機(jī)械控制1PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1機(jī)械控制機(jī)械控制1例.典型控制系統(tǒng)：數(shù)控機(jī)床、機(jī)車、船舶及飛機(jī)自動(dòng)駕駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)等。例.控制實(shí)例-液面控制人工控制自動(dòng)控制第1頁/共60頁3、控制論: : 定義定義：關(guān)于控制原理和控制方法的學(xué)科，研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律?？刂迫兀罕豢貙?duì)象、控制目標(biāo)、控制裝置控制論強(qiáng)調(diào)：1)所研究的對(duì)象是一個(gè)系統(tǒng)；2)系統(tǒng)在不斷地運(yùn)動(dòng)（經(jīng)歷動(dòng)態(tài)歷程、包括內(nèi)部狀態(tài)和外部行為）；3)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的條件是外因（外界的作用：輸入、干擾）4)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的根據(jù)是內(nèi)因（系統(tǒng)的固有特性）第2頁/共60頁控制論與其它學(xué)科結(jié)合，形成眾多的分支學(xué)科?？刂普摻?jīng)濟(jì)學(xué)社會(huì)學(xué)生物學(xué)工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)控制論社會(huì)控制論生物控制論工程控制論機(jī)

2、械工程機(jī)械工程控制論共同的本質(zhì)特點(diǎn)：通過信息的傳遞、處理與反饋進(jìn)行控制。第3頁/共60頁二、二、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) 機(jī)械工程控制論研究機(jī)械工程中廣義系統(tǒng)廣義系統(tǒng)的動(dòng)力動(dòng)力學(xué)問題學(xué)問題。1、系統(tǒng)(廣義系統(tǒng)): :按一定的規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。元素之間的聯(lián)系）有關(guān)而且與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（即系統(tǒng)的元素有關(guān)，系統(tǒng)的特性不僅與構(gòu)成元素之間的聯(lián)系元素要素：出（響應(yīng)）系統(tǒng)對(duì)外界的作用：輸入、干擾外界對(duì)系統(tǒng)的作用：輸：系統(tǒng)與外界的交互作用第4頁/共60頁系統(tǒng)框圖如下: : 廣義系統(tǒng)：具備系統(tǒng)要素的一切事物或?qū)ο?，如機(jī)器系統(tǒng)、生命系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、思維、學(xué)習(xí)等。

3、 系統(tǒng)的層次性和相對(duì)性：系統(tǒng)的組成元素也可以是一個(gè)系統(tǒng)（子系統(tǒng)），整個(gè)系統(tǒng)又可以是更上一層系統(tǒng)的組成元素。 機(jī)械工程中的廣義系統(tǒng)：元件、部件、儀器、設(shè)備、加工過程、測量、車間、部門、工廠、企業(yè)、企業(yè)集團(tuán)等。第5頁/共60頁2、動(dòng)力學(xué)問題: : 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）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)）。這一過程中，系統(tǒng)系統(tǒng)及其輸入輸入、輸出輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系動(dòng)態(tài)關(guān)系即為系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題。例.彈簧質(zhì)量阻尼單自由度系統(tǒng)。分析：這是同一個(gè)系統(tǒng)，不同的外界作用第6頁/共60頁是輸出。是輸入，解：對(duì)于系

4、統(tǒng))()(,tytfa可得：根據(jù)牛頓第二定律，受三個(gè)力的作用對(duì)于物體,m)(),()()(2微分算子dtdptftykcpmp可得：定律，是輸出，根據(jù)牛頓第二是輸入，對(duì)于系統(tǒng))()(,tytxb)(),()()()(2微分算子dtdptxkcptykcpmp00)0(,)0() 1yyyy初始狀態(tài)：)()22與外界無關(guān)系統(tǒng)的固有特性：kcpmp)(),() 3系統(tǒng)的輸入或激勵(lì)外界的作用：tftx第7頁/共60頁kcp, 1)4的關(guān)系）：外界作用方式（與外界)()5ty統(tǒng)的輸出）：系統(tǒng)對(duì)輸入的響應(yīng)（系對(duì)上例，需要研究的問題可歸納為以下三類：1)系統(tǒng)的輸入與系統(tǒng)的固有特性如何影響y(t)，三者之間

