1、控制工程基础控制工程基础0 0章章 前言前言控制工程基础控制工程基础 前言前言 1 1、课程简介、课程简介 2 2、课程主要内容的讲授方式、课程主要内容的讲授方式 3 3、课程的教学目标和基本要求、课程的教学目标和基本要求 4 4、主要参考书及其特点、主要参考书及其特点 5 5、课程各章节间的相互关系、课程各章节间的相互关系 6 6、学时安排、学时安排 7 7、其它要求、其它要求控制工程基础控制工程基础1 1、课程简介、课程简介 控制工程基础控制工程基础课程是机械工程类专业的一门课程是机械工程类专业的一门重要的学科基础课程重要的学科基础课程，既是基础课的深入，又是，既是基础课的深入，又是专业课
2、的理论基础。专业课的理论基础。 理论性强、抽象程度高，知识点多，而且习题多理论性强、抽象程度高，知识点多，而且习题多、难度大。、难度大。2 2、课程主要内容的讲授方式课程主要内容的讲授方式 依据教学大纲，适当补充一些内容。依据教学大纲，适当补充一些内容。 根据不同章节内容分别采取叙述式、启发式、案根据不同章节内容分别采取叙述式、启发式、案例式、讨论式、跳跃式、研究性等方法讲授。例式、讨论式、跳跃式、研究性等方法讲授。控制工程基础控制工程基础3 3、课程的教学目标和基本要求、课程的教学目标和基本要求 了解控制系统的基本组成与结构的基础上，了解控制系统的基本组成与结构的基础上，学习建立系统的学习建
3、立系统的动态数学模型动态数学模型；对数学模型；对数学模型的求解衍生出三种的求解衍生出三种分析分析方法（方法（时域分析法，时域分析法，根轨迹法根轨迹法 ，频域分析法，频域分析法）；掌握控制系统）；掌握控制系统稳定性稳定性判别方法；具备根据控制系统性能指判别方法；具备根据控制系统性能指标的要求进行系统标的要求进行系统校正校正和和设计设计的能力。的能力。为今为今后从事机电一体化大系统的分析和研究奠定后从事机电一体化大系统的分析和研究奠定基础。基础。控制工程基础控制工程基础 4 4、主要参考书及其特点、主要参考书及其特点中文名中文名: : 现代控制系统现代控制系统原名原名: Modern Contro
4、l Systems: Modern Control Systems作者作者: Richard C. Dorf Robert H. Bishop: Richard C. Dorf Robert H. Bishop20072007年电子工业出版社年电子工业出版社中文名中文名: : 现代控制工程现代控制工程原名原名: Modern Control Engineering Fifth Edition: Modern Control Engineering Fifth Edition作者作者: Katsuhiko Ogata: Katsuhiko Ogata20032003年电子工业出版社年电子工业出版
5、社 控制工程基础控制工程基础4 4、主要参考书及其特点、主要参考书及其特点董景新、赵长德等编著董景新、赵长德等编著清华大学出版清华大学出版作者：胡寿松作者：胡寿松科学出版社科学出版社控制工程基础控制工程基础工程控制论（新世纪版）工程控制论（新世纪版） 钱学森钱学森 上海交通大学上海交通大学出版社出版社 4 4、主要参考书及其特点、主要参考书及其特点控制工程基础控制工程基础5 5、课程各章节间的相互关系、课程各章节间的相互关系控制系统的基本概念（控制系统的基本概念（1 1）控制系统的数学模型（控制系统的数学模型（2 2）控制系统的的分析（控制系统的的分析（3 3、4 4、5 5）时域分析（时域分
6、析（3 3）频域分析（频域分析（4 4）根轨迹分析根轨迹分析稳定性分析（稳定性分析（5 5）控制系统的综合（控制系统的综合（6 6）时域分析法（时域分析法（3 3）频域分析法（频域分析法（4 4）根轨迹法根轨迹法控制工程基础控制工程基础6 6、学时安排、学时安排序号序号教学内容教学内容教学环节（课时）教学环节（课时）讲课讲课习题习题讨论讨论课外课外小计小计0前言前言1231绪论绪论4352系统数学模型系统数学模型14126383系统时间响应分析系统时间响应分析10110184系统频率特性分析系统频率特性分析8110195系统的稳定性系统的稳定性718166系统的性能指标与校正系统的性能指标与校
