機械工程控制基礎(chǔ)[1]

1、機機 械械 工工 程程控控 制制 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) （第六版）（第六版） 青海大學化機系青海大學化機系機械工程機械工程控制控制基礎(chǔ)基礎(chǔ)第一章第一章 緒論緒論第二章第二章 系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)的數(shù)學模型第三章第三章 系統(tǒng)的時間響應分析系統(tǒng)的時間響應分析第四章第四章 系統(tǒng)的頻率特性分析系統(tǒng)的頻率特性分析第五章第五章 系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性第六章第六章 系統(tǒng)的性能指標與校正系統(tǒng)的性能指標與校正* *第七章第七章 非線性系統(tǒng)初步非線性系統(tǒng)初步* *第八章第八章 線性離散系統(tǒng)初步線性離散系統(tǒng)初步* *第九章第九章 系統(tǒng)辨識初步系統(tǒng)辨識初步 MATLAB MATLAB軟件工具在控制系統(tǒng)分析和軟件工具在控制系統(tǒng)分

2、析和 綜合中的應用綜合中的應用 1.1概述概述v一、本課程的定義及意義本課程的定義及意義 控制工程是一門研究控制論在工程中應用控制工程是一門研究控制論在工程中應用的科學的科學.機械控制工程基礎(chǔ)課程主要闡述有關(guān)機械控制工程基礎(chǔ)課程主要闡述有關(guān)自動控制技術(shù)自動控制技術(shù)即機、電、液一體化中共同即機、電、液一體化中共同遵循的基本規(guī)律的理論。遵循的基本規(guī)律的理論。 當前精密儀器和機械制造業(yè)發(fā)展一個明顯而當前精密儀器和機械制造業(yè)發(fā)展一個明顯而重要的趨勢是越來越廣泛而深刻地引入了控制重要的趨勢是越來越廣泛而深刻地引入了控制理論。例如數(shù)控、工業(yè)機器人、鍛壓、焊接自理論。例如數(shù)控、工業(yè)機器人、鍛壓、焊接自動化設(shè)

3、備等都應用到了控制工程的基礎(chǔ)知識。動化設(shè)備等都應用到了控制工程的基礎(chǔ)知識。v因此控制理論不僅是一門極為重要的學科，而且也是科學的方法論之一。v本課程是一門主要的技術(shù)基礎(chǔ)課，它涉及古典控制理論的主要內(nèi)容及意義，還涉及了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。二、控制工程的發(fā)展二、控制工程的發(fā)展公元前14001100年，中國、埃及和巴比倫相繼出現(xiàn)自動計時漏壺，人類產(chǎn)生了最早期的控制思想。 公元前公元前300300年秦昭王時，由李冰父子主年秦昭王時，由李冰父子主持設(shè)計修筑的著名水利工程都江堰，是一持設(shè)計修筑的著名水利工程都江堰，是一種液面控制，是種液面控制，是“系統(tǒng)系統(tǒng)”觀念的杰出體現(xiàn)觀念的杰出體現(xiàn)。 公元公元1001

4、00年，亞歷山大的希羅發(fā)明開年，亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水的自動計時裝置。閉廟門和分發(fā)圣水的自動計時裝置。 公元公元132132年，中國科學家張衡（公元年，中國科學家張衡（公元7878139139）發(fā)明水運渾象，研制出自動測量）發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的候風地動儀。地震的候風地動儀。 公元公元235235年，年，中國馬鈞研制中國馬鈞研制出用齒輪傳動出用齒輪傳動的自動指示方的自動指示方向的指南車向的指南車( (司司南車）南車） 另有發(fā)明擊另有發(fā)明擊鼓記里鼓記里 公元公元16371637年，中國明年，中國明代宋應星所代宋應星所著天工開著天工開物記載有物記載有程序控制思程序控制思想

5、的提花織想的提花織機結(jié)構(gòu)圖。機結(jié)構(gòu)圖。 公元公元17881788年，英國人年，英國人J.WattJ.Watt用離心式用離心式調(diào)速器控制蒸汽機的速度，由此產(chǎn)生了第調(diào)速器控制蒸汽機的速度，由此產(chǎn)生了第一次工業(yè)革命。一次工業(yè)革命。 維納，維納，MITMIT教授，曾教授，曾于于19361936年到清華大學任年到清華大學任訪問教授。早期進行模訪問教授。早期進行模擬計算機研究，二戰(zhàn)期擬計算機研究，二戰(zhàn)期間參與火炮控制研究，間參與火炮控制研究，提煉出負反饋概念。提煉出負反饋概念。 1948 1948年，維納所著年，維納所著控制論的出版，標控制論的出版，標志著這門學科的正式誕志著這門學科的正式誕生。生?？刂普?/p>

