控制工程课件1绪论

1、控控 制制 工工 程程 基基 础础重庆科技学院重庆科技学院 机械与动力工程学院机械与动力工程学院杨叔子、杨克冲杨叔子、杨克冲.机械工程控制基础机械工程控制基础（第五版）（第五版）.武汉：华中科技大学出版社，武汉：华中科技大学出版社，2005年年7月。月。熊良才、杨克冲熊良才、杨克冲.机械工程控制基础学习辅导与题机械工程控制基础学习辅导与题解解.武汉：华中科技大学出版社，武汉：华中科技大学出版社，2002年年4月。月。朱骥北朱骥北.机械控制工程基础机械控制工程基础 (第第15版）版）.北京：机北京：机械工业出版社，械工业出版社，2005年。年。韩利竹、王华韩利竹、王华.MATLAB电子仿真与应用

2、电子仿真与应用（第（第一版）一版）.北京：国防工业出版社，北京：国防工业出版社，2001年。年。 参参 考考 教教 材材授课方法与考核方式授课方法与考核方式采用国家级精品课程资源采用国家级精品课程资源华中科技大学华中科技大学机械机械控制工程基础控制工程基础多媒体课件与老师补充课件相结合方多媒体课件与老师补充课件相结合方式进行理论教学。式进行理论教学。实验课程教学共有实验课程教学共有2次，利用次，利用MATLAB软件来完成。软件来完成。平时作业平时作业5次，占总评成绩次，占总评成绩20；实验；实验2次，占总评次，占总评成绩成绩10；期末考试占总评成绩；期末考试占总评成绩70。课程简要内容及学习的

3、意义课程简要内容及学习的意义控制理论控制理论经典控制理论和现代控制理论经典控制理论和现代控制理论 “机械工程控制基础机械工程控制基础”是控制论是控制论(Cybernetics)(Cybernetics)与机械工程技术理论之间的边缘学科，侧重介绍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原理，同时密切结合工程实际，机械工程的控制原理，同时密切结合工程实际，是一门技术基础课程。是一门技术基础课程。机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势是越机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势是越来越广泛而深入地引入了控制理论。来越广泛而深入地引入了控制理论。控制理论是一门非常重要的学科，而且也是科学

4、控制理论是一门非常重要的学科，而且也是科学方法论之一，控制工程理论强调用系统的、反馈方法论之一，控制工程理论强调用系统的、反馈的、控制的方法来分析研究工程实际问题的、控制的方法来分析研究工程实际问题。 学习目的和学习方法学习目的和学习方法学会运用控制理论的基本原理和思想方法，初步学会学会运用控制理论的基本原理和思想方法，初步学会分析和研究机、电、液系统中信号的传递、反馈与控分析和研究机、电、液系统中信号的传递、反馈与控制，以及机、电、液系统的动态特性，并结合后续专制，以及机、电、液系统的动态特性，并结合后续专业课的学习，为将来在机械工程中解决一些实际问题业课的学习，为将来在机械工程中解决一些实

5、际问题打下一定的基础。打下一定的基础。需要大家具备良好的数学、力学、电学方面的基础知需要大家具备良好的数学、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。需要大识，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，认真对待实验。家认真对待每次的课后练习环节，认真对待实验。 主要内容主要内容绪论绪论系统的数学模型系统的数学模型系统的时间响应分析系统的时间响应分析系统的频率特性分析系统的频率特性分析系统的稳定性系统的稳定性第一章第一章 绪论绪论一、控制论概述一、控制论概述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控制论是关于控制原理与

6、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。 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(Norbert Wiener)(Norbert Wiener)诺伯特诺伯特维纳，他于维纳，他于19481948年发表年发表了了“控制论控制论”。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 绪论绪论二、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机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广机械工程

7、控制论实质上是研究机械工程技术中广义系统的动力学问题。义系统的动力学问题。1. 系统与广义系统系统与广义系统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。输入系 统输出广义系统广义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 绪论绪论系统有控制系统与非控制系统两大类系统有控制系统与非控制系统两大类非控制系统：那些仅仅具有开、关两种状态的系统。非控制系统：那些仅仅具有开、关两种状态的系统。如，搅拌机；如，搅拌机； 教室里的照明系统。教室里的照明系统。控制系统：就是指系统的可变输出，能按照要求由控制系统：就是指系统的可变输出，能按照要求由参考输入

