機(jī)電工程控制基礎(chǔ)--01緒論

1、教學(xué)講稿教學(xué)講稿 1河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)河北工程大學(xué)河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院周雁冰周雁冰 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)2河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 控制論控制論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論“機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)”是控制論與機(jī)電工程技術(shù)理論之間的交叉是控制論與機(jī)電工程技術(shù)理論之間的交叉學(xué)科，側(cè)重介紹機(jī)械工程的控制原理，同時(shí)密切結(jié)合工程實(shí)際，學(xué)科，側(cè)重介紹機(jī)械工程的控制原理，同時(shí)密切結(jié)合工程實(shí)際，是一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課程。是一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課程。 機(jī)

2、械制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)明顯而重要的趨勢(shì)機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)明顯而重要的趨勢(shì)越來(lái)越廣泛而越來(lái)越廣泛而深入地引入了控制理論。深入地引入了控制理論。是科學(xué)方法論之一，強(qiáng)調(diào)用系統(tǒng)的、反饋的、控制的方法來(lái)分是科學(xué)方法論之一，強(qiáng)調(diào)用系統(tǒng)的、反饋的、控制的方法來(lái)分析研究工程實(shí)際問(wèn)題。析研究工程實(shí)際問(wèn)題。經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)床動(dòng)態(tài)分析與測(cè)試、電氣液壓伺服系統(tǒng) 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)3河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 大學(xué)物理大學(xué)物理理論力學(xué)理論力學(xué)機(jī)電工程控制理論機(jī)電工程控制理論電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)線性代

3、數(shù)線性代數(shù)高等數(shù)學(xué)高等數(shù)學(xué)復(fù)變函數(shù)、復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換拉普拉斯變換電路理論電路理論信號(hào)與系統(tǒng)信號(hào)與系統(tǒng)機(jī)械原理機(jī)械原理該課程與其它課程的關(guān)系，如下圖所示：該課程與其它課程的關(guān)系，如下圖所示： 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)4河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)工程應(yīng)用工程應(yīng)用分析方法分析方法基本概念基本概念控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)域分析時(shí)域分析頻域分析頻域分析系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)系統(tǒng)性能指標(biāo)系統(tǒng)校正系統(tǒng)校正 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)

4、5河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 課堂教學(xué)內(nèi)容課堂教學(xué)內(nèi)容1 緒論緒論2 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(除除2.2、2.5)3 系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)與快速性分析系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)與快速性分析(除除3.5)4 穩(wěn)態(tài)誤差與準(zhǔn)確性分析穩(wěn)態(tài)誤差與準(zhǔn)確性分析5 控制系統(tǒng)的頻域分析控制系統(tǒng)的頻域分析6 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性7 系統(tǒng)的性能分析與校正系統(tǒng)的性能分析與校正其它章節(jié)內(nèi)容為課外自學(xué)內(nèi)容其它章節(jié)內(nèi)容為課外自學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)知識(shí) 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)6河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 教學(xué)用書(shū)教學(xué)用書(shū)機(jī)

5、電工程控制基礎(chǔ) 吳炳勝主編 冶金工業(yè)出版社教輔用書(shū)教輔用書(shū)等編等編 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)7河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 第一章第一章 緒論緒論1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1.3 1.3 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1.4 1.4 自動(dòng)控制簡(jiǎn)史自動(dòng)控制簡(jiǎn)史1.5 1.5 控制工程實(shí)踐控制工程實(shí)踐1.6 1.6 本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)8河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering p自動(dòng)控

