機(jī)械工程控制基礎(chǔ)-控制系統(tǒng)的基本概念

1、機(jī)械控制工程基礎(chǔ)機(jī)械控制工程基礎(chǔ)楊倩楊倩College of mechanical & electronic engineering控制論是研究什么的？定義？控制論是研究什么的？定義？說(shuō)法一：說(shuō)法一：“控制論控制論”是關(guān)于機(jī)器的理論是關(guān)于機(jī)器的理論說(shuō)法二：說(shuō)法二：“控制論控制論”是電子計(jì)算機(jī)和電子學(xué)的理是電子計(jì)算機(jī)和電子學(xué)的理論論說(shuō)法三：說(shuō)法三：“控制論控制論”就是類似于數(shù)學(xué)的一門學(xué)科就是類似于數(shù)學(xué)的一門學(xué)科說(shuō)法四：說(shuō)法四：“控制論控制論”是關(guān)于動(dòng)物和機(jī)器中控制和是關(guān)于動(dòng)物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)（維納定義）通信的科學(xué)（維納定義）“控制論控制論”是以研究各種系統(tǒng)共同存在的控制規(guī)律是以研究各種系

2、統(tǒng)共同存在的控制規(guī)律為對(duì)象的一門科學(xué)。為對(duì)象的一門科學(xué)?？刂普摽刂普摗本褪且沂景C(jī)器、生物、社會(huì)在內(nèi)的就是要揭示包括機(jī)器、生物、社會(huì)在內(nèi)的各種不同的控制系統(tǒng)的共同規(guī)律。各種不同的控制系統(tǒng)的共同規(guī)律。 是研究各種系統(tǒng)共同控制規(guī)律的科學(xué)，是方法論。是研究各種系統(tǒng)共同控制規(guī)律的科學(xué)，是方法論。 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering維納是如何發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并創(chuàng)立這一全維納是如何發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并創(chuàng)立這一全新的學(xué)科的呢？新的學(xué)科的呢？人的有目的的活動(dòng)人的有目的的活動(dòng) VS 具有控制功能的機(jī)器具有控制功能的機(jī)器 取

3、物取物 火炮打敵機(jī)火炮打敵機(jī)感覺器官：眼、耳感覺器官：眼、耳 檢測(cè)機(jī)構(gòu)：雷達(dá)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：雷達(dá)中樞決策器官：大腦中樞決策器官：大腦 決策機(jī)構(gòu)：指揮儀決策機(jī)構(gòu)：指揮儀效應(yīng)器官：手、腳效應(yīng)器官：手、腳 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：隨動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：隨動(dòng)系統(tǒng)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering問題問題1：各種系統(tǒng)有什么共性？：各種系統(tǒng)有什么共性？盡管機(jī)器與動(dòng)物在本質(zhì)上有著天壤之別，有著盡管機(jī)器與動(dòng)物在本質(zhì)上有著天壤之別，有著無(wú)生命與有生命的差別，但從機(jī)器控制的動(dòng)作無(wú)生命與有生命的差別，但從機(jī)器控制的動(dòng)作和人的行為過(guò)程來(lái)看，他們有著相當(dāng)確切的

4、和人的行為過(guò)程來(lái)看，他們有著相當(dāng)確切的“同構(gòu)性同構(gòu)性” 。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering問題問題2：究竟是什么東西使的盡管在質(zhì)的方面有：究竟是什么東西使的盡管在質(zhì)的方面有著天壤之別的機(jī)器和人在行為活動(dòng)中，有如此著天壤之別的機(jī)器和人在行為活動(dòng)中，有如此相似的過(guò)程呢？相似的過(guò)程呢？開汽車開汽車用手取物用手取物方向盤方向盤手臂神經(jīng)手臂神經(jīng)輸入端輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)手臂、肌肉、大手臂、肌肉、大腦腦

5、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制機(jī)構(gòu)）構(gòu)）車輪車輪手指手指輸出端輸出端力力生物電生物電信息信息共同點(diǎn)：共同點(diǎn)：控制內(nèi)容的消息控制內(nèi)容的消息-信息信息，正是控制部，正是控制部分和受控部分之間發(fā)生了這種信息的聯(lián)系、信分和受控部分之間發(fā)生了這種信息的聯(lián)系、信息的運(yùn)動(dòng)，控制過(guò)程才得以實(shí)現(xiàn)。息的運(yùn)動(dòng)，控制過(guò)程才得以實(shí)現(xiàn)?？刂七^(guò)程就是系統(tǒng)中信息運(yùn)動(dòng)的過(guò)程?？刂七^(guò)程就是系統(tǒng)中信息運(yùn)動(dòng)的過(guò)程?？刂茩C(jī)工作，實(shí)際上就是以某種方式向機(jī)器發(fā)控制機(jī)工作，實(shí)際上就是以某種方式向機(jī)器發(fā)出信號(hào)，機(jī)器接受信息的地方叫輸入端。機(jī)器出信號(hào)，機(jī)器接受信息的地方叫輸入端。機(jī)器接受到控制信息產(chǎn)生一系列動(dòng)作，去完成指定接受到控制信息產(chǎn)生一系

