機(jī)械工程控制基礎(chǔ)-課件

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)學(xué)時(shí)：40教師：譚心學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院CyberneticsFoundationforMechanicalEngineering

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)學(xué)時(shí)：40CyberneticsFound1重要性：為“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化”專業(yè)必修課，是機(jī)械工程類專業(yè)，特別是機(jī)電工程類專業(yè)的重要理論基礎(chǔ)之一?！胺椒ㄕ摗保合到y(tǒng)、動(dòng)態(tài)、本身特性（內(nèi)因）、外界輸入干擾（外因）。應(yīng)用：數(shù)控機(jī)床：按預(yù)先排定的工藝程序—幾何形狀火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)：跟蹤雷達(dá)、指揮儀—目標(biāo)人造地球衛(wèi)星：按預(yù)定軌道發(fā)射，并準(zhǔn)確回收重要性及其應(yīng)用重要性：重要性及其應(yīng)用2前期知識(shí)：（復(fù)變函數(shù)、積分變換等）良好的數(shù)學(xué)、力學(xué)、電學(xué)基礎(chǔ)，一定的機(jī)械工程方面的專業(yè)知識(shí)。目標(biāo)：用控制論解決機(jī)械工程問(wèn)題如：機(jī)床工作臺(tái)低速運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)的物理模型？求解：輸入與輸出的關(guān)系數(shù)學(xué)模型：科研：定性定量

分析規(guī)律前期知識(shí)：（復(fù)變函數(shù)、積分變換等）良好的數(shù)學(xué)、力學(xué)、電學(xué)基礎(chǔ)3性質(zhì)：側(cè)重原理，內(nèi)容切合工程實(shí)際，是一門專業(yè)基礎(chǔ)課。以控制論為理論基礎(chǔ)，研究機(jī)械工程中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；同時(shí)，也是一種“方法論”。任務(wù)及目的：使學(xué)生能以動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)而不是靜態(tài)觀點(diǎn)去看待一個(gè)機(jī)械工程系統(tǒng)；從整個(gè)系統(tǒng)中的信息傳遞、轉(zhuǎn)換、反饋等角度來(lái)分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為；能結(jié)合工程實(shí)際，應(yīng)用經(jīng)典控制論的基本概念和基本方法來(lái)分析、研究和解決其中的問(wèn)題。課程的性質(zhì)、任務(wù)及目的性質(zhì)：側(cè)重原理，內(nèi)容切合工程實(shí)際，是一門專業(yè)基礎(chǔ)課。課程的性4主要的兩個(gè)問(wèn)題：①對(duì)機(jī)電系統(tǒng)中存在的問(wèn)題能用控制論的觀點(diǎn)和思維方法進(jìn)行科學(xué)分析，以找出問(wèn)題的本質(zhì)和有效的解決方法。②如何控制一個(gè)機(jī)電系統(tǒng)，使之按規(guī)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)。主要的兩個(gè)問(wèn)題：51.對(duì)建立機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，Laplace應(yīng)用，傳函及框圖的求取、簡(jiǎn)化，運(yùn)算等，應(yīng)概念清楚，熟練掌握。2.對(duì)經(jīng)典系統(tǒng)的時(shí)域和頻域特性，應(yīng)用清楚的基本概念并能熟練掌握。3.掌握判別線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念和常用判據(jù)。課程的基本要求1.對(duì)建立機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，Laplace應(yīng)用，傳函640學(xué)時(shí)：第一章緒論2第二章系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型10第三章時(shí)間響應(yīng)與誤差分析10第四章系統(tǒng)的頻率特性分析10第五章系統(tǒng)的穩(wěn)定性8

考核方式：閉卷考試考試成績(jī)80%+平時(shí)成績(jī)20%教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配7第一章緒論教學(xué)內(nèi)容：一.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)的基本概念，研究對(duì)象和任務(wù)，學(xué)習(xí)本課程的目的和意義；二.關(guān)于“系統(tǒng)”、“信息傳遞”和反饋及“反饋控制”的基本概念；三.系統(tǒng)及其模型，控制系統(tǒng)的分類，反饋控制系統(tǒng)的基本組成，對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求，本課程的特點(diǎn)。第一章緒論教學(xué)內(nèi)容：8自動(dòng)控制：在沒(méi)人直接參與的情況下，利用控制裝置自動(dòng)地操縱機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程，使其具有希望的狀態(tài)或功能。自動(dòng)控制系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制任務(wù)的系統(tǒng)。例如：電爐爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)（比較人工控制）一.控制系統(tǒng)工作原理及組成一.控制系統(tǒng)工作原理及組成91.人工控制的恒溫箱測(cè)量：溫度計(jì)被控對(duì)象：恒溫箱被控量：溫度控制器：調(diào)壓器，改變加熱電阻絲的電流觀察的溫度與要求的溫度進(jìn)行比較—偏差，當(dāng)?shù)陀谒蟮腡時(shí)，向右移動(dòng)觸頭，I、T。反之，左移。舉例-恒溫箱1.人工控制的恒溫箱102.自動(dòng)控制的恒溫箱舉例-恒溫箱2.自動(dòng)控制的恒溫箱舉例-恒溫箱11溫度計(jì)熱電偶，增加了電氣、電機(jī)、減速器等。熱電偶測(cè)出的電壓信號(hào)，與箱內(nèi)溫度成正比例。，經(jīng)電壓及功率放大后，來(lái)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度及方向，又經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速器使調(diào)壓器的觸頭移動(dòng)，使I或，直至T到達(dá)給定值。,電機(jī)停轉(zhuǎn)，完成任務(wù)。溫度計(jì)熱電偶，增加了電氣、電機(jī)、減速器等12恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖：將以上兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)比：人工自控（1）測(cè)量溫度計(jì)眼睛熱電偶（2）比較頭腦自動(dòng)控制器（3）執(zhí)行手

