英才学院机械工程控制基础课件01绪论

第一章绪论第一章绪论1.1机械工程控制论的研究对象与任务1.2系统及其数学模型1.3反馈1.4系统的分类及对控制系统的基本要求1.5机械制造的发展与控制理论的应用1.6控制理论发展的简单回顾1.7本课程的特点与学习方法第一章绪论控制对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。控制的例子：走路、驾驶、火炮打飞机1943年，维纳《行为，目的和目的论》的发表是控制论萌芽的实物标志1948年，维纳所著《控制论》的出版，标志着这门学科的正式诞生控制论第一章绪论控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。控制论经济学社会学生物学工程技术经济控制论社会控制论生物控制论工程控制论机械工程机械工程控制论1.1机械工程控制论的研究对象与任务工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题。具体地说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件（即输入或激励，包括外加控制与外加干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由内部的固有特性（即由系统的结构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程；研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。1.1机械工程控制论的研究对象与任务工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题。系统(广义系统):按一定的规律联系在一起的元素的集合。1.1机械工程控制论的研究对象与任务工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题。系统(广义系统):系统框图如下:广义系统:具备系统要素的一切事物或对象。1.1机械工程控制论的研究对象与任务工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题。广义系统:供需关系和物价研究某台机床在切削加工过程中的动力学问题时，切削加工过程本身是一广义系统；当研究此台机床所加工的某些质量指标时，这一工件本身可作为一广义系统；当研究此台机床的操作者在加工过程中的作用时，操作者本身或操作者的思维等则可作为一广义系统。1.1机械工程控制论的研究对象与任务工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题。动力学问题：系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（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）。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。例.弹簧－质量－阻尼单自由度系统。分析：这是同一个系统，不同的外界作用1.1机械工程控制论的研究对象与任务上式中y(t)为微分方程的解，显然它是由系统的初始条件，系统的固有特性，系统的输入及系统与输入之间的关系决定。对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：1)系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)，三者之间表现为何种关系。2)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。3)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。基本的动力学问题。注意：系统的初始状态也可视为一种特殊的输入，即初始输入或初始激励。当初态不为0时，即使无输入，系统的状态也不断改变，这就是自由运动。工程控制论的内容可归纳为如下5个方面：（1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；

（2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；

（3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题；

（4）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题；

（5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。

1.2系统及其模型1.系统:我们所研究的“系统”就是由相互联系、相互作用的若干部分构成，而且有一定的目的或一定的运动规律的一个整体。其实，在自然界、社会界、工程界中，存在着各式各样的系统，任何一个系统莫不处于同外界（即同其他系统）相互联系之中。学会以“系统”的观点认识、分析、处理客观对象，是科学技术发展的需要，也是人类在认识论与方法论上的一大进步。一个系统的特性并不能看成是组成他的元件或子系统的特性的简单总和。注意1.2系统及其模型1.系统:孤立地考察这两个元件，特性十分简单：质量块的加速度与受到的力成正比，即牛顿第二定律；则与受到的力成正比，即虎克定律。假定弹簧是线性的，弹簧的变形可是两者构成系统后，系统的动力学方程为：

这一动力学方程表现出来的性质却比两个元件各自的性质复杂得多。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，称为机械系统。机械系统的输入输出，往往分别称为“激励”与“响应”。机械系统的“激励”一般是外界对系统的作用，如作用在系统上的力，即载荷等。而“响应”则一般是系统的变形或位移等。一个系统的激励，如果是人为地，有意识地加上去的，往往又称为“控制”，而如果是偶然因素产生而一般无法完全人为控制的，则称为“扰动”。1.2系统及其模型2.机械系统:3.静态模型与动态模型:模型是研究系统、认识系统与描述系统、分析系统的一种工具。在我们这里模型是指一种用数学方法所描述的抽象的理论模型，用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与其外部环境之间的关系，故又称为数学模型。

数学模型又包括静态模型和动态模型。动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或控制工程中，一般关心的是系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。静态模型反映系统在恒定载荷或缓变作用下或在系统平衡状态下的特性，现时输出仅由其现时输入所决定，一般以代数公式描述。1.2系统及其模型

动态模型反映系统在迅变载荷或在系统不平衡状态下的特性，现时输出还由受其以前输入的历史的影响，一般以微分方程或差分方程描述。3.静态模型与动态模型:1.2系统及其模型系统的输出，部分或全部地被反过来用于控制系统的输入，称为系统的反馈。1.3反馈

1、定义: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，就是由于系统本身有着信息的反馈。例5：解：如果负载变化，使ω增加->离心机构滑套上移->液压滑阀上移，动力活塞下移，油门关小，ω减小->直到滑阀回复中位，ω回复到设定值。通过检测系统的实际输出值，并与设定值进行比较，反过来又作用于系统，形成反馈，进而调节系统的输出，本例中的反馈表现为ω变化所引起的信息传递与交互。2、内反馈与外反馈外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈，称为外反馈。

内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。它是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变得异常复杂。1.3反馈

显然这是一个内反馈，因为没有附加反馈控制装置。内反馈是系统内部的信息交互，反映了系统的动态特性。例：m-c-k系统加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱

温度计例7：人工控制恒温箱调节过程：观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向1、控制系统工作原理反馈的例子根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度期望温度人工控制恒温箱系统功能框图温度计加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1++u恒温箱自动控制系统例恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2

恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度

u2比较得到温度偏差信号u＝u1

u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差u＝0，电机停止转动。系统功能框图如下所示：给定信号电压功率放大器控制电机减速器调压器恒温箱(控制对象)热电偶u1u2uuanvu温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统功能框图从恒温箱控制系统功能框图可见：给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。综上所述，控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比