7、正 4122048471119控制工程基础控制工程基础8 8、其它要求、其它要求 课前做好预习，带着问题听讲。课前做好预习，带着问题听讲。 独立完成作业，杜绝抄袭作业现象。独立完成作业，杜绝抄袭作业现象。 保证课外自习的学习时间，培养独立学习的能力。保证课外自习的学习时间，培养独立学习的能力。 遵守纪律，不迟到、早退，更不能缺课。特殊情况必须遵守纪律，不迟到、早退，更不能缺课。特殊情况必须请假。请假。 尊重课堂，尊重劳动，也尊重自己。尊重课堂，尊重劳动，也尊重自己。控制工程基础控制工程基础第第1 1章章 绪论绪论控制工程基础控制工程基础主要内容：主要内容： 控制与自动控制技术的应用成果控制与自
8、动控制技术的应用成果 控制论简介控制论简介 反馈控制系统的基本结构与组成反馈控制系统的基本结构与组成 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 控制系统的分类与控制系统的基本要求（性能指标）控制系统的分类与控制系统的基本要求（性能指标） 自动控制的发展及现状自动控制的发展及现状第一章第一章 绪论绪论控制工程基础控制工程基础1 1、什么是控制？、什么是控制？ 人操控开关点燃灯是不是控制？人操控开关点燃灯是不是控制？ “人猿相揖别，只几个石头磨过，小儿时节。人猿相揖别，只几个石头磨过，小儿时节。” 人人-控制者控制者 工具工具-被控制者（被控对象）被控制者（被控对象） -控制目
9、标控制目标 控制（人工控制）控制（人工控制）-人制造或使用工具的有目的的行为。人制造或使用工具的有目的的行为。 工具（机器或设备）或生产过程能否可以脱离人自动的工具（机器或设备）或生产过程能否可以脱离人自动的工作工作 ？ 人类很早以前就进行过自动化的尝试，产生了许多早期成人类很早以前就进行过自动化的尝试，产生了许多早期成果。果。控制工程基础控制工程基础2 2、我国自动控制技术的早期成果、我国自动控制技术的早期成果 人类社会的历史就是改造自然、控制自然的历史。人类社会的历史就是改造自然、控制自然的历史。 始建于公元前始建于公元前256年年 由分水由分水鱼嘴、飞沙堰、鱼嘴、飞沙堰、 宝瓶口宝瓶口等
10、部分组成。等部分组成。， 都江堰水利工程科学都江堰水利工程科学 地解决了江水地解决了江水自动分自动分 流、自动排沙、控制流、自动排沙、控制 进水流量进水流量等问题，消等问题，消 除了水患。除了水患。控制工程基础控制工程基础 相传早在相传早在50005000多年前多年前, ,黄黄帝时代就已经发明了指南帝时代就已经发明了指南车车, ,当时黄帝曾凭着它在当时黄帝曾凭着它在大雾弥漫的战场上指示方大雾弥漫的战场上指示方向向, ,战胜了蚩尤。战胜了蚩尤。2 2、我国自动控制技术的早期成果、我国自动控制技术的早期成果控制工程基础控制工程基础 地动仪是我古代汉族科学家地动仪是我古代汉族科学家创造的一传世杰作，
11、由创造的一传世杰作，由东汉东汉时期天文学家时期天文学家张衡张衡在阳嘉元在阳嘉元年年( (公元公元132132年年) )发明，称为候发明，称为候风地动仪，这也是世界上的风地动仪，这也是世界上的第一架地动仪。第一架地动仪。2 2、我国自动控制技术的早期成果、我国自动控制技术的早期成果控制工程基础控制工程基础 明嘉靖年间明嘉靖年间( (公元一五二二年公元一五二二年 至一五六六年至一五六六年) )兰州人兰州人段续段续所所 造造, ,是一种利用黄河水流自然是一种利用黄河水流自然 的冲击力冲动车轮叶板，推动的冲击力冲动车轮叶板，推动 水车转动，水斗便舀满河水，水车转动，水斗便舀满河水， 将水提升将水提升2
12、020米左右，等转至顶米左右，等转至顶 空后再倾入木槽，源源不断，空后再倾入木槽，源源不断， 流入园地，以利灌溉。这种通流入园地，以利灌溉。这种通 过水车转动，过水车转动，自动自动提水灌溉农提水灌溉农 田的水利设施，是古代的田的水利设施，是古代的“自自来水工程来水工程 。 2 2、我国自动控制技术的早期成果、我国自动控制技术的早期成果控制工程基础控制工程基础3 3、什么是自动控制？、什么是自动控制？ 机器、设备或生产过程（统称被控对象）自动地按照预机器、设备或生产过程（统称被控对象）自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念概念而言的。指而言的。指
13、的是在没人参与的情况下，被控对象在控制装置干预下，的是在没人参与的情况下，被控对象在控制装置干预下，自动地按预定自动地按预定规律规律运行。运行。 都江堰水利工程、指南车、地动仪，兰州水车都是离开都江堰水利工程、指南车、地动仪，兰州水车都是离开人的干预自动工作的。人的干预自动工作的。控制工程基础控制工程基础4 4、控制技术的现代应用、控制技术的现代应用瑞典博福斯公司研制的瑞典博福斯公司研制的“双鹰双鹰”水下扫雷机器人水下扫雷机器人控制工程基础控制工程基础火炮系统火炮系统控制工程基础控制工程基础航天工程控制工程基础控制工程基础高铁技术高铁技术控制工程基础控制工程基础四轴数控机床四轴数控机床控制工程