8、或控制输入进行调节的系统。参考输入或控制输入进行调节的系统。如，数控机床进给系统；如，数控机床进给系统； 空调；空调；1 绪论绪论全自动照相机的闪光系统；全自动照相机的闪光系统；液面自动调节器。液面自动调节器。自动控制系统自动控制系统人工控制系统人工控制系统2. 动力学问题动力学问题系统在外界作用（输入或激励，包括外加控制与系统在外界作用（输入或激励，包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由系外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由系统内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）统内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。所决定的动态历程（输出或响应

9、）。这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即为系统的动力学问题。态关系即为系统的动力学问题。 机械工程技术中广义系统及其输入、输出三者之机械工程技术中广义系统及其输入、输出三者之间的动态关系。间的动态关系。 例例1-1：弹簧质量阻尼单自由度系统：弹簧质量阻尼单自由度系统（华中课件）（华中课件）1 绪论绪论三、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 从系统、输入、输出三者之间的动态关系出发，根据已知从系统、输入、输出三者之间的动态关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械工程控制论的研究任务可以分条件与求解问题的不同，机械工程控

10、制论的研究任务可以分为以下五种：为以下五种：(1)(1)系统分析问题：系统分析问题：已知系统和输入，求系统的响应（或输出），已知系统和输入，求系统的响应（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；(2) (2) 最优控制问题：最优控制问题：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；(3) (3) 最优设计问题：最优设计问题：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；(4) (4) 滤波与预测问题：滤波与预测问题：输出已知，确定系统，以识别输入或输输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息；入中的有关信息；

11、(5) (5) 系统辨识问题：系统辨识问题：已知系统的输入与输出，求系统的结构与已知系统的输入与输出，求系统的结构与参数，即建立系统的数学模型。参数，即建立系统的数学模型。1 绪论绪论1.2 系统及其模型系统及其模型一、系统一、系统 系统具有如下系统具有如下特性特性：系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统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；的结构有关；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；系统往往具有表现出在时间域、频率域或空间域等系统往往具有表现出在时间域、频率域或空间域等域内的动态特性。域内的动态特性。1 绪论

12、绪论二、机械系统二、机械系统 机械系统机械系统以实现一定的机械运动，承受一定的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。机械载荷为目的，由机械元件组成的系统。 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） 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；激励激励 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）1 绪论绪论三、系统的模型三、系统的模型定义定义是研究系统、认识系统、描

13、述系统与分析系统的一种是研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种 工具。工具。种类种类实物模型、物理模型和数学模型等。实物模型、物理模型和数学模型等。数学模型数学模型定量地描述系统的动态性能，揭示系统的结构、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。参数与动态性能之间关系的数学表达式。 静态模型：反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下静态模型：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；或在系统平衡状态下的特性；数学模型数学模型 动态模型：用于研究系统在迅变载荷作用下或在系动态模型：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。

14、统不平衡状态下的特性。 在一定条件下，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。1 绪论绪论静态模型静态模型代数公式描述；代数公式描述；动态模型动态模型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制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，题，所以往往需要采用动态数学模型，即需要建立即需要建立微分方程或差分方程来描述系统的动态特性。微分方程或差分方程来描述系统的动态特性。 1 绪论绪论1.3 反馈

15、反馈一、反馈的定义一、反馈的定义系统的输出不断直接或经过中间变换后全部或部分地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。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所以有动态关系，就是由于系统本身存在着信息的反馈。馈。二、反馈的种类二、反馈的种类 1. 内反馈与外反馈内反馈与外反馈（华中课件）（华中课件）例例1-2：发动机离心调速系统：发动机离心调速系统例例1-3：质量弹簧阻尼系统：质量弹簧阻尼系统1 绪论绪论

16、在这两个例子，反馈在本质上都是信息的传递与交在这两个例子，反馈在本质上都是信息的传递与交互。但从具体形式上看，则有所不同。互。但从具体形式上看，则有所不同。u对于发动机离心调速系统来说，离心调速器是人对于发动机离心调速系统来说，离心调速器是人为附加的反馈控制装置，其目的在于抵抗由于负载为附加的反馈控制装置，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。这种反馈变化这一干扰引起的输出轴转速的变化。这种反馈称为外反馈。称为外反馈。u而质量弹簧阻尼系统中存在的反馈则为内反而质量弹簧阻尼系统中存在的反馈则为内反馈。这种反馈是系统内部的信息交互，反映了系统馈。这种反馈是系统内部的信息交互，反

