1、2022年10月29日星期六1机械工程控制基础机械工程控制基础-1机机械工程控制基础械工程控制基础(绪绪 专业技术基础课专业技术基础课(选修）选修）课程性质课程性质:服务对象服务对象:大学机电类专业大学机电类专业课程特点课程特点：内容丰富，内容丰富，技术更新快，技术更新快，紧密联系实际，紧密联系实际，应用非常广泛。应用非常广泛。本课程是非电专业的机电技术专业基础课，应用广泛，学时本课程是非电专业的机电技术专业基础课，应用广泛，学时少、内容多，不能轻视。否则，对以后的工作、学习将会造成影响少、内容多，不能轻视。否则，对以后的工作、学习将会造成影响。前导课程：复变函数、电路理论、机械制造技术基础前
2、导课程：复变函数、电路理论、机械制造技术基础 后续课程：机电控制，机电控制系统设计后续课程：机电控制，机电控制系统设计 主要教学环节主要教学环节l习题习题独立完成作业，按时交作业。独立完成作业，按时交作业。紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解题方法和技巧。题方法和技巧。l课堂教学课堂教学l课外补充课外补充复习：复变函数复习：复变函数LaplaceLaplace变换变换自学：自学：MatlabMatlab编程。编程。主要教学内容主要教学内容基础知识基础知识分析方法分析方法基本概念基本概念控制系统结构体控制系统结构体系系控制系统数学模控制系统数学模型型工工程
3、程控控制制技技术术时域分析时域分析频域分频域分析析系统稳定性判据系统稳定性判据工程应用工程应用系统性能指系统性能指标标系统校正系统校正课程成绩确定方法：课程成绩确定方法：本课程将注重过程，采用过程评价体系。成绩主要本课程将注重过程，采用过程评价体系。成绩主要由平时成绩、作业成绩和考试成绩三部分组成。每项说明如下：由平时成绩、作业成绩和考试成绩三部分组成。每项说明如下：1.1.平时成绩：到课率、迟到早退情况、回答问题情况、上课情平时成绩：到课率、迟到早退情况、回答问题情况、上课情况等。况等。2.2.作业成绩：作业成绩：4-64-6次作业，当堂交作业。次作业，当堂交作业。3.3.随堂考试：闭卷，卷
4、面考试成绩。随堂考试：闭卷，卷面考试成绩。最终成绩的给定大约按如下公式得到：最终成绩的给定大约按如下公式得到：平时成绩平时成绩+作业成绩作业成绩+考试成绩考试成绩 三者比重大约分别为：三者比重大约分别为：20%20%、20%20%、60%60%逃课、早退、未交作业累计五次，不允许参加考试工程控制基础课程教材及参考书工程控制基础课程教材及参考书 l教材：教材：1.1.韩致信等编韩致信等编 机械自动控制工程机械自动控制工程 科学出版社科学出版社2.2.梅晓榕主编自动控制原理科学出版社梅晓榕主编自动控制原理科学出版社3.3.柳洪义编著机械控制工程科学出版社柳洪义编著机械控制工程科学出版社4.4.陈康
5、宁等编陈康宁等编 机械控制工程机械控制工程 西安交通大学出版社西安交通大学出版社5.5.陈丽兰等编陈丽兰等编 自动控制原理教程电子工业出版社自动控制原理教程电子工业出版社l参考书：参考书：希望和要求希望和要求:教学形式教学形式:课堂上，多媒体授课为主，板书为辅课堂上，多媒体授课为主，板书为辅；学习模式：学习模式：预习预习 听课听课 复习复习(作业等形式作业等形式)意见要求及时反馈意见要求及时反馈新生事物大家支持新生事物大家支持教师严谨治学教师严谨治学学生积极配合学生积极配合师生共同创造佳绩师生共同创造佳绩建议希望踊跃发言建议希望踊跃发言控制技术控制技术 应用举例应用举例 (1)(1)工工 业业
6、 控控 制制 电机控制电机控制 机床控制机床控制 生产过程自动化控制生产过程自动化控制 机器人控制机器人控制.控制技术的应用控制技术的应用 海洋探测机器人海洋探测机器人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“海沟号海沟号”缆控式缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）CR-01CR-01型型60006000米水下无缆机器人米水下无缆机器人19951995年年8 8月我国沈阳自动化所机器人月我国沈阳自动化所机器人中心研制的中心研制的CR-01CR-01型型60006000米水下无缆米水下无缆机器人（上）和正在下
7、水的情况（右）机器人（上）和正在下水的情况（右）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 一个典型的运动控制系统一个典型的运动控制系统 船用火力发电综合控制系统船用火力发电综合控制系统 家家 用用 电电 器器 冰箱、洗衣机冰箱、洗衣机 家庭影院家庭影院 微波炉微波炉.控制技术控制技术 应用举例应用举例 (2)(2)消费类产品消费类产品 U U盘、盘、MP3 MP3 手机应用产品手机应用产品.控制技术控制技术 应用举例应用举例 (3)(3)3232、6464等等合弦音合弦音MCUMCU芯片芯片智能楼宇的控制智能楼宇的控制控制技术控制技术 应用举例应用举例
8、(4)(4)可视对讲、室内报警、远程家电控制可视对讲、室内报警、远程家电控制.楼楼 宇宇 电电 梯梯 的的 控控 制制信信号号检检测测供供电电系系统统电机电机(执行机构执行机构)可编程序可编程序控制器控制器ProgrammableProgrammableLogicLogicControllerController电机控制器电机控制器汽车电子汽车电子汽汽 车车 电电 子子电源电源发动机控制发动机控制行驶装置行驶装置报警与安全装置报警与安全装置旅居性旅居性仪表仪表娱乐通讯娱乐通讯收音机、汽车电话、业余电台收音机、汽车电话、业余电台点火装置、燃油喷射控制、点火装置、燃油喷射控制、发动机电子控制发动机