14、基础控制工程基础5 5、控制论简介、控制论简介 系统论系统论的创始人是美籍奥地利生物学家的创始人是美籍奥地利生物学家贝塔朗菲贝塔朗菲。著作著作关于一般系统论关于一般系统论-1945-1945年。年。系统论是研究系统论是研究系统的模式、性能、行为和规律的一门科学。系统的模式、性能、行为和规律的一门科学。控制论控制论的创始人是著名美国数学家的创始人是著名美国数学家维纳维纳（WienerNWienerN）。）。著作著作控制论控制论关于动物和机器中的控制与通信的关于动物和机器中的控制与通信的科学科学-1948-1948年。年。控制论为人们对系统的管理和控控制论为人们对系统的管理和控制提供了一般方法论的
15、指导。制提供了一般方法论的指导。信息论信息论是由美国数学家是由美国数学家香农香农创立的。著作创立的。著作通信的数通信的数学理论学理论-1948-1948年。年。信息论认为信息论认为, ,系统正是通过获取、系统正是通过获取、传递、加工与处理信息而实现其有目的的运动的传递、加工与处理信息而实现其有目的的运动的；信信息是一切系统保持一定结构、实现其功能的基础。息是一切系统保持一定结构、实现其功能的基础。 老三论（简称老三论（简称SCI SCI ）控制工程基础控制工程基础 18931893年生，天才神童，美国人，哲学家、数学家。年生，天才神童，美国人，哲学家、数学家。 3 3岁开始读书上，生物学和天文
16、学的初级科学岁开始读书上，生物学和天文学的初级科学 读物成了他在科学方面的启蒙书籍。读物成了他在科学方面的启蒙书籍。 1111岁写出感知理论的哲学论文。岁写出感知理论的哲学论文。 1414岁塔夫茨学院大学毕业。岁塔夫茨学院大学毕业。 1818岁哈佛大学哲学博士。岁哈佛大学哲学博士。 代表作：代表作：人有人的用处人有人的用处，行为、目的、行为、目的、目的性目的性。 5555岁（岁（19481948年）创立年）创立控制论控制论。 维纳其人维纳其人大器晚成的科学家大器晚成的科学家控制工程基础控制工程基础 第二次世界大战期间，第二次世界大战期间，维纳接受了军方的一项与火力控制维纳接受了军方的一项与火力
17、控制有关的研究工作，这个研究小组邀请了许多不同领域的科有关的研究工作，这个研究小组邀请了许多不同领域的科学家，维纳基于深厚的生物学知识和数学知识，深入探索学家，维纳基于深厚的生物学知识和数学知识，深入探索模拟人脑的行为来控制火炮。模拟人脑的行为来控制火炮。 上世纪上世纪40年代，伴随着科学技术的发年代，伴随着科学技术的发 展，一系列的科学技术问题是某一领展，一系列的科学技术问题是某一领 域单独学科的科学家无法解决的。这域单独学科的科学家无法解决的。这 促使许多不同学科的科学家自行组织促使许多不同学科的科学家自行组织 各种讨论会，研究共同感兴趣的问题，主要是各学科之间各种讨论会，研究共同感兴趣的
18、问题，主要是各学科之间交叉的问题。交叉的问题。维纳经常参加这类聚会结识了一批生物学维纳经常参加这类聚会结识了一批生物学家、物理学家、数学家、化学家、计算机科学家等，为家、物理学家、数学家、化学家、计算机科学家等，为创立控制论奠定了一定基础。创立控制论奠定了一定基础。控制论形成基础控制论形成基础控制工程基础控制工程基础控制论中的三要素：控制论中的三要素：同构理论，信息的流动与交换，反同构理论，信息的流动与交换，反馈机制。馈机制。控制论中的同构理论：控制论中的同构理论：小孩取物小孩取物 感觉器官：眼、耳感觉器官：眼、耳 中枢决策器官：大脑中枢决策器官：大脑 执行器官：手、脚执行器官：手、脚火炮打飞
19、机火炮打飞机维纳是如何发现问题、提出并创立控制理论的？维纳是如何发现问题、提出并创立控制理论的？控制工程基础控制工程基础 尽管机器与动物在本质上有着天壤之别，有着有生尽管机器与动物在本质上有着天壤之别，有着有生命和无生命的差别，但从机器控制的动作和人的行命和无生命的差别，但从机器控制的动作和人的行为过程来看，他们有着相当确切的为过程来看，他们有着相当确切的“同构性同构性”，这，这就是在实现机器动作和人的行为过程中，无一例外就是在实现机器动作和人的行为过程中，无一例外的经过了的经过了检测、决策、执行检测、决策、执行三个环节。三个环节。 在小孩取物和火炮打飞机的过程中，检测的是被控在小孩取物和火炮