電機(jī)等恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖：將以上兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)比：13人工控制自動(dòng)控制例.控制實(shí)例-液面控制測(cè)量比較執(zhí)行人工控制自動(dòng)控制例.控制實(shí)例-液面控制測(cè)量14A.自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類：（一）按有無(wú)反饋，可分為：1.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)輸入、輸出間不存在反饋，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用無(wú)影響，精度取決于系統(tǒng)各部分的標(biāo)準(zhǔn)精度以及工作中元件和參數(shù)的穩(wěn)定程度。特點(diǎn)：若不存在內(nèi)外干擾，且元件參數(shù)穩(wěn)定，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可保證足夠精度。如：導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)二.自動(dòng)控制系統(tǒng)的幾種分類及基本要求A.自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類：二.自動(dòng)控制系統(tǒng)的幾種分類及基本要求152.閉環(huán)控制系統(tǒng)：輸入、輸出間有反饋回路，輸出量對(duì)控制作用有直接影響。產(chǎn)生控制的關(guān)鍵偏差。“檢測(cè)偏差，用以消除之”導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)2.閉環(huán)控制系統(tǒng)：導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)163.閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比較：穩(wěn)定性：開(kāi)環(huán)（好）；閉環(huán)：參數(shù)若不當(dāng)振蕩不穩(wěn)定失控開(kāi)環(huán)閉環(huán)精度成本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單復(fù)雜穩(wěn)定性若要求復(fù)雜且準(zhǔn)確度的控制任務(wù)，可將開(kāi)、閉環(huán)控制結(jié)合一起應(yīng)用經(jīng)濟(jì)、性能的控制系統(tǒng)。3.閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比較：17（二）按系統(tǒng)功能（輸出變化規(guī)律）可分為：1.自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（恒值控制系統(tǒng)）—閉環(huán)系統(tǒng)在外界干擾作用下，系統(tǒng)的輸出仍能基本保持為常量。如：恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電熱水器、穩(wěn)壓電源。（二）按系統(tǒng)功能（輸出變化規(guī)律）可分為：182.隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服跟蹤系統(tǒng)）—無(wú)章可循系統(tǒng)的輸入量隨時(shí)間任意變化，輸出以要求的精度及時(shí)平穩(wěn)地復(fù)現(xiàn)輸入量。如：炮瞄雷達(dá)系統(tǒng)、液壓仿形刀架（配鑰匙）（飛機(jī)的位置—輸入，高射炮的指向—輸出，高射炮的指向隨飛機(jī)位置的變動(dòng)而變動(dòng)）3.程序控制系統(tǒng)—有章可循系統(tǒng)的輸出按規(guī)定程序變化的系統(tǒng)。如：數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)。2.隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服跟蹤系統(tǒng)）—無(wú)章可循19（三）按系統(tǒng)性能可分為：1.線性與非線性系統(tǒng)：線性定常線性微分方程，系數(shù)為常數(shù)，滿足迭加原理。非線性不滿足迭加原理，線性化處理（Computer應(yīng)用）時(shí)變系統(tǒng)例如：宇宙飛船控制系統(tǒng)（三）按系統(tǒng)性能可分為：202.連續(xù)與離散系統(tǒng)Computer控制的系統(tǒng)—離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)2.連續(xù)與離散系統(tǒng)21B.對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求:穩(wěn):穩(wěn)定性;快:快速性;準(zhǔn):準(zhǔn)確性（穩(wěn)態(tài)精度）典型二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線穩(wěn)、快、準(zhǔn)B.對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求:典型二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線穩(wěn)、快221.穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。由于慣性，各參數(shù)配合不當(dāng)振蕩失去工作能力。要求：輸出量偏離給定輸入量的初始值應(yīng)隨時(shí)間增長(zhǎng)漸趨于0。2.快速性消除偏差過(guò)程的快慢程度。指被控量達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的95%（或98%）所需的時(shí)間。表現(xiàn)響應(yīng)速度—輸入信號(hào)加入后，輸出量跟隨輸入量變化的迅速程度,主要取決于系統(tǒng)的慣量及阻力作用的強(qiáng)弱等。1.穩(wěn)定性233.準(zhǔn)確性穩(wěn)態(tài)誤差（精度）：調(diào)整結(jié)束后，要求：輸出量盡量接近或復(fù)現(xiàn)輸入量，從一個(gè)穩(wěn)態(tài)另一個(gè)穩(wěn)態(tài).對(duì)同一個(gè)系統(tǒng)，輸入信號(hào)變化規(guī)律不同，穩(wěn)態(tài)精度也不同。3.準(zhǔn)確性24典型反饋控制系統(tǒng)一般組成三.反饋（feedback）注：校正元件：參數(shù)或結(jié)構(gòu)便于調(diào)整的元件，用于改善系統(tǒng)性能。主反饋一定是負(fù)反饋。局部反饋：主要是為對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，補(bǔ)償或線性化而加入的。典型反饋控制系統(tǒng)一般組成三.反饋（feedback）注：校正251.給定環(huán)節(jié)：給出輸入信號(hào)的環(huán)節(jié)確定被控對(duì)象的“目標(biāo)值”可用各種形式發(fā)出信號(hào)：如電量、數(shù)字量、模擬量等。1.給定環(huán)節(jié)：262.測(cè)量環(huán)節(jié)：用于測(cè)量被控變量，并將被控變量轉(zhuǎn)換為便于傳送的另一物理量（如：電量）如用電位計(jì)將機(jī)械轉(zhuǎn)角電壓信號(hào)，用測(cè)速電機(jī)將轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)，位移傳感器，熱敏感元件等。2.測(cè)量環(huán)節(jié)：273.比較環(huán)節(jié)：輸入信號(hào)與測(cè)量環(huán)節(jié)發(fā)來(lái)的的反饋量比較，得到的小功率偏差信號(hào)ε:偏差信號(hào)是比較環(huán)節(jié)的輸出。

