讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，確定控制決策（小車(chē)向哪個(gè)方向移動(dòng)、移動(dòng)速度、加速度等），并由運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)該控制決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)，保持兩節(jié)擺桿的平衡。系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服機(jī)構(gòu)、倒立擺55閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)1、可以自動(dòng)的糾正和補(bǔ)償輸出量誤差，提高控制精度。

2、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。3、參數(shù)選擇不適當(dāng)將會(huì)引起閉環(huán)控制系統(tǒng)振蕩，甚至不能工作。閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)1、可以自動(dòng)的糾正和補(bǔ)償輸出量誤差，提高控制56復(fù)合控制系統(tǒng)在輸出和輸入之間同時(shí)存在開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制的系統(tǒng)，稱(chēng)為復(fù)合控制系統(tǒng)。它實(shí)質(zhì)上是在閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用開(kāi)環(huán)通路提供一個(gè)補(bǔ)償?shù)妮斎胱饔茫鐖D1-9所示。復(fù)合控制系統(tǒng)在輸出和輸入之間同時(shí)存在開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制的系統(tǒng)57復(fù)合控制系統(tǒng)(圖1-9）這種系統(tǒng)兼有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，因而可大大提高系統(tǒng)的性能。圖1-9復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)(圖1-9）這種系統(tǒng)兼有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)58三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成輸入量xi輸出量xo主反饋局部反饋偏差信號(hào)e主反饋信號(hào)xb給定元件放大元件執(zhí)行元件反饋元件被控對(duì)象比較元件+-串聯(lián)校正元件+-并聯(lián)校正元件給定元件

反饋元件(檢測(cè)元件)比較元件

放大變換元件

執(zhí)行元件（驅(qū)動(dòng)元件）被控對(duì)象

校正元件（校正裝置）圖1-10典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的職能方框圖三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成輸入量xi輸出量xo主反饋局部反饋59給定元件用來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)或輸入信號(hào)（輸入量）的元件。例如數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的輸入裝置、恒溫箱控制系統(tǒng)的給定電位器就是給定元件。給定元件用來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)或輸入信號(hào)（輸入量）的元件。60反饋元件(檢測(cè)元件)用來(lái)測(cè)量（輸出量）被控制量的實(shí)際值，并經(jīng)過(guò)處理，轉(zhuǎn)換為與輸出量有一定函數(shù)關(guān)系的反饋量的元件。檢測(cè)元件大多是將非電量轉(zhuǎn)換為電量的元件。反饋元件(檢測(cè)元件)用來(lái)測(cè)量（輸出量）被控制量的實(shí)際值，并經(jīng)61它是用來(lái)對(duì)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)的元件。比較元件實(shí)際上是信號(hào)綜合環(huán)節(jié)（可以相減或相加），它往往不是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的物理元件，有時(shí)也叫比較環(huán)節(jié)。例如：離心調(diào)速器的套筒比較機(jī)構(gòu)、恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)中的比較電路等。比較元件它是用來(lái)對(duì)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)的元件。比62它是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大和功率放大的元件。如電壓、電流、功率放大器、晶閘管整流調(diào)壓裝置和電液伺服閥等。放大變換元件它是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大和功率放大的元件。放大變換元件63它接收放大變換元件發(fā)出的控制信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作，使輸出量按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。例如前述例子中的調(diào)壓器、直流電機(jī)等均為此類(lèi)元件。執(zhí)行元件（驅(qū)動(dòng)元件）它接收放大變換元件發(fā)出的控制信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作，使輸64它是控制系統(tǒng)需要進(jìn)行控制的裝置、設(shè)備或過(guò)程等。被控對(duì)象中要進(jìn)行控制的物理量或參數(shù)稱(chēng)為被控制量（輸出量）。例如前述例子中的蒸汽機(jī)、恒溫箱等均為被控對(duì)象

