《机械控制工程基础》课件t

1、控制工程基础 主讲人：徐强 授课方式与考核方式 授课方式授课方式 以浙江大学出版社出版、张尚才编写的以浙江大学出版社出版、张尚才编写的控制工程基控制工程基 础础（第二版）为指导，利用多媒体课件为主、板书为（第二版）为指导，利用多媒体课件为主、板书为 辅进行理论教学；辅进行理论教学； 考核方式：平时成绩考核方式：平时成绩+ +期末期末 课堂考勤：课堂考勤：1010分分 平时作业平时作业5 5次：没交次：没交1 1次扣次扣1 1分，迟交扣分，迟交扣0.50.5分分 课堂表现：活跃课堂表现：活跃5 5，较活跃，较活跃3 3，其余，其余2 2 期末考试，占总评成绩的期末考试，占总评成绩的80%80%

2、课程性质 控制论控制论 经典控制理论经典控制理论 现代控制理论现代控制理论 本课程的主要内容 “机械控制工程基础机械控制工程基础”是控制论是控制论(Cybernetics)(Cybernetics)与机械工与机械工 程技术理论之间的边缘学科，侧重介绍机械工程的控制程技术理论之间的边缘学科，侧重介绍机械工程的控制 原理，同时密切结合工程实际，是一门原理，同时密切结合工程实际，是一门技术基础课程技术基础课程。 机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势越来越来 越广泛而深入地引入了控制理论。越广泛而深入地引入了控制理论。 数控机床、工业机器人、机床动态分析与测试、

3、电气液压伺服系统 是是科学方法论科学方法论之一，强调用之一，强调用系统的、反馈的、控制的系统的、反馈的、控制的 方法来分析研究工程实际问题。方法来分析研究工程实际问题。 课程任务与学习要求 课程任务课程任务 通过课程教学，使学生掌握经典控制理论的基本原通过课程教学，使学生掌握经典控制理论的基本原 理和思想方法，初步培养进行系统分析与校正的能力，理和思想方法，初步培养进行系统分析与校正的能力， 结合后续专业课程的学习，为将来在机械电子工程中结合后续专业课程的学习，为将来在机械电子工程中 解决一些实际问题打下一定的基础。解决一些实际问题打下一定的基础。 学习要求学习要求 需要大家具备一定的数学、力

4、学、电学方面的基础需要大家具备一定的数学、力学、电学方面的基础 知识，还要有一定的机械工程方面的专业知识。需要知识，还要有一定的机械工程方面的专业知识。需要 大家认真对待每次的课后练习环节。大家认真对待每次的课后练习环节。 主要教学内容 机械控制工程基础机械控制工程基础 基础知识基础知识 工程应用工程应用 分析方法分析方法 基本概念基本概念 控制系统结构体系控制系统结构体系 控制系统数学模型控制系统数学模型 时域分析时域分析 频域分析频域分析 系统稳定性判据系统稳定性判据 系统性能指标系统性能指标 系统校正系统校正 第一章 绪 论 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的

5、研究对象与任务 1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型 1.3 1.3 反馈反馈 1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 本章教学大纲本章教学大纲 1. 1. 了解机械工程控制论的基本概念、研究对象与任务；了解机械工程控制论的基本概念、研究对象与任务； 2. 2. 掌握系统、模型、反馈、偏差等基本概念；掌握系统、模型、反馈、偏差等基本概念； 3. 3. 掌握反馈控制系统工作原理的分析；掌握反馈控制系统工作原理的分析； 4. 4. 掌握控制系统的组成、分类及基本性能要求。掌握控制系统的组成、分类及基本性能要求。 u教学重点：反馈的基本概念、控制系统工作

6、原理分析、教学重点：反馈的基本概念、控制系统工作原理分析、 控制系统的分类控制系统的分类 第一章第一章 绪论绪论本章教学大纲本章教学大纲 第一章第一章 绪论绪论 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 一、控制论概述一、控制论概述 控制论是关于控制原理与控制方法的学科，它研究控制论是关于控制原理与控制方法的学科，它研究 事物变化和发展的一般规律。事物变化和发展的一般规律。 “控制论控制论”的两个核心是信息论和反馈控制。的两个核心是信息论和反馈控制。 首先创立控制论学科的是美国的数学家、信息理论首先创立控制论学科的是美国的数学家、信息理论 家家(Norber

7、t Wiener)(Norbert Wiener)诺伯特诺伯特维纳，他于维纳，他于19481948年发表了年发表了 “控制论控制论”。 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 控制论控制论 经济学经济学 社会学社会学 生物学生物学 工程技术工程技术 经济控制论经济控制论 社会控制论社会控制论 生物控制论生物控制论 工程控制论工程控制论 机械工程机械工程机械工程控制论机械工程控制论 控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。 控制论的中心思想控制论的中心思想通过信息的传递、加工处理通过信息的传