6、的奠基人控制論的奠基人美國科學家維納美國科學家維納（Wiener,N.，18941964） 1954 1954年，我國科學家錢學年，我國科學家錢學森在美國運用控制論思想和森在美國運用控制論思想和方法，用英文出版工程控方法，用英文出版工程控制論，首先把控制論推廣制論，首先把控制論推廣到工程技術(shù)領(lǐng)域。到工程技術(shù)領(lǐng)域。 “工程控制論是關(guān)于工程技術(shù)領(lǐng)域各個系統(tǒng)自動控制和工程控制論是關(guān)于工程技術(shù)領(lǐng)域各個系統(tǒng)自動控制和自動調(diào)節(jié)的理論。維納博士自動調(diào)節(jié)的理論。維納博士40年代提示了控制論的基本思年代提示了控制論的基本思想后，不少工程師和數(shù)學博士曾努力尋找通往這座理論頂想后，不少工程師和數(shù)學博士曾努力尋找通往

7、這座理論頂峰的道路，但均半途而廢。工程師偏重于實踐，解決具體峰的道路，但均半途而廢。工程師偏重于實踐，解決具體問題，不善于上升到理論高度；數(shù)學家則擅長于理論分析問題，不善于上升到理論高度；數(shù)學家則擅長于理論分析，卻不善于從一般到個別去解決實際問題。錢學森則集中，卻不善于從一般到個別去解決實際問題。錢學森則集中兩者優(yōu)勢于一身，高超地將兩只輪子裝到一輛戰(zhàn)車上，碾兩者優(yōu)勢于一身，高超地將兩只輪子裝到一輛戰(zhàn)車上，碾出了工程控制論研究的一條新途徑。出了工程控制論研究的一條新途徑?！?接著短短的幾十年里，在各國科學家接著短短的幾十年里，在各國科學家和科學技術(shù)人員的努力下，又相繼出現(xiàn)了和科學技術(shù)人員的努力下

8、，又相繼出現(xiàn)了生物控制論，經(jīng)濟控制論和社會控制論等，生物控制論，經(jīng)濟控制論和社會控制論等，控制理論已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域，并伴隨著控制理論已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域，并伴隨著其它科學技術(shù)的發(fā)展，極大地改變了整個其它科學技術(shù)的發(fā)展，極大地改變了整個世界?？刂评碚撟陨硪苍趧?chuàng)造人類文明中世界?？刂评碚撟陨硪苍趧?chuàng)造人類文明中不斷向前發(fā)展。控制理論的中心思想是通不斷向前發(fā)展?？刂评碚摰闹行乃枷胧峭ㄟ^信息的傳遞、加工處理并加以反饋來進過信息的傳遞、加工處理并加以反饋來進行控制，控制理論是信息學科的重要組成行控制，控制理論是信息學科的重要組成方面。方面。 根據(jù)自動控制理論的內(nèi)容和發(fā)展的不同根據(jù)自動控制理論的內(nèi)容和發(fā)展的

9、不同階段，控制理論可分為階段，控制理論可分為“經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論”和和“現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”兩大部分。兩大部分。 “經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論”的內(nèi)容是以傳遞函數(shù)的內(nèi)容是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，以頻率法和根軌跡法作為分析和為基礎(chǔ)，以頻率法和根軌跡法作為分析和綜合系統(tǒng)基本方法，主要研究單輸入，單綜合系統(tǒng)基本方法，主要研究單輸入，單輸出這類控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。輸出這類控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。 “現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”是在是在“經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論”的基礎(chǔ)上，于的基礎(chǔ)上，于6060年代以后發(fā)展起來的。它的年代以后發(fā)展起來的。它的主要內(nèi)容是以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸主要內(nèi)容是以狀

10、態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入，多輸出、時變參數(shù)、分布參數(shù)、隨機參入，多輸出、時變參數(shù)、分布參數(shù)、隨機參數(shù)、非線性等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。數(shù)、非線性等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識、自適應控最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識、自適應控制等理論都是這一領(lǐng)域重要的研究課題，近制等理論都是這一領(lǐng)域重要的研究課題，近年來計算機技術(shù)和現(xiàn)代應用數(shù)學的結(jié)合，又年來計算機技術(shù)和現(xiàn)代應用數(shù)學的結(jié)合，又使現(xiàn)代控制理論在大系統(tǒng)理論和模仿人類智使現(xiàn)代控制理論在大系統(tǒng)理論和模仿人類智能活動的人工智能控制等諸多領(lǐng)域有了重大能活動的人工智能控制等諸多領(lǐng)域有了重大發(fā)展。發(fā)展。1.1.經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論