。被控對(duì)象（控制對(duì)象）它是控制系統(tǒng)需要進(jìn)行控制的裝置、設(shè)備或過(guò)程等。被控對(duì)象中要進(jìn)65它是為改善系統(tǒng)的性能而加入系統(tǒng)中的輔助元件（裝置），而不是閉環(huán)控制系統(tǒng)必須具有的元件（裝置）。串聯(lián)在系統(tǒng)前向通道內(nèi)的校正元件稱(chēng)為串聯(lián)校正裝置；接成反饋形式的校正元件稱(chēng)為并聯(lián)校正裝置。常用的電子調(diào)節(jié)器、測(cè)速發(fā)電機(jī)等均可作為此類(lèi)元件。校正元件（校正裝置）它是為改善系統(tǒng)的性能而加入系統(tǒng)中的輔助元件（裝置），而不是閉66第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型一、按輸入量輸出量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可分為三種；二、按系統(tǒng)傳遞信號(hào)性質(zhì)可分為兩種。第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型一、按輸入量輸出量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可分為67按輸入量輸出量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可分為三種恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)按輸入量輸出量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可分為三種恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)68恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）這類(lèi)系統(tǒng)的輸入量是一個(gè)不變的恒值，系統(tǒng)的基本任務(wù)是排除各種干擾因素的影響，使被控制量（輸出量）以一定精度等于系統(tǒng)的輸入量。例如蒸汽機(jī)離心調(diào)速器系統(tǒng)、恒溫箱溫度控制系統(tǒng)等。同學(xué)自己舉例恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）這類(lèi)系統(tǒng)的輸入量是一個(gè)不變的恒值69程序控制系統(tǒng)這類(lèi)系統(tǒng)的輸入量是變化的，且變化規(guī)律是預(yù)先確定了的已知的時(shí)間函數(shù)。系統(tǒng)的任務(wù)是使輸出量按預(yù)先給定的規(guī)律（程序）變化。例如，數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)、熱處理爐溫控制系統(tǒng)等都屬于此類(lèi)。程序控制系統(tǒng)這類(lèi)系統(tǒng)的輸入量是變化的，且變化規(guī)律是預(yù)先確定了70隨動(dòng)系統(tǒng)這類(lèi)系統(tǒng)的輸入量是變化規(guī)律預(yù)先不能確定的任意時(shí)間函數(shù)，系統(tǒng)的任務(wù)是保證輸出量以一定精度跟隨輸入量的變化，并能克服各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律，即輸入量是隨機(jī)的，而輸出量是隨動(dòng)的（隨動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域又稱(chēng)為伺服系統(tǒng)）。隨動(dòng)系統(tǒng)這類(lèi)系統(tǒng)的輸入量是變化規(guī)律預(yù)先不能確定的任意時(shí)間函數(shù)71河北工業(yè)大學(xué)控制工程課件72按系統(tǒng)傳遞信號(hào)性質(zhì)可分為兩種連續(xù)控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)按系統(tǒng)傳遞信號(hào)性質(zhì)可分為兩種連續(xù)控制系統(tǒng)73連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和各個(gè)部分所傳輸?shù)男盘?hào)都是連續(xù)變化的模擬量的系統(tǒng)稱(chēng)為連續(xù)控制系統(tǒng)。前述的離心調(diào)速器、恒溫箱溫度控制系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)等大多數(shù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)都屬于此類(lèi)。連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和各個(gè)部分所傳輸?shù)男盘?hào)都是連續(xù)變74離散控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或數(shù)處信號(hào)是以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞的系統(tǒng)稱(chēng)為離散控制系統(tǒng)。若用采樣開(kāi)關(guān)（采樣器）將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖形式的系統(tǒng)，稱(chēng)為脈沖控制系統(tǒng)；用模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并用數(shù)字控制器或數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和信號(hào)處理的系統(tǒng)，稱(chēng)為數(shù)字控制系統(tǒng)或稱(chēng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或數(shù)處信號(hào)是以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳75離散控制系統(tǒng)若用采樣開(kāi)關(guān)（采樣器）將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖形式的系統(tǒng)，稱(chēng)為脈沖控制系統(tǒng)；離散控制系統(tǒng)若用采樣開(kāi)關(guān)（采樣器）將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖形式的76離散控制系統(tǒng)用模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并用數(shù)字控制器或數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和信號(hào)處理的系統(tǒng)，稱(chēng)為數(shù)字控制系統(tǒng)或稱(chēng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)用模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并77離散控制系統(tǒng)離散系統(tǒng)在分析問(wèn)題的方法上與連續(xù)系統(tǒng)有明顯不同；連續(xù)系統(tǒng)用微分方程來(lái)描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可采用拉普拉斯變換方法研究系統(tǒng)的特性；而離散系統(tǒng)用差分方程來(lái)描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可采用Z變換方法研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。離散控制系統(tǒng)離散系統(tǒng)在分析問(wèn)題的方法上與連續(xù)系統(tǒng)有明顯不同；78第四節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求快速性穩(wěn)定性準(zhǔn)確性基本要求第四節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求快速性穩(wěn)定性準(zhǔn)確性基本要求79穩(wěn)定性控制系統(tǒng)能夠正常工作的首要條件是系統(tǒng)必須穩(wěn)定，這是對(duì)控制系統(tǒng)提出的最基本的要求。系統(tǒng)穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù)所決定。