8、递、加工处理 并利用反馈来进行控制。并利用反馈来进行控制。 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 19541954年我国科学家钱学森出版专著年我国科学家钱学森出版专著工程控制论工程控制论 ( (英文版英文版) )，首先把控制论推广到工程技术领域。，首先把控制论推广到工程技术领域。 机械工程控制论机械工程控制论 研究研究机械工程技术中广义系统的动力学问题机械工程技术中广义系统的动力学问题 研究的研究的对象对象：系统（广义系统）：系统（广义系统） 研究的研究的任务任务：动力学问题：动力学问题 研究的研究的领域领域：机械工程领域：机械工

9、程领域 P:2 二、机械工程控制论的研究对象二、机械工程控制论的研究对象 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 系统系统按一定规律联系在一起的元素的集合按一定规律联系在一起的元素的集合 系统的要素系统的要素 元素元素 元素之间的联系元素之间的联系 系统与外界的交互作用系统与外界的交互作用 外界对系统的作用外界对系统的作用 系统对外界的作用系统对外界的作用 输入输入(激励激励) 干扰干扰(扰动扰动) 输出输出( (响应响应) ) 系统的框图系统的框图 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一

10、章第一章 绪论绪论 机械工程中的广义机械工程中的广义系统系统: : 元件、部件、仪器、设备元件、部件、仪器、设备; ; 加工过程、操作设备、测量加工过程、操作设备、测量; ; 车间、部门、工厂、企业、车间、部门、工厂、企业、 企业集团、全球制造行业等企业集团、全球制造行业等 如如: 机器系统机器系统 生命系统生命系统社会经济系统社会经济系统 生产系统生产系统 思维、学习、工作思维、学习、工作 广义广义系统系统具备系统要素的一切事物或对象具备系统要素的一切事物或对象 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 系统系统 非控制系统非控制系

11、统 控制系统控制系统 人工控制系统人工控制系统 自动控制系统自动控制系统 非控制系统非控制系统仅具有由人工开、关两种状态的系统仅具有由人工开、关两种状态的系统 如：搅拌机如：搅拌机 （视频链接视频链接） 教室里的照明系统教室里的照明系统 控制系统控制系统系统的可变输出，能按照要求由参考输系统的可变输出，能按照要求由参考输 入或控制输入进行调节的系统入或控制输入进行调节的系统 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 如如: : 空调空调 加热电阻丝加热电阻丝 220V 调压器调压器 人工控制的恒温箱人工控制的恒温箱 温度计温度计 自动

12、控制系统自动控制系统 教室中的风扇教室中的风扇人工控制系统人工控制系统 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 加热电阻丝加热电阻丝 220V 调压器调压器 热电偶热电偶 给定信号给定信号 比较比较 电压电压 放大器放大器 功率功率 放大器放大器 执行执行 电动机电动机 减速器减速器 u2 u1 u u 恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 根据自己的生活和学习经验，列举控制系统的例子根据自己的生活和学习经验，列举控制系统的例子 问

13、题：问题：1）普通全自动洗衣机）普通全自动洗衣机 2）全自动照相机的闪光系统、调焦系统）全自动照相机的闪光系统、调焦系统 3）饮水机，微波炉）饮水机，微波炉 4）抽水马桶水箱的液面自动调节器）抽水马桶水箱的液面自动调节器 液面控制液面控制 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 生物、医学、环境、经济管理等其它生物、医学、环境、经济管理等其它 机器人、导弹制导、核动力等高新领域机器人、导弹制导、核动力等高新领域 宇航：火箭、飞船、卫星宇航：火箭、飞船、卫星 道路交通：信号灯控制、车牌自动识别道路交通：信号灯控制、车牌自动识别 日常：

14、冰箱、洗衣机、空调日常：冰箱、洗衣机、空调 农业：恒温大棚、农业自动化机械农业：恒温大棚、农业自动化机械 应用范围应用范围 工业：数控机床、轧钢机、恒温箱等工业：数控机床、轧钢机、恒温箱等 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 蒸汽机离心调速器蒸汽机离心调速器 工业：工业： 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 数控机床进给系统模拟图数控机床进给系统模拟图 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 在农业机械领域的应用在农业机械领域

15、的应用 第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 在日常生活中的应用在日常生活中的应用 第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 道路交通的应用道路交通的应用车牌自动识别车牌自动识别 第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 人形机器人人形机器人 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 勇气号火星探测器（美国，勇气号火星探测器（美国，20042004） 第一章第

16、一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 自动火炮、导弹制导等高新领域的应用自动火炮、导弹制导等高新领域的应用 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 在雷达领域的应用在雷达领域的应用 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 海洋探测机器人海洋探测机器人 19901990年日本海洋科技中心年日本海洋科技中心 研制的研制的“海沟号海沟号”缆控式缆控式 无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）无人潜水器（左）及其在大海中

17、工作时的情况（右） 第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 瑞典博福斯公司研制的瑞典博福斯公司研制的“双鹰双鹰”水下扫雷机器人水下扫雷机器人 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 恒温恒湿试验箱又名环境试验箱，实验各种材料的耐热、耐寒恒温恒湿试验箱又名环境试验箱，实验各种材料的耐热、耐寒 、耐干、耐湿性能。适合电子、电器、食品、车辆、金属、化、耐干、耐湿性能。适合电子、电器、食品、车辆、金属、化 学、建材等实验学、建材等实验 1.1 1.1 机械工