如：幅值比較、相位比較、位移比較等。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)-課件284.放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)：為了實(shí)現(xiàn)控制，要將偏差信號(hào)作必要的校正，然后進(jìn)行功率放大，以推動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)。如：電流放大、電氣—液壓放大等。4.放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)：295.執(zhí)行環(huán)節(jié)：接受放大環(huán)節(jié)送來(lái)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象按規(guī)定預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行，執(zhí)行環(huán)節(jié)一般是一個(gè)有源的功率放大裝置，工作中要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。5.執(zhí)行環(huán)節(jié)：30如：把電能通過(guò)直流電機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置、調(diào)溫裝置等。閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋的作用：“檢測(cè)偏差，用以糾正偏差”力圖減少反饋信息與輸入信息間的偏差，以期盡可能獲得希望的輸出（因?yàn)橹灰畲嬖?，系統(tǒng)的輸出就要受到偏差的校正，偏差，校正作用；偏差，矯正作用，直至趨向最小。）如：把電能通過(guò)直流電機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象31工程控制論研究的是工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)在一定的外界條件（輸入或激勵(lì)：外加控制干擾）作用下，從系統(tǒng)的一定的初始出發(fā)，所經(jīng)歷的由內(nèi)部的固有特性（由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)決定的特性）所決定的整個(gè)動(dòng)態(tài)歷程：四.機(jī)械控制工程的研究對(duì)象工程控制論研究的是工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)在一定四.機(jī)械32經(jīng)典控制理論：20世紀(jì)50年代前復(fù)（頻）域傳遞函數(shù)

單輸入—單輸出線性定常，穩(wěn)、快、準(zhǔn)現(xiàn)代控制理論：20世紀(jì)50年代末時(shí)域狀態(tài)空間表達(dá)式（計(jì)算機(jī)技術(shù)成熟）多輸入多輸出復(fù)雜、時(shí)變、最優(yōu)控制

大系統(tǒng)理論：20世紀(jì)70年代規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜智能控制發(fā)展階段近代模型不確定性，高度非線性五.控制理論發(fā)展的簡(jiǎn)單回顧控制理論經(jīng)典控制理論：20世紀(jì)50年代前復(fù)（頻）域33經(jīng)典控制理論

控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進(jìn)一步促進(jìn)和完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。1895年，數(shù)學(xué)家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨(dú)立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應(yīng)理論1948年，伊萬(wàn)斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)34經(jīng)典控制理論的基本特征（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；（3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述方法。

應(yīng)該指出的是，反饋控制是一種最基本最重要的控制方式，引入反饋信號(hào)后，系統(tǒng)對(duì)來(lái)自內(nèi)部和外部干擾的響應(yīng)變得十分遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。與此同時(shí)，反饋?zhàn)饔糜謳?lái)了系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，正是這個(gè)曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題激發(fā)了人們對(duì)反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究的熱情，推動(dòng)了自動(dòng)控制理論的發(fā)展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來(lái)的。經(jīng)典控制理論的基本特征（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用35現(xiàn)代控制理論