穩(wěn)定性控制系統(tǒng)能夠正常工作的首要條件是系統(tǒng)必須穩(wěn)定，這是80穩(wěn)定性穩(wěn)定性81穩(wěn)定性如果在輸入量的作用下系統(tǒng)的輸出量能夠達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)或擾動(dòng)量去掉以后系統(tǒng)的輸出量能夠恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定性如果在輸入量的作用下系統(tǒng)的輸出量能夠達(dá)到一個(gè)新的平82穩(wěn)定系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)（圖1-11）穩(wěn)定系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)（圖1-11）83不穩(wěn)定系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)（圖1-11）不穩(wěn)定系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)（圖1-11）84不穩(wěn)定系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)（圖1-11）不穩(wěn)定系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)（圖1-11）85穩(wěn)定性系統(tǒng)穩(wěn)定性包括兩方面的含義：一是系統(tǒng)是穩(wěn)定的，這就是系統(tǒng)的絕對(duì)穩(wěn)定性，前面定義的穩(wěn)定性就是這個(gè)含義；二是系統(tǒng)穩(wěn)定性的程度，即相對(duì)穩(wěn)定性。穩(wěn)定性系統(tǒng)穩(wěn)定性包括兩方面的含義：一是系統(tǒng)是穩(wěn)86快速性控制系統(tǒng)的快速性是指當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量（或輸出量的期望值）之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快慢程度?？焖傩杂袃煞矫娴暮x：一是系統(tǒng)對(duì)輸入量的響應(yīng)速度，它表現(xiàn)為當(dāng)輸入量施加以后，系統(tǒng)輸出量跟隨輸入量變化的迅速程度；二是振蕩衰減的快慢程度，它表現(xiàn)為系統(tǒng)輸出量跟隨輸入量變化的瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程（過(guò)渡過(guò)程）結(jié)束的迅速程度。快速性控制系統(tǒng)的快速性是指當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量（87準(zhǔn)確性控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性是用系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)衡量的。穩(wěn)態(tài)誤差是指輸入量作用系統(tǒng)以后，當(dāng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)，輸出量的實(shí)際值與輸出量的期望值之間的差值。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)，其值越小，控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性越好，控制精度越高。準(zhǔn)確性控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性是用系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)衡量的。88第五節(jié)循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)示例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在本教材的各章節(jié)中將對(duì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)這個(gè)學(xué)習(xí)示例循序漸進(jìn)地加以討論。在本章中，主要介紹該學(xué)習(xí)示例的工作原理，繪制其職能方框圖。第五節(jié)循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)示例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在本教材的各章節(jié)89給定電位器圖1-12具有速度負(fù)反饋的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理示意圖運(yùn)算放大器及電路晶閘管觸發(fā)整流器直流電動(dòng)機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)給定圖1-12具有速度負(fù)反饋的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理示意圖90這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由給定元件——給定電位器，比較放大元件——運(yùn)算放大器及電路，功率放大元件——晶閘管觸發(fā)、整流器，被控對(duì)象——直流電動(dòng)機(jī)，反饋元件——測(cè)速發(fā)電機(jī)等組成，它的職能方框圖如圖1-13所示。這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由給定元件——給定電位器，比較放91小結(jié)不同的控制系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、準(zhǔn)、快這三方面的要求是有所側(cè)重的。對(duì)于同一個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快這三方面的要求是相互制約的。分析和解決控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，并解決它們之間的矛盾，正是本書(shū)所要討論的主要內(nèi)容。小結(jié)不同的控制系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、準(zhǔn)、快這三方面的要求92控制工程基礎(chǔ)主講：高鐵紅機(jī)械學(xué)院機(jī)械系控制工程基礎(chǔ)主講：高鐵紅93控制工程基礎(chǔ)(自編教材）

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材第一章緒論第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

第三章頻率特性第四章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析第五章

控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)誤差分析第六章控制系統(tǒng)的根軌跡分析第七章控制系統(tǒng)的綜合與校正第八章離散控制系統(tǒng)分析與校正控制工程基礎(chǔ)(自編教材）

普通高等教育“十一五”國(guó)94第一節(jié)概述第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本概念第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型第四節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求第五節(jié)

循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)示例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)第一章緒論第一節(jié)概述第一章緒論95第一節(jié)概述一、控制工程研究的主要內(nèi)容二、控制理論的發(fā)展三、控制理論在工程中的應(yīng)用四、控制理論的學(xué)習(xí)方法第一節(jié)概述一、控制工程研究的主要內(nèi)容96一、控制工程研究的主要內(nèi)容控制工程主要研究有關(guān)自動(dòng)控制和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論及其在工程中的應(yīng)用。它是一門(mén)新興技術(shù)科學(xué)，也是一門(mén)邊緣科學(xué)，它的理論基礎(chǔ)是控制理論。具體的講研究用控制理論的基本原理解決電氣、機(jī)械、測(cè)控、化工等一切工程系統(tǒng)中的控制技術(shù)問(wèn)題。（圖1-1）一、控制工程研究的主要內(nèi)容控制工程主要研究有關(guān)自動(dòng)控制和系統(tǒng)97離心調(diào)速器原理示意圖(圖1-1)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速離心調(diào)速器原理示意圖(圖1-1)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速98M輸入：驅(qū)動(dòng)力輸出：小車(chē)位移，擺桿角度問(wèn)題：如何使系統(tǒng)穩(wěn)定？如何通過(guò)控制使系統(tǒng)綜合性能達(dá)到期望值？如何通過(guò)控制使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)控制性能指標(biāo)？單倒立擺M輸入：驅(qū)動(dòng)力單倒立擺99輸入：各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩、角度、角速度等輸出：末端位置、各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)臂的位置、速度、加速度等問(wèn)題：如何使系統(tǒng)穩(wěn)定？如何通過(guò)控制使系統(tǒng)綜合性能達(dá)到期望值？如何通過(guò)控制使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)控制性能指標(biāo)？Robot機(jī)器人密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型輸入：各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩、角度、角速度等Robot機(jī)器人密100工程控制理論的實(shí)質(zhì)工程控制論實(shí)質(zhì)上是研究工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題．具體地說(shuō)，它研究的是工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)在一定的外界條件(即輸入或激勵(lì)，包括外加控制與外加干擾)作用下，從系統(tǒng)的一定的初始狀態(tài)出發(fā)，所經(jīng)歷的由其內(nèi)部的固有特性(即由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的特性)決定的系統(tǒng)整個(gè)動(dòng)態(tài)歷程；研究這一系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系．

