《机械工程控制基础》课件机械控制工程基础课件(1).ppt

1、1第一章第一章 绪绪 论论1.1 1.1 概述概述 1 11.2 1.2 基本概念基本概念 2 21.3 1.3 控制系统分类控制系统分类 3 31.4 1.4 控制系统的基本要求控制系统的基本要求 4 41.5 1.5 控制系统的应用控制系统的应用 5 52 随着生产的发展和科学技术的进步，自动控制技术已随着生产的发展和科学技术的进步，自动控制技术已广泛地应用于工农业生产、交通运输和国防、宇航等广泛地应用于工农业生产、交通运输和国防、宇航等领域，并成为当今被受重视的高技术之一。领域，并成为当今被受重视的高技术之一。现代生活之中同样享受自动化技术。现代生活之中同样享受自动化技术。现代自动化技术

2、的科学基础是工程控制论的理论和方现代自动化技术的科学基础是工程控制论的理论和方法，各种自动化元部件和计算机则是它的物质基础。法，各种自动化元部件和计算机则是它的物质基础。掌握和了解工程控制论的基本理论和方法，对各专业掌握和了解工程控制论的基本理论和方法，对各专业的科学技术人员都是十分必要的。的科学技术人员都是十分必要的。1.1 1.1 概概 述述引引 言言3n 当前机械制造一个新的发展方向，是运用控制当前机械制造一个新的发展方向，是运用控制理论、微电子、计算机技术和机械工程等学科理论、微电子、计算机技术和机械工程等学科方面的理论和技术来提高生产效能、质量并推方面的理论和技术来提高生产效能、质量

3、并推出新产品。出新产品。n “机械控制工程机械控制工程”是一门控制理论和机械工程是一门控制理论和机械工程结合的新兴的技术科学，是一门边缘学科，它结合的新兴的技术科学，是一门边缘学科，它是研究用控制理论的基本原理解决机械工程中是研究用控制理论的基本原理解决机械工程中的实际技术问题。的实际技术问题。1.1 1.1 概概 述述研究对象和任务研究对象和任务4 1.1 1.1 概概 述述研究对象和任务研究对象和任务发动机高压供油路喷油泵离心式飞球调速器离心式飞球调速器5 1.1 1.1 概概 述述研究对象和任务研究对象和任务 可见，控制工程实质是研究工程技术中广义系统的动力可见，控制工程实质是研究工程技

4、术中广义系统的动力学问题学问题:研究系统在外界条件作用下，从系统的一定初始状态研究系统在外界条件作用下，从系统的一定初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性所决定的整个动态历出发，所经历的由其内部的固有特性所决定的整个动态历程。程。研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。本课程主要研究当系统已定，输入已知时，求出系统本课程主要研究当系统已定，输入已知时，求出系统的输出，并通过输出来研究系统本身的有关问题，即系统的输出，并通过输出来研究系统本身的有关问题，即系统分析。分析。6 1.1 1.1 概概 述述研究对象和任务研究对象和任务例：例：水钟水钟（如右

5、图所示）（如右图所示）7n 控制理论在工程技术领域中体现为工程控制论。控制理论在工程技术领域中体现为工程控制论。-工程控制论工程控制论，钱学森，钱学森，1954.1954.n 学科背景：老学科背景：老“三论三论”（SCISCI论）论）系统论系统论 控制论控制论 信息论信息论 1.1 1.1 概概 述述工程控制论的学科背景工程控制论的学科背景8n 系统论的创始人系统论的创始人 美籍奥地利生物学家贝塔朗菲美籍奥地利生物学家贝塔朗菲。n 系统论定义系统论定义 系统论要求把事物当作一个整体或系统来研究，并系统论要求把事物当作一个整体或系统来研究，并用用数字模型数字模型去描述和确定系统的去描述和确定系统