9、电子控制车速控制、间歇刮水、车速控制、间歇刮水、除雾装置、车门紧锁除雾装置、车门紧锁.安全带、车灯未关报警、安全带、车灯未关报警、速度报警、安全气囊速度报警、安全气囊.空调控制、动力窗控制空调控制、动力窗控制里程表、数字式速度表、里程表、数字式速度表、出租车用仪表出租车用仪表.控制技术控制技术 应用举例应用举例 (5)(5)2121世纪世纪 绿色绿色 环保汽车环保汽车EVEV安全、舒适、可靠安全、舒适、可靠无废气排放无废气排放(零零 排放排放)高效率高效率EV?EV?机机电电 机电一体化机电一体化EVEV充电系统充电系统电池管理系统电池管理系统汽车照明、汽车照明、电动转向、空调电动转向、空调、
10、音响、雨刷、安音响、雨刷、安全全报警、电动门窗报警、电动门窗.电电 子子机械机械驱动控制系统驱动控制系统电机驱动系统电机驱动系统控制控制控制控制基于基于CANCAN总线的汽车内部控制示意图总线的汽车内部控制示意图口语汽车导航系统使用情景示意图口语汽车导航系统使用情景示意图汽车汽车GPSGPS定位，定位，GISGIS导航，导航，GSMGSM通信通信单片单片机控制机控制器器应应用用由行程开关控制的自动往返起动线路由行程开关控制的自动往返起动线路典型应典型应用用一、引一、引言言1 1、控制系统简介、控制系统简介自动控制成为一门科学是从自动控制成为一门科学是从19451945发展起来的。发展起来的。开
11、始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制。粘度自动控制。后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制。导弹、卫星、宇宙飞船自动控制。目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等。理等。所谓自动控制指的是在没有人直接参与的情况下，利用控制器自动调节和控制机器设备或生产过程的工作状态，使之保持不变或按预定的规律变化这样一种现象，叫做自动控制。补充知识补充知识 自动控制理论的发展自动控制理论的发展 自动控制理论是研究
12、自动控制共同自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从强大生命力的新兴学科。从18681868年马克斯年马克斯威尔（威尔（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：展可分为四个主要阶段：第一阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；论）的产生、发展和成熟；第
13、二阶段：第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段第四阶段：智能控制发展阶段。：智能控制发展阶段。经典控制理论经典控制理论 控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理等基于反馈原理
14、的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。论的发展。18681868年，马克斯威尔（年，马克斯威尔（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定）提出了低阶系统的稳定性代数判据性代数判据 。18951895年，数学家劳斯（年，数学家劳斯（RouthRouth）和赫尔威茨（）和赫尔威茨（HurwitzHurwitz）分别独）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即立地提出了高阶系统的稳定性判据，即RouthRouth和和HurwitzHurwitz判据。判据。二战期间（二战期间（1938-19451938-1945年）奈奎斯特（年）奈奎斯特（H.NyquistH.N
15、yquist）提出了频率）提出了频率响应理论；响应理论；19481948年，伊万斯（年，伊万斯（W.R.EvansW.R.Evans）提出了根轨迹法。）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论根轨迹法为主要方法的经典控制理论。经典控制理论的基本特征经典控制理论的基本特征（1 1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；微分方程描述的系统的分析与综合；（2 2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；）只
16、用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3 3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。内部状态，是一种对系统的外部描述方法。应该指出的是，反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，应该指出的是，反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系
17、统稳定性问题激来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。现代控制理论现代控制理论 由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际统，只注重系统的外部
