緒論副本副本

控制原理主講教師:趙慧工作單位:武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院機(jī)械電子系聯(lián)系方式:教一樓607室zhwust@163.com2《控制原理》是工科機(jī)類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，起著銜接基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識，溝通機(jī)、電類相關(guān)專業(yè)課程的重要作用。了解《控制原理》在現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備中，控制系統(tǒng)是將構(gòu)成設(shè)備的光、機(jī)、電、液等各個子系統(tǒng)組合成一個有機(jī)整體的核心環(huán)節(jié)。控制理論及其技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)的各個行業(yè)以及航天航空、軍工國防等多個領(lǐng)域都有著廣泛和重要的應(yīng)用?！犊刂圃怼氛n程所介紹的經(jīng)典控制理論既是現(xiàn)代控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)，也是進(jìn)行機(jī)械工程控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)所依賴的主要技術(shù)方法之一。3控制技術(shù)的應(yīng)用中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車（235年）英國J.Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度（1788年）4控制技術(shù)的應(yīng)用美國MITServomechanismLaboratory

研制出第一臺數(shù)控機(jī)床(1952)美國GeorgeDevol研制出第一臺工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)(1954)5控制技術(shù)的應(yīng)用前蘇聯(lián)第一座投入使用的太空空間站

(1974)美國第一架航天飛機(jī)原型機(jī)企業(yè)號(1977)6控制技術(shù)的應(yīng)用薄板連鑄連軋生產(chǎn)線機(jī)器人搬運(yùn)汽車焊接生產(chǎn)線7課程教學(xué)安排理論教學(xué)1.緒論實(shí)驗(yàn)教學(xué)1.典型環(huán)節(jié)及其時(shí)間響應(yīng)2.系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型6.系統(tǒng)的性能指標(biāo)與校正5.穩(wěn)定性分析4.頻率特性分析3.時(shí)間響應(yīng)分析3.線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析及其校正2.頻域響應(yīng)實(shí)驗(yàn)《控制原理》8課程教材和主要參考書

教材楊叔子等.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)，華中科技大學(xué)出版社，2005、2013，第5、6版

主要參考書董景新等.控制工程基礎(chǔ),清華大學(xué)出版社,2003，第2版李友善.自動控制原理(上冊),國防工業(yè)出版社，1980裴潤等.自動控制原理(上冊),哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2006楊前明等.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)，華中科技大學(xué)出版社，2010《控制原理》9第一章緒論本章教學(xué)內(nèi)容1.1機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(wù)1.2系統(tǒng)及其模型1.4系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求1.3反饋本章教學(xué)目的

本章的教學(xué)旨在使同學(xué)們對本課程的教學(xué)內(nèi)容有個大致了解，對控制理論、控制系統(tǒng)的有關(guān)概念有個基本認(rèn)識，對機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析方法能有初步的體會。

《控制原理》10《控制原理》1.1機(jī)械工程控制論的研究對象及任務(wù)控制

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指一事物對另一事物所施加的強(qiáng)制性約束，對控制系統(tǒng)而言，這種約束是讓某個物理量按一定規(guī)律變化。具有以下特點(diǎn)：具有某種不確定性；這種不確定性的變化可借助信息來表示；控制的過程就是不斷減少這種不確定性的過程?？刂普摚–ybernetics）——

關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)，研究的是更為廣泛的系統(tǒng)里更為一般的控制規(guī)律。工程控制論

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控制論在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，是以一般工程系統(tǒng)為研究對象，研究系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系。機(jī)械工程控制論——

控制論在機(jī)械工程中的應(yīng)用，主要以機(jī)械系統(tǒng)為研究對象。本課程主要是應(yīng)用古典控制理論研究單輸入單輸出線性系統(tǒng)中系統(tǒng)與其輸入、輸出之間的動態(tài)關(guān)系。111.1機(jī)械工程控制論的研究對象及任務(wù)：舉例系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型反映了系統(tǒng)與其輸入輸出三者的關(guān)系，可歸納為：（1）系統(tǒng)、輸入已知，求輸出：系統(tǒng)分析（本課程重點(diǎn)）（2）系統(tǒng)、輸出已知，求輸入：最優(yōu)控制、最佳濾波（3）輸入、輸出已知，求系統(tǒng)：最優(yōu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)辨識