6、的结构结构和和行为行为。所谓所谓系统系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的、具有特定功能的有机整体；而系统本分结合成的、具有特定功能的有机整体；而系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。1.1 概概 述述“系统论系统论”简介（简介（1 1）9n 贝塔朗菲的系统论观点贝塔朗菲的系统论观点 认为复杂事物功能远大于某组成因果链中各环节的简认为复杂事物功能远大于某组成因果链中各环节的简单总和单总和.一切生命都处于积极运动状态一切生命都处于积极运动状态,有机体作为一有机体作为一个系统个系统,保持动态稳定是系统向环

7、境充分开放，获得物保持动态稳定是系统向环境充分开放，获得物质、信息、能量交换的结果质、信息、能量交换的结果。n 系统论三大基本特征系统论三大基本特征 系统论强调整体与局部、局部与局部、系统本身与外系统论强调整体与局部、局部与局部、系统本身与外部环境之间互为依存、相互影响和制约的关系，具有部环境之间互为依存、相互影响和制约的关系，具有目的性、动态性、有序性三大基本特征。目的性、动态性、有序性三大基本特征。n 系统论核心思想系统论核心思想 是寻找建立一定结构形式联结构成的具有某种功能的是寻找建立一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体。有机整体。1.1 概概 述述“系统论系统论”简介（简介（2

8、 2）10n 控制论的诞生控制论的诞生 19481948年，美国数学家诺伯特年，美国数学家诺伯特.维纳（维纳（Norbert WienerNorbert Wiener）发表了专著发表了专著控制论（或关于在动物和机器中控制和通控制论（或关于在动物和机器中控制和通讯的科学）讯的科学），标志着控制论这一学科的诞生。，标志着控制论这一学科的诞生。n 控制论的基点就是把控制系统当作一种信息系统。控制论的基点就是把控制系统当作一种信息系统。“控制论控制论”简介（简介（1 1）1.1 概概 述述11n 维纳定义维纳定义“控制论控制论”是关于动物和机器中控制和通信的科学是关于动物和机器中控制和通信的科学。n

9、普通定义普通定义 控制论是研究系统的状态、功能、行为方式及变动趋控制论是研究系统的状态、功能、行为方式及变动趋势，控制系统的稳定，揭示包括机器、生物、社会在势，控制系统的稳定，揭示包括机器、生物、社会在内的各种不同系统的共同的控制规律，使系统按预定内的各种不同系统的共同的控制规律，使系统按预定目标运行的技术科学。目标运行的技术科学。“控制论控制论”简介（简介（2 2）1.1 1.1 概概 述述12n来源于社会实践活动，有它产生的实践和来源于社会实践活动，有它产生的实践和理论基础理论基础 人类很早就有人类很早就有“风磨漏斗风磨漏斗”、“蒸汽机的调节蒸汽机的调节器器”。1919世纪以来，出现了以电

10、信号传递信息为主的世纪以来，出现了以电信号传递信息为主的控制过程，如：数控机床、控制炼钢等等。控制过程，如：数控机床、控制炼钢等等。第二次世界大战以前，在美国，一些不同学科第二次世界大战以前，在美国，一些不同学科的科学家自发地建立组织讨论会，研究各学科的科学家自发地建立组织讨论会，研究各学科之间的交叉资料问题。维纳参加了这样的讨论，之间的交叉资料问题。维纳参加了这样的讨论，得到了启迪，形成了控制论的思想基础。得到了启迪，形成了控制论的思想基础。n控制技术与人类进步控制技术与人类进步 控制论产生的基础控制论产生的基础 1.1 概概 述述13n 以维纳的以维纳的控制论控制论为标志，为标志，1948

11、1948年正式形成。年正式形成。n 三个时期：三个时期：第一个时期第一个时期 ：经典控制理论时期：经典控制理论时期 4040年代末到年代末到5050年代年代 单机自动化单机自动化 局部自动化局部自动化 单变量控制单变量控制 自动调节器自动调节器 伺服系统伺服系统 第二个时期第二个时期 ：现代控制理论时期：现代控制理论时期 6060年代年代 多变量控制多变量控制 最优控制最优控制 多种变化因素多种变化因素 航天系统航天系统 导弹系统导弹系统 人造卫星人造卫星 第三个时期第三个时期 ：大系统理论时期：大系统理论时期 7070年代年代 规模庞大规模庞大 结构复杂结构复杂 变量参数多变量参数多 目标不