18、描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，随着航天事业和计算机的发展，2020世纪世纪6060年代初，在经典年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。现代控制理论迅速发展起来。19541954年贝尔曼（年贝尔曼（R.Belman)R.Belman)提出动态规划理论提出动态规划理论19561956年庞特里雅金（年庞特里雅金（L.S.PontryaginL.S.Pontryagin）提出极大值原理）提出极大值原理19601960
19、年卡尔曼（年卡尔曼（R.K.Kalman)R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理提出多变量最优控制和最优滤波理论论 在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。大大系系统统理理论论 2020世纪世纪7070年代
20、开始，现代控制理论继续向深度和广度发年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1 1）现代频域方法）现代频域方法 以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2 2）自适应控制理论和方法自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数估计为基础，在实时以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（辨识基础上在线确定最优控制规律；（3 3）鲁棒控制方法）鲁棒控制方法 在保在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以证系统稳定性和其它性能基
21、础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。处理数学模型的不确定性。随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。运输、环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综
22、合、目标多样、因素众论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。智能控制智能控制 是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方
23、式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性的过程，对自主机器人
24、的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。则表现为变化的不确定性和难以辨识。智能控制是从智能控制是从“仿人仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。2 2、控制的定义、控制的定义:控制控制:对对象施加某种操作，使其产生所期望的对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。行为。例例.钢铁轧制钢铁轧制:轧出厚度一致的高精度铁板轧出厚度一致的高精度铁板存在温度控制存在温度控制,生铁成分控制生铁成分控制,厚度控制厚度控制,张力控制张力控制,
25、等等。等等。自动控制自动控制:在没有人直接参与的情况下，利用外在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。例例.典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等。动驾驶、导弹制导等。例例.控制实例控制实例-液面控制液面控制人工控制人工控制自动控制自动控制3 3、控制论、控制论:定义：关
26、于控制原理和控制方法的学科，研究事物变化定义：关于控制原理和控制方法的学科，研究事物变化和发展的一般规律。和发展的一般规律。控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置控制论强调：控制论强调：1)1)所研究的对象是一个系统；所研究的对象是一个系统；2)2)系统在不断地运动（经历动态历程、包括内部状态和外部行系统在不断地运动（经历动态历程、包括内部状态和外部行为）；为）；3)3)产生运动的条件是外因（外界的作用：输入、干扰）产生运动的条件是外因（外界的作用：输入、干扰）4)4)产生运动的根据是内因（系统的固有特性）产生运动的根据是内因（系统的固有特性）控制论与
27、其它学科结合，形成众多的分支学科。控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。控制论控制论经济学经济学社会学社会学生物学生物学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机械工程控制论论共同的本质特点：通过信息的传递、处理与反馈共同的本质特点：通过信息的传递、处理与反馈进行控制。进行控制。二、二、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 机械工程控制论研究机械工程中机械工程控制论研究机械工程中广义系统广义系统的的动力学问题动力学问题。1 1、系统、系统(广义系统广义系统):):按一定的规律联系在一
28、起的元素的集合。按一定的规律联系在一起的元素的集合。系统框图如下系统框图如下:系统的层次性和相对性：系统的组成元素也可以是一个系统的层次性和相对性：系统的组成元素也可以是一个系统（子系统），整个系统又可以是更上一层系统的组成元素。系统（子系统），整个系统又可以是更上一层系统的组成元素。广义系统：具备系统要素的一切事物或对象，如机器广义系统：具备系统要素的一切事物或对象，如机器系统、生命系统、社会系统、生产系统、思维、学习等。系统、生命系统、社会系统、生产系统、思维、学习等。机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加工过程、测量、车间、部门、