由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。因而在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來(lái)。1954年貝爾曼（R.Belman)提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理1960年卡爾曼（R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。它無(wú)論對(duì)線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。現(xiàn)代控制理論由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的36大系統(tǒng)理論

20世紀(jì)70年代開(kāi)始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應(yīng)控制理論和方法以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性。隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從個(gè)別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領(lǐng)域推廣到包括經(jīng)濟(jì)管理、生物工程、能源、運(yùn)輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。大系統(tǒng)理論是過(guò)程控制與信息處理相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開(kāi)創(chuàng)性階段。大系統(tǒng)理論20世紀(jì)70年代開(kāi)始，現(xiàn)代控制理論繼37智能控制

是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。智能控制的概念和原理主要是針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出來(lái)的，它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問(wèn)題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問(wèn)題。被控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動(dòng)態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)程，對(duì)自主機(jī)器人的控制就是典型的例子而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識(shí)。

智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。一般認(rèn)為，其方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、和專家控制等方法。智能控制是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)，是人38——高階微分方程經(jīng)典：圖②力學(xué)模型：實(shí)際問(wèn)題：圖①組合機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)銑平面時(shí)的情況，當(dāng)切削力變化時(shí)，滑臺(tái)可能產(chǎn)生振動(dòng)，從而降低被加工工件的切削表面質(zhì)量，為了分析這個(gè)系統(tǒng)，首先將動(dòng)力滑臺(tái)連同銑刀抽象圖②力學(xué)模型。圖①圖②現(xiàn)代：令——高階微分方程經(jīng)典：圖②力學(xué)模型：實(shí)際問(wèn)題：圖①組39本課程主要講解經(jīng)典控制理論的其中兩個(gè)方面（五方面P4頁(yè)）1.控制系統(tǒng)分析：系統(tǒng)已定，輸入已知系統(tǒng)的輸出研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問(wèn)題對(duì)已知系統(tǒng)及靜、動(dòng)態(tài)性能（穩(wěn)、快、準(zhǔn)）進(jìn)行分析，看是否滿足要求，提出改進(jìn)措施。2.系統(tǒng)辨識(shí)：輸入、輸出已知，工程中只能用實(shí)驗(yàn)方法獲得。系統(tǒng)的輸入、輸出建模研究本課程主要講解經(jīng)典控制理論的其中兩個(gè)方面（五方面P4頁(yè)）40專業(yè)技術(shù)工程實(shí)踐