18、程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 三、机械工程控制论的研究任务三、机械工程控制论的研究任务 第一章第一章 绪论绪论 动力学问题动力学问题 机械工程技术中的广义系统在一定的机械工程技术中的广义系统在一定的外外 界条件作用界条件作用下，从一定的初始状态出发，经历由其内下，从一定的初始状态出发，经历由其内 部的部的固有特性固有特性所决定的整个动态历程；所决定的整个动态历程； 研究这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动研究这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动 态关系。态关系。 即输入或激励，包括外加控制与外界干扰即输入或激励，包括外加控制与外界干扰 即由系统的结构与参数

19、所决定的特性即由系统的结构与参数所决定的特性 P:2P:2 下面，我们通过一个简单的例子，让大家更深刻的理解下面，我们通过一个简单的例子，让大家更深刻的理解 “机械工程控制论的研究任务机械工程控制论的研究任务”这一问题。这一问题。 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 同一同一系统系统，不同的不同的输入输入 例例1-1 1-1 弹簧弹簧- -质量质量- -阻尼单自由度系统阻尼单自由度系统 系统（系统（a a） 系统（系统（b b） m-c-km-c-k单自由度系统单自由度系统 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程

20、控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 （a） （b） 整理得：整理得： )()()()(tftkytyctym （a a）解：解： )()()()(tymtyctkytf （b b）解：解：)()()()()(tkxtxctkytyctym 动力学方程：动力学方程： y(t)即微分方程的解，它是由即微分方程的解，它是由系统的初始条件、系统的初始条件、系统的系统的 固有特性、固有特性、系统的输入系统的输入及及系统与输入之间的关系系统与输入之间的关系所决定。所决定。 系统的固有特性系统的固有特性: : mp + cp + k 2 系统与外界之间的关系系统与外界之间的关系: : 1， cp

21、+k 系统对输入的响应（系统的输出）：系统对输入的响应（系统的输出）：y(t) 系统的输入或激励系统的输入或激励: : f(t)， x(t) 代表了系统在一定外界条件下的动态历程代表了系统在一定外界条件下的动态历程 令令 p=d/dt （微分算子）（微分算子） 系统系统(a) (a) (mp + cp + k) )y(t)=f(t) 系统系统(b) (b) (mp + cp + k)y(t)=(cp + k)x(t) 2 2 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 问题：问题： 系统的输入与系统的固有特性如何影响系统的输入与系统的固

22、有特性如何影响y(t)？ 三者之间表现为何种关系？三者之间表现为何种关系？ 2. 2. 系统确定并已知时，对系统施加何种输入，系统确定并已知时，对系统施加何种输入， 能使系统实现预期的响应（即能使系统实现预期的响应（即y(t)）？）？ 3. 3. 对于确定的输入，系统应具有什么特性，对于确定的输入，系统应具有什么特性， 才能使系统实现预期的响应？才能使系统实现预期的响应？ 求输出求输出 求输入求输入 求系统求系统(结构参数结构参数) 基本的动力学问题基本的动力学问题 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 研究任务研究任务: : 系

23、统分析问题系统分析问题 最优控制问题最优控制问题 最优设计问题最优设计问题 滤波与预测问题滤波与预测问题 (1)(1)系统辨识问题系统辨识问题 已知系统和输入，求系统的响应已知系统和输入，求系统的响应(或输出或输出)， 并通过响应来研究系统本身的问题并通过响应来研究系统本身的问题 已知系统和系统的理想输出，设计输入已知系统和系统的理想输出，设计输入 已知输入和理想输出时，设计系统已知输入和理想输出时，设计系统 输出已知，确定系统，以识别输出已知，确定系统，以识别 输入或输入中的的有关信息输入或输入中的的有关信息 已知系统的输入与输出，求系统的结构已知系统的输入与输出，求系统的结构 与参数，即建

24、立系统的数学模型与参数，即建立系统的数学模型 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 第一章第一章 绪论绪论 1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型 一、系统一、系统 系统具有如下特性：系统具有如下特性： 系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的 结构有关；结构有关； 系统的内容比组成系统的各元素的内容要丰富很多系统的内容比组成系统的各元素的内容要丰富很多; ; (1)(1) 系统往往具有表现在时间域、频率域或空间域等领系统往往具有表现在时间域、频率域或空间域等领 域内的动态特性。域内的动态特性。 1.

