《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》-1緒論

1、控制工程基礎(chǔ)控制工程基礎(chǔ) 專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課課程性質(zhì)課程性質(zhì): :課程特點(diǎn)：課程特點(diǎn)：內(nèi)容豐富，技術(shù)更新快，內(nèi)容豐富，技術(shù)更新快，緊密聯(lián)系實(shí)際，應(yīng)用非常廣泛。緊密聯(lián)系實(shí)際，應(yīng)用非常廣泛。前導(dǎo)課程：前導(dǎo)課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、復(fù)變函數(shù)、高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、復(fù)變函數(shù)、電路理論、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)等電路理論、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)等 復(fù)習(xí)：復(fù)變函數(shù)復(fù)習(xí)：復(fù)變函數(shù)Laplace變換變換自學(xué)：自學(xué)：Matlab編程。編程。課外補(bǔ)充：課外補(bǔ)充：n教材： 朱驥北主編.機(jī)械控制工程基礎(chǔ).機(jī)械 工業(yè)版社，1999.n參考書目：n楊叔子、楊克沖主編 機(jī)械控制工程基礎(chǔ)。北京；機(jī)械工業(yè)出版社，2005；n許賢良、

2、王傳禮主編 控制工程基礎(chǔ) 。北京；國防工業(yè)出版社，2008；n董景新、趙常德主編 控制工程基礎(chǔ) 。北京；清華大學(xué)出版社，1992n . . .課程教材與主要參考書課程教材與主要參考書 工程控制基礎(chǔ)工程控制基礎(chǔ)課程說明課程說明教學(xué)目標(biāo)：教學(xué)目標(biāo)： 1. 對(duì)機(jī)電系統(tǒng)中存在的問題能夠以控制論的觀點(diǎn)和思維對(duì)機(jī)電系統(tǒng)中存在的問題能夠以控制論的觀點(diǎn)和思維 方法進(jìn)行科學(xué)分析，以找出問題本質(zhì)和有效的解決方法方法進(jìn)行科學(xué)分析，以找出問題本質(zhì)和有效的解決方法2. 如何控制一個(gè)機(jī)電系統(tǒng)，使之按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，以如何控制一個(gè)機(jī)電系統(tǒng)，使之按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到預(yù)定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)最佳控制打下基礎(chǔ)。達(dá)到預(yù)定的技

3、術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)最佳控制打下基礎(chǔ)。 控制論為理論基礎(chǔ)，研究機(jī)械工程中廣義系統(tǒng)控制論為理論基礎(chǔ)，研究機(jī)械工程中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題；同時(shí)，它又是一種方法論。學(xué)習(xí)本的動(dòng)力學(xué)問題；同時(shí)，它又是一種方法論。學(xué)習(xí)本課程的目的在于使學(xué)生結(jié)合工程實(shí)際，應(yīng)用經(jīng)典控課程的目的在于使學(xué)生結(jié)合工程實(shí)際，應(yīng)用經(jīng)典控制論中的基本概念和基本方法來分析、研究和解決制論中的基本概念和基本方法來分析、研究和解決其中的問題其中的問題 。教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：主要教學(xué)內(nèi)容主要教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)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)模型工工程程控控制制技技術(shù)術(shù)時(shí)域分析時(shí)域

4、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)工程應(yīng)用工程應(yīng)用系統(tǒng)性能指標(biāo)系統(tǒng)性能指標(biāo) 系統(tǒng)校正系統(tǒng)校正 學(xué)時(shí)安排學(xué)時(shí)安排一緒論一緒論 4 4 學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)二物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)二物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù) 6 6 學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)三瞬態(tài)響應(yīng)和誤差分析三瞬態(tài)響應(yīng)和誤差分析 8 8 學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)四頻率特性分析四頻率特性分析 8 8 學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)五系統(tǒng)的穩(wěn)定性五系統(tǒng)的穩(wěn)定性 6 6 學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)六系統(tǒng)的綜合與校正六系統(tǒng)的綜合與校正 4 4 學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 復(fù)習(xí)（實(shí)驗(yàn)）：復(fù)習(xí)（實(shí)驗(yàn)）： 4 4學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)總學(xué)時(shí)：總學(xué)時(shí)： 4040學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 主要考核環(huán)節(jié)主要考核環(huán)節(jié)l課后習(xí)題（課后習(xí)題（15%）獨(dú)立完成作業(yè)，按時(shí)交作業(yè)。獨(dú)