6、制技術(shù)及理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石自動(dòng)控制技術(shù)及理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、電子、電力、航空、航海、航天、核反應(yīng)油、化工、電子、電力、航空、航海、航天、核反應(yīng)堆等各個(gè)領(lǐng)域。堆等各個(gè)領(lǐng)域。p自動(dòng)控制理論是研究關(guān)于自動(dòng)控制系統(tǒng)組成、分析和自動(dòng)控制理論是研究關(guān)于自動(dòng)控制系統(tǒng)組成、分析和設(shè)計(jì)的一般性理論，是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)設(shè)計(jì)的一般性理論，是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)?？茖W(xué)。p在機(jī)電工程問(wèn)題上，機(jī)械、電氣、液壓和計(jì)算機(jī)被廣在機(jī)電工程問(wèn)題上，機(jī)械、電氣、液壓和計(jì)算機(jī)被廣泛采用，而且常常互相滲透、相互配合，這就需要結(jié)泛采用，而且常常互相滲透、相互配合，這就需要結(jié)合機(jī)電液系

7、統(tǒng)闡述工程上共同遵循的基本控制規(guī)律，合機(jī)電液系統(tǒng)闡述工程上共同遵循的基本控制規(guī)律，即即“機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)”。 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)9河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 控制論概述控制論概述p 控制論是關(guān)于控制原理與控制方法的學(xué)科，它研究控制論是關(guān)于控制原理與控制方法的學(xué)科，它研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律。事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律。p“控制論控制論”的兩個(gè)核心是信息論和反饋控制。的兩個(gè)核心是信息論和反饋控制。p 首先創(chuàng)立控制論學(xué)科的是美國(guó)的數(shù)學(xué)家、信息理論首先創(chuàng)立控制論學(xué)科的是美國(guó)的數(shù)學(xué)家、信息理論家家(Norbert Wien

8、er)(Norbert Wiener)諾伯特諾伯特維納，他于維納，他于19481948年發(fā)表了年發(fā)表了“控制論控制論”。p19541954年我國(guó)科學(xué)家錢(qián)學(xué)森出版專著年我國(guó)科學(xué)家錢(qián)學(xué)森出版專著工程控制論工程控制論( (英文版英文版) )，首先把控制論推廣到工程技術(shù)領(lǐng)域。，首先把控制論推廣到工程技術(shù)領(lǐng)域。 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)10河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 控制論控制論經(jīng)濟(jì)學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)社會(huì)學(xué)社會(huì)學(xué)生物學(xué)生物學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)控制論經(jīng)濟(jì)控制論社會(huì)控制論社會(huì)控制論生物控制論生物控制論工程控制論工程控制論機(jī)械工程機(jī)械工程機(jī)械工程控制論機(jī)械工程控

9、制論控制論與其它學(xué)科結(jié)合，形成眾多的分支學(xué)科?？刂普撆c其它學(xué)科結(jié)合，形成眾多的分支學(xué)科。（機(jī)電工程控制論）（機(jī)電工程控制論） 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)11河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于軍事、航天領(lǐng)域自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于軍事、航天領(lǐng)域 火炮、雷達(dá)、跟蹤系統(tǒng)；火炮、雷達(dá)、跟蹤系統(tǒng)； 人造衛(wèi)星；宇宙飛船。人造衛(wèi)星；宇宙飛船。 自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程 軋鋼；工業(yè)窯爐；石油化工；水泥建材；玻璃、造紙等軋鋼；工業(yè)窯爐；石油化工；水泥建材；玻璃、造紙等自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)

10、代農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 自動(dòng)灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等。自動(dòng)灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等。 自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域 生物：人口控制，藥物動(dòng)力學(xué)生物：人口控制，藥物動(dòng)力學(xué) 金融：貨幣控制金融：貨幣控制 家庭：電飯煲，洗衣機(jī)，空調(diào)，冰箱家庭：電飯煲，洗衣機(jī)，空調(diào)，冰箱 例例.鋼鐵軋制鋼鐵軋制:軋出厚度一致的高精度鐵板存在溫度控制軋出厚度一致的高精度鐵板存在溫度控制, ,生生鐵成分控制鐵成分控制, ,厚度控制厚度控制, ,張力控制張力控制, ,等等。等等。 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)12河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 舉例：智能樓宇的控制舉例