12、单一目标不单一 生物系统生物系统 社会系统社会系统 机器人机器人 1.1 概概 述述控制论的发展及现状（控制论的发展及现状（1 1）14n 发展前景：发展前景：向大系统理论发展向大系统理论发展:规模庞大、结构复杂、功能综合、因数众规模庞大、结构复杂、功能综合、因数众多多 向智能控制系统发展：自组织、自学习、自修复、自繁殖向智能控制系统发展：自组织、自学习、自修复、自繁殖n 以理论控制论为中心的四大分支（也有不同分以理论控制论为中心的四大分支（也有不同分法）：法）：工程控制论工程控制论 （技术系统、工程系统）（技术系统、工程系统）生物控制论生物控制论 （生物系统）（生物系统）社会控制论社会控制论

13、 （社会系统）（社会系统）智能控制论智能控制论 （思维系统）（思维系统）1.1 1.1 概概 述述控制论的发展及现状（控制论的发展及现状（2 2）15n定义定义 作为一种研究方法，就是运用信息论观点，把系统看作为一种研究方法，就是运用信息论观点，把系统看作是借助于信息的获取、加工、处理、传递而实现其作是借助于信息的获取、加工、处理、传递而实现其目的的运动过程。目的的运动过程。19481948年申农发表的代表作年申农发表的代表作被视为被视为信息论的奠基之作。信息论的奠基之作。n研究范围研究范围 主要研究一切与信息有关的概念、理论及信息传播的主要研究一切与信息有关的概念、理论及信息传播的各种要素与

14、效果问题各种要素与效果问题。1.1 1.1 概概 述述“信息论信息论”简介（简介（1 1）16n 信息要素信息要素 在信息论中，信息被视为客观世界的第三大要素。在信息论中，信息被视为客观世界的第三大要素。它与第一大要素物质，第二大要素能量相并列。就是它与第一大要素物质，第二大要素能量相并列。就是说，世界由物质说，世界由物质,能量和信息三者构成。能量和信息三者构成。1.1 1.1 概概 述述“信息论信息论”简介（简介（2 2）17n古典控制理论古典控制理论 用频域法、时域法解决单输入、单输出线性定常系统用频域法、时域法解决单输入、单输出线性定常系统的问题。的问题。时域法时域法在时间域内解决问题在

15、时间域内解决问题 频域法频域法在频率域内解决问题在频率域内解决问题n现代控制理论现代控制理论 用时域法（状态空间法）解决多输入、多输出的线性用时域法（状态空间法）解决多输入、多输出的线性及非线性时变系统的问题及最优控制问题。及非线性时变系统的问题及最优控制问题。1.1 1.1 概概 述述控制理论分类控制理论分类18n 课程范围课程范围 课程以反馈控制理论为核心，突出基本概念和基本方课程以反馈控制理论为核心，突出基本概念和基本方法，介绍控制系统建模方法，线性系统的时域、频域法，介绍控制系统建模方法，线性系统的时域、频域和根轨迹的分析与设计方法，介绍基于和根轨迹的分析与设计方法，介绍基于MATLA

16、BMATLAB的控制的控制系统分析、设计和仿真。系统分析、设计和仿真。n 课程意义课程意义 控制工程基础控制工程基础讲授各类控制系统共性的技术基础讲授各类控制系统共性的技术基础科学知识，具有科学方法论的鲜明特点，研究的问题科学知识，具有科学方法论的鲜明特点，研究的问题带有普遍性，对工程实践具有重要的指导意义，为培带有普遍性，对工程实践具有重要的指导意义，为培养学生运用控制原理的方法，分析和解决各种工程问养学生运用控制原理的方法，分析和解决各种工程问题奠定扎实的理论基础题奠定扎实的理论基础。课程简介课程简介 1.1 1.1 概概 述述19 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念工程控制论工程控制