20、打飞机的过程中，检测的是被控对象的位置坐标信息，决策机构是根据位置坐标信对象的位置坐标信息，决策机构是根据位置坐标信息进行决策，执行机构根据决策机构的决策信息进息进行决策，执行机构根据决策机构的决策信息进行执行。行执行。小结小结控制工程基础控制工程基础举世闻名的上甘岭战役中，电话线经常被敌人炸断，一举世闻名的上甘岭战役中，电话线经常被敌人炸断，一天不知道要被炸断多少次。电话线炸断通信中断，首长天不知道要被炸断多少次。电话线炸断通信中断，首长失去对战场的有效指挥，为了确保通信畅通，涌现了许失去对战场的有效指挥，为了确保通信畅通，涌现了许多英雄。有个叫牛保才的战士，为了接通电话，顽强地多英雄。有个
21、叫牛保才的战士，为了接通电话，顽强地用被美军子弹打穿的右手捏住电话线的一端，用嘴咬住用被美军子弹打穿的右手捏住电话线的一端，用嘴咬住另一端，以自己的身体接通了电话线路，保证了战斗命另一端，以自己的身体接通了电话线路，保证了战斗命令的及时下达。一次秦基伟军长打电话，多说了几句鼓令的及时下达。一次秦基伟军长打电话，多说了几句鼓励的话，电话转接员毫不客气地说：励的话，电话转接员毫不客气地说：“首长，别啰嗦了首长，别啰嗦了，拣要紧的说，赶紧下命令吧。，拣要紧的说，赶紧下命令吧。” 控制过程是信息的流动过程控制过程是信息的流动过程控制工程基础控制工程基础不同的信息的流动产生不同的结果不同的信息的流动产生
22、不同的结果控制工程基础控制工程基础盲人摸象游戏：盲人摸象游戏：蒙上眼睛信息只有单向流动，睁着蒙上眼睛信息只有单向流动，睁着眼睛信息是双向流动的。眼睛信息是双向流动的。信息的流动与信息的流动与交换交换我们先研究一下，蒙上了眼睛是怎么我们先研究一下，蒙上了眼睛是怎么控制摸象的？有没有信息的流动？为控制摸象的？有没有信息的流动？为什么具有不确定性？睁开眼睛，为什什么具有不确定性？睁开眼睛，为什么一定摸到象？么一定摸到象？蒙上眼睛摸象称为主动控制；睁着蒙上眼睛摸象称为主动控制；睁着 眼睛摸象称为被动控制。控制过程眼睛摸象称为被动控制。控制过程 是一个动态的过程。是一个动态的过程。控制工程基础控制工程基
23、础 反馈是指一个系统把信息输出后，又将系统的输出信反馈是指一个系统把信息输出后，又将系统的输出信息返回到系统的输入端并以某种方式改变输入，进而影息返回到系统的输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统的再输出的过程。响系统的再输出的过程。输输入入输输出出淮海战役的初步方案是小淮海战役，为什么越打越大？淮海战役的初步方案是小淮海战役，为什么越打越大？这就是信息双向流动的结果。这就是信息双向流动的结果。控制论中称信息的双向流动为控制论中称信息的双向流动为“反馈联系反馈联系”控制工程基础控制工程基础 维纳把控制论看作是一门研究机器、生命、社会（维纳把控制论看作是一门研究机器、生命、社会（同同构性构性）
24、中控制和通讯的一般规律的科学。控制的基础）中控制和通讯的一般规律的科学。控制的基础是信息，一切信息传递都是为了控制，任何控制又都是信息，一切信息传递都是为了控制，任何控制又都有赖于信息反馈来实现。信息反馈是控制论的一个极有赖于信息反馈来实现。信息反馈是控制论的一个极其重要的概念。其重要的概念。 控制论中，把所研究对象都视为系统（可以是控制论中，把所研究对象都视为系统（可以是机机器系统、生命系统、社会系统器系统、生命系统、社会系统等）。用于设定系统行等）。用于设定系统行为目标的输入称为控制输入，控制输入是指使系统达为目标的输入称为控制输入，控制输入是指使系统达到期望的目标值所需要的输入信号，系统
25、经决策、执到期望的目标值所需要的输入信号，系统经决策、执行所产生的行为或结果为实际输出，系统为达到行为行所产生的行为或结果为实际输出，系统为达到行为目标的历程是动态历程。目标的历程是动态历程。控制论表述控制论表述控制工程基础控制工程基础系统：系统：相互联系相互作用的元素构成的、一定功能的相互联系相互作用的元素构成的、一定功能的 有机整体。有机整体。系统与外界的相互作用：系统与外界的相互作用：外界对系统的作用：输入（激励）、干扰（扰动）外界对系统的作用：输入（激励）、干扰（扰动）系统对外界的作用：输出（响应）系统对外界的作用：输出（响应）系统输入输出外部激励系统内部的信息传递与交互系统响应系统的