作用著不同輸入的同一個機(jī)械系統(tǒng)

系統(tǒng)動力學(xué)方程或數(shù)學(xué)模型《控制原理》121.2系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)

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由相互聯(lián)系、相互作用的若干部分或元素，以一定的結(jié)構(gòu)組成的具有特定功能的整體，即具有以下特性1.2.1系統(tǒng)具有整體性具有相對獨(dú)立性具有特定的結(jié)構(gòu)具有一定的功能，或一定的目的性要點(diǎn)：(1) 系統(tǒng)整體特性不是組成系統(tǒng)的各元件特性的簡單迭加；(2) 系統(tǒng)性能除了與組成系統(tǒng)的元件的性能有關(guān)還與元件間相互結(jié)合的形式有關(guān)?！犊刂圃怼?3機(jī)械系統(tǒng)

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以實(shí)現(xiàn)一定的機(jī)械運(yùn)動，承受一定的機(jī)械載荷為目的，由機(jī)械元件組成的系統(tǒng)（包括液壓系統(tǒng)），如軋機(jī)、機(jī)床、交通工具等。1.2.2機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)的激勵：外界對系統(tǒng)的作用，也稱為系統(tǒng)輸入，通常表現(xiàn)為力/扭矩（載荷）。該作用如果是有意施加的通?？煞Q之為“控制”，否則就被視為“擾動”。

機(jī)械系統(tǒng)的響應(yīng)：系統(tǒng)在輸入作用下所產(chǎn)生的輸出，通常表現(xiàn)為位移（角位移）或變形。1.2系統(tǒng)及其模型《控制原理》141.2.3靜態(tài)模型與動態(tài)模型《控制原理》數(shù)學(xué)模型

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用數(shù)學(xué)方法并依據(jù)物理或?qū)I(yè)定律描述一個系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間、系統(tǒng)與其外部環(huán)境之間相互關(guān)系的理論模型。靜態(tài)模型

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反映系統(tǒng)在恒定或緩變載荷作用下，或在平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)模型。靜態(tài)模型一般用代數(shù)方程描述。動態(tài)模型

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反映系統(tǒng)在迅變載荷作用下，或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)模型。動態(tài)模型一般用微分方程或差分方程描述。靜態(tài)模型的輸出取決于當(dāng)前輸入，動態(tài)模型的輸出則還與歷史的輸入有關(guān)，且動態(tài)模型通常包含靜態(tài)模型。15ymFk疲勞試驗(yàn)機(jī)在一定條件下可以簡化成一個質(zhì)量-彈簧系統(tǒng),系統(tǒng)輸入(激振力F)

和系統(tǒng)輸出(材料的變形y)之間的關(guān)系,可借助于牛頓定律建立該系統(tǒng)的動態(tài)模型：如果F是一個恒定載荷,則當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，可得到系統(tǒng)的靜態(tài)模型：1.2.3靜態(tài)模型與動態(tài)模型：舉例1.2系統(tǒng)及其模型《控制原理》16《控制截原理》反饋——指系統(tǒng)他或部急件的遍輸出駱會反虧過來為作用似于其刷輸入鐮的現(xiàn)回象。唐它是鄰系統(tǒng)峰得以懷產(chǎn)生蜂動態(tài)愚響應(yīng)序過程徹的根斧本原櫻因。1.伐3反饋1.案3.強(qiáng)1機(jī)械股工程瞎中的定反饋跪控制圖1.壯3.秋2為靜席壓軸常承工影作原期理，薯它是年利用受反饋駁的原案理進(jìn)臨行工肅作的榮。17《控制潑原理》反饋位控制——有意涉地利疼用系獄統(tǒng)輸博出來介改變捐系統(tǒng)負(fù)的輸蘇入，惰進(jìn)而橫影響錯系統(tǒng)烘輸出搜的控俘制方晚法，耽也稱津之為閉環(huán)基控制；又惑因它賊是用系靈統(tǒng)希張望輸沃出與山實(shí)際爹輸出編比較頭后所詳?shù)玫焦钠げ钸M(jìn)駱行控炕制故也稱劣為偏差織控制。1.巴3反饋1.夾3.福1機(jī)械繞工程慶中的庭反饋六控制無外反饋（開環(huán)系統(tǒng)）反饋控制（閉環(huán)系統(tǒng)）181.島3.地2機(jī)械字系統(tǒng)風(fēng)的內(nèi)騾在反計(jì)饋機(jī)械系系統(tǒng)墻的內(nèi)反袋饋是構(gòu)名成系暗統(tǒng)的哈各個娛要素月之間銜自然派而然禁的相慶互作弦用，承其決詠定了阿系統(tǒng)跌的動?jì)饝B(tài)響彎應(yīng)過逗程ymFk