6、列動(dòng)作，去完成指定工作，產(chǎn)生這些運(yùn)動(dòng)的地方叫執(zhí)行機(jī)構(gòu)或控制工作，產(chǎn)生這些運(yùn)動(dòng)的地方叫執(zhí)行機(jī)構(gòu)或控制機(jī)構(gòu)。機(jī)器完成了指定的工作，產(chǎn)生出工作效機(jī)構(gòu)。機(jī)器完成了指定的工作，產(chǎn)生出工作效果的地方叫輸出端。果的地方叫輸出端。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering問題問題3：控制過(guò)程是怎樣具體實(shí)現(xiàn)的呢？信息是：控制過(guò)程是怎樣具體實(shí)現(xiàn)的呢？信息是以怎樣的形式實(shí)現(xiàn)控制和操縱的呢？以怎樣的形式實(shí)現(xiàn)控制和操縱的呢？控制的反饋機(jī)制控制的反饋機(jī)制 控制理論中稱信息的雙向運(yùn)動(dòng)為控制理論中稱信息的雙向運(yùn)動(dòng)為“反饋聯(lián)系反饋聯(lián)系”?！胺答伔答仭笔?/p>

7、指：控制系統(tǒng)把信息傳輸出去后，是指：控制系統(tǒng)把信息傳輸出去后，又將信息的作用返回到控制系統(tǒng)，并對(duì)控制系又將信息的作用返回到控制系統(tǒng)，并對(duì)控制系統(tǒng)的再輸出產(chǎn)生影響。統(tǒng)的再輸出產(chǎn)生影響。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering控制論中的三大要素：控制論中的三大要素： u同構(gòu)理論同構(gòu)理論u信息的流通、交換信息的流通、交換u反饋機(jī)制反饋機(jī)制第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering第一章第一章 控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的基本概念一、一、機(jī)械工程控制

8、論的研究對(duì)象與任務(wù)機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù)二、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成二、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成三、控制系統(tǒng)的基本類型三、控制系統(tǒng)的基本類型四、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求四、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求五、本課程的任務(wù)及主要內(nèi)容五、本課程的任務(wù)及主要內(nèi)容第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering一、一、機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù)機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù)系統(tǒng)是由系統(tǒng)是由相

9、互聯(lián)系、相互作用相互聯(lián)系、相互作用的若干部分構(gòu)成且具有一定運(yùn)動(dòng)的若干部分構(gòu)成且具有一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一個(gè)規(guī)律的一個(gè)有機(jī)整體有機(jī)整體。是按一定規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。是按一定規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。系統(tǒng)及廣義系統(tǒng)系統(tǒng)及廣義系統(tǒng)要素要素：元素元素元素之間的關(guān)系元素之間的關(guān)系第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering機(jī)械工程控制論實(shí)質(zhì)上是研究機(jī)械工程技術(shù)中機(jī)械工程控制論實(shí)質(zhì)上是研究機(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題。具體地說(shuō)，。具體地說(shuō)，它研究的是機(jī)械工程廣義系統(tǒng)在一定的外界

10、條件（即輸入或激勵(lì)、干擾）作用下，它研究的是機(jī)械工程廣義系統(tǒng)在一定的外界條件（即輸入或激勵(lì)、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)部的固有特性固有特性（即由（即由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的特性與參數(shù)所決定的特性）所決定的整個(gè)）所決定的整個(gè)動(dòng)態(tài)歷程動(dòng)態(tài)歷程；研究這一；研究這一系統(tǒng)及其輸入、輸出三系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象系統(tǒng)輸入輸出外界作用系統(tǒng)內(nèi)部的信息 傳遞與交互系統(tǒng)的響應(yīng)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of m