5、表現(xiàn)為何種關(guān)系 。2)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)。3)對(duì)于確定的輸入，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)。上式中y(t)為微分方程的解，顯然它是由系統(tǒng)的初始條件，系統(tǒng)的固有特性，系統(tǒng)的輸入及系統(tǒng)與輸入之間的關(guān)系決定?；镜膭?dòng)力學(xué)問題基本的動(dòng)力學(xué)問題。第8頁/共60頁注意：系統(tǒng)的初始狀態(tài)也可視為一種特殊的輸入，即初始輸入或初始激勵(lì)。當(dāng)初態(tài)不為0時(shí)，即使無輸入，系統(tǒng)的狀態(tài)也不斷改變，這就是自由運(yùn)動(dòng)。工程控制論的內(nèi)容可歸納為如下工程控制論的內(nèi)容可歸納為如下5個(gè)方面：個(gè)方面：（1）已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的輸出，即系統(tǒng)分析問題； （2）已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出

6、，設(shè)計(jì)輸入，即最優(yōu)控制問題； （3）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； （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，此即濾波與預(yù)測問題； （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)，即系統(tǒng)辨識(shí)問題。 第9頁/共60頁三、三、系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)及其模型 1、系統(tǒng)的特性: :（1）系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關(guān)，而且還與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)； （2）系統(tǒng)的內(nèi)容比組成系統(tǒng)各元素的內(nèi)容要豐富得多； （3）系統(tǒng)往往具有表現(xiàn)出在時(shí)域、頻域或復(fù)域等域內(nèi)的動(dòng)態(tài)特性。 2、機(jī)械系統(tǒng): : 以實(shí)現(xiàn)一定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、輸出一定的機(jī)械能，以及承受一定的機(jī)械載荷為目的的系統(tǒng)，稱為機(jī)械系統(tǒng)。對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)

7、，其輸入和輸出分別稱為“激勵(lì)”和“響應(yīng)”。 第10頁/共60頁3、系統(tǒng)模型: : 模型是研究系統(tǒng)、認(rèn)識(shí)系統(tǒng)與描述系統(tǒng)、分析系統(tǒng)的一種工具。在我們這里模型是指一種用數(shù)學(xué)方法所描述的抽象的理論模型，用來表達(dá)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間，或系統(tǒng)與其外部環(huán)境之間的關(guān)系，故又稱為數(shù)學(xué)模型。 系統(tǒng)的模型包括實(shí)物模型、物理模型、和數(shù)學(xué)模型等等。而數(shù)學(xué)模型又包括靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。動(dòng)態(tài)模型在一定的條件下可以轉(zhuǎn)換成靜態(tài)模型。在控制理論或控制工程中，一般關(guān)心的是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，因此，往往需要采用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。 靜態(tài)模型反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性，現(xiàn)時(shí)輸出僅由其現(xiàn)時(shí)輸入所決定，一般以代數(shù)公式描

8、述。第11頁/共60頁 動(dòng)態(tài)模型反映系統(tǒng)在迅變載荷或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性，現(xiàn)時(shí)輸出還由受其以前輸入的歷史的影響，一般以微分方程或差分方程描述。例可見書P6圖1.2.2。四、四、反饋反饋 1、定義:系統(tǒng)的輸出不斷地，直接或間接地、全部或部分地返回，并作用于系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)就是信息的傳遞與交互。)()()()(tFtkxtxctxm系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型：。，這是系統(tǒng)的靜態(tài)模型化為，上式可簡當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)很慢時(shí)，其KtFtxxx/ )()(0, 0第12頁/共60頁例5：解：如果負(fù)載變化，使w增加-離心機(jī)構(gòu)滑套上移-液壓滑閥上移，動(dòng)力活塞下移，油門關(guān)小，w減小-直到滑閥回復(fù)中位，w回復(fù)到設(shè)定值。通過檢測系統(tǒng)的實(shí)