17、论n研究工程技术中的广义系统的控制规律研究工程技术中的广义系统的控制规律。图1 离心调速器的工作原理 方框方框1 1为原动机；方框为原动机；方框2 2为工作机；为工作机；框框5 5内是由两个对称的摇杆滑块机构组成的调速器本体内是由两个对称的摇杆滑块机构组成的调速器本体 20 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念离心调速动画离心调速动画21系统系统 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念u指相互作用的两个或两个以上的元素构成的整体。指相互作用的两个或两个以上的元素构成的整体。系统是相互作用的多个要素的整体系统是相互作用的多个要素的整体abcdn1.整体的性质不是要素具备的整体的性质不是要素具备

18、的2.要素的性质影响整体要素的性质影响整体3.要素性质之间相互影响。要素性质之间相互影响。22 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念系统系统 任何事物都是一个整体，大至宇宙、世界、任何事物都是一个整体，大至宇宙、世界、国家、复杂的工业过程，小至一个单位、人、国家、复杂的工业过程，小至一个单位、人、一个器件。一个器件。结构是多个联系的形式。总体来看，系统内结构是多个联系的形式。总体来看，系统内部的基本联系可以分为两种基本类型：一类部的基本联系可以分为两种基本类型：一类是由是由“单向作用单向作用”联系形成的简单系统，一联系形成的简单系统，一类是由类是由“相互作用相互作用”联系形成的复杂系统。联系

19、形成的复杂系统。A BA B单向作用单向作用相互作用相互作用23 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念系统系统A BA B由单向作用构成的由单向作用构成的系统其行为表现出系统其行为表现出机械性（简单性、机械性（简单性、被动性和线性作被动性和线性作用）。用）。由相互作用构成的系统其行为由相互作用构成的系统其行为表现出有机性和自组织性表现出有机性和自组织性 （复杂性、非线性作用、自动（复杂性、非线性作用、自动性、自调节、自复制、自创性、自调节、自复制、自创生）。生）。24n 系统框图系统框图 输入：外界对系统的激励输入：外界对系统的激励/作用，包括外加控制与外加作用，包括外加控制与外加干扰。干扰

20、。输出：系统对输入的响应。输出：系统对输入的响应。固有特性：由系统的结构与参数所决定的系统特性，固有特性：由系统的结构与参数所决定的系统特性，决定信息在系统内部的传递与交互。决定信息在系统内部的传递与交互。输入 系 统输出图2 系统的框图 n 系统模型：数学模型系统模型：数学模型 动力学方程动力学方程 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念系统系统25 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念控制控制n 控制：按照主体的意愿使事物向期望的目标控制：按照主体的意愿使事物向期望的目标 发展。发展。n 控制控制-是一种普遍现象，存在与一切事物是一种普遍现象，存在与一切事物之中。之中。一个国家有法律、行

21、政、经济、舆论等手段一个国家有法律、行政、经济、舆论等手段 人有大脑人有大脑 自动机有内部控制系统。如：离心调速器。自动机有内部控制系统。如：离心调速器。n 控制部分控制部分+受控部分受控部分=控制系统控制系统 控制部分以某种方式给予受控部分以影响控制部分以某种方式给予受控部分以影响 受控部分就按照影响变化自己的行为受控部分就按照影响变化自己的行为 。26 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念n 简单的简单的“控制控制”的意义和的意义和“控制论控制论”中中“控制控制”的概念的概念 是有区别的是有区别的。控制控制发展时期发展时期人类初期人类初期第一次解放第一次解放（体力劳动的（体力劳动的解放）

22、解放）第二次解放第二次解放（脑力劳动的（脑力劳动的解放）解放）系统系统人人工具工具人人机器机器自动化自动化控制实现（系统之控制实现（系统之间的联系形式）间的联系形式）物质物质能量能量信息信息27 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念控制控制加热电阻丝温度计 调压器220V恒温箱人工控制系统恒温箱人工控制系统28 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念控制控制u2u1电热偶加热电阻丝给定信号电压放大器功率放大器执行电动机减速器调压器u220V比较恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统29 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念控制控制输入信号：电流输入信号：电流 i(t)（时间的函数）（时间的函