29、工厂、企业、企业集团等。工过程、测量、车间、部门、工厂、企业、企业集团等。2 2、动力学问题、动力学问题:系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。历程（输出或响应）。这一过程中，这一过程中，系统系统及其及其输入输入、输出输出三者之间的三者之间的动态动态关系关系即为系统的动力学问题。即为系统的动力学问题。例例.弹簧质量阻尼单自由度系统。弹簧质量
30、阻尼单自由度系统。分析：这是同一个系统，不同的外界作用分析：这是同一个系统，不同的外界作用上式中上式中y(t)y(t)为微分方程的解，显然它是由系统的初为微分方程的解，显然它是由系统的初始条件，系统的固有特性，系统的输入及系统与输入始条件，系统的固有特性，系统的输入及系统与输入之间的关系决定。之间的关系决定。对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：1)1)系统的输入与系统的固有特性如何影响系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)y(t)，三，三者之间表现为何种关系者之间表现为何种关系。2)2)系统确定并已知时，对系统施加何种输入，能使系统确定并已知时，
31、对系统施加何种输入，能使系统实现预期的响应。系统实现预期的响应。3)3)对于确定的输入，系统应具有什么特性，才能使对于确定的输入，系统应具有什么特性，才能使系统实现预期的响应系统实现预期的响应。基本的动力学问题基本的动力学问题。注意：注意：系统的初始状态也可视为一种特殊的输入，即初始输系统的初始状态也可视为一种特殊的输入，即初始输入或初始激励。当初态不为入或初始激励。当初态不为0 0时，即使无输入，系统的状态也时，即使无输入，系统的状态也不断改变，这就是自由运动。不断改变，这就是自由运动。工程控制论的内容可归纳为如下工程控制论的内容可归纳为如下5 5个方面：个方面：（1 1）已知系统和输入，求
32、系统的输出，即系统分析问题；）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；（2 2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；制问题；（3 3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题；问题；（4 4）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题；信息，此即滤波与预测问题；（5 5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。即系统辨识问题。三、三、系统及其模型
33、系统及其模型 1 1、系统的特性、系统的特性:（1 1）系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统）系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的结构有关；的结构有关；（2 2）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；（3 3）系统往往具有表现出在时域、频域或复域等域内）系统往往具有表现出在时域、频域或复域等域内的动态特性。的动态特性。2 2、机械系统、机械系统:实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。对于机械一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统
34、。对于机械系统，其输入和输出分别称为系统，其输入和输出分别称为“激励激励”和和“响应响应”。3 3、系统模、系统模型型:模型是研究系统、认识系统与描述系统、分析系统的模型是研究系统、认识系统与描述系统、分析系统的一种工具。在我们这里模型是指一种用数学方法所描述的一种工具。在我们这里模型是指一种用数学方法所描述的抽象的理论模型，用来表达一个系统内部各部分之间，或抽象的理论模型，用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与其外部环境之间的关系，故又称为数学模型。系统与其外部环境之间的关系，故又称为数学模型。系统的模型包括实物模型、物理模型、和数学模型系统的模型包括实物模型、物理模型、和数学模型等等。而
35、数学模型又包括静态模型和动态模型。动态模等等。而数学模型又包括静态模型和动态模型。动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或控制工程中，一般关心的是系统的动态特性，因此，往控制工程中，一般关心的是系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。往需要采用动态数学模型。静态模型反映系统在恒定载荷或缓变作用下或在系统平衡静态模型反映系统在恒定载荷或缓变作用下或在系统平衡状态下的特性，现时输出仅由其现时输入所决定，一般以代数公状态下的特性，现时输出仅由其现时输入所决定，一般以代数公式描述。式描述。动态模型反映系统在迅变载荷或在系统不平衡状动