5、立完成作業(yè)，按時(shí)交作業(yè)。到課率、遲到早退情況、回答問題情況、上到課率、遲到早退情況、回答問題情況、上課情況等。課情況等。 l課堂學(xué)習(xí)（課堂學(xué)習(xí)（15%）l考試（考試（70%）考試方式：閉卷，題型為單項(xiàng)選擇、簡答、考試方式：閉卷，題型為單項(xiàng)選擇、簡答、計(jì)算、圖解等。計(jì)算、圖解等?？荚囈螅焊闱寤靖拍?，注意解題方法和考試要求：搞清基本概念，注意解題方法和技巧，注意理論聯(lián)系實(shí)際。技巧，注意理論聯(lián)系實(shí)際。 控制工程基礎(chǔ)n1. 緒緒 論論n學(xué)習(xí)目的 1.搞清控制系統(tǒng)的工作原理、組成及其分類2.了解對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求3.了解控制工程的發(fā)展概況 n內(nèi)容提要 本章主要闡述控制系統(tǒng)的工作原理、組成及其分類，

6、 重點(diǎn)：控制系統(tǒng)的工作原理 難點(diǎn)：確定系統(tǒng)的輸入量和輸出量；尋找反饋通道 引言引言控制系統(tǒng)的控制：人工控制與自動(dòng)控制。控制系統(tǒng)的控制：人工控制與自動(dòng)控制。自動(dòng)控制自動(dòng)控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制器（外加的設(shè)備或控制裝置），使生產(chǎn)用控制器（外加的設(shè)備或控制裝置），使生產(chǎn)過程或控制對(duì)象（機(jī)器、設(shè)備）的某個(gè)工作狀過程或控制對(duì)象（機(jī)器、設(shè)備）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（溫度、壓力、流量、位移速度等）態(tài)或參數(shù)（溫度、壓力、流量、位移速度等）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。 在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控

7、制技術(shù)起著越來越重要的作用。技術(shù)起著越來越重要的作用?？刂茻o處不在控制無處不在 海洋探測(cè)機(jī)器人海洋探測(cè)機(jī)器人1990年日本海洋科技中心 研制的“海溝號(hào)”纜控式無人潛水器（左）及其在大海中工作時(shí)的情況（右） 智能樓宇的控制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)機(jī)電電 機(jī)電一體化EV充電系統(tǒng)充電系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)汽車照明、汽車照明、電動(dòng)轉(zhuǎn)向、空調(diào)、電動(dòng)轉(zhuǎn)向、空調(diào)、音響、雨刷、安全音響、雨刷、安全報(bào)警、電動(dòng)門窗報(bào)警、電動(dòng)門窗.電電 子子機(jī)械機(jī)械驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制控制控制控制控制工程基礎(chǔ)n1.1 控制系統(tǒng)的工作原理

8、及其組成n1.1.1工作原理工作原理 n實(shí)現(xiàn)恒溫控制有人工控制和自動(dòng)控制兩種辦法。 n圖1.1 人工控制的恒溫箱控制工程基礎(chǔ)n人工調(diào)節(jié)過程可歸結(jié)如下：n 1觀測(cè)由測(cè)量元件（溫度計(jì)）測(cè)出的恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）。n 2與要求的溫度值（給定值）進(jìn)行比較，得出偏差的大小和方向。n 3根據(jù)偏差的大小和方向再進(jìn)行控制。當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度高于所要求的給定溫度值時(shí)，就移動(dòng)調(diào)壓器使電流減小，溫度降低。若溫度低于給定的值，則移動(dòng)調(diào)壓器，使電流增加，溫度升到正常范圍。控制工程基礎(chǔ)圖圖1.2恒溫箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)恒溫箱的自動(dòng)控制系統(tǒng) n控制系統(tǒng)的工作原理工作原理如下：n1檢測(cè)輸出量的實(shí)際值。n2將實(shí)際值與給定值（輸入

9、量）進(jìn)行比較得出偏差值。n3用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差。這種基于反饋原理、通過“檢測(cè)偏差再糾正偏差”的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)。可見，作為反饋控制系統(tǒng)至少應(yīng)具備測(cè)量、測(cè)量、比較（或計(jì)算）和執(zhí)行比較（或計(jì)算）和執(zhí)行三個(gè)基本功能。 控制工程基礎(chǔ)控制工程基礎(chǔ) 圖.3 恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)職能框圖 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，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:(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，如圖(a)所示。(2)比較點(diǎn)(相加點(diǎn)):表示兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)