六.學(xué)習(xí)方法結(jié)合物理概念的明晰與數(shù)學(xué)結(jié)論的準(zhǔn)確性“方法論”。不必追求數(shù)學(xué)論證上的嚴(yán)密性專業(yè)技術(shù)六.學(xué)習(xí)方法結(jié)合物理概念的明晰與數(shù)學(xué)結(jié)論的準(zhǔn)確性“方41七.生活中的幾個(gè)實(shí)例分析方法：將控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化成數(shù)學(xué)模型七.生活中的幾個(gè)實(shí)例分析方法：將控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化成數(shù)學(xué)模型42放大器電動(dòng)機(jī)門u2u1反饋開(kāi)關(guān)絞盤1.大門自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)、關(guān)門位置電位器放大器電動(dòng)機(jī)絞盤大門實(shí)際位置放大器電動(dòng)機(jī)門u2u1反饋開(kāi)關(guān)絞盤1.大門自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)、關(guān)43分析：當(dāng)合上開(kāi)門開(kāi)關(guān)時(shí)，u1>u2，電位器橋式測(cè)量電路產(chǎn)生偏差電壓，經(jīng)放大器放大后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，使大門向上提起。與此同時(shí)，與大門連在一起的電位器滑動(dòng)觸頭上移，直至橋路達(dá)到平衡（u1＝u2），電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，大門開(kāi)啟。反之，合上關(guān)門開(kāi)關(guān)時(shí)，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)絞盤使大門關(guān)閉；分析：當(dāng)合上開(kāi)門開(kāi)關(guān)時(shí)，u1>u2，電位器橋式測(cè)量電路產(chǎn)44節(jié)流閥節(jié)流閥H(t)放大器+E+E.電動(dòng)機(jī)減速器給定液位杠桿電位器放大器電動(dòng)機(jī)減速器閥門水箱實(shí)際液位浮子2.液位自動(dòng)控制系統(tǒng)節(jié)流閥節(jié)流閥H(t)放大器+E+E.電動(dòng)機(jī)減速器給定杠桿電位45分析：1、電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)位于中間位置，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，閥門保持原有開(kāi)度，水箱中流入水量與流出水量相等，液面保持在希望的高度。2、若系統(tǒng)受到擾動(dòng)使液面升高，則浮子相應(yīng)升高，通過(guò)杠桿作用使電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)下移，給電動(dòng)機(jī)提供一定的控制電壓，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器減小閥門開(kāi)度，使輸入流量減小，液位下降，直到電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)回到中間位置，液面恢復(fù)給定高度；3、若系統(tǒng)受到擾動(dòng)使液面下降，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加大閥門開(kāi)度，使輸入流量增加，液面恢復(fù)到給定高度。分析：1、電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)位于中間位置，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，閥門保持463.電熱水器控制系統(tǒng)3.電熱水器控制系統(tǒng)47分析：1.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，輸入量為用戶希望的溫度（給定值），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。2.當(dāng)To=Ti時(shí)，水箱的實(shí)際水溫經(jīng)測(cè)溫元件檢測(cè)，并將實(shí)際水溫轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)，與溫控開(kāi)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。3.當(dāng)使用熱水并注入冷水時(shí)，水溫下降，此時(shí)To<Ti，則偏差不為零而使溫控開(kāi)關(guān)工作。于是電源接通，電加熱器開(kāi)始對(duì)水箱內(nèi)的水進(jìn)行加熱，使水溫上升，直到To=Ti時(shí)為止。分析：1.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48放大器1放大器2厚度檢測(cè)器減速器直線執(zhí)行器uauu1u3u2vbda鋼板給定厚度厚度檢測(cè)器放大器1電動(dòng)機(jī)減速器直線執(zhí)行器軋輥鋼板實(shí)際厚度放大器24.鋼板厚度控制系統(tǒng)放大器1放大器2厚度減速器直uauu1u3u2vbda鋼板49分析：1、穩(wěn)態(tài)給定電壓u1比例于被軋鋼板要求的厚度；厚度檢測(cè)器輸出u2比例于軋制后鋼板的厚度，u2放大后得到u3并與u1比較得到偏差信號(hào)；2、若系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)后由于擾動(dòng)致厚度加大，則偏差小于零，偏差放大后控制電機(jī)通過(guò)減速器直線執(zhí)行器減小軋棍間距離；反之，加大軋棍間距離，實(shí)現(xiàn)厚度的閉環(huán)調(diào)節(jié)。分析：1、穩(wěn)態(tài)給定電壓u1比例于被軋鋼板要求的厚度；厚度檢50

控制技術(shù)的應(yīng)用范圍廣，與我們的工作、生活密切相關(guān)，在現(xiàn)實(shí)世界中可謂無(wú)處不在，掌握好控制技術(shù)有著非常重要的意義！小結(jié)習(xí)題：11-13題 控制技術(shù)的應(yīng)用范圍廣，與我們的工作、小結(jié)習(xí)題：11-13題51機(jī)械工程控制基礎(chǔ)學(xué)時(shí)：40教師：譚心學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院CyberneticsFoundationforMechanicalEngineering

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)學(xué)時(shí)：40CyberneticsFound52重要性：為“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化”專業(yè)必修課，是機(jī)械工程類專業(yè)，特別是機(jī)電工程類專業(yè)的重要理論基礎(chǔ)之一?！胺椒ㄕ摗保合到y(tǒng)、動(dòng)態(tài)、本身特性（內(nèi)因）、外界輸入干擾（外因）。應(yīng)用：數(shù)控機(jī)床：按預(yù)先排定的工藝程序—幾何形狀火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)：跟蹤雷達(dá)、指揮儀—目標(biāo)人造地球衛(wèi)星：按預(yù)定軌道發(fā)射，并準(zhǔn)確回收重要性及其應(yīng)用重要性：重要性及其應(yīng)用53前期知識(shí)：（復(fù)變函數(shù)、積分變換等）良好的數(shù)學(xué)、力學(xué)、電學(xué)基礎(chǔ)，一定的機(jī)械工程方面的專業(yè)知識(shí)。目標(biāo)：用控制論解決機(jī)械工程問(wèn)題如：機(jī)床工作臺(tái)低速運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)的物理模型？求解：輸入與輸出的關(guān)系數(shù)學(xué)模型：科研：定性定量