11、：智能樓宇的控制可視對(duì)講、室內(nèi)報(bào)警、遠(yuǎn)程家電控制可視對(duì)講、室內(nèi)報(bào)警、遠(yuǎn)程家電控制. . 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)13河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 在日常生活中在日常生活中 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)14河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 道路交通的應(yīng)用道路交通的應(yīng)用車牌自動(dòng)識(shí)別車牌自動(dòng)識(shí)別 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)15河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 勇氣號(hào)火星探測(cè)器（美國(guó)）勇氣號(hào)火星探測(cè)器（美國(guó)） 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)16河北工程大

12、學(xué)Hebei University of Engineering 機(jī)械工程控制論機(jī)械工程控制論研究機(jī)械工程技術(shù)中廣義研究機(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)系統(tǒng)的的動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題問(wèn)題研究的研究的對(duì)象對(duì)象：系統(tǒng)（廣義系統(tǒng)）：系統(tǒng)（廣義系統(tǒng)）研究的研究的任務(wù)任務(wù)：動(dòng)力學(xué)問(wèn)題：動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究的研究的領(lǐng)域領(lǐng)域：機(jī)械工程領(lǐng)域：機(jī)械工程領(lǐng)域1 1、系統(tǒng)、系統(tǒng)按一定規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。按一定規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。系統(tǒng)的要素系統(tǒng)的要素元素元素元素之間的聯(lián)系元素之間的聯(lián)系系統(tǒng)與外界的交互作用系統(tǒng)與外界的交互作用外界對(duì)系統(tǒng)的作用外界對(duì)系統(tǒng)的作用系統(tǒng)對(duì)外界的作用系統(tǒng)對(duì)外界的作用輸入輸入(激勵(lì)激勵(lì))、干擾干擾(擾動(dòng)

13、擾動(dòng))輸出輸出( (響應(yīng)響應(yīng)) ) 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)17河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 機(jī)械工程中的廣義機(jī)械工程中的廣義系統(tǒng)：元件、部件、儀器、設(shè)備；加工過(guò)系統(tǒng)：元件、部件、儀器、設(shè)備；加工過(guò)程、操作設(shè)備、測(cè)量；車間、部門(mén)、工廠、企業(yè)、企業(yè)集團(tuán)、程、操作設(shè)備、測(cè)量；車間、部門(mén)、工廠、企業(yè)、企業(yè)集團(tuán)、全球制造行業(yè)等全球制造行業(yè)等 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)18河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 2 2、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題: : 系統(tǒng)在外界作用（輸入或激勵(lì)、包括外加控制與外界干擾）系統(tǒng)在外

14、界作用（輸入或激勵(lì)、包括外加控制與外界干擾）下，從一定初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷由其內(nèi)部的固有特性（由系統(tǒng)下，從一定初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷由其內(nèi)部的固有特性（由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定）所決定的動(dòng)態(tài)歷程（輸出或響應(yīng)）。的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定）所決定的動(dòng)態(tài)歷程（輸出或響應(yīng)）。這一過(guò)程中，這一過(guò)程中，系統(tǒng)系統(tǒng)及其及其輸入輸入、輸出輸出三者之間的三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系動(dòng)態(tài)關(guān)系即即為系統(tǒng)的為系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。 系統(tǒng)的輸入與系統(tǒng)的固有特性已知，如何影系統(tǒng)的輸入與系統(tǒng)的固有特性已知，如何影響輸出？響輸出？2. 2. 系統(tǒng)確定并已知時(shí)，對(duì)系統(tǒng)施加何種輸入，系統(tǒng)確定并已知時(shí)，對(duì)系統(tǒng)施加何種輸入，能使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng)（即