系統(tǒng)輸入輸出工程控制理論的實(shí)質(zhì)工程控制論實(shí)質(zhì)上是研究工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的101學(xué)習(xí)控制工程基礎(chǔ)要解決的兩個(gè)問(wèn)題

一是如何分析某個(gè)給定控制系統(tǒng)的工作原理、穩(wěn)定性和過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)；二是如何根據(jù)實(shí)際需要來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并用機(jī)、電、液、光等設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)。前者主要是分析系統(tǒng)，后者是綜合與設(shè)計(jì)，無(wú)論解決哪類(lèi)問(wèn)題，都必須具有豐富的控制理論知識(shí)。學(xué)習(xí)控制工程基礎(chǔ)要解決的兩個(gè)問(wèn)題一是如何分析某個(gè)給定控制系102二、控制理論的發(fā)展1、控制理論的產(chǎn)生可以追朔到1788年瓦特(J.Watt)為控制蒸汽機(jī)速度而發(fā)明的蒸汽機(jī)離心調(diào)速器，其原理示意圖如圖1-1所示。2、1868年，英國(guó)物理學(xué)家馬克斯威爾（J.C.Maxwell）發(fā)表了第一篇關(guān)于“論調(diào)速器”的文章，首先提出了“反饋控制”的概念。1884年和1895年,勞斯（E.J.Routh）和霍爾維茨(A.Hurwitz)把麥克斯威爾的理論擴(kuò)展到用高階微分方程描述的更為復(fù)雜的系統(tǒng)，并分別提出了兩種著名的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）研制出電子管振蕩器，同時(shí)提出了著名的Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)。

二、控制理論的發(fā)展1、控制理論的產(chǎn)生可以追朔到1788年瓦特103二、控制理論的發(fā)展3、1948年美國(guó)數(shù)學(xué)家維納（N.Wiener）出版了著名的《控制論—關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》一書(shū)，他揭示了無(wú)論機(jī)器系統(tǒng)、生命系統(tǒng)甚至社會(huì)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，都存在一個(gè)共同本質(zhì)的特點(diǎn)，它們都是通過(guò)信息的傳遞、處理與反饋這三個(gè)要素來(lái)進(jìn)行控制，這就是控制論的中心思想。1950年伊萬(wàn)斯（W.R.Evans）提出的根軌跡法提供了尋找特征方程根的比較簡(jiǎn)易的圖解方法，至此，形成了完整的經(jīng)典控制理論。二、控制理論的發(fā)展3、1948年美國(guó)數(shù)學(xué)家維納（N.Wien104二、控制理論的發(fā)展4、我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森從控制論這一總題目中，把已被當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)和工程實(shí)踐所證明的部分分離出來(lái)，創(chuàng)立了“工程控制論”，并于1954年出版了《工程控制論》這一名著，這對(duì)控制理論的發(fā)展與應(yīng)用起到了很大的推動(dòng)作用。二、控制理論的發(fā)展4、我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森從控制論這一總題目105二、控制理論的發(fā)展5、50年代末與60年代初，一方面由于工業(yè)生產(chǎn)、火箭和空間技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多變量、非線(xiàn)性和時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求；另一方面由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，半導(dǎo)體和電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，各種傳感器和自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使控制理論發(fā)展到了一個(gè)新階段，從而產(chǎn)生了現(xiàn)代控制理論。隨著科技進(jìn)步特別是計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，控制論無(wú)論是在三要素的內(nèi)涵上，還是在其深度與廣度上都在發(fā)展變化著，對(duì)促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響.二、控制理論的發(fā)展5、50年代末與60年代初，一方面由于工業(yè)106控制理論發(fā)展幾個(gè)階段

1940——1950經(jīng)典控制理論發(fā)展階段研究對(duì)象：?jiǎn)螜C(jī)自動(dòng)化，解決單輸入單輸出（SISO-SingleInputSingleOutput）線(xiàn)性定常系統(tǒng)的控制問(wèn)題；主要數(shù)學(xué)工具：微分方程、拉普拉斯變換數(shù)學(xué)模型：傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）主要研究方法：時(shí)域法、頻域法和根軌跡法；主要解決問(wèn)題：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性。

控制理論發(fā)展幾個(gè)階段1940——1950經(jīng)典控制理論發(fā)107控制理論發(fā)展幾個(gè)階段1960——1970現(xiàn)代控制理論發(fā)展階段研究對(duì)象：機(jī)組自動(dòng)化和各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的多輸入多輸出（MIMO-Multi-InputMulti-Output）系統(tǒng)的控制問(wèn)題；數(shù)學(xué)工具：線(xiàn)性代數(shù)、矩陣論數(shù)學(xué)模型：狀態(tài)空間法(可以描述內(nèi)部行為）主要研究方法：變分法、極大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論等；重點(diǎn)解決問(wèn)題:最優(yōu)控制、隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制；最優(yōu)估計(jì)和濾波

核心控制裝置是電子計(jì)算機(jī)；控制策略是建立在已知系統(tǒng)的基礎(chǔ)上的控制理論發(fā)展幾個(gè)階段1960——1970現(xiàn)代控制理論發(fā)展108控制理論發(fā)展幾個(gè)階段1970——1980以后智能控制理論發(fā)展時(shí)期