分析規(guī)律前期知識(shí)：（復(fù)變函數(shù)、積分變換等）良好的數(shù)學(xué)、力學(xué)、電學(xué)基礎(chǔ)54性質(zhì)：側(cè)重原理，內(nèi)容切合工程實(shí)際，是一門專業(yè)基礎(chǔ)課。以控制論為理論基礎(chǔ)，研究機(jī)械工程中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；同時(shí)，也是一種“方法論”。任務(wù)及目的：使學(xué)生能以動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)而不是靜態(tài)觀點(diǎn)去看待一個(gè)機(jī)械工程系統(tǒng)；從整個(gè)系統(tǒng)中的信息傳遞、轉(zhuǎn)換、反饋等角度來(lái)分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為；能結(jié)合工程實(shí)際，應(yīng)用經(jīng)典控制論的基本概念和基本方法來(lái)分析、研究和解決其中的問(wèn)題。課程的性質(zhì)、任務(wù)及目的性質(zhì)：側(cè)重原理，內(nèi)容切合工程實(shí)際，是一門專業(yè)基礎(chǔ)課。課程的性55主要的兩個(gè)問(wèn)題：①對(duì)機(jī)電系統(tǒng)中存在的問(wèn)題能用控制論的觀點(diǎn)和思維方法進(jìn)行科學(xué)分析，以找出問(wèn)題的本質(zhì)和有效的解決方法。②如何控制一個(gè)機(jī)電系統(tǒng)，使之按規(guī)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)。主要的兩個(gè)問(wèn)題：561.對(duì)建立機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，Laplace應(yīng)用，傳函及框圖的求取、簡(jiǎn)化，運(yùn)算等，應(yīng)概念清楚，熟練掌握。2.對(duì)經(jīng)典系統(tǒng)的時(shí)域和頻域特性，應(yīng)用清楚的基本概念并能熟練掌握。3.掌握判別線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念和常用判據(jù)。課程的基本要求1.對(duì)建立機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，Laplace應(yīng)用，傳函5740學(xué)時(shí)：第一章緒論2第二章系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型10第三章時(shí)間響應(yīng)與誤差分析10第四章系統(tǒng)的頻率特性分析10第五章系統(tǒng)的穩(wěn)定性8

考核方式：閉卷考試考試成績(jī)80%+平時(shí)成績(jī)20%教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配58第一章緒論教學(xué)內(nèi)容：一.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)的基本概念，研究對(duì)象和任務(wù)，學(xué)習(xí)本課程的目的和意義；二.關(guān)于“系統(tǒng)”、“信息傳遞”和反饋及“反饋控制”的基本概念；三.系統(tǒng)及其模型，控制系統(tǒng)的分類，反饋控制系統(tǒng)的基本組成，對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求，本課程的特點(diǎn)。第一章緒論教學(xué)內(nèi)容：59自動(dòng)控制：在沒(méi)人直接參與的情況下，利用控制裝置自動(dòng)地操縱機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程，使其具有希望的狀態(tài)或功能。自動(dòng)控制系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制任務(wù)的系統(tǒng)。例如：電爐爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)（比較人工控制）一.控制系統(tǒng)工作原理及組成一.控制系統(tǒng)工作原理及組成601.人工控制的恒溫箱測(cè)量：溫度計(jì)被控對(duì)象：恒溫箱被控量：溫度控制器：調(diào)壓器，改變加熱電阻絲的電流觀察的溫度與要求的溫度進(jìn)行比較—偏差，當(dāng)?shù)陀谒蟮腡時(shí)，向右移動(dòng)觸頭，I、T。反之，左移。舉例-恒溫箱1.人工控制的恒溫箱612.自動(dòng)控制的恒溫箱舉例-恒溫箱2.自動(dòng)控制的恒溫箱舉例-恒溫箱62溫度計(jì)熱電偶，增加了電氣、電機(jī)、減速器等。熱電偶測(cè)出的電壓信號(hào)，與箱內(nèi)溫度成正比例。，經(jīng)電壓及功率放大后，來(lái)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度及方向，又經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速器使調(diào)壓器的觸頭移動(dòng)，使I或，直至T到達(dá)給定值。,電機(jī)停轉(zhuǎn)，完成任務(wù)。溫度計(jì)熱電偶，增加了電氣、電機(jī)、減速器等63恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖：將以上兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)比：人工自控（1）測(cè)量溫度計(jì)眼睛熱電偶（2）比較頭腦自動(dòng)控制器（3）執(zhí)行手