36、态模型反映系统在迅变载荷或在系统不平衡状态下的特性，现时输出还由受其以前输入的历史的影响，态下的特性，现时输出还由受其以前输入的历史的影响，一般以微分方程或差分方程描述。一般以微分方程或差分方程描述。例例:可见书可见书P6P6图图1.2.21.2.2。四、四、反馈反馈 1 1、定义、定义:系统的输出不断地，直接或间接地、全部或部分地系统的输出不断地，直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统，其实质就是信息的传递与交互。返回，并作用于系统，其实质就是信息的传递与交互。2 2、内反馈与外反馈、内反馈与外反馈外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加外反馈：在自动控制系统中，为达到某种
37、控制目的而人为加入的反馈，称为外反馈。入的反馈，称为外反馈。内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。它是系统内部各个元素之间相互耦合的称为内反馈。它是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的结果。内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变根本原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变得异常复杂。得异常复杂。例：例：m-c-km-c-k系系统统显然这是一个内反馈，显然这是一个内反馈，因为没有附加反馈控因为没有附加反馈控制装置。内反馈是系制装置。内反馈
38、是系统内部的信息交互，统内部的信息交互，反映了系统的动态特反映了系统的动态特性。性。3 3、系统方框图及其组成、系统方框图及其组成 系统方框图由许多对信号（量）进行单向传递的元系统方框图由许多对信号（量）进行单向传递的元件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。它包括三个基本的单元，外界之间进行信息交换的过程。它包括三个基本的单元，即即：1)1)引出点（分支点）：表示信号的引出或信号的分支，引出点（分支点）：表示信号的引出或信号的分支，箭头表示信号的传递方向，线上标记信号的名称。箭头表示信号的传递方向，线上标
39、记信号的名称。比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号进行相加或相减运算。进行相加或相减运算。“+”表示信号相加；表示信号相加；“-”表示信表示信号相减。号相减。元件方框：方框中写入元、部件的名称，进入元件方框：方框中写入元、部件的名称，进入箭头表示其输入信号；引出箭头表示其输出信号。箭头表示其输入信号；引出箭头表示其输出信号。例：见书例：见书P23P23页页1.41.4题题解：当刀具以进给量解：当刀具以进给量s s进行切削时，在切削过程中进行切削时，在切削过程中产生切削力产生切削力P Py y，而使机床，而使机床-工件系统发生变形退让，工件系统发生
40、变形退让，减少了刀具的实际进给减少了刀具的实际进给a a，此时，此时a=s-y,a=s-y,进而影响到进而影响到切削力的变化，如此循环，使得切削过程为一个动切削力的变化，如此循环，使得切削过程为一个动态过程，其过程如下图所示的方框图表示：态过程，其过程如下图所示的方框图表示：切削过程切削过程机床机床-工件系统工件系统例：见书例：见书P24P24页页1.7-11.7-1题题解：人骑自行车时，总是希望自行车具有一定的理想状态解：人骑自行车时，总是希望自行车具有一定的理想状态（如速度，方向等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，（如速度，方向等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预定的状
41、态运动，此时，路面的状况等因素会对自使自行车按预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，使得自行车偏离理想状态，人的感行车的实际状态产生影响，使得自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉车子的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实觉器官感觉车子的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈的过程如下图所示：息流动与反馈的过程如下图所示：运动系统运动系统感觉器官感觉器官自行车自行车五、控制系统的工作原理及其组成五、控制系统的工作原理及其组成加热电阻丝加热电阻丝2
42、20220V V调压器调压器人工控制的恒温人工控制的恒温箱箱 温度计温度计例：例：人工控制恒温箱调节过程工控制恒温箱调节过程：观测恒温箱内的温度（被控制量）观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度 偏差的大小和方向偏差的大小和方向 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电 阻丝的电流以调节温度回复到要求值阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人工控制过程的实质：人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差。大脑大脑手手调压器调压器恒温箱恒温箱眼睛眼睛实际实际温度温度期望期望温度