9、際輸出值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，反過來又作用于系統(tǒng)，形成反饋，進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，本例中的反饋表現(xiàn)為w變化所引起的信息傳遞與交互。第13頁/共60頁2、內(nèi)反饋與外反饋外反饋：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為達(dá)到某種控制目的而人為加入的反饋，稱為外反饋。 內(nèi)反饋：在系統(tǒng)或過程中存在的各種自然形成的反饋，稱為內(nèi)反饋。它是系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)元素之間相互耦合的結(jié)果。內(nèi)反饋是造成機(jī)械系統(tǒng)存在一定的動(dòng)態(tài)特性的根本原因，紛繁復(fù)雜的內(nèi)反饋的存在使得機(jī)械系統(tǒng)變得異常復(fù)雜。例：m-c-k系統(tǒng))()()()()()()()(2222tkydttdyctfdttydmtftkydttdycdttydm或解：由題可得：第14頁/共60頁3

10、、系統(tǒng)方框圖及其組成 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)行信息交換的過程。它包括三個(gè)基本的單元，即： 1 )引出點(diǎn)（分支點(diǎn)）：表示信號(hào)的引出或信號(hào)的分支，箭頭表示信號(hào)的傳遞方向，線上標(biāo)記信號(hào)的名稱。顯然這是一個(gè)內(nèi)反饋，因?yàn)闆]有附加反饋控制裝置。內(nèi)反饋是系統(tǒng)內(nèi)部的信息交互，反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。第15頁/共60頁 比較點(diǎn)（相加點(diǎn)）：表示兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)進(jìn)行相加或相減運(yùn)算?！?”表示信號(hào)相加；“-”表示信號(hào)相減。 元件方框：方框中寫入元、部件的名稱，進(jìn)入箭頭表示其輸入信號(hào)；引出箭頭表示其輸出信號(hào)。第16頁/共60頁例：見書P

11、23頁1.4題解：當(dāng)?shù)毒咭赃M(jìn)給量s進(jìn)行切削時(shí)，在切削過程中產(chǎn)生切削力Py，而使機(jī)床-工件系統(tǒng)發(fā)生變形退讓，減少了刀具的實(shí)際進(jìn)給a，此時(shí)a=s-y,進(jìn)行影響到切削刀的變化，如此循環(huán)，使得切削過程為一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，其過程如下圖所示的方框圖表示：切削過程機(jī)床-工件系統(tǒng)s ayyP第17頁/共60頁例：見書P24頁1.7-1題解：人騎自行車時(shí)，總是希望自行車具有一定的理想狀態(tài)（如速度，方向等），人腦根據(jù)這個(gè)理想狀態(tài)指揮四肢動(dòng)作，使自行車按預(yù)定的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，路面的狀況等因素會(huì)對(duì)自行車的實(shí)際狀態(tài)產(chǎn)生影響，使得自行車偏離理想狀態(tài)，人的感覺器官感覺車子的狀態(tài)，并將此信息返回到大腦，大腦根據(jù)實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)

12、的偏差調(diào)整四肢動(dòng)作，如此循環(huán)往復(fù)。其信息流動(dòng)與反饋的過程如下圖所示：運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)感覺器官理想狀態(tài)大腦自行車實(shí)際狀態(tài)干擾第18頁/共60頁加熱電阻絲220V調(diào)壓器人工控制的恒溫箱 溫度計(jì)例7：人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過程： 觀測恒溫箱內(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 偏差的大小和方向1、控制系統(tǒng)工作原理五、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成五、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成第19頁/共60頁 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。人工控制過程的實(shí)質(zhì)：檢測偏差再糾正偏差檢測偏差再糾正偏差。大腦手調(diào)壓器恒溫箱眼睛實(shí)際溫度期望溫度人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖

13、溫度計(jì)第20頁/共60頁加熱電阻絲220V調(diào)壓器熱電偶給定信號(hào)比較電壓放大器功率放大器執(zhí)行電動(dòng)機(jī)減速器u2u1+u恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)例8：第21頁/共60頁恒溫箱自動(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u2 恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度 u2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) 執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過傳動(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 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u0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)功能框圖如下所示：第22頁/共60頁給定信號(hào)電壓功率放大器控制電機(jī)減速器調(diào)壓器恒溫

14、箱(控制對(duì)象)熱電偶u1u2uuanvu溫度t(被控量)擾動(dòng)恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)功能框圖從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見： 給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量。 也稱為參考輸入量（信號(hào)）。 被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。第23頁/共60頁 輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系 統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏 差（給定信號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差）信號(hào)。 輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部 分輸出信號(hào)稱為反饋信號(hào)。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： 檢測輸出量（被控制量）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 較得出偏差； 用偏差值