10、進(jìn)行相加或相減。 “+”表示信號(hào)相加；“-”表示信號(hào)相減，如圖(b)所示。(3)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)，如圖(c)所示。1.1.2 系統(tǒng)方系統(tǒng)方框圖框圖n1.1.3反饋的概念反饋的概念反饋：將系統(tǒng)的輸出以一定的方式返回到將系統(tǒng)的輸出以一定的方式返回到系統(tǒng)的輸入端并共同作用于系統(tǒng)的過程，系統(tǒng)的輸入端并共同作用于系統(tǒng)的過程，稱為反饋或信息反饋。稱為反饋或信息反饋。反饋是控制系統(tǒng)中一個(gè)最基本、最重要的反饋是控制系統(tǒng)中一個(gè)最基本、最重要的概念。概念?？刂乒こ袒A(chǔ)外反饋（反饋控制）：外反饋（反饋控制）：相對(duì)于被控對(duì)象而言，由附加的反饋控相對(duì)于被

11、控對(duì)象而言，由附加的反饋控制裝置引起的信息交互。制裝置引起的信息交互。內(nèi)反饋：內(nèi)反饋：系統(tǒng)內(nèi)部的信息交互；系統(tǒng)內(nèi)部的信息交互；反映系統(tǒng)內(nèi)部元素之間互為因果的聯(lián)系關(guān)系；反映系統(tǒng)內(nèi)部元素之間互為因果的聯(lián)系關(guān)系；反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性?？刂乒こ袒A(chǔ)控制工程基礎(chǔ)n1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類n1.2.1 按控制系統(tǒng)有無反饋來分n（1）開環(huán)控制系統(tǒng)n系統(tǒng)只是根據(jù)輸入量和干擾量進(jìn)行控制，而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，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。n步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床、普通洗衣機(jī)、家用電烤箱、微波爐等。 23開環(huán)控制系統(tǒng)例1被控制對(duì)象：爐子

12、被控制對(duì)象：爐子被控制量（輸出量）：爐溫被控制量（輸出量）：爐溫控制裝置：開關(guān)控制裝置：開關(guān)K K和電熱絲，對(duì)和電熱絲，對(duì) 被控制量起控制作用。被控制量起控制作用。圖14 人工控制的電加熱爐 24開環(huán)控制系統(tǒng)例2如圖如圖1-21-2所示，為一個(gè)所示，為一個(gè)典型的液位控制系統(tǒng)，典型的液位控制系統(tǒng)，H H為為液面高度液面高度( (又稱液位又稱液位) )，控制，控制的目的在于保持液面高度不的目的在于保持液面高度不變。變。 如果由于閥門如果由于閥門V1V1的開度的開度變化而引起輸出流量發(fā)生變變化而引起輸出流量發(fā)生變化時(shí)，必然引起液位化時(shí)，必然引起液位H H的變的變化，為了保持化，為了保持H H不變必需

13、人不變必需人為地控制閥門為地控制閥門V2V2的開度來改的開度來改變輸入的流量，以維持液面變輸入的流量，以維持液面高度高度H H不變。不變。 圖圖1 16 6 液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)示意圖示意圖25n但是液位但是液位H H的變化卻不會(huì)自動(dòng)使閥門的變化卻不會(huì)自動(dòng)使閥門V2V2開度發(fā)生變開度發(fā)生變化，也就是說系統(tǒng)的輸出量化，也就是說系統(tǒng)的輸出量( (液面高度液面高度) )對(duì)系統(tǒng)的對(duì)系統(tǒng)的控制作用控制作用( (輸入流量輸入流量) )沒有任何影響沒有任何影響 。n這種這種輸出量對(duì)控制作用沒有任何影響輸出量對(duì)控制作用沒有任何影響，或者說，或者說控控制器與控制對(duì)象之間只有單向作用而沒有反向作制器與控制對(duì)象