15、輸出能使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng)（即輸出y(t)）？）？3. 3. 對(duì)于確定的輸入輸出，系統(tǒng)應(yīng)具有什么特性，對(duì)于確定的輸入輸出，系統(tǒng)應(yīng)具有什么特性， 才能使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng)？才能使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng)？求輸出求輸出求輸入求輸入求系統(tǒng)求系統(tǒng)(結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù))基本的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題基本的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)19河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 3、（數(shù)學(xué)）模型、（數(shù)學(xué)）模型 定義：研究系統(tǒng)、認(rèn)識(shí)系統(tǒng)、描述系統(tǒng)與分析系統(tǒng)的一種工具。定義：研究系統(tǒng)、認(rèn)識(shí)系統(tǒng)、描述系統(tǒng)與分析系統(tǒng)的一種工具。 種類：實(shí)物模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型等。種類：實(shí)物模型、物

16、理模型和數(shù)學(xué)模型等。動(dòng)態(tài)模型動(dòng)態(tài)模型 用于研究系統(tǒng)在迅變載荷作用下或在系統(tǒng)不用于研究系統(tǒng)在迅變載荷作用下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性；平衡狀態(tài)下的特性；在一定條件下，動(dòng)態(tài)模型可以轉(zhuǎn)換為靜態(tài)模型。在一定條件下，動(dòng)態(tài)模型可以轉(zhuǎn)換為靜態(tài)模型。微分方程或差分方程來(lái)描述微分方程或差分方程來(lái)描述 動(dòng)態(tài)模型是描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)歷程的，機(jī)械工程控制論研究的動(dòng)態(tài)模型是描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)歷程的，機(jī)械工程控制論研究的是機(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，所以往往需要采用是機(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，所以往往需要采用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，即需要建立微分方程或差分方程來(lái)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，即需要建立微分方程或差分方程來(lái)描述系

17、統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)模型靜態(tài)模型 反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下或在反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性；系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性；代數(shù)公式描述代數(shù)公式描述 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)20河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 控制控制：對(duì)對(duì)象施加某種操作，使其產(chǎn)生所預(yù)期的行為：對(duì)對(duì)象施加某種操作，使其產(chǎn)生所預(yù)期的行為。 自動(dòng)控制自動(dòng)控制：該操作由控制裝置自動(dòng)完成，無(wú)須人直接參與：該操作由控制裝置自動(dòng)完成，無(wú)須人直接參與即，在人不直接參與的情況下，通過(guò)控制器使被控對(duì)象（如即，在人不直接參與的情況下，通過(guò)控制器使被控對(duì)象（如

18、機(jī)器設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程）的某些物理量（或工作狀態(tài)）能自動(dòng)機(jī)器設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程）的某些物理量（或工作狀態(tài)）能自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。地按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。學(xué)習(xí)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)要解決兩個(gè)問(wèn)題：學(xué)習(xí)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)要解決兩個(gè)問(wèn)題：1 1、如何分析某個(gè)、如何分析某個(gè)給定控制系統(tǒng)的給定控制系統(tǒng)的工作原理、穩(wěn)定性、過(guò)渡品質(zhì)工作原理、穩(wěn)定性、過(guò)渡品質(zhì)；2 2、如何根、如何根據(jù)實(shí)際需要來(lái)?yè)?jù)實(shí)際需要來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并用機(jī)電液光等設(shè)備來(lái)，并用機(jī)電液光等設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)21河北工程大學(xué)Hebei University

19、 of Engineering 例例 手動(dòng)控制：手動(dòng)控制： 觀測(cè)實(shí)際水位，將觀測(cè)實(shí)際水位，將實(shí)際水位與要求的水位實(shí)際水位與要求的水位值相比較，得出兩者偏值相比較，得出兩者偏差。差。 根據(jù)偏差的大小和根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門(mén)的開(kāi)方向調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門(mén)的開(kāi)度，即當(dāng)實(shí)際水位高于度，即當(dāng)實(shí)際水位高于要求值時(shí)，關(guān)小進(jìn)水閥要求值時(shí)，關(guān)小進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)度，否則加大閥門(mén)門(mén)開(kāi)度，否則加大閥門(mén)開(kāi)度以改變進(jìn)水量，從開(kāi)度以改變進(jìn)水量，從而改變水箱水位，使之而改變水箱水位，使之與要求值保持一致。與要求值保持一致。被控對(duì)象？被控對(duì)象？被控量？被控量？ 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)22河北工程大學(xué)Hebei Univer