25、2 1.2 系统及其模型系统及其模型 1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型 第一章第一章 绪论绪论 二、机械系统二、机械系统 定义定义以实现一定的机械运动，承受一定的机械载以实现一定的机械运动，承受一定的机械载 荷为目的，由机械元件组成的系统。荷为目的，由机械元件组成的系统。 如：如： 切削加工过程切削加工过程 工件工件 操作者操作者 当研究某台机床当研究某台机床切削加工过程切削加工过程中的动力学问题时；中的动力学问题时； 当研究此台机床加工的当研究此台机床加工的工件工件的某些质量指标时；的某些质量指标时； 当研究此台机床的当研究此台机床的操作者操作者在加工过程中的作用时；在加工过程中的作

26、用时； 输入输入激励（外界对系统的作用，如载荷等）激励（外界对系统的作用，如载荷等） 输出输出响应（系统对外界的作用，如变形、位移）响应（系统对外界的作用，如变形、位移） 1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型 第一章第一章 绪论绪论 激励激励 控制输入控制输入人为地、有意识地加上去；人为地、有意识地加上去； 扰动扰动偶然因素产生而一般无法完全人为偶然因素产生而一般无法完全人为 控制的（干扰）；控制的（干扰）； 三、数学模型三、数学模型 模型的定义模型的定义研究系统、认识系统、描述系统与分研究系统、认识系统、描述系统与分 析系统的一种工具。析系统的一种工具。 模型的种类模型的种类实物模型、物

27、理模型和数学模型等。实物模型、物理模型和数学模型等。 1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型 第一章第一章 绪论绪论 数学模型数学模型定量地描述系统的动态性能，揭示系定量地描述系统的动态性能，揭示系 统的结构、参数与动态性能之间关系的数学表达式。统的结构、参数与动态性能之间关系的数学表达式。 数学模型数学模型 静态模型静态模型 动态模型动态模型 反映系统在恒定载荷或缓变载反映系统在恒定载荷或缓变载 荷作用下或在系统平衡状态下的特性；荷作用下或在系统平衡状态下的特性； 用于研究系统在迅变载荷作用用于研究系统在迅变载荷作用 下或在系统不平衡状态下的特性；下或在系统不平衡状态下的特性； 在一定条件

28、下，动态模型可以转换为静态模型。在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。 代数公式描述代数公式描述 微分方程或差分方程来描述微分方程或差分方程来描述 动态模型是描述系统的动态历程的，机械工程控制动态模型是描述系统的动态历程的，机械工程控制 论研究的是机械工程技术中广义系统的动力学问题，论研究的是机械工程技术中广义系统的动力学问题， 所以往往需要采用动态数学模型，即需要建立微分方所以往往需要采用动态数学模型，即需要建立微分方 程或差分方程来描述系统的动态特性。程或差分方程来描述系统的动态特性。 1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型 第一章第一章 绪论绪论 1.3 1.3 反馈反馈 一、反馈

29、的定义一、反馈的定义 反馈是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念反馈是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念 系统的输出不断直接或经过中间变换后全部或部分系统的输出不断直接或经过中间变换后全部或部分 地返回到输入端，并与输入共同作用于系统的过程。地返回到输入端，并与输入共同作用于系统的过程。 系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间之所系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间之所 以有动态关系，就是由于系统本身存在着信息的反馈。以有动态关系，就是由于系统本身存在着信息的反馈。 二、反馈的种类二、反馈的种类 内反馈与外反馈内反馈与外反馈 例例1-2 1-2 发动机离心调速系统发动机

30、离心调速系统 例例1-3 1-3 质量质量- -弹簧弹簧- -阻尼单自由度系统阻尼单自由度系统 1.3 1.3 反馈反馈 2. 2. 正反馈与负反馈正反馈与负反馈 第一章第一章 绪论绪论 例例1-2 1-2 发动机离心调速系统发动机离心调速系统 控制原理：控制原理： 如果负载变化使如果负载变化使增大，增大， 离心机构滑套上移离心机构滑套上移 液压滑阀上移，动力液压滑阀上移，动力 活塞下移，油门关小，活塞下移，油门关小， 减减 小小 直到滑阀回复到中位，直到滑阀回复到中位， 回到设定值回到设定值 通过离心机构检测系统的实通过离心机构检测系统的实 际输出值，并与设定值进行比际输出值，并与设定值进行

31、比 较，反过来作用于系统，形成较，反过来作用于系统，形成 反馈，进而调节系统的输出。反馈，进而调节系统的输出。 发动机离心调速系统结构原理简图发动机离心调速系统结构原理简图 1.3 1.3 反馈反馈 第一章第一章 绪论绪论 例例1-3 1-3 质量质量- -弹簧弹簧- -阻尼单自由度系统阻尼单自由度系统 m-c-k 单自由度系统结构原理图单自由度系统结构原理图 动力学方程：动力学方程： )( )( )( )( 2 2 tky dt tdy ctf dt tyd m )()( )()( 2 2 tftky dt tdy c dt tyd m 或或 dttky dt tdy ctf m ty)(

32、)( )( 1 )( 即即 m-c-k 单自由度系统方框图单自由度系统方框图 信息交互（反馈）信息交互（反馈） 1.3 1.3 反馈反馈 第一章第一章 绪论绪论 在这两个例子，反馈在本质上都是在这两个例子，反馈在本质上都是信息的传递与信息的传递与 交互交互。但从具体形式上看，则有所不同。但从具体形式上看，则有所不同。 对于发动机离心调速系统来说，离心调速器是对于发动机离心调速系统来说，离心调速器是人为人为 附加附加的反馈控制装置，其目的在于抵抗由于负载变的反馈控制装置，其目的在于抵抗由于负载变 化这一干扰引起的输出轴转速的变化。这种反馈称化这一干扰引起的输出轴转速的变化。这种反馈称 为为外反馈