23、数）输出信号：炉温输出信号：炉温 T T被控对象：炉子被控对象：炉子检测元件：热电偶检测元件：热电偶执行元件：电机齿轮装置执行元件：电机齿轮装置比较环节：由电路实现比较环节：由电路实现（热电偶（热电偶-可将温度信号变为电信号，由些金属冷端和热端之间可将温度信号变为电信号，由些金属冷端和热端之间有压差，不同的金属压差不同）有压差，不同的金属压差不同）控制过程：检测控制过程：检测 比较比较 调整调整 （热电偶）（热电偶）（电路）（电机齿轮、调压器）（电路）（电机齿轮、调压器）30 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念控制控制不管是人工控制还是自动控制，控制具有以下三个步骤：不管是人工控制还是自动

24、控制，控制具有以下三个步骤：检测被控制量，检测被控制量，将所测得的被控制量与给定值比较，得出偏差，将所测得的被控制量与给定值比较，得出偏差，用偏差产生的调节作用来消除偏差。用偏差产生的调节作用来消除偏差。“检测偏差，消除偏差检测偏差，消除偏差”，前四个字是手段，后四个字是，前四个字是手段，后四个字是目目的。这一过程周而复始。的。这一过程周而复始。31 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念信息信息n 什么是信息？什么是信息？唐朝唐朝李中碧云集李中碧云集中，有中，有“梦断美人沉梦断美人沉信息信息，日穿，日穿长路倚楼台长路倚楼台”之句。其中之句。其中“信息信息”可理解为可理解为“消息消息”。哲学家

25、：信息是人类认识论的基础，是物质的基本属哲学家：信息是人类认识论的基础，是物质的基本属性之一。性之一。物理学家：信息是负熵。物理学家：信息是负熵。控制论学者：控制论学者：信息是系统之间普遍联系的一种普遍的信息是系统之间普遍联系的一种普遍的特殊形式。特殊形式。借助信息，可以了解和改变系统的状态。借助信息，可以了解和改变系统的状态。信息并非事物本身，而是表征事物，并由事物发出的信息并非事物本身，而是表征事物，并由事物发出的消息、情报、指令、数据和信号中所包含的内容。消息、情报、指令、数据和信号中所包含的内容。32 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念信息的流通、交换信息的流通、交换 （控制论的三

26、大要素之二控制论的三大要素之二）n信息在控制中的作用信息在控制中的作用 要使控制行为得以实现，就要求控制部分以某种方要使控制行为得以实现，就要求控制部分以某种方式给予受控部分以影响，受控部分就按照影响变化式给予受控部分以影响，受控部分就按照影响变化自己的行为，这种联系和影响是什么？如：电、力、自己的行为，这种联系和影响是什么？如：电、力、风、生物电脉冲等。风、生物电脉冲等。共同点：控制内容的消息共同点：控制内容的消息-信息，正是控制部分信息，正是控制部分和受控部分之间发生了这种信息的联系、信息的运和受控部分之间发生了这种信息的联系、信息的运动，控制过程才得以实现。动，控制过程才得以实现。控制过

27、程就是系统中信息运动的过程。控制的过程控制过程就是系统中信息运动的过程。控制的过程就是借助不同形式、不同载体的信息运动去指挥各就是借助不同形式、不同载体的信息运动去指挥各种物质运动和能量转换。种物质运动和能量转换。33 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念u控制机工作，实际上就是以某种方式向机器发出信控制机工作，实际上就是以某种方式向机器发出信号，机器接受信息的地方叫输入端。机器接受到控制号，机器接受信息的地方叫输入端。机器接受到控制信息产生一系列动作，去完成指定工作，产生这些运信息产生一系列动作，去完成指定工作，产生这些运动的地方叫动的地方叫执行机构执行机构或或控制机构控制机构。机器完成了