11、40405050年代形成年代形成 適用于適用于SISOSISO（單輸入單輸出）系統(tǒng)（單輸入單輸出）系統(tǒng) 基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)目標：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定目標：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定 基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，PIDPID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 ( (頻域頻域) )2.現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論60607070年代形成年代形成 適用于適用于MIMO MIMO （多輸入多輸出）系統(tǒng)（多輸入多輸出）系統(tǒng) 基于：基于： 冷戰(zhàn)時期空間技術(shù)，計算機技術(shù)冷戰(zhàn)時期空間技術(shù)，計算機技術(shù)目標：最優(yōu)控制目標：最優(yōu)控制基本方法：狀態(tài)空間表達式基本方法：狀態(tài)空間表達式研究對研究對象象數(shù)學工數(shù)學

12、工具具常用分常用分析方法析方法局限性局限性經(jīng)典經(jīng)典控制控制理論理論單輸入單輸入-單輸出線單輸出線性定常系性定常系統(tǒng)統(tǒng)微分方微分方程，傳程，傳遞函數(shù)遞函數(shù)時域分時域分析法，析法，頻域分頻域分析法析法,根根軌跡分軌跡分析法析法對復雜多變量對復雜多變量系統(tǒng)、時變和系統(tǒng)、時變和非線性系統(tǒng)無非線性系統(tǒng)無能為力能為力現(xiàn)代現(xiàn)代控制控制理論理論多輸入多輸入-多輸出變多輸出變系數(shù)，非系數(shù)，非線性等系線性等系統(tǒng)統(tǒng)線性代線性代數(shù)、矩數(shù)、矩陣理論陣理論狀態(tài)空狀態(tài)空間法間法比較繁瑣（但比較繁瑣（但由于計算機技由于計算機技術(shù)的的迅速發(fā)術(shù)的的迅速發(fā)展，這一局限展，這一局限性已克服性已克服)3.大系統(tǒng)理論和智能控制理論大系統(tǒng)

13、理論和智能控制理論 大系統(tǒng)論大系統(tǒng)論 是用控制和信息的觀點研究大系統(tǒng)是用控制和信息的觀點研究大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、總體設(shè)計中的分析方法和協(xié)調(diào)問題。的結(jié)構(gòu)方案、總體設(shè)計中的分析方法和協(xié)調(diào)問題。 智能論智能論 研究模擬人類活動的機理，具有非線研究模擬人類活動的機理，具有非線性、時變、隨機、模糊性。性、時變、隨機、模糊性。應用：人造衛(wèi)星等。（如圖）應用：人造衛(wèi)星等。（如圖） 第一顆人造衛(wèi)星（蘇聯(lián)，第一顆人造衛(wèi)星（蘇聯(lián)，19571957年）年） 第一顆載人飛船（蘇聯(lián)，第一顆載人飛船（蘇聯(lián)，19611961年）年） 人類首次登上月球（美國，人類首次登上月球（美國，19691969年）年） 首架航天飛機（美國

14、，首架航天飛機（美國，19811981年）年） 首次沖出太陽系（美國，首次沖出太陽系（美國，19891989年）年） 仿人機器人（日本，仿人機器人（日本，20012001年）年） 神州五號載人航天成功（中國，神州五號載人航天成功（中國，20032003年）年） 勇氣號、機遇號火星探測器（美國，勇氣號、機遇號火星探測器（美國，20042004年）年） “作為技術(shù)科學的控制論，對工程技作為技術(shù)科學的控制論，對工程技術(shù)、生物和生命現(xiàn)象的研究和經(jīng)濟科學，術(shù)、生物和生命現(xiàn)象的研究和經(jīng)濟科學，以及對社會研究都有深刻的意義，比起相以及對社會研究都有深刻的意義，比起相對論和量子論對社會的作用有過之無不對論和量