15、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。第24頁/共60頁由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(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，故稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是“檢測偏差再糾正偏差”。這種基于反饋原理，能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測量、比較和執(zhí)行三個(gè)基本功能。 注意：注意：反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號(hào)是與給定信號(hào)相減，使偏差越來越小，稱為負(fù)反饋。負(fù)反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制最基本的方法。第25頁/共60頁六、系統(tǒng)的分類及對(duì)控制

16、系統(tǒng)的基本要求六、系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1、開環(huán)控制與閉環(huán)控制實(shí)際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋?zhàn)饔每煞譃槿悾?開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng) 半閉環(huán)控制系統(tǒng)第26頁/共60頁 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；輸出端 和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量 在整個(gè)控制過程中對(duì)系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生 任何影響。 輸入裝置指令系統(tǒng)輸入控制裝置伺服驅(qū)動(dòng)裝置工作臺(tái)工作臺(tái) 位置系統(tǒng)輸出數(shù)控機(jī)床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡單、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，且外界干擾較小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。第27頁/共60頁缺點(diǎn)缺點(diǎn)：精度通常較低、無自動(dòng)糾偏能力控制器對(duì)象或過程輸入量

17、輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)框圖 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 出量對(duì)控制過程有直接影響。 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 敏感 第28頁/共60頁缺點(diǎn)缺點(diǎn)：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系統(tǒng)性 能分析和設(shè)計(jì)麻煩。 控制器對(duì)象或過程輸入量輸出量測量元件閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量 半閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)特點(diǎn)：反饋信號(hào)通過系統(tǒng)內(nèi)部的中間信號(hào)獲得。第29頁/共60頁2、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成給定元件 +串聯(lián)校正元件放大變換元件執(zhí)行元件控制對(duì)象_ +_并聯(lián)校正元件局部反饋反饋元件主反饋控制部分比較元件比較元件輸入信號(hào) xi偏差信號(hào) e主反饋信號(hào) xb

18、擾動(dòng)信號(hào)輸出 xo閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成 給定元件 產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。第30頁/共60頁 反饋元件 測量被控制量（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)。 注意：在機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、機(jī)電等系統(tǒng)中存在著內(nèi)在反饋，這種反饋無須專門的反饋元件，是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互作用產(chǎn)生的，如作用力與反作用力之間形成的直接反饋。 比較元件 對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)； 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)動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能。第31頁/共60頁 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)、液壓馬達(dá)等； 校正元件 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

19、并聯(lián)兩種。控制系統(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為控制器。實(shí)際的控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免的，擾動(dòng)分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)，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。第32頁/共60頁3、輸出變化規(guī)律分類 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。 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，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)。 隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)

20、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，并能排除第33頁/共60頁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。如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。4、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)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)通常采用微分方程描述。 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)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。 第34頁/共60頁5、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 線性系統(tǒng)由線性元件組成，輸入輸出問具有疊加性和均勻性性質(zhì)，以線性微分方程來表述。 非線性系統(tǒng)系統(tǒng)中有非線

21、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表述。第35頁/共60頁6、其它分類系統(tǒng)其它分類系統(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 制系統(tǒng) 溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)第36頁/共60頁七、七、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過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)，其輸出能隨時(shí)間的增長收斂并回到初始平衡狀態(tài)。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，與外界因素?zé)o關(guān)。穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)內(nèi)部儲(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。第37頁/共60頁2、精確性、精確性 控制

22、精度，以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差：系統(tǒng)的調(diào)整（過渡）過程結(jié)束而趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與給定量之間的差值。 3、快速性、快速性 輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時(shí)，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度?？焖傩员碚飨到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。注意： 不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對(duì)穩(wěn)定性、精確性和快 速性要求各有側(cè)重。第38頁/共60頁 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應(yīng) 根據(jù)實(shí)際需求合理選擇。第39頁/共60頁八、控制工程發(fā)展概況l 1788年：J. Watt 發(fā)明蒸汽機(jī) 調(diào)速器 l 一千多年前：銅壺滴漏計(jì)時(shí) 器、指南針、各種天文儀器 時(shí)間刻度浮子銅壺滴漏l 1868年：J. C. Maxwell發(fā)表 調(diào)速器，提出反饋