33、外反馈。 而质量弹簧阻尼系统中存在的反馈则为而质量弹簧阻尼系统中存在的反馈则为内反馈内反馈。 这种反馈是这种反馈是系统内部系统内部的信息交互，反映了系统内部的信息交互，反映了系统内部 各元素之间互为因果的联系关系，反映了系统的动各元素之间互为因果的联系关系，反映了系统的动 态特性。态特性。 1.3 1.3 反馈反馈 第一章第一章 绪论绪论 (1)(1)内反馈内反馈 在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈。是系在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈。是系 统内部各个元素之间相互耦合的结果，是造成机械系统内部各个元素之间相互耦合的结果，是造成机械系 统存在一定动态特性的根本原因。统存在一定动态特性

34、的根本原因。 (2)(2)外反馈外反馈 在控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的在控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的 反馈。反馈。 生活小实例：生病生活小实例：生病 生病生病看病看病吃药、打针、手术吃药、打针、手术恢复健康恢复健康 生病生病自身调节恢复健康自身调节恢复健康 外反馈外反馈 内反馈内反馈 1.3 1.3 反馈反馈 第一章第一章 绪论绪论 2. 2. 负反馈与正反馈负反馈与正反馈 (1)(1)负反馈负反馈 输出输出偏离偏离设定值设定值时，反馈作用使输出偏离程度减小，时，反馈作用使输出偏离程度减小， 并力图达到设定值。并力图达到设定值。 被控量被控量目标值目标值 如：发动机

35、离心调速系统如：发动机离心调速系统 液面自动调节器液面自动调节器 数控机床进给伺服系统数控机床进给伺服系统 动物捕食动物捕食 火炮自动瞄准火炮自动瞄准 学习和工作中的负反馈学习和工作中的负反馈 1.3 1.3 反馈反馈 第一章第一章 绪论绪论 (2)(2)正反馈正反馈 输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离程度加剧。输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离程度加剧。 如：如： 疾病疾病 自激振荡器自激振荡器 机器疲劳破坏机器疲劳破坏 火药爆炸、热核反应火药爆炸、热核反应 学习和工作中的正反馈学习和工作中的正反馈 1.3 1.3 反馈反馈 第一章第一章 绪论绪论 三、反馈控制系统及其组成三、反馈控制系

36、统及其组成 在工程技术领域中，越来越多地采用了自动控制系在工程技术领域中，越来越多地采用了自动控制系 统。在这种系统中，往往有着统。在这种系统中，往往有着“反馈控制反馈控制”。 1. 1. 定义定义 一般在自动控制系统中，偏差是基于反馈建立起一般在自动控制系统中，偏差是基于反馈建立起 来的来的 。自动控制的过程就是。自动控制的过程就是“测偏与纠偏测偏与纠偏”的过程，的过程， 这一原理又称为这一原理又称为反馈控制原理反馈控制原理。利用此原理组成的系。利用此原理组成的系 统称为统称为反馈控制系统反馈控制系统。它具备测量、比较和执行三个。它具备测量、比较和执行三个 基本功能。基本功能。 反馈控制是实

37、现自动控制的最基本的方法。反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。 没有反馈就无法测量偏差，就无法根据偏差自动控制没有反馈就无法测量偏差，就无法根据偏差自动控制 系统纠正偏差系统纠正偏差 1.3 1.3 反馈反馈 第一章第一章 绪论绪论 例：发动机离心调速系统例：发动机离心调速系统 发动机离心调速系统结构原理简图发动机离心调速系统结构原理简图 被控对象：被控对象：发动机发动机 被控量：被控量：转速转速 被控量的目标值设定：被控量的目标值设定：预紧弹簧设定预紧弹簧设定 控制信息传递与反馈：控制信息传递与反馈： 转速转速 离心机构离心机构 ( (检测或感知）检测或感知） 偏差偏差 杠杆杠杆 液压比例

38、控制器液压比例控制器油门油门 1.3 1.3 反馈反馈 第一章第一章 绪论绪论 表示系统结构与工作原理的物理框图：表示系统结构与工作原理的物理框图： 离心调速系统控制方框图离心调速系统控制方框图 比较比较 控制器控制器 检测检测 被控对象被控对象 执行执行运算放大运算放大 控制部分控制部分 被控部分被控部分 1.3 1.3 反馈反馈 第一章第一章 绪论绪论 2. 2. 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成 典型的反馈控制系统包括给定环节、测量环节、比较典型的反馈控制系统包括给定环节、测量环节、比较 环节、放大运算环节、执行环节、被控对象等。环节、放大运算环节、执行环节、被控对象等。 每个组成部

39、分的含义见教材每个组成部分的含义见教材P:14-15P:14-15。 尽管不同的反馈控制系统是由许多起着不同作用的环尽管不同的反馈控制系统是由许多起着不同作用的环 节组成，但都可以看成是由节组成，但都可以看成是由控制部分控制部分和和被控部分被控部分组成。组成。 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成 1.3 1.3 反馈反馈 第一章第一章 绪论绪论 1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 一、控制系统的几种分类一、控制系统的几种分类 1. 1. 按反馈情况按反馈情况 开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统 : :系统没有反馈回路系统没有反馈回