11、echanical & electronic engineering從系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的關(guān)系出發(fā)，根據(jù)已知條件與求解從系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的關(guān)系出發(fā)，根據(jù)已知條件與求解問題的不同，機(jī)械工程控制論的任務(wù)可以分為以下五種：?jiǎn)栴}的不同，機(jī)械工程控制論的任務(wù)可以分為以下五種： （1 1）已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的輸出，即）已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的輸出，即系統(tǒng)分析問題系統(tǒng)分析問題； （2 2）已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，設(shè)計(jì)輸入，即）已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，設(shè)計(jì)輸入，即最優(yōu)控制問題最優(yōu)控制問題； （3 3）已知輸入和理想輸出時(shí)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即）已知輸入和理想輸出時(shí)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即最優(yōu)設(shè)計(jì)問題最優(yōu)設(shè)

12、計(jì)問題； （4 4）輸出已知，確定系統(tǒng)，以識(shí)別輸入或輸入中的有關(guān)信息，）輸出已知，確定系統(tǒng)，以識(shí)別輸入或輸入中的有關(guān)信息， 此即此即濾波與預(yù)測(cè)問題濾波與預(yù)測(cè)問題； （5 5）已知系統(tǒng)的輸入和輸出，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即）已知系統(tǒng)的輸入和輸出，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即系統(tǒng)系統(tǒng) 辨識(shí)問題辨識(shí)問題。 機(jī)械工程控制論的研究任務(wù)機(jī)械工程控制論的研究任務(wù) 加熱電阻絲加熱電阻絲220V調(diào)壓器調(diào)壓器人工控制的恒溫箱人工控制的恒溫箱 溫度計(jì)溫度計(jì)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering二、控制系統(tǒng)的工作原理及其

13、組成二、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成控制：通過(guò)對(duì)一定對(duì)象實(shí)施一定的操作，以使其按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)或變化的過(guò)程。 被控對(duì)象：被控對(duì)象： 恒溫箱恒溫箱 控制器：控制器： 除恒溫箱以外的所有裝置，統(tǒng)稱為控制器。除恒溫箱以外的所有裝置，統(tǒng)稱為控制器。 被控制量：被控制量： 恒溫箱的實(shí)際溫度為被控制量（系統(tǒng)的輸出量）恒溫箱的實(shí)際溫度為被控制量（系統(tǒng)的輸出量） 希望值：希望值： 希望的恒溫箱的溫度希望的恒溫箱的溫度。 控制量：控制量： 加熱電阻絲的輸出功率加熱電阻絲的輸出功率。 擾動(dòng)量（干擾）：擾動(dòng)量（干擾）： 恒溫箱散熱量恒溫箱散熱量 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College o

14、f mechanical & electronic engineering人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過(guò)程：人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過(guò)程： 觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量） 與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較，得到溫度與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較，得到溫度 偏差的大小和方向偏差的大小和方向 根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電 阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。人工控制過(guò)程的實(shí)質(zhì)：人工控制過(guò)程的實(shí)質(zhì)：檢測(cè)偏差再糾正偏差。檢測(cè)偏差再糾正偏差。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College

15、of mechanical & electronic engineering第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)方框圖由許多對(duì)信號(hào)（量）進(jìn)行單向傳遞的元件方框和一些連線組成，系統(tǒng)方框圖由許多對(duì)信號(hào)（量）進(jìn)行單向傳遞的元件方框和一些連線組成，表征了系統(tǒng)各元件之間及系統(tǒng)與外界之間進(jìn)行信息交換的過(guò)程。表征了系統(tǒng)各元件之間及系統(tǒng)與外界之間進(jìn)行信息交換的過(guò)程。包括三個(gè)基本的單元包括三個(gè)基本的單元: :引出點(diǎn)引出點(diǎn), ,比較點(diǎn)比較點(diǎn), ,元件方框元件方框大腦大腦手手調(diào)壓器調(diào)壓

16、器恒溫箱恒溫箱眼睛眼睛實(shí)際實(shí)際溫度溫度期望期望溫度溫度人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖溫度計(jì)溫度計(jì) -l 自動(dòng)控制自動(dòng)控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為備或裝置（稱為控制裝置控制裝置或或控制器控制器），使機(jī)），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（通稱器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（通稱被控對(duì)象被控對(duì)象）的某）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量被控量）自動(dòng)地按照）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。如：數(shù)控機(jī)床、室內(nèi)溫度控制、機(jī)車、船舶如：數(shù)控機(jī)床、室內(nèi)溫度控制、機(jī)車、船舶 及飛機(jī)自動(dòng)駕駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)等。及飛機(jī)自動(dòng)駕駛、

17、導(dǎo)彈制導(dǎo)等。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering加熱電阻絲加熱電阻絲220V調(diào)壓器調(diào)壓器熱電偶熱電偶給定信號(hào)給定信號(hào)比較比較電壓電壓放大器放大器功率功率放大器放大器執(zhí)行執(zhí)行電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)減速器減速器u2u1 u恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理：恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理：恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電