28、指定的。机器完成了指定的工作，产生出工作效果的地方叫输出端。如：工作，产生出工作效果的地方叫输出端。如：信息的流通、交换信息的流通、交换（控制论的三大要素之二）（控制论的三大要素之二）开汽车用手取物方向盘手臂神经输入端转动机构 手臂、肌肉、大脑执行机构（控制机构）车轮手指输出端力生物电信息34 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念反馈反馈n 控制理论中称信息的双向运动为控制理论中称信息的双向运动为“反馈联系反馈联系”。联系的实质是信息的传输与交换联系的实质是信息的传输与交换。n“反馈反馈”是指：控制系统把信息传输出去后，是指：控制系统把信息传输出去后，又将信息的作用返回到控制系统，并对控制系

29、又将信息的作用返回到控制系统，并对控制系统的再输出产生影响。统的再输出产生影响。如：司机开汽车，如：司机开汽车，GPSGPS导航系统，电冰箱的自动调节导航系统，电冰箱的自动调节35 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念电冰箱实例电冰箱实例工作系统工作系统 输入输入(电源电源)信息反馈信息反馈 输出输出(降温降温)+-18C36 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念反馈的两种方式反馈的两种方式n 正反馈正反馈 凡是后输出的信息与原输出的信息起着相同的作用，凡是后输出的信息与原输出的信息起着相同的作用，使总的输出增大的反馈调节。使总的输出增大的反馈调节。n 负反馈负反馈 凡是后输出的信息与原输

30、出的信息起着相反的作用，凡是后输出的信息与原输出的信息起着相反的作用，使总的输出减小的反馈调节。使总的输出减小的反馈调节。37 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念正反馈与负反馈的结构正反馈与负反馈的结构正反馈基本结构负反馈基本结构38 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念正反馈是一种正反馈是一种自推动性自推动性循环循环口碑口碑良好良好顾客顾客满意满意销售销售企业企业士气士气正反馈机制能够自主地推动系统加速度地离开原初状态，自动正反馈机制能够自主地推动系统加速度地离开原初状态，自动地走向新的状态，其速度是出人意料的。地走向新的状态，其速度是出人意料的。39 1.2 1.2 基基 本本 概概

31、 念念敌军敌军首级首级自由自由土地土地40 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念负反馈是一种负反馈是一种自稳定性自稳定性循环循环高低高低调控调控系统系统偏差偏差初态初态自动恢复初态自动恢复初态负反馈机制能够抗拒干扰，减弱偏差，使系统自动恢复负反馈机制能够抗拒干扰，减弱偏差，使系统自动恢复原初状态，表现出有目的的行为。原初状态，表现出有目的的行为。温度温度差距差距出汗出汗打战打战期望期望温度温度41 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念 控制的反馈机制控制的反馈机制（控制论的三大要素之三）（控制论的三大要素之三）n 反馈是如何调节控制行为的呢？反馈是如何调节控制行为的呢？反馈调节完全可以看成

32、是一种原因与结果不断相互作反馈调节完全可以看成是一种原因与结果不断相互作用的关系。用的关系。反馈的两种作用方式是控制论中要研究的主要问题。反馈的两种作用方式是控制论中要研究的主要问题。n 信息在这种循环往返的过程中，不断改变内容，信息在这种循环往返的过程中，不断改变内容，实现控制，这就是控制论所揭示的反馈机制。实现控制，这就是控制论所揭示的反馈机制。42 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念系统的延滞、波动与控制决策系统的延滞、波动与控制决策实际问题实际问题调整行动调整行动波动波动:波动因子波动因子水波、股市波动、经济涨落、初学汽车水波、股市波动、经济涨落、初学汽车“画龙画龙”系统波动的原因

33、是一个有延滞的负反馈系统波动的原因是一个有延滞的负反馈43 1.2 1.2 基基 本本 概概 念念学习驾驶学习驾驶偏差偏差右右调整调整右右左左左左延滞延滞44反馈控制和反馈控制系统反馈控制和反馈控制系统n反馈控制反馈控制u 基于反馈基础上的基于反馈基础上的“检测偏差、纠正偏差检测偏差、纠正偏差”的控制原理。的控制原理。n反馈控制系统反馈控制系统u利用反馈原理组成的系统，也称为闭环控利用反馈原理组成的系统，也称为闭环控制系统。制系统。1.2 1.2 基基 本本 概概 念念45 1.3 1.3 自动控制系统及控制方式自动控制系统及控制方式自动控制系统自动控制系统n 自动控制自动控制u自动控制指在没