14、之間只有單向作用而沒有反向作用的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，用的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，框圖框圖如下：如下：圖17 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖 控制工程基礎(chǔ)n（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)）閉環(huán)控制系統(tǒng) n系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過程產(chǎn)生直接影響，這種系統(tǒng)稱為出量對(duì)控制過程產(chǎn)生直接影響，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)必是閉環(huán)控制系閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)必是閉環(huán)控制系統(tǒng)。統(tǒng)。n離心調(diào)速系統(tǒng)離心調(diào)速系統(tǒng) 恒溫箱（冰箱、空調(diào)等）恒溫箱（冰箱、空調(diào)等） 伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床等伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床等由11臺(tái)小型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)神汽車“Sojourner”

15、開環(huán)向閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)換例1圖.8 閉環(huán)控制的電加熱爐開環(huán)向閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)換例2 在上述圖在上述圖1-61-6的開環(huán)液的開環(huán)液位控制系統(tǒng)位控制系統(tǒng)中，加上一中，加上一個(gè)液位的自個(gè)液位的自動(dòng)測(cè)量與比動(dòng)測(cè)量與比較裝置，如較裝置，如右圖所示右圖所示. .液位控制閉環(huán)系統(tǒng)示意圖n可以看到可以看到:控制系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用有影控制系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用有影響（響（“反饋反饋”），或控制器與控制對(duì)象之間既有順），或控制器與控制對(duì)象之間既有順向作用又有反向聯(lián)系，故這種控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控向作用又有反向聯(lián)系，故這種控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。那么，閥門那么，閥門V1開度變化引起輸出流量和液位變化時(shí)

16、，開度變化引起輸出流量和液位變化時(shí)，該裝置通過測(cè)量和比較，得到實(shí)際液位與給定值的偏該裝置通過測(cè)量和比較，得到實(shí)際液位與給定值的偏差，這個(gè)偏差信號(hào)通過差，這個(gè)偏差信號(hào)通過執(zhí)行部件執(zhí)行部件(圖中的伺服電動(dòng)機(jī)圖中的伺服電動(dòng)機(jī))反過來使控制輸入流量的閥門反過來使控制輸入流量的閥門V2開度自動(dòng)作相應(yīng)的開度自動(dòng)作相應(yīng)的變化，把液位又調(diào)整到原來的高度。變化，把液位又調(diào)整到原來的高度。n閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng): :控制的是控制對(duì)象的輸出量控制的是控制對(duì)象的輸出量 ( (被控量被控量) )，測(cè)量的是輸出量與給定值之間的偏差。，測(cè)量的是輸出量與給定值之間的偏差。n 因此只要出現(xiàn)偏差，就能自動(dòng)糾偏，因此只要出現(xiàn)偏差，就能

17、自動(dòng)糾偏，用它可以用它可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制, ,因此因此, ,它是自動(dòng)控制系統(tǒng)工作的它是自動(dòng)控制系統(tǒng)工作的主要方式。主要方式。閉環(huán)控制框圖 控制工程基礎(chǔ)n（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng) n控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)不是直接從系統(tǒng)的輸出端引出，而是間接地取自中間的測(cè)量元件，則這種系統(tǒng)稱為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 第一級(jí)直角坐標(biāo) 位置控制（開環(huán)）第二級(jí)關(guān)節(jié)坐標(biāo) 位置控制（閉環(huán)）控制工程基礎(chǔ)n（4）閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)）閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)n抗干擾能力強(qiáng)，具有自動(dòng)糾偏能力； n控制精度高n結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高n設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮穩(wěn)定性問題控制工程基礎(chǔ)n（5）閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成）閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成n由圖可見

18、，閉環(huán)控制系統(tǒng)一般應(yīng)該包括給定元件、反饋元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件及校正元件等。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成 控制工程基礎(chǔ)n1）給定環(huán)節(jié)）給定環(huán)節(jié) 主要用于產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。 n2）反饋環(huán)節(jié)）反饋環(huán)節(jié) 它量測(cè)被控制量或輸出量，產(chǎn)生主反饋信號(hào)。一般，為了便于傳輸，主反饋信號(hào)多為電信號(hào)。因此，反饋元件通常是一些用電量來測(cè)量非電量的元件。n3）比較環(huán)節(jié)）比較環(huán)節(jié) 用來接收輸入信號(hào)和反饋信號(hào)并進(jìn)行比較，產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)。n4）放大環(huán)節(jié)）放大環(huán)節(jié) 對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大的元件。n5）執(zhí)行環(huán)節(jié)）執(zhí)行環(huán)節(jié) 直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件。n6校正環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié) 為保證控制質(zhì)量，使系