18、壓u2 恒溫箱期望溫度由電壓恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度給定，并與實(shí)際溫度 u2比較得到溫度偏差信號(hào)比較得到溫度偏差信號(hào) uu1 u2溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng)溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng) 執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸 頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向 運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為 止，此時(shí)，偏差止，此時(shí)，偏差 u0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念Col

19、lege of mechanical & electronic engineering給定給定信號(hào)信號(hào)電壓電壓功率功率放大器放大器控制控制電機(jī)電機(jī)減減速速器器調(diào)調(diào)壓壓器器恒溫箱恒溫箱(控制控制對(duì)象對(duì)象)熱電偶熱電偶u1u2uuanvu溫度溫度t(被控量被控量)擾動(dòng)擾動(dòng)恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)功能框圖恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)功能框圖第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering 從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見：從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見： 給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量系統(tǒng)輸

20、入量。 也稱為也稱為參考輸入量參考輸入量（信號(hào)）。（信號(hào)）。 被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量。 輸出量（全部或一部分）通過(guò)測(cè)量裝置返回系輸出量（全部或一部分）通過(guò)測(cè)量裝置返回系 統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏偏 差差（給定信號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差）信號(hào)。（給定信號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差）信號(hào)。 輸出量的返回過(guò)程稱為輸出量的返回過(guò)程稱為反饋反饋。返回的全部或部。返回的全部或部 分輸出信號(hào)稱為分輸出信號(hào)稱為反饋信號(hào)反饋信號(hào)。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mec

21、hanical & electronic engineering綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理：綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理：檢測(cè)輸出量檢測(cè)輸出量（被控制量）（被控制量）的實(shí)際值的實(shí)際值將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比 較得出偏差；較得出偏差； 用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得 輸出量維持期望的輸出。輸出量維持期望的輸出。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無(wú)

22、法預(yù)由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無(wú)法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為差，故稱之為反饋控制反饋控制。顯然：反饋控制建立顯然：反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上在偏差基礎(chǔ)上，其控制方式，其控制方式是是“檢測(cè)偏差再糾正偏差檢測(cè)偏差再糾正偏差”。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering這種基于反饋原理，能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)這種基于反饋原理，能對(duì)輸出量

23、與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的系統(tǒng)。行比較，并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的系統(tǒng)。稱為稱為反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備。反饋控制系統(tǒng)具備測(cè)量測(cè)量、比比較較和和執(zhí)行執(zhí)行三個(gè)基本功能。三個(gè)基本功能。 注意：反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號(hào)是與給定信號(hào)注意：反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號(hào)是與給定信號(hào)相減，使偏差越來(lái)越小，稱為相減，使偏差越來(lái)越小，稱為負(fù)反饋負(fù)反饋。負(fù)反饋控。負(fù)反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制最基本的方法。制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制最基本的方法。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineeringl

24、 開環(huán)控制與閉環(huán)控制實(shí)際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無(wú)反饋?zhàn)饔每煞譃閮深悾簩?shí)際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無(wú)反饋?zhàn)饔每煞譃閮深悾?開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：特點(diǎn)：系統(tǒng)僅受輸入量和擾動(dòng)量控制；系統(tǒng)僅受輸入量和擾動(dòng)量控制； 輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路； 輸出量在整個(gè)控制過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的控制不輸出量在整個(gè)控制過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的控制不 產(chǎn)生任何影響。產(chǎn)生任何影響。 輸入輸入裝置裝置指令指令系統(tǒng)輸

25、入系統(tǒng)輸入控制控制裝置裝置伺服伺服驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置工作臺(tái)工作臺(tái)工作臺(tái)工作臺(tái) 位置位置系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出數(shù)控機(jī)床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖數(shù)控機(jī)床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件 特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較 小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：精度通常較低、無(wú)自動(dòng)糾偏能力精度通常較低、無(wú)自動(dòng)糾偏能力控制器控制器對(duì)象或過(guò)程

26、對(duì)象或過(guò)程輸入量輸入量輸出量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)框圖開環(huán)控制系統(tǒng)框圖第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)特點(diǎn)：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸 出量對(duì)控制過(guò)程有直接影響。出量對(duì)控制過(guò)程有直接影響。 閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：精度高，對(duì)外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化不精度高，對(duì)外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化不 敏感敏感 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系統(tǒng)性存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系