15、子論對社會的作用有過之無不及我們可以毫不含糊地說從科學理論的及我們可以毫不含糊地說從科學理論的角度來看，二十世紀上半葉的三大偉績是角度來看，二十世紀上半葉的三大偉績是相對論、量子論和控制論，也許可以稱它相對論、量子論和控制論，也許可以稱它們?yōu)槿椏茖W革命，是人類認識客觀世界們?yōu)槿椏茖W革命，是人類認識客觀世界的三大飛躍。的三大飛躍?！?錢學森錢學森 1.2 1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念一一.自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) 1.概念概念 自動控制自動控制是指在沒有人的參與下，利用控是指在沒有人的參與下，利用控制裝置使生產(chǎn)過程或制裝置使生產(chǎn)過程或被控對象被控對象的某一些的某一些物

16、理量物理量準準確地按預期規(guī)律運行。確地按預期規(guī)律運行。 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)是指由控制裝置與被控對象結(jié)合起來是指由控制裝置與被控對象結(jié)合起來的，能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮囊恍┪锢砹窟M行自動控制的一個有的，能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮囊恍┪锢砹窟M行自動控制的一個有機整體。機整體。 基本問題基本問題: 如何使被控對象的物理量按照如何使被控對象的物理量按照 給定的規(guī)給定的規(guī)律變化？律變化？v被控對象：（要求實現(xiàn)自動控制的機器被控對象：（要求實現(xiàn)自動控制的機器設(shè)備或生產(chǎn)過程）設(shè)備或生產(chǎn)過程）v被控制量：（指被控制系統(tǒng)所要控制的被控制量：（指被控制系統(tǒng)所要控制的物理量，一般指系統(tǒng)的輸出量）物理量，一般指系統(tǒng)的輸出量）v2

17、.分類分類 控制控制 人工 自動 二、自動控制系統(tǒng)的工作原理二、自動控制系統(tǒng)的工作原理v1.人工控制人工控制機械杠桿機械杠桿閥門閥門水箱水箱被控對象被控對象輸入輸入x xi i( (t t) )輸出輸出x xo o( (t t) )q (t)控制器控制器擾動擾動系統(tǒng)系統(tǒng)v過程： 1.觀測液位 2.與要求液位比較 3.根據(jù)結(jié)果進行控制v結(jié)論: 測量、求偏差、再控制測量、求偏差、再控制-糾正偏差過程。糾正偏差過程。 即檢測偏差并糾正偏差。即檢測偏差并糾正偏差。2.自動控制杠桿杠桿浮子浮子進水進水閥門閥門出水出水閥門閥門儲水池儲水池h0h過程：機械杠桿閥活塞水箱浮子h0-h(t)q1(t)v過程：v

18、 1.觀測液位v 2.與要求液位比較v 3.根據(jù)結(jié)果進行控制v結(jié)論:v 測量、求偏差、再控制測量、求偏差、再控制-糾正偏差過程。糾正偏差過程。v 即檢測偏差并糾正偏差。即檢測偏差并糾正偏差?？刂破骺刂破髂軌?qū)貙ο笃鹂刂谱饔玫脑O(shè)備總稱。能夠?qū)貙ο笃鹂刂谱饔玫脑O(shè)備總稱。被控對象被控對象被控制的機器設(shè)備或生產(chǎn)過程。被控制的機器設(shè)備或生產(chǎn)過程。系統(tǒng)的輸入系統(tǒng)的輸入作用于系統(tǒng)的激發(fā)信號，其中包括參考輸入作用于系統(tǒng)的激發(fā)信號，其中包括參考輸入（激勵信號）和擾動輸入。（激勵信號）和擾動輸入。系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出指控制系統(tǒng)所要控制的物理量，表征對象或過指控制系統(tǒng)所要控制的物理量，表征對象或過程的狀態(tài)的特性程的

19、狀態(tài)的特性 。要求：要求：1.1.保持系統(tǒng)的輸出跟蹤參考輸入。保持系統(tǒng)的輸出跟蹤參考輸入。 2.2.保持系統(tǒng)的輸出不受擾動的影響。保持系統(tǒng)的輸出不受擾動的影響。3.反饋1)反饋：反饋：是把系統(tǒng)輸出量全部或一部分回送到是把系統(tǒng)輸出量全部或一部分回送到輸入端，以增強或減弱輸入信號的效應。輸入端，以增強或減弱輸入信號的效應。v起增強輸入信號作用起增強輸入信號作用正反饋。正反饋。v 起減弱輸入信號作用起減弱輸入信號作用負反饋。負反饋。2)反饋控制：是實現(xiàn)自動控制最基本的方法。反饋控制：是實現(xiàn)自動控制最基本的方法。 反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng):利用反饋控制原理組成的系統(tǒng)。利用反饋控制原理組成的系統(tǒng)。3）反