34、有人直接参与的情况下，利用控制自动控制指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如：机器、设备或生产过程）的装置使被控对象（如：机器、设备或生产过程）的某一物理量（或工作状态）自动地按照预定的规律某一物理量（或工作状态）自动地按照预定的规律运行（或变化）。运行（或变化）。n 自动控制系统自动控制系统u自动控制系统是指能够对被控制对象的工作状态进自动控制系统是指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。行自动控制的系统。46自动控制系统的组成自动控制系统的组成n 基本组成基本组成 被控对象：要求实现自动控制的机器、设备被控对象：要求实现自动控制的机器、设备和生产过程和生产过程 控制

35、装置：对被控对象起控制作用的设备的控制装置：对被控对象起控制作用的设备的总体。总体。图1.3 反馈控制系统组成 1.3 1.3 自动控制系统及控制方式自动控制系统及控制方式47 1.3 1.3 自动控制系统及控制方式自动控制系统及控制方式自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式n 两种：开环控制、闭环控制两种：开环控制、闭环控制n 开环控制开环控制u是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。反向联系的控制。u特点：信号流动的单向性、无反馈。特点：信号流动的单向性、无反馈。u开环系统是指具有开环控制方式的控制系统。开环开环

36、系统是指具有开环控制方式的控制系统。开环系统的输出量不对系统的控制发生作用。系统的输出量不对系统的控制发生作用。输入信号 控制装置 被控对象输出信号 图1.4 开环系统48 1.3 1.3 自动控制系统及控制方式自动控制系统及控制方式开环控制实例开环控制实例例例1 1：电加热炉：电加热炉 输入信号：电流输入信号：电流i(t)i(t)被控对象：炉子被控对象：炉子控制装置：开关控制装置：开关k k，电阻丝，电阻丝 输出信号：炉温输出信号：炉温T T 图1.5 电加热炉49 1.3 1.3 自动控制系统及控制方式自动控制系统及控制方式自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式n 闭环控制闭

37、环控制u闭环控制是指控制装置与被控对象之间既有顺向作闭环控制是指控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的控制。用，又有反向联系的控制。u特点：信号流动的双向性、有反馈。特点：信号流动的双向性、有反馈。u闭环系统是指具有闭环控制方式的控制系统。闭环闭环系统是指具有闭环控制方式的控制系统。闭环系统的输出量对系统的控制发生作用，它可以实现系统的输出量对系统的控制发生作用，它可以实现复杂而又准确的控制。复杂而又准确的控制。输入信号输出信号 检测装置 控制装置 被控对象 图1.6 闭环系统50 1.3 1.3 自动控制系统及控制方式自动控制系统及控制方式自动控制系统的分类自动控制系统的分类n

38、常用的分类常用的分类：按时间概念分按时间概念分 定常系统定常系统 时变系统时变系统 按信号的性质分按信号的性质分 连续系统连续系统 离散系统离散系统 按数学模型分按数学模型分 线性系统线性系统 非线性系统非线性系统 按控制方式分按控制方式分 开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统 按输入输出信号的数量分按输入输出信号的数量分 单输入单输出系统单输入单输出系统 多输入系多输出系统多输入系多输出系统 按系统功用分类按系统功用分类 温度控制系统温度控制系统 位置控制统位置控制统 按系统参数分布特征分按系统参数分布特征分 集中参数系统集中参数系统 分布参数统分布参数统 按元件类型分类按元件

