內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)第一章 緒論

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)主講：苗淑靜內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院主要內(nèi)容第一章緒論第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析第五章控制系統(tǒng)的頻域分析第一章緒論1．1概述1．2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念一．學(xué)習(xí)控制工程的意義二．控制論的發(fā)展三．控制理論的組成1．1概述一學(xué)習(xí)控制工程的意義控制工程是研究控制論在工程中應(yīng)用的科學(xué)，控制工程基礎(chǔ)是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，即控制工程基礎(chǔ)又稱為自動(dòng)控制理論（或自動(dòng)控制原理）。自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用范圍：(1)日常生活：如聲控?zé)簦婏堨?，自?dòng)洗衣機(jī)，錄音筆(2)工業(yè)生產(chǎn)：自動(dòng)棉紡廠，工廠的自動(dòng)化(3)軍事領(lǐng)域：火炮射擊的雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)(4)航空航天領(lǐng)域：衛(wèi)星定位系統(tǒng)二．控制論的發(fā)展18世紀(jì)，JamesWatt為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動(dòng)控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)(對(duì)穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。1934年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號(hào)的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)。19世紀(jì)40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。19世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的重點(diǎn)從設(shè)計(jì)許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計(jì)在某種意義上的最佳系統(tǒng)。19世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。從1960年到1980，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論進(jìn)展集中于魯棒控制、H∞控制及其相關(guān)課題。三．控制理論的組成根據(jù)控制論對(duì)生產(chǎn)的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的影響分為經(jīng)典控制論和現(xiàn)代控制論.1．經(jīng)典控制論：以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)單輸入單輸出的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。2．現(xiàn)代控制論：以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，對(duì)多輸入和多輸出變系數(shù)非線性等控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。返回目錄1．2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念一控制系統(tǒng)的工作原理二自動(dòng)控制系統(tǒng)分類三閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成四控制系統(tǒng)的基本要求一控制系統(tǒng)的工作原理人工控制：如自行車速度控制（根據(jù)交通情況控制車速起停）汽車駕駛控制系統(tǒng)（方向和速度），收音機(jī)音量控制，普通洗衣機(jī)（根據(jù)衣服多少來控制加水量）。自動(dòng)控制：在沒有人的直接參與下利用控制器（機(jī)械、電子、液壓等系統(tǒng)）使生產(chǎn)過程或被控對(duì)象（機(jī)器、恒溫箱）的某一物理量（溫度、壓力、速度）準(zhǔn)確的按預(yù)期規(guī)律運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)按控制類型分為人工控制自動(dòng)控制（1）人工控制水箱水位高度控制H0期望水位高度H1實(shí)際水位高度1——水位計(jì)Q1流入量Q2流出量

圖1－1人工控制水箱水位高度（2）自動(dòng)控制H0期望水位高度H1實(shí)際水位高度1——水位計(jì)Q1流入量Q2流出量

水箱水位高度控制圖1－2水箱水位高度的自動(dòng)控制2.恒溫箱（1）人工控制系統(tǒng)圖1－3人工控制的恒溫箱（2）自動(dòng)控制系統(tǒng)2.恒溫箱圖1－4恒溫箱的自動(dòng)控制3.人工控制與自動(dòng)控制的比較①測(cè)量：前者靠觀測(cè)者的眼睛，自動(dòng)控制由元器件實(shí)現(xiàn)（浮子、熱電耦）②比較：前者人的大腦，而后者靠自動(dòng)控制器③執(zhí)行：前者靠操縱者的手實(shí)現(xiàn)，后者由執(zhí)行電機(jī)、傳動(dòng)杠桿完成?？偨Y(jié)：人工控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單地說是以檢測(cè)偏差用以糾正偏差的過程。如果能夠用一些元器件來代替人的行為那么將人從單調(diào)、乏味的工作中解脫出來，便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。人工控制和自動(dòng)控制的原理是相同的，只是執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同而已，在自動(dòng)控制過程中，將偏差通過反饋建立起來。給定量：控制系統(tǒng)的輸入量被控量：控制系統(tǒng)的輸出量反饋：指系統(tǒng)的輸出量通過適當(dāng)?shù)臏y(cè)量裝置將信號(hào)部分或全部反回到輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較4.概念二自動(dòng)控制系統(tǒng)分類1.根據(jù)控制系統(tǒng)有無反饋來分閉環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)2.按給定量的特點(diǎn)來分