20、sity of Engineering 例例 改進(jìn)改進(jìn)自動(dòng)控制：自動(dòng)控制： Q Q2 2變大變大H H減小，浮減小，浮子下降子下降杠桿傾斜杠桿傾斜閥門(mén)開(kāi)大閥門(mén)開(kāi)大Q Q1 1變變大大Q Q1 1=Q=Q2 2，液面重新穩(wěn)，液面重新穩(wěn)定。定。Q Q2 2變小變小H H變大，浮變大，浮子上升子上升杠桿傾斜杠桿傾斜閥門(mén)關(guān)小閥門(mén)關(guān)小Q Q1 1變變小小Q Q1 1=Q=Q2 2，液面重新穩(wěn)，液面重新穩(wěn)定。定。缺點(diǎn)：出水量越多，水位就越低，偏離期望值就越遠(yuǎn)，誤差越大?？刂频慕Y(jié)果，總存在著一定的誤差值。 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)23河北工程大學(xué)Hebei University of Enginee

21、ring 例例 再改進(jìn)再改進(jìn)自動(dòng)控制自動(dòng)控制： 當(dāng)實(shí)際水位低于要求水位時(shí)，電位器輸出電壓值為正，且當(dāng)實(shí)際水位低于要求水位時(shí)，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實(shí)際水位與水位要其大小反映了實(shí)際水位與水位要求求值的差值，放大器輸出信號(hào)值的差值，放大器輸出信號(hào)將有正的變化，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器使閥門(mén)開(kāi)度增加，直到實(shí)際將有正的變化，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器使閥門(mén)開(kāi)度增加，直到實(shí)際水位重新與水位要求值相等時(shí)為止。水位重新與水位要求值相等時(shí)為止。當(dāng)實(shí)際水位高于當(dāng)實(shí)際水位高于要求水位呢？要求水位呢？該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，無(wú)論何種干擾引起水位的偏差，系統(tǒng)都要該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，無(wú)論何種干擾引起水位的偏差，系統(tǒng)都要進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終總

22、是使實(shí)際水位等于期望值，大大提高了控進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終總是使實(shí)際水位等于期望值，大大提高了控制精度。制精度。 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)24河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 控制原理：控制原理：如果負(fù)載變化使如果負(fù)載變化使增大，增大， 離心機(jī)構(gòu)滑套上移離心機(jī)構(gòu)滑套上移 液壓滑閥上移，動(dòng)力活液壓滑閥上移，動(dòng)力活塞下移，油門(mén)關(guān)小，塞下移，油門(mén)關(guān)小， 減小減小 直到滑閥回復(fù)到中位，直到滑閥回復(fù)到中位，回到設(shè)定值回到設(shè)定值 通過(guò)離心機(jī)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)通過(guò)離心機(jī)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，并與設(shè)定值進(jìn)行比際輸出值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，反過(guò)來(lái)作用于系統(tǒng)，形成較，反過(guò)來(lái)

23、作用于系統(tǒng)，形成反饋，進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出。反饋，進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出。發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖例：發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)例：發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng) 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)25河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 反饋反饋反饋是機(jī)械工程控制論中一個(gè)最基本、最重要的概念反饋是機(jī)械工程控制論中一個(gè)最基本、最重要的概念反饋的定義：反饋的定義：系統(tǒng)的輸出通過(guò)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量裝置全部或部分地返系統(tǒng)的輸出通過(guò)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量裝置全部或部分地返回到輸入端，并與輸入共同作用于系統(tǒng)的過(guò)程。回到輸入端，并與輸入共同作用于系統(tǒng)的過(guò)程。反饋量與輸入量的比較結(jié)