20、饋控制原理：檢測偏差并用以糾正偏差。反饋控制原理：檢測偏差并用以糾正偏差。31.控制系統(tǒng)按反饋情況分類控制系統(tǒng)按反饋情況分類21三、自動控制系統(tǒng)的基本類型三、自動控制系統(tǒng)的基本類型1）開環(huán)系統(tǒng)）開環(huán)系統(tǒng)+-電電位位器器Ug功率功率放大器放大器M電動機電動機Ud+-負載負載n b.應用應用 目前比較常見的開環(huán)控制系統(tǒng)有自動售貨機，自動目前比較常見的開環(huán)控制系統(tǒng)有自動售貨機，自動洗衣機，自動流水線，包裝機等。洗衣機，自動流水線，包裝機等。a.定義：定義：輸出量與輸入量之間沒有反向聯(lián)系，只靠輸出量與輸入量之間沒有反向聯(lián)系，只靠輸入量對輸出量單向控制的系統(tǒng)叫開環(huán)控制系統(tǒng)。輸入量對輸出量單向控制的系統(tǒng)叫

21、開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制又可稱為前饋控制，因為控制作用是由輸入開環(huán)控制又可稱為前饋控制，因為控制作用是由輸入信號直接向前輸送，而不是由輸出信號回輸?shù)捷斎胄判盘栔苯酉蚯拜斔?，而不是由輸出信號回輸?shù)捷斎胄盘杹磉M行控制的，故稱為前饋控制。號來進行控制的，故稱為前饋控制?？刂蒲b置控制裝置被控對象被控對象控制量控制量擾動擾動被控制量被控制量例例. 直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)電位器（產(chǎn)生給定電電位器（產(chǎn)生給定電壓壓ur）如果）如果010V轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速01000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)方框圖為：方框圖為：電電壓壓放放大大器器可可控控硅硅功功放放M M負載負載rukuaun n電網(wǎng)電壓電網(wǎng)電壓P P電位器電位器電壓電壓放

22、大器放大器可控硅可控硅功放功放直流直流電動機電動機Purukn擾動擾動ua2）閉環(huán)控制系統(tǒng)）閉環(huán)控制系統(tǒng)特征特征分析分析2）閉環(huán)控制系統(tǒng)）閉環(huán)控制系統(tǒng)a.定義：定義：輸出量與輸入量之間有反向聯(lián)系，輸出量與輸入量之間有反向聯(lián)系，靠輸入量與主反饋信號之間的偏差對輸出靠輸入量與主反饋信號之間的偏差對輸出量進行控制的系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。量進行控制的系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。例例. 引入閉環(huán)控制后的直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)引入閉環(huán)控制后的直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)電電壓壓放放大大器器可可控控硅硅功功放放M M負載負載G Gburuukuaun n 測速 測速 發(fā)電 發(fā)電 機 機引入測速發(fā)電機，這時電壓放大器的輸入引入測

23、速發(fā)電機，這時電壓放大器的輸入 ，如果外來，如果外來的電網(wǎng)電壓波動使電機的轉(zhuǎn)速的電網(wǎng)電壓波動使電機的轉(zhuǎn)速n ，則由測速發(fā)電機確定的，則由測速發(fā)電機確定的則則 則則uk ，ua 則則n ，消除了偏差，控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。，消除了偏差，控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。負反饋。負反饋。bruuububruuu方框圖方框圖同開環(huán)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)由于干擾引起的轉(zhuǎn)速誤差要小得多。同開環(huán)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)由于干擾引起的轉(zhuǎn)速誤差要小得多。如果極性接錯，這時電壓放大器的輸入如果極性接錯，這時電壓放大器的輸入 ，如果外來的，如果外來的電網(wǎng)電壓波動使電機的轉(zhuǎn)速電網(wǎng)電壓波動使電機的轉(zhuǎn)速n ，則由測速發(fā)電機確定的，則由測速發(fā)電機確定的則則 則則

24、uk ，ua 則則n ，則轉(zhuǎn)速越來越大，電動機損壞，則轉(zhuǎn)速越來越大，電動機損壞，失去控制。失去控制。正反饋。正反饋。bruuububruuu電位器電壓放大器可控硅放大器直流電動機測速機Puruubuk-n擾動ua3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)）半閉環(huán)控制系統(tǒng)特征特征分析分析3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)）半閉環(huán)控制系統(tǒng)控制指令控制指令(輸入輸入)工作臺位移工作臺位移工作臺工作臺驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置控制裝置控制裝置輸入裝置輸入裝置（輸出信號）（輸出信號）（輸入信號）（輸入信號）測量裝置測量裝置控制部分控制部分v開環(huán)控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)： 1. 結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟 2.調(diào)試方便調(diào)試方便 3.抗干擾能力差，控制精度不高