26、层次性与相对性：系统的层次性与相对性： 系统的组成元素也可以是一个系统的组成元素也可以是一个系统（子系统）；整个系统又可以系统（子系统）；整个系统又可以是更上一层系统的子系统。是更上一层系统的子系统。三个要素：三个要素： 元素元素, 元素间的联系元素间的联系, 功能性。功能性。干扰系统的概念控制工程基础控制工程基础广义系统：广义系统：元件、部件、仪器、设备加工元件、部件、仪器、设备加工过程、操作设备、工段、车间、过程、操作设备、工段、车间、部门、工厂、企业、企业集团、部门、工厂、企业、企业集团、全球制造行业全球制造行业。机械工程中的广义系统：机械工程中的广义系统：譬如：譬如：机器系统、生命系统
27、机器系统、生命系统思维、学习、工作思维、学习、工作社会系统社会系统生产系统生产系统具备系统要素的一切事物或对象。具备系统要素的一切事物或对象。自然系统自然系统人造系统人造系统实体系统实体系统概念系统概念系统控制工程基础控制工程基础6 6、反馈控制系统的基本结构及组成、反馈控制系统的基本结构及组成人工控制人工控制自动控制自动控制自动控制示例自动控制示例1 1：液位控制系统：液位控制系统分析控制系统的组成要素：分析控制系统的组成要素：被控制对象：被控制对象：贮罐；贮罐；控制控制目标：目标：液位恒定；液位恒定；控制者：控制者：除被控对象之外的部分除被控对象之外的部分控制工程基础控制工程基础浮球期望液
28、位阀门贮罐实际液位（输出）液位计人脑实际液位扰动杠杆阀门贮罐实际液位（输出）实际液位扰动浮球位置期望液位人手人眼实际与期望液位差系统的表达控制系统中各子系统间的信号的传递与反馈系统的表达控制系统中各子系统间的信号的传递与反馈 关系：关系：分析控制原理。分析控制原理。控制工程基础控制工程基础预紧弹簧期望转速连杆阀门汽轮机转速（输出）离心机构实际转速滑套扰动控制示例控制示例2 2：汽轮机转速控制系统：汽轮机转速控制系统-离心调速器离心调速器分析控制系统的组成要素：分析控制系统的组成要素：被控制对象：被控制对象：贮罐；贮罐；控制控制目标：目标：转速恒定；转速恒定；控制者：控制者：除被控对象之外的部分
29、除被控对象之外的部分系统的表达控制系统中各系统的表达控制系统中各子系统间的信号的传递与反子系统间的信号的传递与反馈关系：馈关系：分析控制原理。分析控制原理。控制工程基础控制工程基础反馈方式：反馈方式：直接反馈、间接反馈、全部反馈、部分反馈。直接反馈、间接反馈、全部反馈、部分反馈。反馈控制的本质：反馈控制的本质：利用偏差控制系统的输出（或称为利用偏差控制系统的输出（或称为检测偏差并纠正偏差）。检测偏差并纠正偏差）。预紧弹簧期望转速连杆阀门汽轮机转速（输出）离心机构实际转速滑套扰动浮球杠杆阀门贮罐实际液位（输出）实际液位扰动浮球位置期望液位反馈控制的效能：反馈控制的效能：抑制干扰信号的影响。抑制干
30、扰信号的影响。控制工程基础控制工程基础预紧弹簧期望转速连杆阀门汽轮机转速（输出）离心机构实际转速以汽轮机离心调速器为例以汽轮机离心调速器为例: :被控对象被控对象: 汽轮机汽轮机被控量被控量 转速转速控制输入控制输入:预紧弹簧预紧弹簧控制信息的传递与反馈控制信息的传递与反馈:转速离心机构(检测或感知)滑套连杆蒸汽阀门期望转速偏差反馈量控制量给定量滑套反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成控制量：控制量：操作变量操作变量扰动控制工程基础控制工程基础给定环节给定环节: :用于确定被控制对象的用于确定被控制对象的“目标值目标值” ，给出期望输出所需要，给出期望输出所需要的输入信号，给定环节所给出的物理
31、量称给定量的输入信号，给定环节所给出的物理量称给定量。比较环节：比较环节：确定给定量与测量信号的反馈量间的差值。确定给定量与测量信号的反馈量间的差值。放大校正环节：放大校正环节：为了实现控制对偏差信号作变换放大等处理。为了实现控制对偏差信号作变换放大等处理。执行环节：执行环节：驱动被控制对象，调整输出。例题中通过调整蒸汽流量控驱动被控制对象，调整输出。例题中通过调整蒸汽流量控制汽轮机的转速。制汽轮机的转速。预紧弹簧理想转速连杆机构被控对象离心机构阀门xiexcxo实际转速给定环节比较环节放大校正环节执行环节测量环节测量环节：测量环节：测量被控对象的目标量（输出量），并将其转换成与给定测量被控对
32、象的目标量（输出量），并将其转换成与给定量一致的物理量进行比较（反馈量）。量一致的物理量进行比较（反馈量）。控制工程基础控制工程基础 引出点（分支点）：引出点（分支点）：从某一信号线上引出新的分支，箭头表示信从某一信号线上引出新的分支，箭头表示信号的传递方向，线上标记信号的名称。号的传递方向，线上标记信号的名称。 比较点（相加点）：比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号进行相加或相减表示两个或两个以上的信号进行相加或相减运算。运算。“+ +”表示信号相加；表示信号相加；“- -”表示信号相减。表示信号相减。 元件方框：元件方框：方框中写入元、部件的名称，进入箭头表示其输入信方框中写入元、部