24、果叫反饋量與輸入量的比較結(jié)果叫偏差偏差?；诜答伝A(chǔ)上的基于反饋基礎(chǔ)上的“檢測(cè)偏差用以糾正偏差檢測(cè)偏差用以糾正偏差”的原理又稱為的原理又稱為反反饋控制饋控制原理。原理。利用此原理組成的系統(tǒng)稱為利用此原理組成的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)。它具備測(cè)量、比較。它具備測(cè)量、比較和執(zhí)行三個(gè)基本功能。和執(zhí)行三個(gè)基本功能。 反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的最基本的方法。反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的最基本的方法。 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)26河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 例：發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)例：發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)被控對(duì)象：被控對(duì)象：發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)被控量：被控量：

25、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速控制信息傳遞與反饋：控制信息傳遞與反饋：轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速離心機(jī)構(gòu)離心機(jī)構(gòu)( (檢測(cè)或感知）檢測(cè)或感知）偏差偏差杠桿杠桿液壓比例控制器液壓比例控制器油門(mén)油門(mén) 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)27河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理的物理框圖：表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理的物理框圖：離心調(diào)速系統(tǒng)控制方框圖離心調(diào)速系統(tǒng)控制方框圖比較比較控制器控制器檢測(cè)檢測(cè)被控對(duì)象被控對(duì)象執(zhí)行執(zhí)行運(yùn)算放大運(yùn)算放大控制部分控制部分被控部分被控部分 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)28河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 反饋控

26、制方式的優(yōu)點(diǎn)：可以自動(dòng)調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化而引起的變動(dòng)。計(jì)算比較計(jì)算比較給定值給定值E執(zhí)行執(zhí)行被控對(duì)象被控對(duì)象干擾干擾被控量被控量測(cè)量測(cè)量反饋回來(lái)的信號(hào)與給定值相減，即根據(jù)偏差進(jìn)行控制，稱為反饋回來(lái)的信號(hào)與給定值相減，即根據(jù)偏差進(jìn)行控制，稱為負(fù)反饋負(fù)反饋，反之稱為，反之稱為正反饋正反饋。 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)29河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般組成形式自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般組成形式被控對(duì)象被控對(duì)象r(t)u(t)c(t)反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)e(t)給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)b(t)放大元件放大元件執(zhí)行元件執(zhí)行元件串聯(lián)校正串聯(lián)校正并

27、聯(lián)校正并聯(lián)校正比較比較環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)擾動(dòng)擾動(dòng)控制器控制器被控對(duì)象被控對(duì)象r(t)u(t)c(t)反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)e(t)給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)b(t)比較比較環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)擾動(dòng)擾動(dòng) 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)30河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 自自動(dòng)動(dòng)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)被控對(duì)象被控對(duì)象給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)控制器控制器校正環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)并聯(lián)校正并聯(lián)校正串聯(lián)校正串聯(lián)校正 輸入信號(hào)輸入信號(hào) 輸出信號(hào)輸出信號(hào) 反饋信號(hào)反饋信號(hào) 偏差信號(hào)偏差信號(hào) 誤差信號(hào)誤差信號(hào) 擾動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)信號(hào)控制器控制器被控對(duì)象被控對(duì)象r(t)

28、u(t)c(t)反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)e(t)給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)b(t)比較比較環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)擾動(dòng)擾動(dòng) 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)31河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 輸入信號(hào)輸入信號(hào): : （輸入量、控制量、給定量）是指控制輸出量（輸入量、控制量、給定量）是指控制輸出量 變化規(guī)律的信號(hào)；變化規(guī)律的信號(hào)； 輸出信號(hào)輸出信號(hào)：（輸出量、被控制量、被調(diào)節(jié)量）輸出是輸入（輸出量、被控制量、被調(diào)節(jié)量）輸出是輸入 的結(jié)果，它的變化規(guī)律通過(guò)控制應(yīng)與輸入信號(hào)的結(jié)果，它的變化規(guī)律通過(guò)控制應(yīng)與輸入信號(hào) 之間保持有確定的關(guān)系；之間保持有確定的關(guān)系； 反饋信號(hào)反饋信號(hào)：輸出信號(hào)經(jīng)反