(a)例如圖(a)所示系統(tǒng)，似乎沒有明顯的反饋通道，其力平衡方程為：kF-y(b)以其質(zhì)量m的位移y為系統(tǒng)的輸出，則上式可改寫為：該式可用圖(b)表示，顯然該系統(tǒng)還是存在著反饋通道?！犊刂坪怼?.教3反饋19按反饋的有無分類——

開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)1.料4系統(tǒng)納的分清類及曉對控搬制系據(jù)統(tǒng)的持基本激要求1.購4.斑1系統(tǒng)驢的幾般種分簡類開環(huán)系統(tǒng)

系統(tǒng)中沒有任何一個環(huán)節(jié)受到系統(tǒng)輸出反饋?zhàn)饔?，也稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是簡單、穩(wěn)定、可靠，缺點(diǎn)是精度不高、抗擾動性能差。閉環(huán)系統(tǒng)

指系統(tǒng)的輸入裝置受到系統(tǒng)輸出反饋?zhàn)饔玫南到y(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是精度高、抗擾動性好，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大。半閉或環(huán)系醉統(tǒng)系統(tǒng)常中某協(xié)個環(huán)勝節(jié)（凱非輸莊入裝抖置）亦受到視系統(tǒng)繡輸出貴反饋哨作用陳，或響輸入秘裝置功受到梁系統(tǒng)完某個勝環(huán)節(jié)壘（非盆輸出在量）府的反煌饋?zhàn)鳡N用?！犊刂茲苍怼?01.典4系統(tǒng)傍的分糠類及讓對控盾制系脆統(tǒng)的烏基本們要求1.座4.銅1系統(tǒng)偏的幾攏種分丟類《控制搞原理》自動眉調(diào)節(jié)得系統(tǒng)——在外香界干擾作用棄下，列系統(tǒng)已輸出摟仍能參基本貴保持梨為常量的系跪統(tǒng)（掉如恒皮溫控載制、煌液面陡控制窩系統(tǒng)栽等)。這漆種系剃統(tǒng)的挑輸入思多為骨常值江，對承穩(wěn)定批性有數(shù)較高混要求凱。隨動勸系統(tǒng)（伺插服系喝統(tǒng)）——系統(tǒng)哈輸出湊能相跨應(yīng)于毒輸入績在廣拜闊范松圍內(nèi)巴按任意趁規(guī)律變化栽的系遷統(tǒng)(如雷卡達(dá)跟饑蹤、少電液丙伺服兔系統(tǒng)宴等)。這勿種系揀統(tǒng)對封響應(yīng)栽速度船有較蘆高要沾求。程序啄控制父系統(tǒng)——系統(tǒng)幣輸出鍬按預(yù)定視程序變化獵的系差統(tǒng)(如數(shù)喬控加飾工系抱統(tǒng)等)。這暗類系皇統(tǒng)可喉以是澡閉環(huán)滾控制靈，也帥可以謎是開搭環(huán)控犧制。坊對于殼閉環(huán)獸程序肝控制道系統(tǒng)朱，其濤性能他界于伴以上散兩類句系統(tǒng)卻之間昨。按輸出變化規(guī)律分類——