43、温度人工控制恒温箱系统功能框图人工控制恒温箱系统功能框图温度计温度计加热电阻丝加热电阻丝220V220V调压器调压器热电偶热电偶给定信号给定信号比较比较电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器执行执行电动机电动机减速器减速器u u2 2u u1 1+u u恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统例：例：恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u u2 2 恒温箱期望温度由电压恒温箱期望温度由电压u u1 1给定，并与实际温度给定，并与实际温度 u u2 2比较得到温度偏差信号比较得到温度偏差信号 u uu
44、u1 1 u u2 2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为 止，此时，偏差止，此时，偏差 u u0 0，电机停止转动。，电机停止转动。系统功能框图如下所示系统功能框图如下所示：给定给定信号信号电压电压功率功率放大器放大器控制控制电机电机减减速速器器调调压压器器恒温箱恒温箱(控制控制对象对象)热电偶热电偶u u
45、1 1u u2 2 u uu ua an nv vu u温度温度t t(被控被控量量)扰动扰动恒温箱自动控制系统功能框图恒温箱自动控制系统功能框图从恒温箱控制系统功能框图可见从恒温箱控制系统功能框图可见：给定量位于系统的输入端，称为给定量位于系统的输入端，称为系统输入量系统输入量。也称为也称为参考输入量参考输入量（信号信号）。）。被控制量位于系统的输出端，称为被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量系统输出量。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入量进行比较，产生统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏偏 差差（给定信号与返回的
46、输出信号之差）信号。（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为输出量的返回过程称为反馈反馈。返回的全部或部。返回的全部或部 分输出信号称为分输出信号称为反馈信号反馈信号。综上所述，控制系统的工作原理：综上所述，控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值检测输出量（被控制量）的实际值将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比 较得出偏差；较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得 输出量维持期望的输出。输出量维持期望的输出。由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动由于存在输出量
47、反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制反馈控制。显然：显然：反馈控制建立在偏差基础上反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是，其控制方式是“检测偏差检测偏差再纠正偏差再纠正偏差”。这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统反馈控制系统。反。反馈控制系统具备馈控制系统具备测
48、量测量、比较比较和和执行执行三个基本功能。三个基本功能。注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为差越来越小，称为负反馈负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。的方法。六、系统的分类及对控制系统的基本要求六、系统的分类及对控制系统的基本要求1 1、开环控制与闭环控制、开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统 半闭环控制系统半闭环控制系统 开环控制系统开环控制系统特点特点
49、：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端系统仅受输入量和扰动量控制；输出端 和输入端之间不存在反馈回路；输出量和输入端之间不存在反馈回路；输出量 在整个控制过程中对系统的控制不产生在整个控制过程中对系统的控制不产生 任何影响。任何影响。输入输入装置装置指令指令系统输系统输入入控制控制装置装置伺服伺服驱动装置驱动装置工作台工作台工作台工作台 位置位置系统输系统输出出数控机床的开环控制系统框图数控机床的开环控制系统框图优点优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能
50、够保持一定的精度。精度。缺点缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力精度通常较低、无自动纠偏能力控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量开环控制系统框图开环控制系统框图 闭环控制系统闭环控制系统特点特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输输出端和输入端之间存在反馈回路，输 出量对控制过程有直接影响。出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。优点优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不精度高，对外部扰动和系统参数变化不 敏感敏感 缺点缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性存在稳定、振荡、超调等问题，系统性 能分析和设计麻烦。能分析和设计