17、映了系统内部各元素之间互为因果的联系关系，反映了系统内部各元素之间互为因果的联系关系，反映了系统的动态特性。的动态特性。1 绪论绪论内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反内反馈：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，是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因。成机械系统存在一定的动态特性的根本原因。外反馈：在控制系统中，为达到某种控制目的而人外反馈：在控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈。为加入的反馈。2. 负反馈与正反馈负反馈与正反馈负反馈：输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离负反馈：输出偏

18、离设定值时，反馈作用使输出偏离程度减小，并力图达到设定值。（求偏与纠偏）程度减小，并力图达到设定值。（求偏与纠偏）正反馈：输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离正反馈：输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离程度加剧。程度加剧。1 绪论绪论三、反馈控制系统及其组成三、反馈控制系统及其组成 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，往往有着系统。在这种系统中，往往有着“反馈控制反馈控制”。这。这里所说的反馈是指外反馈与负反馈的过程。里所说的反馈是指外反馈与负反馈的过程。 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

19、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。利用此原理组成的利用此原理组成的系统称为系统称为反馈控制系统反馈控制系统。 反馈控制是实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。1 绪论绪论 2. 反馈控制和自动控制的关系反馈控制和自动控制的关系 自动控制系统一定具有反馈控制自动控制系统一定具有反馈控制; 而具有反馈控制的系统不一定是自动控制系统，它而具有反馈控制的系统不一定是自动控制系统，它可以是人工控制系统。可以是人工控制系统。 3. 反

20、馈控制系统的组成反馈控制系统的组成（华中课件）（华中课件）1 绪论绪论闭环系统与开环系统的比较闭环系统与开环系统的比较闭环系统闭环系统抗干扰能力强，有自动纠偏的能力；抗干扰能力强，有自动纠偏的能力；较开环系统的精度高；设计时要着重考虑稳定性问题，较开环系统的精度高；设计时要着重考虑稳定性问题，结构相对复杂，设计与制造较困难。主要用于精度要结构相对复杂，设计与制造较困难。主要用于精度要求高的系统中。精度和稳定性之间的矛盾是闭环系统求高的系统中。精度和稳定性之间的矛盾是闭环系统存在的主要矛盾。存在的主要矛盾。开环系统开环系统无抗干扰能力，不能自动纠偏；精度无抗干扰能力，不能自动纠偏；精度较低；结构

21、较简单，容易实现。主要用于精度要求不较低；结构较简单，容易实现。主要用于精度要求不太高的场合。太高的场合。1.4 控制系统的分类控制系统的分类（华中课件）（华中课件）1 绪论绪论 稳、快、准稳、快、准（华中课件）（华中课件） 稳定性的要求是控制系统正常工作的首要条件，稳定性的要求是控制系统正常工作的首要条件，而且是最重要的条件。任何一个控制系统，要想完而且是最重要的条件。任何一个控制系统，要想完成令人满意的工作，首先应该是稳定的，也就是说成令人满意的工作，首先应该是稳定的，也就是说应该具有这样的性质：输出量对给定输入量的偏离应该具有这样的性质：输出量对给定输入量的偏离应该随着时间的增长逐渐趋近

22、于恒定值。可以说，应该随着时间的增长逐渐趋近于恒定值。可以说，稳定的系统才是有意义的系统。稳定的系统才是有意义的系统。1.5 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求1 绪论绪论tyytyt如果用输出响应曲线来表示，系统自由响应曲线如果用输出响应曲线来表示，系统自由响应曲线收敛的系统为稳定的系统，反之，自由响应呈等收敛的系统为稳定的系统，反之，自由响应呈等幅振荡或发散的系统则是非稳定系统。幅振荡或发散的系统则是非稳定系统。1 绪论绪论1.6 控制理论发展的简单回顾控制理论发展的简单回顾 我国很早就发明了自动定向指南车及各种天文仪器等自动装置；我国很早就发明了自动定向指南车及各种天文仪器等自动装置； 1. 1788年，瓦特（年，瓦特（JWatt）发明了蒸气机自动调速器；）发明了蒸气机自动调速器； 2. 1868年，麦克斯韦尔（年，麦克斯韦尔（JCMaxwell）在）在“论调速器论调速器”一文中，一文中， 首先提出了反馈控制的概念；首先提出了反馈控制的概念； 3. 1895年，劳斯年，劳斯(Routh)和胡尔维茨和胡尔维茨(Hurwitz)导出了著名的稳导出了著名的稳 定性判据，用代数方法定量的描述系统的稳定性；定性判据，用代数方法定量的描述系统的稳定性； 4. 1932年，奈奎斯特年