40、路 系统的输出对系统没有控制作用系统的输出对系统没有控制作用 : :系统有反馈回路系统有反馈回路 系统的输出对系统有控制作用系统的输出对系统有控制作用 1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章第一章 绪论绪论 如：步进电机驱动的数控机如：步进电机驱动的数控机 床床 开环控制系统开环控制系统 、普通洗衣机、普通洗衣机、家用电烤箱、微波炉、家用电烤箱、微波炉 步进电机驱动的数控机床原理图步进电机驱动的数控机床原理图 步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图 1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的

41、分类及对控制系统的基本要求 第一章第一章 绪论绪论 闭环控制系统闭环控制系统 如：伺服电机驱动的数控机如：伺服电机驱动的数控机 床床 、离心调速系统、离心调速系统、恒温箱、恒温箱( (冰箱、空调冰箱、空调) ) 伺服电机驱动的数控机床原理图伺服电机驱动的数控机床原理图 伺服驱动的数控机床闭环控制系统方框图伺服驱动的数控机床闭环控制系统方框图 1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 按按 有有 无无 反反 馈馈 无无 有有 开环系统开环系统 闭环系统闭环系统 优点：构造简单，成本低。优点：构造简单，成本低。 缺点：无抗干扰能力，不能自缺点：无抗干扰能力，

42、不能自 动纠偏，控制精度较低。动纠偏，控制精度较低。 优点：抗干扰能力强，稳态优点：抗干扰能力强，稳态 精度高，动态精度好精度高，动态精度好。 缺点：构造复杂，设计与制造缺点：构造复杂，设计与制造 较困难，成本较高。较困难，成本较高。 第一章第一章 绪论绪论1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章第一章 绪论绪论 2. 2. 按输出量的变化规律按输出量的变化规律 自动调节系统（恒值系统）：系统的输出保持常量自动调节系统（恒值系统）：系统的输出保持常量 随动系统（伺服系统）：系统的输出相应于输入按随动系统（伺服系统）：系统的输出相应于输入按 任意规

43、律变化任意规律变化 程序控制系统：系统的输出按预定程序变化程序控制系统：系统的输出按预定程序变化 此类系统同时也是闭环系统此类系统同时也是闭环系统 此类系统同时也是闭环系统此类系统同时也是闭环系统 此类系统可以是开环系统，也可以是闭环系统此类系统可以是开环系统，也可以是闭环系统 1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章第一章 绪论绪论 自动调节系统自动调节系统 如：前例中的离心调速系统；如：前例中的离心调速系统； 恒温箱；恒温箱； 液面自动调节器。液面自动调节器。 工业生产中工业生产中温度温度、压力压力、流量流量、液面液面、速度速度等参数等参数

44、的控制，均属此类。的控制，均属此类。 1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章第一章 绪论绪论 随动系统随动系统 如：炮瞄雷达系统；如：炮瞄雷达系统； 导弹目标自动跟踪系统；导弹目标自动跟踪系统； 仿形机床；仿形机床； 全自动照相机的全自动照相机的 调焦系统、闪光系统。调焦系统、闪光系统。 1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章第一章 绪论绪论 程序控制系统程序控制系统 如：数控机床进给系统；如：数控机床进给系统； 全自动洗衣机；全自动洗衣机； 微波炉。微波炉。 1.4 1.4 系统的分类及对控制

45、系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章第一章 绪论绪论 3. 3.按信号类型按信号类型 4. 4.按系统的性质按系统的性质 5. 5.按参数的变化情况按参数的变化情况 6. 6.按控制量按控制量 连续控制系统连续控制系统 离散控制系统离散控制系统 线性控制系统线性控制系统 非线性控制系统非线性控制系统 定常系统定常系统 时变系统时变系统 位移控制系统位移控制系统 温度控制系统温度控制系统 速度控制系统速度控制系统 1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 第一章第一章 绪论绪论 二、对控制系统的基本要求二、对控制系统的基本要求 稳、快、准

46、稳、快、准 控控 制制 系系 统统 的的 性性 能能 评评 价价 指指 标标 系统的稳定性：系统的稳定性： 系统的快速性：系统的快速性： 系统的准确性：系统的准确性： 指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。这指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。这 是系统正常工作的首要条件。是系统正常工作的首要条件。 在系统稳定的前提下，当系统的输出量与给定的输入量之间在系统稳定的前提下，当系统的输出量与给定的输入量之间 产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。 调整过程结束后，输出量与给定的输入量之间的偏差。调整过程结束后，输出量与给定的输入量之间的偏

47、差。 1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 以坐车的感受为例简单说明以坐车的感受为例简单说明 不同性质的控制系统，对稳定性、快速性和准确性不同性质的控制系统，对稳定性、快速性和准确性 的要求各有侧重。的要求各有侧重。 在同一个控制系统中，稳定性、快速性、准确性相在同一个控制系统中，稳定性、快速性、准确性相 互制约，应根据实际需求合理选择。互制约，应根据实际需求合理选择。 如自动调节系统对稳定性要求较高。如自动调节系统对稳定性要求较高。 如随动系统对响应快速性要求较高。如随动系统对响应快速性要求较高。 如数控机床对定位精度要求高。如数控机床对定位精度要