智能自動(dòng)化智能系統(tǒng)能夠模仿人腦，在沒(méi)有人的干預(yù)下，能夠進(jìn)行自我調(diào)節(jié)、自我學(xué)習(xí)和自我組織，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化，并作出相應(yīng)的決策和控制。采用的方法：自動(dòng)控制理論、專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)籌學(xué)等研究?jī)?nèi)容包括：最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、控制等等。

控制理論發(fā)展幾個(gè)階段1970——1980以后智能控制109三、控制理論在工程中的應(yīng)用1、軍事（飛機(jī)方向控制、火炮控制、軍艦航行控制等）2、數(shù)控機(jī)床、加工中心3、機(jī)器人4、機(jī)電一體化系統(tǒng)(打印機(jī)、掃描儀、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、倒立擺等）5、動(dòng)態(tài)測(cè)試6、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力性能分析7、液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析8、生產(chǎn)過(guò)程控制三、控制理論在工程中的應(yīng)用1、軍事（飛機(jī)方向控制、火炮控制、110飛機(jī)俯仰角控制系統(tǒng)飛機(jī)俯仰角控制系統(tǒng)111三、控制理論在工程中的應(yīng)用三、控制理論在工程中的應(yīng)用112三、控制理論在工程中的應(yīng)用三、控制理論在工程中的應(yīng)用113河北工業(yè)大學(xué)控制工程課件114密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型香港理工AGV模型密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型香港理工AGV模型115

倒立擺控制系統(tǒng)倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)典型的高階次、多變量、嚴(yán)重不穩(wěn)定和強(qiáng)耦合的非線(xiàn)性系統(tǒng)。由于它的行為與火箭飛行以及兩足機(jī)器人行走等有很大的相似性,因而對(duì)其研究具有重大的理論和實(shí)踐意義。

AutomaticControl

自動(dòng)控制倒立擺控制系統(tǒng)倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)典116四、控制理論特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法本課程特點(diǎn)：（1）比較抽象（2）起點(diǎn)高（3）系統(tǒng)性強(qiáng)學(xué)習(xí)本門(mén)課程應(yīng)以新的視角分析和考慮問(wèn)題。學(xué)習(xí)本門(mén)課程要能以系統(tǒng)的而不是孤立的、動(dòng)態(tài)的而不是靜態(tài)的觀點(diǎn)和方法來(lái)思考和解決問(wèn)題。掌握控制理論的基本概念、基本理論和基本方法并注意結(jié)合實(shí)際，為解決工程中的控制問(wèn)題打下基礎(chǔ)。四、控制理論特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法本課程特點(diǎn)：117五、本課程參考書(shū)楊叔子主編《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》華中理工大學(xué)出版社朱驥北主編《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》機(jī)械工業(yè)出版社胡壽松主編《自動(dòng)控制原理》科學(xué)出版社緒方勝?gòu)┲?、盧伯英等譯《現(xiàn)代控制工程》科學(xué)出版社董景新、趙長(zhǎng)德編著《控制工程基礎(chǔ)》清華大學(xué)出版社王積偉等編著

《控制工程基礎(chǔ)》高等教育出版社五、本課程參考書(shū)楊叔子主編《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》華118本課程教學(xué)安排本課程總學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)課堂教學(xué)學(xué)時(shí)：42學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)：6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)分配(含實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)）：第一章緒論6學(xué)時(shí)

(含2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型8學(xué)時(shí)

第三章頻率特性10學(xué)時(shí)

(含2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）第四章系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析6學(xué)時(shí)

第五章時(shí)間響應(yīng)及誤差分析6學(xué)時(shí)

(含2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）第六章控制系統(tǒng)的根軌跡分析

4學(xué)時(shí)第六章控制系統(tǒng)的綜合與校正

4學(xué)時(shí)

第七章離散控制系統(tǒng)分析與校正2學(xué)時(shí)

總結(jié)復(fù)習(xí)2學(xué)時(shí)