電機(jī)等恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖：將以上兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)比：64人工控制自動(dòng)控制例.控制實(shí)例-液面控制測(cè)量比較執(zhí)行人工控制自動(dòng)控制例.控制實(shí)例-液面控制測(cè)量65A.自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類：（一）按有無(wú)反饋，可分為：1.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)輸入、輸出間不存在反饋，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用無(wú)影響，精度取決于系統(tǒng)各部分的標(biāo)準(zhǔn)精度以及工作中元件和參數(shù)的穩(wěn)定程度。特點(diǎn)：若不存在內(nèi)外干擾，且元件參數(shù)穩(wěn)定，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可保證足夠精度。如：導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)二.自動(dòng)控制系統(tǒng)的幾種分類及基本要求A.自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類：二.自動(dòng)控制系統(tǒng)的幾種分類及基本要求662.閉環(huán)控制系統(tǒng)：輸入、輸出間有反饋回路，輸出量對(duì)控制作用有直接影響。產(chǎn)生控制的關(guān)鍵偏差。“檢測(cè)偏差，用以消除之”導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)2.閉環(huán)控制系統(tǒng)：導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)673.閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比較：穩(wěn)定性：開(kāi)環(huán)（好）；閉環(huán)：參數(shù)若不當(dāng)振蕩不穩(wěn)定失控開(kāi)環(huán)閉環(huán)精度成本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單復(fù)雜穩(wěn)定性若要求復(fù)雜且準(zhǔn)確度的控制任務(wù)，可將開(kāi)、閉環(huán)控制結(jié)合一起應(yīng)用經(jīng)濟(jì)、性能的控制系統(tǒng)。3.閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比較：68（二）按系統(tǒng)功能（輸出變化規(guī)律）可分為：1.自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（恒值控制系統(tǒng)）—閉環(huán)系統(tǒng)在外界干擾作用下，系統(tǒng)的輸出仍能基本保持為常量。如：恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電熱水器、穩(wěn)壓電源。（二）按系統(tǒng)功能（輸出變化規(guī)律）可分為：692.隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服跟蹤系統(tǒng)）—無(wú)章可循系統(tǒng)的輸入量隨時(shí)間任意變化，輸出以要求的精度及時(shí)平穩(wěn)地復(fù)現(xiàn)輸入量。如：炮瞄雷達(dá)系統(tǒng)、液壓仿形刀架（配鑰匙）（飛機(jī)的位置—輸入，高射炮的指向—輸出，高射炮的指向隨飛機(jī)位置的變動(dòng)而變動(dòng)）3.程序控制系統(tǒng)—有章可循系統(tǒng)的輸出按規(guī)定程序變化的系統(tǒng)。如：數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)。2.隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服跟蹤系統(tǒng)）—無(wú)章可循70（三）按系統(tǒng)性能可分為：1.線性與非線性系統(tǒng)：線性定常線性微分方程，系數(shù)為常數(shù)，滿足迭加原理。非線性不滿足迭加原理，線性化處理（Computer應(yīng)用）時(shí)變系統(tǒng)例如：宇宙飛船控制系統(tǒng)（三）按系統(tǒng)性能可分為：712.連續(xù)與離散系統(tǒng)Computer控制的系統(tǒng)—離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)2.連續(xù)與離散系統(tǒng)72B.對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求:穩(wěn):穩(wěn)定性;快:快速性;準(zhǔn):準(zhǔn)確性（穩(wěn)態(tài)精度）典型二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線穩(wěn)、快、準(zhǔn)B.對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求:典型二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線穩(wěn)、快731.穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。由于慣性，各參數(shù)配合不當(dāng)振蕩失去工作能力。要求：輸出量偏離給定輸入量的初始值應(yīng)隨時(shí)間增長(zhǎng)漸趨于0。2.快速性消除偏差過(guò)程的快慢程度。指被控量達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的95%（或98%）所需的時(shí)間。表現(xiàn)響應(yīng)速度—輸入信號(hào)加入后，輸出量跟隨輸入量變化的迅速程度,主要取決于系統(tǒng)的慣量及阻力作用的強(qiáng)弱等。1.穩(wěn)定性743.準(zhǔn)確性穩(wěn)態(tài)誤差（精度）：調(diào)整結(jié)束后，要求：輸出量盡量接近或復(fù)現(xiàn)輸入量，從一個(gè)穩(wěn)態(tài)另一個(gè)穩(wěn)態(tài).對(duì)同一個(gè)系統(tǒng)，輸入信號(hào)變化規(guī)律不同，穩(wěn)態(tài)精度也不同。3.準(zhǔn)確性75典型反饋控制系統(tǒng)一般組成三.反饋（feedback）注：校正元件：參數(shù)或結(jié)構(gòu)便于調(diào)整的元件，用于改善系統(tǒng)性能。主反饋一定是負(fù)反饋。局部反饋：主要是為對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，補(bǔ)償或線性化而加入的。典型反饋控制系統(tǒng)一般組成三.反饋（feedback）注：校正761.給定環(huán)節(jié)：給出輸入信號(hào)的環(huán)節(jié)確定被控對(duì)象的“目標(biāo)值”可用各種形式發(fā)出信號(hào)：如電量、數(shù)字量、模擬量等。1.給定環(huán)節(jié)：772.測(cè)量環(huán)節(jié)：用于測(cè)量被控變量，并將被控變量轉(zhuǎn)換為便于傳送的另一物理量（如：電量）如用電位計(jì)將機(jī)械轉(zhuǎn)角電壓信號(hào)，用測(cè)速電機(jī)將轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)，位移傳感器，熱敏感元件等。2.測(cè)量環(huán)節(jié)：783.比較環(huán)節(jié)：輸入信號(hào)與測(cè)量環(huán)節(jié)發(fā)來(lái)的的反饋量比較，得到的小功率偏差信號(hào)ε:偏差信號(hào)是比較環(huán)節(jié)的輸出。