隨動(dòng)控制系統(tǒng)

恒值控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)3.按系統(tǒng)反應(yīng)特性來分離散控制系統(tǒng)

連續(xù)控制系統(tǒng)①開環(huán)控制系統(tǒng)：指系統(tǒng)的輸入和輸出之間不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒有影響，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。

②閉環(huán)控制系統(tǒng)：反饋控制系統(tǒng)也稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，是指系統(tǒng)的輸入端與輸出端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制作用有直接影響，其作用應(yīng)用反饋來減少偏差，但不能消除偏差。

(1)開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)

抗干擾能力差，控制精度低，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，成本低(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，控制精度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)分析比較復(fù)雜。開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)（比較）恒值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)維持恒值輸出量（恒溫、恒壓、恒速、恒定水位高度）特點(diǎn)：能克服擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響程序控制系統(tǒng)：輸入量為時(shí)間的已知函數(shù)，輸出量要盡快跟隨輸入量信號(hào)變化的系統(tǒng)（熱處理的加熱爐、程序控制機(jī)床——數(shù)控機(jī)床）隨動(dòng)控制系統(tǒng)：輸入量是時(shí)間的未知函數(shù)，保證輸出量變化緊緊跟隨輸入量的變化系統(tǒng)（液壓仿形刀架、電信號(hào)筆式記錄儀、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)）特點(diǎn)：響應(yīng)較快按給定量的特點(diǎn)來分：

（1）連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)輸入量與輸出量是信號(hào)連續(xù)的系統(tǒng)稱為～按系統(tǒng)反應(yīng)特性來分

（2）離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)輸入量、輸出量信號(hào)是離散的系統(tǒng)稱為～（如采樣信號(hào)）三閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成1.組成：給定元件、比較元件、反饋元件、放大元件、執(zhí)行元件、控制對(duì)象及校正元件。①給定元件：用于產(chǎn)生輸入信號(hào)或給定信號(hào)如：電位計(jì)②比較元件：用來比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)所產(chǎn)生偏差的元件。③反饋元件：置于主反饋通道中的元件，用于產(chǎn)生主反饋信號(hào)單位反饋：系統(tǒng)的輸出不經(jīng)過任何變化（即主反饋元件不存在）直接加入到系統(tǒng)輸入的反饋稱為單位反饋.④放大元件：對(duì)偏差信號(hào)放大以推動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作2.各元件功能

⑤執(zhí)行元件：直接對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操作的元件（調(diào)壓器、電動(dòng)機(jī)）⑥控制對(duì)象：控制系統(tǒng)所要操縱的對(duì)象，它的輸出量即為系統(tǒng)的被控量（恒溫箱、機(jī)床工作臺(tái)）⑦校正元件：用以改善系統(tǒng)控制性能的元件（該元件可有可無）輸入信號(hào)：控制系統(tǒng)所有輸入信號(hào)（給定信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)）輸出信號(hào)：輸出是輸入的結(jié)果，通過控制輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持確定的變化規(guī)律。反饋信號(hào)：指輸出信號(hào)經(jīng)過反饋元件變換后加到輸入端的信號(hào)（有正負(fù)）偏差信號(hào)：輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之差誤差信號(hào)：指實(shí)際輸出值與希望輸出值之差。

區(qū)別：若系統(tǒng)的輸入量是期望值，而且系統(tǒng)的輸出量不是部分反饋而是全部反饋時(shí)，偏差與誤差相同，否則不等。擾動(dòng)信號(hào)：一般任務(wù)加入的信號(hào)或激勵(lì)稱為控制信號(hào)，系統(tǒng)中加入無法加以人為控制的信號(hào)稱為擾動(dòng)信號(hào)。3．名詞述語四控制系統(tǒng)的基本要求控制系統(tǒng)的共同要求（穩(wěn)、準(zhǔn)、快）①穩(wěn)定性：指動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能否恢復(fù)平衡狀態(tài)