考試形式：考試一本課程教學(xué)安排本課程總學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)119課程學(xué)習(xí)要求按時(shí)上課，認(rèn)真聽(tīng)講親筆手書(shū)，完成作業(yè)參與實(shí)驗(yàn)，撰寫(xiě)報(bào)告閉卷考試，成績(jī)疊加課程學(xué)習(xí)要求按時(shí)上課，認(rèn)真聽(tīng)講120第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本概念一、控制系統(tǒng)的基本工作原理二、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和復(fù)合控制系統(tǒng)三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本概念一、控制系統(tǒng)的基本工作原理121一、控制系統(tǒng)的基本工作原理系統(tǒng)：是由相互制約的各個(gè)部分組成的具有一定功能的整體。自動(dòng)控制系統(tǒng)：能夠進(jìn)行自動(dòng)控制的一整套設(shè)備或裝置。通常由控制器（控制裝置）和被控對(duì)象兩大部分組成。被控對(duì)象是指系統(tǒng)中需要加以控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程；控制器是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象產(chǎn)生控制作用的設(shè)備的總體?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)就是使被控制對(duì)象的物理量按照預(yù)先給定的控制規(guī)律變化。一、控制系統(tǒng)的基本工作原理系統(tǒng)：是由相互制約的各個(gè)部分組成的122一、控制系統(tǒng)的基本工作原理請(qǐng)同學(xué)動(dòng)腦筋想一想身邊的自動(dòng)控制系統(tǒng)的例子。被控對(duì)象控制器一、控制系統(tǒng)的基本工作原理請(qǐng)同學(xué)動(dòng)腦筋想一想身邊的自動(dòng)控制系123一、控制系統(tǒng)的基本工作原理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)：1、提高生產(chǎn)率、降低能源消耗。2、減輕體力和腦力勞動(dòng)。3、生產(chǎn)安全、廢品少、產(chǎn)品質(zhì)量高。一、控制系統(tǒng)的基本工作原理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)：124溫度人工控制的恒溫箱（圖1-2）被控對(duì)象被控制量溫度人工控制的恒溫箱（圖1-2）被控對(duì)象被控制量125自動(dòng)控制的恒溫箱（圖1-3）自動(dòng)控制的恒溫箱（圖1-3）126實(shí)現(xiàn)控制的三個(gè)基本步驟不論采用人工控制還是自動(dòng)控制都具有以下的共同點(diǎn)：一是要檢測(cè)被控制量的實(shí)際值；二是被控制量的實(shí)際值要與給定值進(jìn)行比較得出偏差值；三是要用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用再去消除偏差。

總結(jié)：檢測(cè)偏差，消除偏差

實(shí)現(xiàn)控制的三個(gè)基本步驟不論采用人工控制還是自動(dòng)控制都具有以下127反饋控制原理反饋是指對(duì)系統(tǒng)的被控制量進(jìn)行測(cè)量，并加以處理（取其一部分或全部、或其函數(shù)等）后，再返回輸入端與系統(tǒng)的給定量進(jìn)行比較的過(guò)程。如果反饋量對(duì)給定量起增強(qiáng)作用，則稱(chēng)為正反饋；反之，如果反饋量對(duì)給定量起減弱作用，則稱(chēng)為負(fù)反饋。通常，控制系統(tǒng)采用負(fù)反饋。

基于負(fù)反饋基礎(chǔ)上的“檢測(cè)偏差并用以消除偏差”的控制原理，稱(chēng)為反饋控制原理。利用反饋控制原理組成的系統(tǒng)稱(chēng)為反饋控制系統(tǒng)。

反饋控制是自然界中一切物體控制的自身運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律之一，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而精確的控制；如人和動(dòng)物（為尋求目標(biāo)）的行走、汽車(chē)駕駛過(guò)程、導(dǎo)彈控制過(guò)程等。

反饋控制原理反饋是指對(duì)系統(tǒng)的被控制量進(jìn)行測(cè)量，并加128反饋負(fù)反饋正反饋。反饋控制原理。反饋控制系統(tǒng)。。

反饋129固有反饋（或內(nèi)在反饋）固有反饋是指沒(méi)有外加的檢測(cè)裝置，但是，變量與變量之間相互制約，構(gòu)成了閉合的因果關(guān)系。

例如:機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械加工系統(tǒng)、直流電機(jī)系統(tǒng)等。從控制理論的角度，它們都是一個(gè)反饋控制過(guò)程，因而都可以用控制理論加以解決。固有反饋（或內(nèi)在反饋）固有反饋是指沒(méi)有外加的檢測(cè)130職能方框圖把表示系統(tǒng)的組成、各元件作用關(guān)系及信號(hào)傳遞（或流通）關(guān)系的圖形稱(chēng)為職能方框圖。圖1-4恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)職能方框圖職能方框圖把表示系統(tǒng)的組成、各元件作用關(guān)系及信號(hào)131控制系統(tǒng)中常用的概念和術(shù)語(yǔ)的含義說(shuō)明

輸出量（或稱(chēng)輸出信號(hào)、被控制量）：是指控制系統(tǒng)中需要加以控制的物理量。系統(tǒng)的輸出量常用符號(hào)xo(t)表示。

輸入量（或稱(chēng)輸入信號(hào)、給定值、給定量）：是指輸入給控制系統(tǒng)用以控制輸出量變化規(guī)律的物理量它作用于系統(tǒng)輸入端，直接地或間接地表示系統(tǒng)輸出量的期望值（給定值）。系統(tǒng)的輸入量常用符號(hào)xi(t)表示.

擾動(dòng)量（或稱(chēng)擾動(dòng)信號(hào)）：指那些能使輸出量偏離預(yù)定要求（期望值）的意外干擾因素。

反饋量（或稱(chēng)反饋信號(hào)）：是指把輸出量取出并直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換以后送回到輸入端與輸入信號(hào)進(jìn)行比較的物理量?？刂葡到y(tǒng)中常用的概念和術(shù)語(yǔ)的含義說(shuō)明輸出量（或132繪制方框圖舉例1：