33、件的名称，进入箭头表示其输入信号；引出箭头表示其输出信号。号；引出箭头表示其输出信号。 描述反馈系统各环节间的联系，它包括三个基本的要素，即：描述反馈系统各环节间的联系，它包括三个基本的要素，即： 反馈控制系统的框图反馈控制系统的框图控制工程基础控制工程基础 （4 4）按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连）按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连 接起来。接起来。 自动控制系统方框图的绘制步骤：自动控制系统方框图的绘制步骤：（1 1）根据控制系统的三个组成要素，找出被控对象。）根据控制系统的三个组成要素，找出被控对象。 （2 2）根据控制目标找出输出量。）根据控制目标找出输出量。
34、（3 3）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。 （5 5）分析系统的控制原理。）分析系统的控制原理。 控制工程基础控制工程基础运动系统神经系统鹰爪鹰的实际方位鹰眼小鸡的方位鹰脑q 例题讲解例题讲解1 1：根据控制系统的组成原理画出老鹰抓小鸡控：根据控制系统的组成原理画出老鹰抓小鸡控 制系统框图。制系统框图。控制目标？控制目标？被控对象？被控对象？控制原理？控制原理？控制工程基础控制工程基础预期行车路线预期行车路线实际行车路线实际行车路线q 如图所示无阻尼单自由度系统如图所示无阻尼单自由度系统 例题讲解例题讲解2 2：根据控制系统的组成原
35、理，画出人按预定行车路线：根据控制系统的组成原理，画出人按预定行车路线 驾驶汽车，行驶到目的地的控制系统框图。驾驶汽车，行驶到目的地的控制系统框图。控制工程基础控制工程基础直流电机放大器转盘实际转速测速发电机滑动电阻预期转速电压直流放大器直流放大器电池+-转速设定EdUiUrEUOq 如图所示无阻尼单自由度系统如图所示无阻尼单自由度系统q 如图所示无阻尼单自由度系统如图所示无阻尼单自由度系统 例题讲解例题讲解3 3：根据控制系统的组成原理画出如图所示的转盘恒速控：根据控制系统的组成原理画出如图所示的转盘恒速控 制系统框图。制系统框图。直流电机直流电机测速电机测速电机控制工程基础控制工程基础控制
36、系统的数学模型控制系统的数学模型:控制系统的组成物理框图反映了系统中各元素之间的物理联系及控制系统的组成物理框图反映了系统中各元素之间的物理联系及信号之间的因果联系，但不能定量描述系统、输入、输出三者间信号之间的因果联系，但不能定量描述系统、输入、输出三者间的数学关系。的数学关系。什么是系统的数学模型呢？什么是系统的数学模型呢？直流电机实际转速放大器滑动电阻预期转速转盘转速仪电压偏差UiUrEUO直流放大器电池+-转速设定rrOMporidriKUUfKEKUUUEEKU)(;数学模型定量的描述系统、输入、输出三者之间的关系。数学模型定量的描述系统、输入、输出三者之间的关系。EUiUrUo控制
37、工程基础控制工程基础（1）、根据反馈信号的来源分）、根据反馈信号的来源分反馈的分类：反馈的分类：外反馈（反馈控制）：外反馈（反馈控制）：相对于被控对象而言，由附加的反馈装置引起的信息交互。相对于被控对象而言，由附加的反馈装置引起的信息交互。工作台驱动电路控制指令（输入）移动量（输出）步进电机放大驱动控制指令（输入）移动量（输出）比较工作台步进电机外反馈举例说明：外反馈举例说明：控制工程基础控制工程基础内反馈是造成机械系统内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因！存在一定的动态特性的根本原因！内反馈：内反馈：系统或过程中由于各元素间的相互联系而系统或过程中由于各元素间的相互联系而自然形成
38、自然形成的各种的各种反馈反馈 ，是系统内部的信息的交互；反映系统内部元素间互，是系统内部的信息的交互；反映系统内部元素间互为因果的内在联系；为因果的内在联系；内反馈举例说明：内反馈举例说明：人体的温度自我调节系统人体的温度自我调节系统老鹰抓小鸡老鹰抓小鸡控制工程基础控制工程基础(2)(2)根据反馈的作用的结果分类根据反馈的作用的结果分类负反馈负反馈: :反馈信息与控制信息的作用方向相反，因而制约控反馈信息与控制信息的作用方向相反，因而制约控 制部分的活动。制部分的活动。 输出（被控量）偏离设定值（目标值）时，反馈的作用输出（被控量）偏离设定值（目标值）时，反馈的作用使输出偏离的程度减小，并力图