25、?？垢蓴_能力差，控制精度不高。v閉環(huán)控制系統(tǒng)：閉環(huán)控制系統(tǒng)： 1.系統(tǒng)具有糾正偏差的能力。系統(tǒng)具有糾正偏差的能力。 2.抗擾性好，控制精度高?？箶_性好，控制精度高。 3.包含元件多，結(jié)構(gòu)復雜，價格高。包含元件多，結(jié)構(gòu)復雜，價格高。 4.參數(shù)應選擇適當參數(shù)應選擇適當。v開環(huán)閉環(huán)復合控制系統(tǒng)（兼有兩者的優(yōu)點，開環(huán)閉環(huán)復合控制系統(tǒng)（兼有兩者的優(yōu)點，精度很高）精度很高） 4).4).開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較2 按照給定量運動規(guī)律分類按照給定量運動規(guī)律分類控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)分類分類 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)1隨動隨動系統(tǒng)系統(tǒng)32程序控程序控制系統(tǒng)制系統(tǒng)2 2 按照給定量運動規(guī)律分類按照給定

26、量運動規(guī)律分類自動調(diào)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)系統(tǒng)2按照按照 給定量運動規(guī)律分類給定量運動規(guī)律分類隨動隨動系統(tǒng)系統(tǒng)2 2 按照給定量運動規(guī)律分類按照給定量運動規(guī)律分類程序控程序控制系統(tǒng)制系統(tǒng)3.3.按系統(tǒng)的特性分類按系統(tǒng)的特性分類 a.線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)(具有疊加性和齊次性，可以用線具有疊加性和齊次性，可以用線性微分方程來描述性微分方程來描述) b.非線性系統(tǒng)（不適用疊加原理，用非線性非線性系統(tǒng)（不適用疊加原理，用非線性方程來描述）方程來描述）4.4.按信號的形式分類按信號的形式分類 a.連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng) b.離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖構(gòu)成典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖構(gòu)成輸入信號輸入信

27、號放大運放大運算環(huán)節(jié)算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對象被控對象偏差偏差- -輸出量輸出量+ +環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)測量測量四、自動控制系統(tǒng)的組成四、自動控制系統(tǒng)的組成給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)控制部分給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)測量環(huán)節(jié)測量環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)放大及運放大及運算環(huán)節(jié)算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)五、控制系統(tǒng)的基本要求五、控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定性穩(wěn)定性l正擺正擺(t)l響應響應快速性快速性響應響應準確性準確性v主反饋：直接取自系統(tǒng)輸出端，經(jīng)過測量和變換，主反饋：直接取自系統(tǒng)輸出端，經(jīng)過測量和變換，又引入到系統(tǒng)輸入端的信號叫主反饋信號，相應的又引入到系統(tǒng)輸入端的信號叫主反饋信號，相應的反饋叫主反饋。反饋

28、叫主反饋。v前向通道：從系統(tǒng)輸入端到輸出量之間的通道稱為前向通道：從系統(tǒng)輸入端到輸出量之間的通道稱為前向通道。前向通道。v主反饋通道：從輸出量到主反饋信號之間的通道稱主反饋通道：從輸出量到主反饋信號之間的通道稱為主反饋通道。為主反饋通道。v單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號等于輸出量的系統(tǒng)叫單單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號等于輸出量的系統(tǒng)叫單位反饋系統(tǒng)。位反饋系統(tǒng)。v非單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號不等于輸出量的系統(tǒng)非單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號不等于輸出量的系統(tǒng)叫非單位反饋系統(tǒng)。叫非單位反饋系統(tǒng)。v局部反饋：對應內(nèi)回路。局部反饋：對應內(nèi)回路。v主回路：主反饋閉合了除系統(tǒng)輸入信號和干擾信號以外的其主回路：主反饋閉合了除