繪制方框圖舉例1：133繪制方框圖舉例2：

繪制方框圖舉例2：134二、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和復(fù)合控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)按其有無(wú)反饋?zhàn)饔煤头答佔(zhàn)饔玫姆绞娇煞譃槿?lèi)：1、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)2、閉環(huán)控制系統(tǒng)3、復(fù)合控制系統(tǒng)二、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和復(fù)合控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)按其有無(wú)反饋?zhàn)饔煤头答佔(zhàn)?35開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量和輸入量之間沒(méi)有反饋?zhàn)饔?，輸出量?duì)系統(tǒng)的控制過(guò)程不發(fā)生影響時(shí)，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。如手表、交通燈控制、機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)等。圖1-5是數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng).開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量和輸入量之間沒(méi)有反饋?zhàn)饔?，輸出?36數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)(圖1-5)數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)(圖1-5)137數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)(圖1-5)上例的控制過(guò)程為：（1）根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)定x方向位移；（2）把此數(shù)據(jù)輸入機(jī)床控制器中；在控制器中把工作臺(tái)行程換算成當(dāng)量脈沖，即總脈沖數(shù)=加工尺寸a/脈沖當(dāng)量。（3）按計(jì)算所得脈沖數(shù)（電壓信號(hào)）輸入給步進(jìn)電機(jī)。（4）步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角通過(guò)減速齒輪傳給絲杠。（5）絲杠輸出，通過(guò)螺母?jìng)鹘o工作臺(tái)，工作臺(tái)輸出直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)(圖1-5)上例的控制過(guò)程為：138

數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)職能方框圖控制器被控對(duì)象輸入量輸出量圖1-6開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的職能方框圖xoxi數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)職能方框圖控制器被控對(duì)象輸入139開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。2、動(dòng)作快，較穩(wěn)定。3、有了誤差無(wú)法自動(dòng)調(diào)整。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。140閉環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間具有反饋聯(lián)系，即輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制過(guò)程有直接影響，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)是按照反饋控制原理工作的，又稱(chēng)為反饋控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的信號(hào)傳遞路線(xiàn)構(gòu)成閉合回路（閉環(huán)）。前面介紹的離心調(diào)速器控制系統(tǒng)和恒溫箱溫度恒定自動(dòng)控制系統(tǒng)都是閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間具有反饋聯(lián)系，即輸出141數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給閉環(huán)控制系統(tǒng)（圖1-7）請(qǐng)同學(xué)自己繪制該閉環(huán)系統(tǒng)的職能方框圖。1—比較環(huán)節(jié)；2—放大器；3—編碼器；4—直流伺服電機(jī)；5—滾珠絲杠；6—工作臺(tái)；7—直線(xiàn)位移測(cè)量裝置；8—放大器數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給閉環(huán)控制系統(tǒng)（圖1-7）請(qǐng)同學(xué)自己繪142液壓伺服系統(tǒng)（圖1-10）輸出量：液壓缸缸體直線(xiàn)位移輸入量：伺服閥閥芯直線(xiàn)位移液壓伺服系統(tǒng)（圖1-10）輸出量：液壓缸缸體直線(xiàn)位移輸入量：143返回飛機(jī)俯仰角控制系統(tǒng)示意圖返回飛機(jī)俯仰角控制系統(tǒng)示意圖144給定電位器放大器舵機(jī)飛機(jī)

反饋電位器

垂直陀螺儀θiθ擾動(dòng)俯仰角控制系統(tǒng)方框圖飛機(jī)俯仰角控制系統(tǒng)方框圖給定電位器放大器舵機(jī)飛機(jī)反饋電位器垂直陀螺儀θiθ擾動(dòng)145GIP倒立擺本體(直線(xiàn))電機(jī)基座擺桿角編碼器同步帶帶輪小車(chē)限位開(kāi)關(guān)滑桿GIP直線(xiàn)倒立擺本體結(jié)構(gòu)如右圖所示，主要部件有：交流伺服電機(jī)，同步帶，增量式光電編碼器，小車(chē)，擺桿，滑桿，限位開(kāi)關(guān)等。運(yùn)動(dòng)過(guò)程：小車(chē)由電機(jī)通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)在滑桿上來(lái)回運(yùn)動(dòng)，保持?jǐn)[桿平衡。電機(jī)編碼器和角編碼器向運(yùn)動(dòng)卡反饋小車(chē)和擺桿位置（線(xiàn)位移和角位移）。倒立擺(直線(xiàn))本體圖GIP倒立擺本體(直線(xiàn))電機(jī)基座擺桿角編碼器同步帶帶輪小車(chē)146

系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服機(jī)構(gòu)、倒立擺本體和光電碼盤(pán)幾大部分，組成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。光電碼盤(pán)1將小車(chē)的位移、速度信號(hào)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制卡，下面一節(jié)擺桿（和小車(chē)相連）的角度、角速度信號(hào)由光電碼盤(pán)2反饋回控制卡和伺服驅(qū)動(dòng)器，上面一節(jié)擺桿的角度和角速度信號(hào)則由光電碼盤(pán)3反饋。計(jì)算機(jī)從運(yùn)動(dòng)控制卡中讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，確定控制決策（小車(chē)向哪個(gè)方向移動(dòng)、移動(dòng)速度、加速度等），并由運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)該控制決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)，保持兩節(jié)擺桿的平衡。系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服機(jī)構(gòu)、倒立擺147閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)1、可以自動(dòng)的糾正和補(bǔ)償輸出量誤差，提高控制精度。