48、求高。 注意：注意： 1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第一章第一章 绪论绪论 第一章第一章 绪论绪论 本章小结：本章小结：机械工程控制论研究的对象与任务；机械工程控制论研究的对象与任务； 系统（广义系统、机械系统）、动力学问题、模系统（广义系统、机械系统）、动力学问题、模 型（静态模型、动态模型）；反馈（正、负反馈，型（静态模型、动态模型）；反馈（正、负反馈， 内、外反馈）；控制系统的分类，闭环控制系统内、外反馈）；控制系统的分类，闭环控制系统 的组成；对控制系统的基本要求。的组成；对控制系统的基本要求。 作业：课后习题作业：课后习题 本章小结本

49、章小结 例例1.11.1设电热水器如下图所示。为了保持希望的温度，由温控开设电热水器如下图所示。为了保持希望的温度，由温控开 关接通或断开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流出热关接通或断开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流出热 水并补充冷水。试说明该系统工作原理并画出系统的方框图。水并补充冷水。试说明该系统工作原理并画出系统的方框图。 解：在电热水器系统中，解：在电热水器系统中， 水箱内的水温需要控制，水箱内的水温需要控制， 即水箱为被控对象。即水箱为被控对象。 水的实际温度是被控制量，水的实际温度是被控制量， 或称为系统的输出量，输或称为系统的输出量，输 入量为用户希望的入量为用户希

50、望的 温度（给定值），由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原温度（给定值），由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原 因而使水箱内水温下降成为该系统的主要干扰。因而使水箱内水温下降成为该系统的主要干扰。 第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题 第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题 当当To=Ti时时，水箱的实际水温经测温元件检测，并将实际水温，水箱的实际水温经测温元件检测，并将实际水温 转化成相应的电信号，与温控开关预先设定的信号进行比较转化成相应的电信号，与温控开关预先设定的信号进行比较 而得到的偏差为零，此时电加热器不工作，水箱中的水温保而得到的偏差为零，此时电加热器不工作，水箱中的水温保 持

51、在希望的温度上。持在希望的温度上。 当使用热水并注入冷水时，水温下降，此时当使用热水并注入冷水时，水温下降，此时Tou2，电位器桥式测量电，电位器桥式测量电 路产生偏差电压，经放大器放大后，驱动电机带动绞路产生偏差电压，经放大器放大后，驱动电机带动绞 盘转动，使大门向上提起。与此同时，与大门连在一盘转动，使大门向上提起。与此同时，与大门连在一 起的电位器滑动触头上移，直至桥路达到平衡（起的电位器滑动触头上移，直至桥路达到平衡（ u1 u2），电机停止转动，大门开启。反之，合上关门），电机停止转动，大门开启。反之，合上关门 开关时，电机反向转动，带动绞盘使大门关闭。开关时，电机反向转动，带动绞盘

52、使大门关闭。 开、关开、关 门位置门位置 电位器电位器放大器放大器电动机电动机绞盘绞盘大门大门 实际实际 位置位置 第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题 例例1.41.4 分析图示钢板厚度控制系统工作原理并绘制系分析图示钢板厚度控制系统工作原理并绘制系 统功能框图。统功能框图。 放大器放大器1 1 放大器放大器2 2 厚度厚度 检测器检测器 减速器直减速器直 线执行器线执行器 u ua a u u u u1 1 u u3 3 u u2 2 v v b b d d a 钢板钢板 第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题 解：解： 1 1）稳态给定）稳态给定电压电压u1比例于被轧钢板要求的厚度；厚

53、比例于被轧钢板要求的厚度；厚 度检测器输出度检测器输出u2比例于轧制后钢板的厚度，比例于轧制后钢板的厚度，u2放大后得到放大后得到u3 并与并与u1比较得到偏差信号；比较得到偏差信号； 2 2）若系统处于稳态后由于扰动致厚度加大，则偏差小于）若系统处于稳态后由于扰动致厚度加大，则偏差小于 零，偏差放大后控制电机通过减速器直线执行器减小轧棍间距零，偏差放大后控制电机通过减速器直线执行器减小轧棍间距 离；反之，加大轧棍间离；反之，加大轧棍间距离，实现厚度的闭环调节。由于系统距离，实现厚度的闭环调节。由于系统 不是直接测量轧辊处厚度，而是相距不是直接测量轧辊处厚度，而是相距 d 处的厚度，因此系统存

54、处的厚度，因此系统存 在测量延迟，延迟时间在测量延迟，延迟时间 =d/v。 给定给定 厚度厚度 厚度厚度 检测器检测器 放大器放大器1电动机电动机 减速器减速器 直线执行器直线执行器 轧辊轧辊钢板钢板 实际实际 厚度厚度 延时器延时器放大器放大器2 第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题 例例1.51.5 所示为函数记录仪的示意图，它通过记录笔所示为函数记录仪的示意图，它通过记录笔 记录缓变电压信号的波形。试说明其工作原理，并记录缓变电压信号的波形。试说明其工作原理，并 绘制其控制方框图。绘制其控制方框图。 第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题 解：为了记录电压信号，记录笔的位移需要进行控解