23、控制 的概念及穩(wěn)定性條件。l 1884年：E. J. Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)。l 1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定 性理論。第40頁/共60頁l 1895年：A. Hurwifz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)。l 1932年：H. Nyquist提出奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。l 1945年：H. W. Bode提出反饋放大器的一般設(shè) 計(jì)方法l 1948年：N. Wiener發(fā)表控制論，標(biāo)志經(jīng)典 控制理論基本形成；經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù) 為基礎(chǔ)，主要研究單輸入單輸出（SISO）系 統(tǒng)的分析和控制問題； l 1950年：W. R. Evans提出根軌跡法，進(jìn)一步充 實(shí)了經(jīng)典控制論

24、；第41頁/共60頁l 1954年：錢學(xué)森發(fā)表工程控制論； l 50年代末60年代初：現(xiàn)代控制理論形成；現(xiàn)代 控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，主要分析和研 究多輸入-多輸出( MIMO )、時(shí)變、非線性等 系統(tǒng)的最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識(shí)、自適 應(yīng)控制、智能控制等問題；控制理論研究的重 點(diǎn)開始由頻域移到從本質(zhì)上說是時(shí)域的狀態(tài)空 間方法。 第42頁/共60頁l 1956年：蓬特里亞金（Pontryagin）提出極大 值原理l 1957年：R. I. Bellman提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論l 1960年：R. E. Kalman提出卡爾曼濾波理論l 19601980年：確定性系統(tǒng)的最優(yōu)控制、隨機(jī) 系統(tǒng)的最優(yōu)

25、控制、復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí) 控制l 1980迄今：魯棒控制、H控制、非線性控制、 智能控制等第43頁/共60頁九、本課程的任務(wù)及主要內(nèi)容l 本課程的任務(wù)本課程的任務(wù) 控制系統(tǒng)性能分析動(dòng)態(tài)性能：過渡過程分析、穩(wěn)定性分析等穩(wěn)態(tài)性能：控制精度（穩(wěn)態(tài)誤差） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇適當(dāng)?shù)目刂破骷翱刂埔?guī)律以改善控制系統(tǒng)的性能使其滿足控制要求?？刂葡到y(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)通常是交替進(jìn)行的。第44頁/共60頁控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)一般包括： 建立控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（線性化模型） 對(duì)象的性能分析、仿真 選擇控制方案（開環(huán)/閉環(huán)；線性/非線性等） 選擇性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)控制器 全系統(tǒng)性能分析、仿真 研制控制器，構(gòu)建控制系統(tǒng) 試

26、驗(yàn)驗(yàn)證第45頁/共60頁l 本課程主要內(nèi)容本課程主要內(nèi)容 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析 控制系統(tǒng)的頻域分析 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正介紹經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)知識(shí)，包括：第46頁/共60頁十、習(xí)題自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖的繪制步驟(重點(diǎn)掌握)：（1）分析控制系統(tǒng)的工作原理，找出被控對(duì)象。 （2）分清系統(tǒng)的輸入量、輸出量。 （3）按照控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的定義，找出相應(yīng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。（4）按信息流動(dòng)的方向?qū)⒏鱾€(gè)環(huán)節(jié)用元件方框和連線連接起來第47頁/共60頁例1.1設(shè)電熱水器如下圖所示。為了保持希望的溫度，由溫控開關(guān)接通或斷開電加熱器的電源。在使用熱水時(shí)，水箱中流出熱水并補(bǔ)充冷水。試說明該系統(tǒng)工作原理并畫出系統(tǒng)的方框圖。解：在電熱水器系統(tǒng)中，水箱內(nèi)的水溫需要控制，即水箱為被控對(duì)象。水的實(shí)際溫度是被控制量，或稱為系統(tǒng)的輸出量，設(shè)為；輸入量為用戶希望的溫度（給定值），設(shè)為；由于放出熱水并注入冷水或水箱散熱等原因而使水箱內(nèi)水溫下降成為該系統(tǒng)的主要干擾。第48頁/共60頁當(dāng)To=Ti時(shí)，水箱的實(shí)際水溫經(jīng)測溫元件檢測，并將實(shí)際水溫轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)，與溫控開關(guān)預(yù)先設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較而得到的偏差為零，此時(shí)電加熱器不工作，水箱中的水溫保持在希望的溫度上。當(dāng)使用熱水并注入冷水時(shí)，水溫下降，