39、类型分类 机电系统机电系统 气动系统气动系统 液压系统液压系统 生物系统生物系统51 1.3 1.3 自动控制系统及控制方式自动控制系统及控制方式自动控制系统注意事项自动控制系统注意事项n 在工程控制系统中以下几点要注意：在工程控制系统中以下几点要注意：u严格地讲，任何的实际系统都是非线性的，只是形严格地讲，任何的实际系统都是非线性的，只是形式不同、程度不同。非线性系统分为：式不同、程度不同。非线性系统分为：本质非线性本质非线性 不能线性化处理，用特殊的研究方法不能线性化处理，用特殊的研究方法 非本质非线性非本质非线性 线性化处理后，用线性系统的理论研究线性化处理后，用线性系统的理论研究u严格

40、地讲，任何实际系统都是时变的，系统的参数严格地讲，任何实际系统都是时变的，系统的参数总会随时间的变化。总会随时间的变化。u严格地讲，任何实际系统都存在随机性严格地讲，任何实际系统都存在随机性。u一般地，为了全面的反映自动控制系统的特点，常一般地，为了全面的反映自动控制系统的特点，常常将上述各类分类方法组合应用。常将上述各类分类方法组合应用。52 1.4 1.4 基本要求基本要求对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求n 系统能正常工作系统能正常工作 ，满足，满足“稳、准、快稳、准、快”：稳稳 稳定稳定 系统的稳定性系统的稳定性 准准 响应的准确性响应的准确性 稳态（终态稳态（终态 静态）静态）

41、稳态性稳态性 快快 响应的快速性响应的快速性 动态（瞬态动态（瞬态 暂态）暂态）动动态性态性53 1.4 1.4 基本要求基本要求稳定性稳定性n 稳定性定义稳定性定义u是指系统抵抗动态过程振荡倾向和系统能够恢复平是指系统抵抗动态过程振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力衡状态的能力。n 稳定性的要求稳定性的要求u是保证系统能正常工作的先决条件，任何系统只有是保证系统能正常工作的先决条件，任何系统只有在稳定的情况下才有可能正常工作在稳定的情况下才有可能正常工作。54 1.4 1.4 基本要求基本要求n稳态性定义稳态性定义u理论上讲控制系统的稳态性能是指理论上讲控制系统的稳态性能是指 时系时系统的性

42、能。但通常地是将系统引到一个稳定的工统的性能。但通常地是将系统引到一个稳定的工作状态时的性能称为稳态性。作状态时的性能称为稳态性。u通常它由稳态精度来描述和刻划，亦称为稳态通常它由稳态精度来描述和刻划，亦称为稳态误差。这里误差是指希望输出与实际输出的差别误差。这里误差是指希望输出与实际输出的差别。稳态性稳态性t55 1.4 1.4 基本要求基本要求动态性动态性n 动态性能动态性能u是指系统从一个状态变化到另一个状态，即过渡过是指系统从一个状态变化到另一个状态，即过渡过程的性能。过渡过程的性能主要由快速性能和振荡程的性能。过渡过程的性能主要由快速性能和振荡性能来描述。性能来描述。n 快速性快速性

43、u是指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，是指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。消除这种偏差的快速程度。u一般的对控制系统来说，快速性是越快越好，振荡一般的对控制系统来说，快速性是越快越好，振荡性是越小越好，有的系统不允许有振荡。性是越小越好，有的系统不允许有振荡。56 1.5 1.5 控制系统的应用控制系统的应用控制系统示例控制系统示例57 提示提示课程结构课程结构控制系统（线性）机械电气液压气压数学建模微分方程传递函数实验数据状态方程控制系统分析控制系统设计 空间状态、鲁棒、最优控制、模糊、智能现代设计分析方法经典设计分析方法时域分析频域分析58 思考思考 1 1什么是控制工程？什么是控制工程？2 2为什么学？怎样学？为什么学？怎样学？3 3自动控制系统工作原理。自动控制系统工作原理。4 4名词术语。名词术语。5 5自动控制系统的基本要求。自动控制系统的基本要求。6 6液位控制系统。液位控制系统。59 思考思考JIANZHU RUODIAN YINGYONG JISHUJIANZHU RUODIAN YINGYONG JISHU60JIXIE KONGZHI GONGCHENG JICHU