55、：为了记录电压信号，记录笔的位移需要进行控 制，因此，记录笔为控制对象。制，因此，记录笔为控制对象。 记录笔的实际位移记录笔的实际位移Lo为输出，与电压信号为输出，与电压信号Ui对应的对应的 理想位移理想位移Li=Kui为输入。通过设定比例系数为输入。通过设定比例系数K，将输入，将输入 信号信号Li与需要记录的电压与需要记录的电压ui对应起来。对应起来。 记录笔的实际位移记录笔的实际位移Lo通过带动电位器通过带动电位器R2的滑块，的滑块， 使桥式电路输出电压使桥式电路输出电压Ub进行测量，于是在放大器两端进行测量，于是在放大器两端 形成偏差电压信号形成偏差电压信号ue=ui-ub，利用的大小和

56、正负对记，利用的大小和正负对记 录笔的位置进行控制。录笔的位置进行控制。 第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题 反之，当反之，当uiub时，偏差时，偏差ue为正，该信号经放大，驱动电为正，该信号经放大，驱动电 机，带动齿轮机构，进而使记录笔及滑块正向移动，机，带动齿轮机构，进而使记录笔及滑块正向移动， 此时偏差此时偏差ue逐渐减小，直至为逐渐减小，直至为0； 第一章第一章 绪论绪论 维纳简介维纳简介 诺伯特诺伯特维纳维纳(Norbert Wiener(Norbert Wiener，1894-1964)1894-1964) 维纳是美国数学家，控制论的创始人。维纳维纳是美国数学家，控制论的创始人

57、。维纳18941894年年 1111月月2626日生于密苏里州的哥伦比亚，日生于密苏里州的哥伦比亚，19641964年年3 3月月1818日日 卒于斯德哥尔摩。卒于斯德哥尔摩。 维纳在其维纳在其5050年的科学生涯中，先后涉足哲学、数学、物理学年的科学生涯中，先后涉足哲学、数学、物理学 和工程学，最后转向生物学，在各个领域中都取得了丰硕成果和工程学，最后转向生物学，在各个领域中都取得了丰硕成果 ，称得上是恩格斯颂扬过的、本世纪多才多艺和学识渊博的科，称得上是恩格斯颂扬过的、本世纪多才多艺和学识渊博的科 学巨人。他一生发表论文学巨人。他一生发表论文240240多篇，著作多篇，著作1414本。他的

58、主要著作有本。他的主要著作有 控制论控制论(1948)(1948)、维纳选集维纳选集(1964)(1964)和和维纳数学论文集维纳数学论文集 (1980)(1980)。维纳还有两本自传。维纳还有两本自传昔日神童昔日神童和和我是一个数学家我是一个数学家 。他的主要成果有如下八个方面：。他的主要成果有如下八个方面： 第一章第一章 绪论绪论 维纳简介维纳简介 建立维纳测度建立维纳测度 引进巴拿赫引进巴拿赫维纳空间维纳空间 阐述位势理论阐述位势理论 发展调和分析发展调和分析 发现维纳发现维纳霍普夫方法霍普夫方法 提出维纳滤波理论提出维纳滤波理论 开创维纳信息论开创维纳信息论 创立控制论创立控制论 返回

59、 第一章第一章 绪论绪论 钱学森简介钱学森简介 钱学森（钱学森（1911191120092009）中国著名物理学家，世界著名）中国著名物理学家，世界著名 火箭专家。浙江杭州人，生于上海。火箭专家。浙江杭州人，生于上海。 钱学森长期担任中国火箭和航天计划的技术领导人，钱学森长期担任中国火箭和航天计划的技术领导人， 对航天技术、系统科学和系统工程做出了巨大的和开拓性的贡对航天技术、系统科学和系统工程做出了巨大的和开拓性的贡 献。钱学森共发表专著献。钱学森共发表专著7 7部，论文部，论文300300多篇。主要贡献表现在以多篇。主要贡献表现在以 下几方面：下几方面： 应用力学应用力学 喷气推进与航天技

60、术喷气推进与航天技术 工程控制论工程控制论 物理力学物理力学 系统工程与科学系统工程与科学 思维科学思维科学 人体科学人体科学 科学技术体系科学技术体系 马克思主义哲学马克思主义哲学 系统工程系统工程 与科学与科学 第二章 系统的数学模型 2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 系统的微分方程系统的微分方程 2.3 2.3 拉普拉斯变换与拉普拉斯反变换拉普拉斯变换与拉普拉斯反变换 2.4 2.4 系统的传递函数系统的传递函数 2.5 2.5 系统的传递函数方框图及其简化系统的传递函数方框图及其简化 2.6 2.6 考虑扰动的反馈控制系统的传递函数考虑扰动的反馈控制系统的传递函数 本章教学大纲