19、統(tǒng)獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能而加入系統(tǒng)的元件。校正元件又稱校正裝置。 控制工程基礎(chǔ)n1）輸入信號(hào)（又稱輸入量、控制量或給定量）：）輸入信號(hào)（又稱輸入量、控制量或給定量）：它是控制輸出量變化規(guī)律的信號(hào)。而輸入量則又廣義地泛指輸入到控制系統(tǒng)中的信號(hào)，如擾動(dòng)信號(hào)，也包括給定信號(hào)。 n2）輸出信號(hào)（又稱輸出量、被控制量或被調(diào)整）輸出信號(hào)（又稱輸出量、被控制量或被調(diào)整量）：量）：它的變化規(guī)律是要加以控制的，應(yīng)保持與輸入信號(hào)之間有一定的函數(shù)關(guān)系。 n3）反饋信號(hào)（或稱反饋）：）反饋信號(hào)（或稱反饋）：從系統(tǒng)（或元件）輸出端取出信號(hào)，經(jīng)過變換后加到系統(tǒng)（或元件）輸入端，這就是反饋信號(hào)?？刂乒こ袒A(chǔ)n4）偏差信號(hào)（

20、或稱偏差）：）偏差信號(hào)（或稱偏差）：它是控制信號(hào)與主反饋信號(hào)之差。有時(shí)也稱為作用誤差。 n 控制工程基礎(chǔ)n1.2.2 按控制作用的特點(diǎn)來分（1）恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)） 系統(tǒng)的輸出保持恒值。必為閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸出保持恒值。必為閉環(huán)系統(tǒng)。（2）程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出按預(yù)定程序變化。）程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出按預(yù)定程序變化。 (a)開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng) 圖圖1.6 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) (b)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)控制工程基礎(chǔ)（3）隨動(dòng)系統(tǒng)）隨動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出相應(yīng)于輸入按任意規(guī)律變化。炮瞄雷達(dá)系統(tǒng)、仿形加工。 液壓仿形車床工作原理圖液壓仿形車床工作原理圖 控制工程基礎(chǔ)

21、n1.3 控制工程研究的對(duì)象與研究方法控制工程基礎(chǔ)機(jī)電控制工程的研究對(duì)象系 統(tǒng)系 統(tǒng)輸入輸入輸出輸出 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)的統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)問題。具體地說，它研究的是機(jī)械工程廣義問題。具體地說，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，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)部的固從系統(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（即由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的特性）所決定有特性（即由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的特性）所決定的整個(gè)動(dòng)態(tài)歷程；研

22、究這一的整個(gè)動(dòng)態(tài)歷程；研究這一系統(tǒng)系統(tǒng)及其及其輸入輸入、輸出輸出三者之三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。間的動(dòng)態(tài)關(guān)系?？刂乒こ袒A(chǔ)n廣義系統(tǒng)廣義系統(tǒng)：具備系統(tǒng)要素的一切事物或?qū)ο?。就其物理形：具備系統(tǒng)要素的一切事物或?qū)ο?。就其物理形態(tài)來說可為機(jī)械、電氣、液壓及光學(xué)等工程的系統(tǒng)，也有態(tài)來說可為機(jī)械、電氣、液壓及光學(xué)等工程的系統(tǒng)，也有可能為社會(huì)上的、生物學(xué)上的系統(tǒng)。但無論如何，它們的可能為社會(huì)上的、生物學(xué)上的系統(tǒng)。但無論如何，它們的動(dòng)態(tài)行為都可以用動(dòng)態(tài)行為都可以用微分方程微分方程描述。這種系統(tǒng)在外界條件作描述。這種系統(tǒng)在外界條件作用下所表現(xiàn)出來的動(dòng)態(tài)歷程，說明了系統(tǒng)輸入、模型與輸用下所表現(xiàn)出來的動(dòng)態(tài)歷程，說明了