39、达到设定值。使输出偏离的程度减小，并力图达到设定值。 如：前例中的离心调速系统如：前例中的离心调速系统 液面控制系统液面控制系统 动物捕食动物捕食 火炮瞄准火炮瞄准 控制工程基础控制工程基础 正反馈：正反馈：反馈信息不是制约控制部分的活动，而是促进反馈信息不是制约控制部分的活动，而是促进和加强控制部分的活动。和加强控制部分的活动。 输出（被控量）偏离设定值（目标值）时，反馈的作用输出（被控量）偏离设定值（目标值）时，反馈的作用使输出偏离的程度加剧。使输出偏离的程度加剧。 如：图示的液位控制系统如：图示的液位控制系统 倒立摆倒立摆 企业发展企业发展 流行疾病流行疾病 电子加速器电子加速器 火药爆
40、炸火药爆炸 热核反应热核反应 控制工程基础控制工程基础控制论是一般方法论：控制论是一般方法论： 控制论是研究控制的共同规律的技术科学。任何系统既遵循这种控制论是研究控制的共同规律的技术科学。任何系统既遵循这种共同规律，又有自己的个性特点。如经济系统、社会系统、生物系共同规律，又有自己的个性特点。如经济系统、社会系统、生物系统和工程系统都各有其自身特有的规律。用控制论的思想方法指导统和工程系统都各有其自身特有的规律。用控制论的思想方法指导其它学科的研究，从共性中发展个性形，形成众多的学科分支：其它学科的研究，从共性中发展个性形，形成众多的学科分支：控制论控制论经济学经济学社会学社会学生物学生物学
41、工程技术工程技术经济控制论经济控制论社会控制论社会控制论生物控制论生物控制论工程控制论工程控制论机械工程机械工程机械工程控制论机械工程控制论相对于其它系统机械系统是最简单的系统。相对于其它系统机械系统是最简单的系统。控制工程基础控制工程基础7 7、机械工程控制论的研究对象与任务、机械工程控制论的研究对象与任务机械系统输入输入输出输出 学会用广义学会用广义系统动力学的方法系统动力学的方法去抽象出问题、分析问题去抽象出问题、分析问题和解决问题是本门课程的根本任务。和解决问题是本门课程的根本任务。 机械工程控制论以机械工程技术中的广义系统为研究对机械工程控制论以机械工程技术中的广义系统为研究对象，研
42、究系统、输入、输出三者之间的关系；我们称系统、象，研究系统、输入、输出三者之间的关系；我们称系统、输入、输出三者之间的关系问题为输入、输出三者之间的关系问题为广义系统的动力学问题广义系统的动力学问题。 从控制的角度定量的去研究系统，也就是建立从控制的角度定量的去研究系统，也就是建立系统、输系统、输入、输出入、输出三者之间关系的数学模型。三者之间关系的数学模型。控制工程基础控制工程基础7.1 7.1 、简单系统分析、简单系统分析例例1-1 1-1 弹簧弹簧质量质量阻尼，单自由度系统。阻尼，单自由度系统。)()()()(tymtyctkytf)()()()()(tymtytxctytxk)()()
43、()()(tkxtxctkytcytym系统系统a a：)()()()(tftkytyctym系统系统b b：（式中（式中P=d/dtP=d/dt，称为微分算子），称为微分算子）)()()(2tftykcpmp系统a)()()()(2txkcptykcpmp系统b控制工程基础控制工程基础例例1-1 1-1 弹簧弹簧质量质量阻尼，单自由度系统。阻尼，单自由度系统。图1-4 mck 单自由度系统动力学方程：动力学方程：)()()(2tftykcpmp系统系统a a)()()()(2txkcptykcpmp系统系统b b系统的固有特性：系统的固有特性：kcpmp2外界对系统的作用：外界对系统的作用：
44、)(),(txtf 系统的输入或激励：系统的输入或激励：系统对输入的影响系统对输入的影响（结构参数）：（结构参数）：kcp, 1系统对输入的响应（系统的输出）：系统对输入的响应（系统的输出）：)(ty初始状态：初始状态：00)0(,)0(yyyy描述系统的动态状态变量：描述系统的动态状态变量：)(),(tyty控制工程基础控制工程基础 上例中的动力学方程定量描述了系统、输入和输出三上例中的动力学方程定量描述了系统、输入和输出三者之间的关系。微分方程的解者之间的关系。微分方程的解y y（t t）（）（系统的输出系统的输出 ），）， y y（t t）是由系统的输入）是由系统的输入( (初始条件、控