2、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。3、參數(shù)選擇不適當(dāng)將會(huì)引起閉環(huán)控制系統(tǒng)振蕩，甚至不能工作。閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)1、可以自動(dòng)的糾正和補(bǔ)償輸出量誤差，提高控制148復(fù)合控制系統(tǒng)在輸出和輸入之間同時(shí)存在開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制的系統(tǒng)，稱(chēng)為復(fù)合控制系統(tǒng)。它實(shí)質(zhì)上是在閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用開(kāi)環(huán)通路提供一個(gè)補(bǔ)償?shù)妮斎胱饔茫鐖D1-9所示。復(fù)合控制系統(tǒng)在輸出和輸入之間同時(shí)存在開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制的系統(tǒng)149復(fù)合控制系統(tǒng)(圖1-9）這種系統(tǒng)兼有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，因而可大大提高系統(tǒng)的性能。圖1-9復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)(圖1-9）這種系統(tǒng)兼有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)150三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成輸入量xi輸出量xo主反饋局部反饋偏差信號(hào)e主反饋信號(hào)xb給定元件放大元件執(zhí)行元件反饋元件被控對(duì)象比較元件+-串聯(lián)校正元件+-并聯(lián)校正元件給定元件

反饋元件(檢測(cè)元件)比較元件

放大變換元件

執(zhí)行元件（驅(qū)動(dòng)元件）被控對(duì)象

校正元件（校正裝置）圖1-10典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的職能方框圖三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成輸入量xi輸出量xo主反饋局部反饋151給定元件用來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)或輸入信號(hào)（輸入量）的元件。例如數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的輸入裝置、恒溫箱控制系統(tǒng)的給定電位器就是給定元件。給定元件用來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)或輸入信號(hào)（輸入量）的元件。152反饋元件(檢測(cè)元件)用來(lái)測(cè)量（輸出量）被控制量的實(shí)際值，并經(jīng)過(guò)處理，轉(zhuǎn)換為與輸出量有一定函數(shù)關(guān)系的反饋量的元件。檢測(cè)元件大多是將非電量轉(zhuǎn)換為電量的元件。反饋元件(檢測(cè)元件)用來(lái)測(cè)量（輸出量）被控制量的實(shí)際值，并經(jīng)153它是用來(lái)對(duì)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)的元件。比較元件實(shí)際上是信號(hào)綜合環(huán)節(jié)（可以相減或相加），它往往不是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的物理元件，有時(shí)也叫比較環(huán)節(jié)。例如：離心調(diào)速器的套筒比較機(jī)構(gòu)、恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)中的比較電路等。比較元件它是用來(lái)對(duì)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)的元件。比154它是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大和功率放大的元件。如電壓、電流、功率放大器、晶閘管整流調(diào)壓裝置和電液伺服閥等。放大變換元件它是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大和功率放大的元件。放大變換元件155它接收放大變換元件發(fā)出的控制信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作，使輸出量按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。例如前述例子中的調(diào)壓器、直流電機(jī)等均為此類(lèi)元件。執(zhí)行元件（驅(qū)動(dòng)元件）它接收放大變換元件發(fā)出的控制信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作，使輸156它是控制系統(tǒng)需要進(jìn)行控制的裝置、設(shè)備或過(guò)程等。被控對(duì)象中要進(jìn)行控制的物理量或參數(shù)稱(chēng)為被控制量（輸出量）。例如前述例子中的蒸汽機(jī)、恒溫箱等均為被控對(duì)象

。被控對(duì)象（控制對(duì)象）它是控制系統(tǒng)需要進(jìn)行控制的裝置、設(shè)備或過(guò)程等。被控對(duì)象中要進(jìn)157它是為改善系統(tǒng)的性能而加入系統(tǒng)中的輔助元件（裝置），而不是閉環(huán)控制系統(tǒng)必須具有的元件（裝置）。串聯(lián)在系統(tǒng)前向通道內(nèi)的校正元件稱(chēng)為串聯(lián)校正裝置；接成反饋形式的校正元件稱(chēng)為并聯(lián)校正裝置。常用的電子調(diào)節(jié)器、測(cè)速發(fā)電機(jī)等均可作為此類(lèi)元件。校正元件（校正裝置）它是為改善系統(tǒng)的性能而加入系統(tǒng)中的輔助元件（裝置），而不是閉158第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型一、按輸入量輸出量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可分為三種；二、按系統(tǒng)傳遞信號(hào)性質(zhì)可分為兩種。第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型一、按輸入量輸出量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可分為159按輸入量輸出量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可分為三種恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)按輸入量輸出量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可分為三種恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)160恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）這類(lèi)系統(tǒng)的輸入量是一個(gè)不變的恒值，系統(tǒng)的基本任務(wù)是排除各種干擾因素的影響，使被控制量（輸出量）以一定精度等于系統(tǒng)的輸入量。例如蒸汽機(jī)離心調(diào)速器系統(tǒng)、恒溫箱溫度控制系統(tǒng)等。同學(xué)自己舉例恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）這類(lèi)系統(tǒng)的輸入量是一個(gè)不變的恒值161程序控制系統(tǒng)這類(lèi)系統(tǒng)的輸入量是變化的，且變化規(guī)律是