23、系統(tǒng)輸入、模型與輸出的內(nèi)在關(guān)系。出的內(nèi)在關(guān)系。n機(jī)械工程中的廣義系統(tǒng)機(jī)械工程中的廣義系統(tǒng)：元件、部件、儀器、設(shè)備、加工：元件、部件、儀器、設(shè)備、加工過程、操作設(shè)備、測(cè)量車間、部門、工廠企業(yè)、全球制造過程、操作設(shè)備、測(cè)量車間、部門、工廠企業(yè)、全球制造業(yè)等。業(yè)等。n動(dòng)力學(xué)問題動(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：系統(tǒng)在外界作用（輸入或激勵(lì)、包括外加控制或干擾）下，從一定初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷由其內(nèi)部的固制或干擾）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）的動(dòng)態(tài)歷程（輸出有特性（由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定）的動(dòng)態(tài)歷程（輸出或響應(yīng)），在這一過程中，系統(tǒng)及其輸入、

24、輸出三者之間或響應(yīng)），在這一過程中，系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系即為系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題。的動(dòng)態(tài)關(guān)系即為系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題。n下面就以大家熟悉的質(zhì)量下面就以大家熟悉的質(zhì)量阻尼阻尼彈簧的機(jī)械系統(tǒng)為例加彈簧的機(jī)械系統(tǒng)為例加以說明，以說明，例：質(zhì)量例：質(zhì)量阻尼阻尼彈簧的機(jī)械系統(tǒng)彈簧的機(jī)械系統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可由微分系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可由微分方程描述。其關(guān)系為方程描述。其關(guān)系為圖1-1 質(zhì)量-阻尼-彈簧系統(tǒng))(ty)(tx KB m )()()()(22txtkydttdyBdttydmdtdp 令：kBpmptxtytxtkytBpytymp221)()()()()()(且：則：控制工程基礎(chǔ)所謂系統(tǒng)的動(dòng)

25、態(tài)性能（基本動(dòng)力學(xué)問所謂系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（基本動(dòng)力學(xué)問題），主要分如下三類：題），主要分如下三類： 1）已知系統(tǒng)的參數(shù)m、k、B及輸入x(t)，確定輸出y(t)；2）已知輸入x(t)及輸出y(t)，確定系統(tǒng)的參數(shù)m、k及B；3）已知系統(tǒng)的參數(shù)m、k及B，給定輸出y(t)時(shí)，確定輸入x(t)。 )(ty)(tx KB m 控制工程基礎(chǔ) 就系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系而言，控制工程主要研究并解決如下幾個(gè)方面的問題： 1）系統(tǒng)已定，并且輸入已知時(shí)，求出系統(tǒng)的輸出（響應(yīng)），并通過輸出來研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問題，即系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析； 2）系統(tǒng)已定，且系統(tǒng)的輸出也已給定，要確定系統(tǒng)的輸入，使輸出盡可能

26、符合給定的最佳要求，即系統(tǒng)的最優(yōu)控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制。3）輸入已知，且輸出也是給定時(shí)，確定系統(tǒng)，使輸出盡可能符合給定的最佳要求，即最優(yōu)設(shè)計(jì)最優(yōu)設(shè)計(jì)。 控制工程基礎(chǔ)4 4）當(dāng)輸入與輸出均已知時(shí)，求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，此即系統(tǒng)的識(shí)別或系統(tǒng)辨識(shí)。5) 5) 當(dāng)系統(tǒng)已定時(shí)，根據(jù)輸出識(shí)別輸入或輸入中的有關(guān)信息，此即為系統(tǒng)的預(yù)測(cè)。從本質(zhì)上看，從本質(zhì)上看，問題問題1 1）是已知系統(tǒng)與輸入求輸出；）是已知系統(tǒng)與輸入求輸出；問題問題2 2）已知系統(tǒng)和輸出求輸入；）已知系統(tǒng)和輸出求輸入；問題問題3 3）和）和4)4)是已知輸入與輸出求系統(tǒng)；是已知輸入與輸出求系統(tǒng)；問題問題5 5）是已知系統(tǒng)與輸出和輸入。）是已知系統(tǒng)與輸出和輸入。 本課程主要是以經(jīng)典控制理論來研究問題本課程主要是以經(jīng)典控制理論來研究問題1)1)，同時(shí)也以適當(dāng)篇幅來研究其它問題。同時(shí)也以適當(dāng)篇幅來研究其它問題。1.4 控制系統(tǒng)的基本要求n穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性就是指系統(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。 它是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件和初始狀態(tài)無關(guān)。 控制工程基礎(chǔ)n1.4 控制系統(tǒng)的基本要求n精確性精確性