29、系統(tǒng)輸入信號和干擾信號以外的其它所有信號，所形成的閉合回路稱為主回路。它所有信號，所形成的閉合回路稱為主回路。 機電工業(yè)是我國最重要的支柱產(chǎn)業(yè)機電工業(yè)是我國最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一之一 ，而傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品正在向機電一，而傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品正在向機電一體化（體化（MechatronicsMechatronics）方向發(fā)展。機電一方向發(fā)展。機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的顯著特點是控制自動化。體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的顯著特點是控制自動化。機電控制型產(chǎn)品技術(shù)含量高，附加值大，機電控制型產(chǎn)品技術(shù)含量高，附加值大，在國內(nèi)外市場上具有很強的競爭優(yōu)勢，形在國內(nèi)外市場上具有很強的競爭優(yōu)勢，形成機電一體化產(chǎn)品發(fā)展的主流。當前國內(nèi)成機電一

30、體化產(chǎn)品發(fā)展的主流。當前國內(nèi)外機電結(jié)合型產(chǎn)品，諸如典型的工業(yè)機器外機電結(jié)合型產(chǎn)品，諸如典型的工業(yè)機器人，數(shù)控機床，自動導引車等都廣泛地應人，數(shù)控機床，自動導引車等都廣泛地應用了控制理論。用了控制理論。1.3 1.3 控制理論在機械制造工業(yè)中的應用控制理論在機械制造工業(yè)中的應用系統(tǒng)分析問題系統(tǒng)分析問題當系統(tǒng)已定、輸入當系統(tǒng)已定、輸入( (或激勵或激勵) )已知時已知時, ,求出系統(tǒng)的輸出（或響求出系統(tǒng)的輸出（或響應）應）, ,并通過輸出來研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問題。并通過輸出來研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問題。最優(yōu)控制問題最優(yōu)控制問題當系統(tǒng)已定時當系統(tǒng)已定時, ,確定輸入確定輸入, ,且所確定的輸入應使得輸出

31、盡可能符且所確定的輸入應使得輸出盡可能符合給定的最佳要求。合給定的最佳要求。最優(yōu)設(shè)計問題最優(yōu)設(shè)計問題當輸入已知時當輸入已知時, ,確定系統(tǒng)確定系統(tǒng), ,且所確定的系統(tǒng)應使得輸出盡可能符且所確定的系統(tǒng)應使得輸出盡可能符合給定的最佳要求。合給定的最佳要求。濾波與預測問題濾波與預測問題當輸入已知時當輸入已知時, ,輸出可以測量，確定系統(tǒng)輸出可以測量，確定系統(tǒng), ,以識別輸入或輸人中以識別輸入或輸人中的有關(guān)信息。的有關(guān)信息。系統(tǒng)識別或系統(tǒng)系統(tǒng)識別或系統(tǒng)辨識問題辨識問題當輸入與輸出均已知時當輸入與輸出均已知時, ,求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù), ,即建立系統(tǒng)的即建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。數(shù)學模型。

32、1.41.4 課程要求及學習方法學時安排課程要求及學習方法學時安排 控制工程基礎(chǔ)課程主要闡述的是有控制工程基礎(chǔ)課程主要闡述的是有關(guān)反饋自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論。關(guān)反饋自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論。 本課程是一門非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)本課程是一門非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，是機械學院平臺課程。它是適應機電課，是機械學院平臺課程。它是適應機電一體化的技術(shù)需要，針對機械對象的控制，一體化的技術(shù)需要，針對機械對象的控制，結(jié)合經(jīng)典控制理論形成的一門課程。本課結(jié)合經(jīng)典控制理論形成的一門課程。本課程主要涉及經(jīng)典控制理論的主要內(nèi)容及應程主要涉及經(jīng)典控制理論的主要內(nèi)容及應用用, , 更加突出了機電控制的特點。更加突出了機電控制的

33、特點。 本課程在高等數(shù)學、理論力學、電工本課程在高等數(shù)學、理論力學、電工電子學等知識的基礎(chǔ)上，使學生掌握機電電子學等知識的基礎(chǔ)上，使學生掌握機電控制系統(tǒng)的基本原理及必要的實用知識?？刂葡到y(tǒng)的基本原理及必要的實用知識。值得指出的是，盡管經(jīng)典控制理論在六十值得指出的是，盡管經(jīng)典控制理論在六十年代已完全發(fā)展成熟，但它并不過時，經(jīng)年代已完全發(fā)展成熟，但它并不過時，經(jīng)典控制理論是整個自動控制理論（包括現(xiàn)典控制理論是整個自動控制理論（包括現(xiàn)代控制理論）的基礎(chǔ)。用一個不十分貼切代控制理論）的基礎(chǔ)。用一個不十分貼切的比喻，盡管微積分的基本理論在幾百年的比喻，盡管微積分的基本理論在幾百年前已經(jīng)發(fā)展成熟，但在高等