45、制输入初始条件、控制输入) )和系统的固和系统的固有特性所决定。有特性所决定。需要研究的三类问题？需要研究的三类问题？1)1)已知系统和系统输入求输出已知系统和系统输入求输出y(t),y(t),这个问题属于理论力这个问题属于理论力学中的动力学研究范围。学中的动力学研究范围。2)2)已知系统和输出，求系统的输入。已知系统和输出，求系统的输入。3)3)已知系统的输入和输出，求系统已知系统的输入和输出，求系统。控制工程基础控制工程基础从控制的角度来看，单自由度系统是双环路的内反馈控制系统从控制的角度来看，单自由度系统是双环路的内反馈控制系统。图1-6 mck 单自由度系统)()()()(2tftky
46、dttdycdttydm信息交互（反馈）：信息交互（反馈）：若，系统只一个质量块：若，系统只一个质量块：2( )( )d y tmf tdtf(t)f(t)y(t)y(t)若，系统加一个弹簧：若，系统加一个弹簧：2( )( )( )d y tmf tky tdt若，若，m mc ck k 系统系统：2( )( )( )( )d y tdy tmf tky tcdtdtdcd tk- -内反馈是造成机械系统内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因！存在一定的动态特性的根本原因！1mM M1mK K1mC C控制工程基础控制工程基础线性系统动力学方程的一般形式：线性系统动力学方程的一般形式
47、：对一般的线性系统，其动力学方程可用高阶线性微分方程表示：对一般的线性系统，其动力学方程可用高阶线性微分方程表示：xbbxbxbyaayayaxymmmmnnnn01)1(1)(01)1(1)(.10100)0(.)0()0(nnyyyyyy方程左端的式子：方程左端的式子：yapapapannnn).(011)1(1)(反映了系统的固有特性。反映了系统的固有特性。方程右端的式子：方程右端的式子：xbpbpbpbmmmm).(01)1(1)( 反映了系统与外界的联系。反映了系统与外界的联系。而其中：而其中：)0(),0(),.0(),0()2()1(yyyynn为系统的初始状态。为系统的初始状态
48、。)(),(),.(),()2()1(tyttytyynn 刻画系统的动态历程的状态变量。刻画系统的动态历程的状态变量。控制工程基础控制工程基础 工程控制论从五个方面来研究系统、输入、输出三者之工程控制论从五个方面来研究系统、输入、输出三者之间的动态关系。即工程控制论的五个方面的问题：间的动态关系。即工程控制论的五个方面的问题：（2 2）最优控制问题：）最优控制问题：（3 3）最优设计问题：）最优设计问题：（4 4）滤波与预测问题：）滤波与预测问题：（5 5）系统辨识问题：）系统辨识问题：（1 1）系统分析问题：）系统分析问题：（2 2）最优控制问题：）最优控制问题：已知系统，确定输入使系统输
49、出最佳。已知系统，确定输入使系统输出最佳。（3 3）最优设计问题：）最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出最佳。已知输入，设计系统，使输出最佳。（4 4）滤波与预测问题：）滤波与预测问题：设计系统，使之能识别输入或输入中设计系统，使之能识别输入或输入中的有关信息。的有关信息。（5 5）系统辨识问题：）系统辨识问题： 已知系统的输入和输出，求系统的结构与已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，识别系统参数，识别系统-建立系统数学模型。建立系统数学模型。（1 1）系统分析问题：）系统分析问题：已知系统和输入，求系统的响应（或出），已知系统和输入，求系统的响应（或出），并通过响应来研究系统并通过
50、响应来研究系统 ( (评价系统的性能评价系统的性能) )本身的问题。本身的问题。 控制工程基础控制工程基础8 8、控制系统分类、控制系统分类对控制系统可以从不同的角度加以分类，这里从六个方面加以分类：对控制系统可以从不同的角度加以分类，这里从六个方面加以分类：1 1）、）、 按反馈的情况：按反馈的情况： 、开环控制系统、开环控制系统系统的输出对系统没有控制作用，系统没有反馈回路。系统的输出对系统没有控制作用，系统没有反馈回路。 如：步进电机控制的数控机床如：步进电机控制的数控机床 普通洗衣机。普通洗衣机。工作台工作台驱动电路驱动电路控制指令控制指令（输入）（输入）移动量移动量（输出）（输出）步