27、統(tǒng)性 能分析和設(shè)計(jì)麻煩。能分析和設(shè)計(jì)麻煩。 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering控制器控制器對(duì)象或過(guò)程對(duì)象或過(guò)程輸入量輸入量輸出量輸出量測(cè)量元件測(cè)量元件閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量反饋量第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineeringl 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成給定給定元件元件 +串聯(lián)校正串聯(lián)校正元件元件放大變換放大變換元件元件執(zhí)行執(zhí)行元件元件控制控制對(duì)象對(duì)象_ +_并聯(lián)校正并聯(lián)校正元件元

28、件局部局部反饋反饋反饋元件反饋元件主反饋主反饋控制部分控制部分比較比較元件元件比較比較元件元件輸入信號(hào)輸入信號(hào) xi偏差信號(hào)偏差信號(hào) e主反饋信號(hào)主反饋信號(hào) xb擾動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)信號(hào)輸出輸出 xo閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering 給定元件給定元件 產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。 反饋元件反饋元件 測(cè)量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號(hào)。測(cè)量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號(hào)。 為便于傳輸，反饋信號(hào)通常為電信號(hào)。為便于傳輸，反饋信號(hào)通常為電

29、信號(hào)。 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering 比較元件比較元件 對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差 信號(hào)；信號(hào)； 放大元件放大元件 對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大，使之有足夠的能量驅(qū)對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大，使之有足夠的能量驅(qū) 動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能。動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能。 執(zhí)行元件執(zhí)行元件 直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件；如電動(dòng)機(jī)、直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件；如電動(dòng)機(jī)、 液壓馬達(dá)等；液壓馬達(dá)等； 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念Colleg

30、e of mechanical & electronic engineering 校正元件校正元件 用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。控制系統(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和控制系統(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為控制器控制器。實(shí)際的控制系統(tǒng)中，實(shí)際的控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)擾動(dòng)總是不可避免的，擾總是不可避免的，擾動(dòng)分為動(dòng)分為內(nèi)部擾動(dòng)內(nèi)部擾動(dòng)和和外部擾動(dòng)外部擾動(dòng)，但在控制系統(tǒng)中，但在控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上，因擾動(dòng)集中表現(xiàn)在控制量與被控量

31、的偏差上，因此，可以將控制系統(tǒng)的擾動(dòng)等效為對(duì)控制對(duì)象此，可以將控制系統(tǒng)的擾動(dòng)等效為對(duì)控制對(duì)象的干擾。的干擾。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering三、控制系統(tǒng)的基本類型三、控制系統(tǒng)的基本類型l 按輸入量的特征分類按輸入量的特征分類 恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿?wù)是保證在任何系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿?wù)是保證在任何擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。 如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。 程序控制系統(tǒng)程序控

32、制系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對(duì)象按入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對(duì)象按照指令程序的要求而運(yùn)動(dòng)。如數(shù)控加工系統(tǒng)。照指令程序的要求而運(yùn)動(dòng)。如數(shù)控加工系統(tǒng)。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering 隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各

33、種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入能排除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。信號(hào)的變化規(guī)律。 如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineeringl 按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類 連續(xù)連續(xù)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)為隨時(shí)間連續(xù)變化的系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)為隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。信號(hào)。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。 離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)離散（數(shù)字

34、）控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)字系統(tǒng)中某一處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。程描述。 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineeringl 其它分類方法其它分類方法 線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng) 機(jī)械、電氣、機(jī)電、液壓、氣動(dòng)、熱力等控機(jī)械、電氣、機(jī)電、液壓、氣動(dòng)、熱力等控 制系統(tǒng)制系統(tǒng) 溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)第一章 控制系

35、統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineering四、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求四、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求l 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定的系統(tǒng)當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時(shí)，能力。穩(wěn)定的系統(tǒng)當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時(shí)，其輸出能隨時(shí)間的增長(zhǎng)收斂并回到初始平衡狀其輸出能隨時(shí)間的增長(zhǎng)收斂并回到初始平衡狀態(tài)。態(tài)。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定，與外界因控制系統(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定，與外界因素?zé)o關(guān)。素?zé)o關(guān)。穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)能元件的能穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)能元件的能量不可能突變所產(chǎn)生的慣性滯后作用所導(dǎo)致。量不可能突變所產(chǎn)生的慣性滯后作用所導(dǎo)致。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念第一章 控制系統(tǒng)的基本概念College of mechanical & electronic engineeringl 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 控制精度，以穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)衡量?？刂凭?，以穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)衡量。穩(wěn)態(tài)誤差：穩(wěn)態(tài)誤差：系統(tǒng)的調(diào)整（過(guò)渡）過(guò)程結(jié)束而趨系統(tǒng)的調(diào)整（過(guò)渡）過(guò)程結(jié)束而趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，系