29、饋元件變換后加到輸入端的信號(hào)稱輸出信號(hào)經(jīng)反饋元件變換后加到輸入端的信號(hào)稱 反饋信號(hào)；反饋信號(hào)； 偏差信號(hào)偏差信號(hào)：輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之差；輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之差； 誤差信號(hào)誤差信號(hào)：輸出量實(shí)際值與希望值之差；輸出量實(shí)際值與希望值之差； 擾動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)信號(hào)：偶然的無(wú)法加以人為控制的信號(hào)；偶然的無(wú)法加以人為控制的信號(hào)； 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)32河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 控制系統(tǒng)的幾種分類：控制系統(tǒng)的幾種分類：1. 1. 按反饋情況分按反饋情況分開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng): :系統(tǒng)沒(méi)有反饋回路。輸出對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有控制作

30、。系統(tǒng)沒(méi)有反饋回路。輸出對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有控制作。: :系統(tǒng)有反饋回路。輸出對(duì)系統(tǒng)有控制作用。系統(tǒng)有反饋回路。輸出對(duì)系統(tǒng)有控制作用。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)：無(wú)抗干擾能力，不能自動(dòng)糾偏，控制精缺點(diǎn)：無(wú)抗干擾能力，不能自動(dòng)糾偏，控制精度較低。度較低。優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)精度高，動(dòng)態(tài)精度好優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)精度高，動(dòng)態(tài)精度好。缺點(diǎn)：構(gòu)造復(fù)雜，設(shè)計(jì)與制造較困難，成本較高。缺點(diǎn)：構(gòu)造復(fù)雜，設(shè)計(jì)與制造較困難，成本較高。 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)33河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 如：步進(jìn)電機(jī)

31、驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床如：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、普通洗衣機(jī)、普通洗衣機(jī) 、微波爐、微波爐步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床原理圖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床原理圖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方框圖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)34河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 如：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床如：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床、離心調(diào)速系統(tǒng)、離心調(diào)速系統(tǒng)、恒溫箱、恒溫箱( (冰箱、冰箱、空調(diào)空調(diào)) )伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床原理圖伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床原理圖伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控

32、制系統(tǒng)方框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)如全自動(dòng)如全自動(dòng)洗衣機(jī)，洗衣機(jī)，既有開(kāi)環(huán)既有開(kāi)環(huán)控制，有控制，有用閉環(huán)控用閉環(huán)控制。制。 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)35河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 2. 2. 按給定量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分按給定量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分如：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)輸入的變化規(guī)律，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)象按照指令程序的要求而運(yùn)動(dòng)。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)。

33、如：數(shù)控加工系統(tǒng)。如：數(shù)控加工系統(tǒng)。 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，其控制要求是輸出量迅速、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，并能排除各種干擾因素的影響，平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并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。準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律。 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)是保證在任何擾動(dòng)作用下系系統(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。統(tǒng)的輸出量為恒值。 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。 機(jī)電

34、工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)36河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 3、按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì) 連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)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)變化的信號(hào)。連續(xù)控制系統(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。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）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)字量傳遞的系統(tǒng)。系統(tǒng)中某一處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。 4、按數(shù)學(xué)模型分按數(shù)學(xué)模型分 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)由線性元件組成，輸入輸出間具有疊加性和均勻性性質(zhì)，以線由線性元件組成，輸入輸出間具有疊加性和均勻性性質(zhì)，以線性微分方程來(lái)表述。性微分方程來(lái)表述。 非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)系統(tǒng)中有非線性元件，輸入輸出間不具有疊加性和均勻性性系統(tǒng)中有非線性元件，輸入輸出間不具有疊加性和均勻性性質(zhì)。用非線性微分方程來(lái)表述。質(zhì)。用非線性微分方程來(lái)表述。 機(jī)電工程控制基礎(chǔ)機(jī)電工程控制基礎(chǔ)37河北工程大學(xué)Hebei Univer