調(diào)節(jié)系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)211.爛4系統(tǒng)彼的分?jǐn)r類及河對控厚制系煉統(tǒng)的雷基本怠要求1.伶4.利1系統(tǒng)碑的幾質(zhì)種分墳類《控制綠原理》按描湯述系簡統(tǒng)的數(shù)學(xué)她模型分類——線性浸控制悔系統(tǒng)指可南用線莖性微上分方旗程來升描述矩的系培統(tǒng)。非線完性控雪制系甘統(tǒng)指不田能用戰(zhàn)線性優(yōu)微分座方程韻來描攻述的填系統(tǒng)籍，此徐種系凝統(tǒng)包飾含著熟變量選中具碧有非次線性笨關(guān)系麗的元劈燕器件狼。按系統(tǒng)亦中傳遞休信號珍的性槽質(zhì)分類——連續(xù)姓控制澆系統(tǒng)系統(tǒng)甲中傳背遞的釀信號貢都是扮模擬副信號興，控杰制規(guī)位律是熱用硬舉件組綁成的妖控制磚器實(shí)捉現(xiàn)的厚。描傲述此盟種系厭統(tǒng)的育數(shù)學(xué)討工具洲是微榴分方絡(luò)程和影拉氏墳變換植。離散畫控制熟系統(tǒng)系統(tǒng)撇中傳海遞的球信號扇有數(shù)侍字信箱號，創(chuàng)控制舅規(guī)律埋是用克軟件帆實(shí)現(xiàn)省的，魯計(jì)算斷機(jī)作箱為系語統(tǒng)的助控制左器。謙描述壞此種搶系統(tǒng)膝的數(shù)絞學(xué)工規(guī)具是唇差分猾方程和Z變換。221.秘4系統(tǒng)掙的分挎類及蠢對控男制系誓統(tǒng)的跳基本平要求《控制臣原理》1.蘭4.涂1系統(tǒng)干的幾壓種分個類：朗閉環(huán)隱控制澡系統(tǒng)盒的構(gòu)錢成給定邪環(huán)節(jié)產(chǎn)生塘給定家信號(輸入疤信號位、指股令信泄號),用于玩確定剖被控獅對象報(bào)的目用標(biāo)值(期望犯值)。測量暴環(huán)節(jié)檢測水被控辭變量(含輸刮出),并轉(zhuǎn)捏換成師可用爐于比煤較、菠運(yùn)算飲的電攜量或舍數(shù)字舅量。比較植環(huán)節(jié)將指腫令信芒號(系統(tǒng)蘋響應(yīng)與的期離望值)與檢狀測反溜饋值默進(jìn)行栽比較,產(chǎn)生蕩可用供于控泰制器伙運(yùn)算碌的偏街差信尤號。放大乓及運(yùn)奮算環(huán)領(lǐng)節(jié)該環(huán)候節(jié)就皺是系絲式統(tǒng)的控制罪器,其根沿?fù)?jù)偏堡差信尖號產(chǎn)提生對值系統(tǒng)公輸出節(jié)進(jìn)行無調(diào)整奪的控谷制信毒號。執(zhí)行識環(huán)節(jié)將控棗制器秧產(chǎn)生挑的控辭制信舍號進(jìn)染行功率再放大和能量鵲形式的轉(zhuǎn)炒換,以驅(qū)寨動被致控對亦象按輝所要芬求的強(qiáng)規(guī)律搶運(yùn)動消。231.疊4系統(tǒng)控的分渡類及慣對控添制系坡統(tǒng)的促基本條要求《控制梨原理》系統(tǒng)穩(wěn)定征性——系統(tǒng)綱抵抗蓮擾動恢室復(fù)平跪衡狀液態(tài)的陰能力。穩(wěn)定的系獵統(tǒng)當(dāng)斬輸出襲受擾答偏離產(chǎn)平衡咬狀態(tài)怒時(shí)，正其輸帖出能崖隨時(shí)獸間的玩增長睡收斂遣并回翼到初薪始平余衡狀營態(tài)。穩(wěn)定丙性是系侮統(tǒng)正徐常工晚作的先決觸條件。不穩(wěn)必定系歇統(tǒng)穩(wěn)定鍵系統(tǒng)1.肚4.單2對控桌制系剃統(tǒng)的僑基本鄙要求供：穩(wěn)滔定性匪、快厲速性零和準(zhǔn)剃確性負(fù)反饋：誤差不斷減小

l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1正反饋：誤差不斷增加

正反饋系統(tǒng)屬于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定系統(tǒng)，對于這類系統(tǒng)，不論如何調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)都不可能使系統(tǒng)