如：幅值比較、相位比較、位移比較等。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)-課件794.放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)：為了實(shí)現(xiàn)控制，要將偏差信號(hào)作必要的校正，然后進(jìn)行功率放大，以推動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)。如：電流放大、電氣—液壓放大等。4.放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)：805.執(zhí)行環(huán)節(jié)：接受放大環(huán)節(jié)送來(lái)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象按規(guī)定預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行，執(zhí)行環(huán)節(jié)一般是一個(gè)有源的功率放大裝置，工作中要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。5.執(zhí)行環(huán)節(jié)：81如：把電能通過(guò)直流電機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置、調(diào)溫裝置等。閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋的作用：“檢測(cè)偏差，用以糾正偏差”力圖減少反饋信息與輸入信息間的偏差，以期盡可能獲得希望的輸出（因?yàn)橹灰畲嬖?，系統(tǒng)的輸出就要受到偏差的校正，偏差，校正作用；偏差，矯正作用，直至趨向最小。）如：把電能通過(guò)直流電機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象82工程控制論研究的是工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)在一定的外界條件（輸入或激勵(lì)：外加控制干擾）作用下，從系統(tǒng)的一定的初始出發(fā)，所經(jīng)歷的由內(nèi)部的固有特性（由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)決定的特性）所決定的整個(gè)動(dòng)態(tài)歷程：四.機(jī)械控制工程的研究對(duì)象工程控制論研究的是工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)在一定四.機(jī)械83經(jīng)典控制理論：20世紀(jì)50年代前復(fù)（頻）域傳遞函數(shù)

單輸入—單輸出線性定常，穩(wěn)、快、準(zhǔn)現(xiàn)代控制理論：20世紀(jì)50年代末時(shí)域狀態(tài)空間表達(dá)式（計(jì)算機(jī)技術(shù)成熟）多輸入多輸出復(fù)雜、時(shí)變、最優(yōu)控制

大系統(tǒng)理論：20世紀(jì)70年代規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜智能控制發(fā)展階段近代模型不確定性，高度非線性五.控制理論發(fā)展的簡(jiǎn)單回顧控制理論經(jīng)典控制理論：20世紀(jì)50年代前復(fù)（頻）域84經(jīng)典控制理論

控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進(jìn)一步促進(jìn)和完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。1895年，數(shù)學(xué)家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨(dú)立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應(yīng)理論1948年，伊萬(wàn)斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)85經(jīng)典控制理論的基本特征（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；（3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述方法。

應(yīng)該指出的是，反饋控制是一種最基本最重要的控制方式，引入反饋信號(hào)后，系統(tǒng)對(duì)來(lái)自內(nèi)部和外部干擾的響應(yīng)變得十分遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。與此同時(shí)，反饋?zhàn)饔糜謳?lái)了系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，正是這個(gè)曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題激發(fā)了人們對(duì)反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究的熱情，推動(dòng)了自動(dòng)控制理論的發(fā)展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來(lái)的。經(jīng)典控制理論的基本特征（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用86現(xiàn)代控制理論

由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。因而在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來(lái)。1954年貝爾曼（R.Belman)提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理1960年卡爾曼（R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。它無(wú)論對(duì)線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法?，F(xiàn)代控制理論由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的87大系統(tǒng)理論

20世紀(jì)70年代開(kāi)始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應(yīng)控制理論和方法以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性。隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從個(gè)別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領(lǐng)域推廣到包括經(jīng)濟(jì)管理、生物工程、能源、運(yùn)輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。大系統(tǒng)理論是過(guò)程控制與信息處理相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開(kāi)創(chuàng)性階段。大系統(tǒng)理論20世紀(jì)70年代開(kāi)始，現(xiàn)代控制理論繼88智能控制

是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。智能控制的概念和原理主要是針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出來(lái)的，它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問(wèn)題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問(wèn)題。被控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動(dòng)態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)程，對(duì)自主機(jī)器人的控制就是典型的例子而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識(shí)。

智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。一般認(rèn)為，其方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、和專家控制等方法。智能控制是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)，是人89——高階微分方程經(jīng)典：圖②力學(xué)模型：實(shí)際問(wèn)題：圖①組合機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)銑平面時(shí)的情況，當(dāng)切削力變化時(shí)，滑臺(tái)可能產(chǎn)生振動(dòng)，從而降低被加工工件的切削表面質(zhì)量，為了分析這個(gè)系統(tǒng)，首先將動(dòng)力滑臺(tái)連同銑刀抽象圖②力學(xué)模型。圖①圖②現(xiàn)代：令——高階微分方程經(jīng)典：圖②力學(xué)模型：實(shí)際問(wèn)題：圖①組90本課程主要講解經(jīng)典控制理論的其中兩個(gè)方面（五方面P4頁(yè)）1.控制系統(tǒng)分析：系統(tǒng)已定，輸入已知系統(tǒng)的輸出研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問(wèn)題對(duì)已知