34、數(shù)學中至今仍前已經(jīng)發(fā)展成熟，但在高等數(shù)學中至今仍然起著重大作用。然起著重大作用。 本課程的基本要求包括：本課程的基本要求包括： (1) (1) 掌握機電反饋控制系統(tǒng)的基本概念，其中掌握機電反饋控制系統(tǒng)的基本概念，其中包括機電反饋控制系統(tǒng)的基本原理、機電反饋包括機電反饋控制系統(tǒng)的基本原理、機電反饋控制系統(tǒng)基本組成、開環(huán)控制、閉環(huán)控制等；控制系統(tǒng)基本組成、開環(huán)控制、閉環(huán)控制等； (2) (2) 掌握建立機電系統(tǒng)動力學模型的方法；掌握建立機電系統(tǒng)動力學模型的方法； (3) (3) 掌握機電系統(tǒng)的時域分析方法；掌握機電系統(tǒng)的時域分析方法； (4) (4) 掌握機電系統(tǒng)的頻域分析方法；掌握機電系統(tǒng)的頻域

35、分析方法；（5 5）掌握機電系統(tǒng)的穩(wěn)定性誤差分析方法；）掌握機電系統(tǒng)的穩(wěn)定性誤差分析方法； (5) (5) 掌握模擬機電控制系統(tǒng)的分析及設(shè)計綜合掌握模擬機電控制系統(tǒng)的分析及設(shè)計綜合方法。方法。學習方法：學習方法：（1）本課程主要內(nèi)容是控制論與方法論，重點與實際工程的）本課程主要內(nèi)容是控制論與方法論，重點與實際工程的結(jié)合上，運用基本理論與方法分析解決有關(guān)工程技術(shù)的復結(jié)合上，運用基本理論與方法分析解決有關(guān)工程技術(shù)的復雜實際問題。雜實際問題。（2）本課程運用數(shù)學工具較多，幾乎涉及到過去所學的全部）本課程運用數(shù)學工具較多，幾乎涉及到過去所學的全部數(shù)學知識，注意鞏固復習及怎樣應用這些。此外還涉及到數(shù)學知

36、識，注意鞏固復習及怎樣應用這些。此外還涉及到電學、力學、機械原理等，注意綜合應用。電學、力學、機械原理等，注意綜合應用。（3）本課程具有比較抽象及概括的特點，給學習帶來一定的）本課程具有比較抽象及概括的特點，給學習帶來一定的難度，因此特別注意數(shù)學結(jié)論的來由及物理概念；既要結(jié)難度，因此特別注意數(shù)學結(jié)論的來由及物理概念；既要結(jié)合實際又善于邏輯思維。合實際又善于邏輯思維。（4）學會看參考書，以加深理解，會記筆記。）學會看參考書，以加深理解，會記筆記。（5）重視實驗和習題。）重視實驗和習題。v本課程講授本課程講授5050學時（包括課堂討論），實學時（包括課堂討論），實驗驗6 6學時（后續(xù)實驗課）學時（

37、后續(xù)實驗課）v本教材主要涉及經(jīng)典控制理論部分，對現(xiàn)本教材主要涉及經(jīng)典控制理論部分，對現(xiàn)代控制理論只作簡單涉及，現(xiàn)代控制理論代控制理論只作簡單涉及，現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容將在研究生課程中講授。的主要內(nèi)容將在研究生課程中講授。v作業(yè)作業(yè)v考試考試主要參考文獻主要參考文獻 1 1 張伯鵬，控制工程基礎(chǔ)，北京：機械工張伯鵬，控制工程基礎(chǔ)，北京：機械工業(yè)出版社，業(yè)出版社，198219822 2高鐘毓，機電控制工程（第高鐘毓，機電控制工程（第2 2版），北版），北京：清華大學出版社，京：清華大學出版社，20022002 3 3 王顯正，范崇托，控制理論基礎(chǔ)，北京王顯正，范崇托，控制理論基礎(chǔ)，北京：國防工業(yè)出版社，：國防工業(yè)出版社，19801980 4 4Katsuhiko OgataKatsuhiko Ogata（美），現(xiàn)代控制工美），現(xiàn)代控制工程（第四版中譯本），電子工業(yè)出版社，程（第四版中譯本），電子工業(yè)出版社，2002002 2 5 5 吳麒，自動控制原理，北京：清華大學吳麒，自動控制原理，北京：清華大學出版社，出