较得出偏差；

用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得

输出量维持期望的输出。由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。1.4系统的分类及对控制系统的基本要求1.按有无反馈来分一、系统的分类

开环控制系统

闭环控制系统特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。输入装置指令系统输入控制装置伺服驱动装置工作台工作台位置系统输出数控机床的开环控制系统框图

开环控制系统优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。

闭环控制系统优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。

程序控制系统如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。

自动调节系统（定值跟踪系统）随动系统（伺服系统）1.4系统的分类及对控制系统的基本要求1.按输入量的变化规律和输出量的变化特性来分一、系统的分类过程控制系统（生产过程自动控制系统）

自动调节系统（定值跟踪系统）系统输入为常量，在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保持为常量的系统。

此系统是闭环系统。

是以机械量（位移、速度、加速度）为输出量的反馈控制系统。输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。例：炮瞄雷达系统就是随动系统。飞机的位置是输入，高射炮的指向是输出，高射炮的指向随飞机位置的变动而变动。此系统为闭环系统随动系统（伺服系统）输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。全自动洗衣机和计算机的打印机也属于程序控制系统。程序控制系统和随动系统的输入量均为时间的函数，不同之处是前者的输入是已知的，后者的输入则是未知的。

可以是开环也可以是闭环系统程序控制系统过程控制系统是以表征生产过程的参数如温度、压力、流量、液位、成分、浓度或PH值等为被测量的反馈控制系统。通过对过程参数的反馈控制，可使之接近给定值或保持在给定范围内，从而使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。过程控制在石油、化工、电力、冶金、轻工、建材等部门有广泛应用。过程控制系统（生产过程自动控制系统）经典控制理论中，描述控制系统运动过程的最基本的数学模型是一个或一组微分方程和代数方程。3.线性和非线性系统线性系统若系统的数学模型的表达式是线性的，则这种系统就是线性系统。线性系统最重要的特性就是可以运用叠加原理。所谓叠加原理是，系统在几个外加作用下所产生的响应，等于各个外加作用单独作用的响应之和。线性定常系统

用线性常微分方程描述的系统。如：b)线性时变系统

描述系统的线性微分方程的系数为时间的函数，如：

如火箭的发射过程，由于燃料的消耗，火箭的质量随时间变化，重力也随时间变化。式中：a、b、c、d均为常数3.线性和非线性系统线性系统非线性系统用非线性方程描述的系统称为非线性系统。如：

非线性系统的重要特性，是不能运用叠加原理。系统中包含非线性因素，给系统的分析和研究带来了复杂性。3.线性和非线性系统线性化忽略非线性因素用非线性系统的分析方法来处理对非线性问题的处理办法：单变量系统是只有一个输入量和一个输出量的系统，又称单输入单输出系统。在自动控制系统中，许多简单的或基本的控制系统往往都是单变量系统。多变量控制系统是具有多个输入量或输出量的控制系统，又称多输入多输出系统。同单变量系统相比，多变量系统的控制复杂得多。在多变量控制系统中，被控对象、测量元件、控制器和执行元件都可能具有一个以上的输入变量或一个以上的输出变量。4.单变量和多变量系统闭环控制系统的组成给定环节：给出输入信号的环节，用于确定被控对象的目标值。测量环节：用于测量被控量，并将被控量转换为便于传送的另一个物理量。比较环节：输入量和反馈量进行比较得到一个小功率的偏差信号。放大及运算环节：对偏差信号进行功率放大，以便推动执行环节。常用的放大类型有电流放大、电气-液压放大等。

闭环控制系统的组成执行环节：接收放大环节送来的控制信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。

执行环节一般是一个有源的功率放大装置，工作中要进行能量转换。例如，把电能通过直流电机转换成机械能，驱动被控对象做机械运动。给定环节、测量环节、比较环节、校正放大环节和执行环节一起，组成了这一控制系统的控制部分，目的是对被控对象实现控制。1.4系统的分类及对控制系统的基本要求二、对控制系统的基本要求系统的稳定性响应的快速型响应的准确性

系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。注意：

不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重。1.5机械制造的发展与控制理论的应用工业控制国防应用家用电器消费类产品控制无处不在控制技术应用

第一颗人造卫星（苏联，1957年）

第一颗载人飞船（苏联，1961年）

人类首次登上月球（美国，1969年）

首架航天飞机（美国，1981年）

首次冲出太阳系（美国，1989年）

仿人机器人（日本，2001年）

神州五号载人航天成功（中国，2003年）

勇气号、机遇号火星探测器（美国，2004年）控制技术

应用举例(1)工业控制电机控制机床控制生产过程自动化控制机器人控制......控制技术的应用海洋探测机器人1990年日本海洋科技中心研制的“海沟号”缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）

CR-01型6000米水下无缆机器人1995年8月我国沈阳自动化所机器人中心研制的CR-01型6000米水下无缆机器人（上）和正在下水的情况（右）瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人

一个典型的运动控制系统船用火力发电综合控制系统

家用电器冰箱、洗衣机家庭影院微波炉......控制技术

应用举例(2)消费类产品WalkManU盘、MP3手机应用产品......控制技术

应用举例(3)32、64等合弦音MCU芯片智能楼宇的控制控制技术

应用举例(4)可视对讲、室内报警、远程家电控制…….楼宇电梯的控制信号检测供电系统电机(执行机构)可编程序控制器ProgrammableLogicController电机控制器汽车电子汽车电子电源发动机控制行驶装置报警与安全装置旅居性仪表娱乐通讯收音机、汽车电话、业余电台点火装置、燃油喷射控制、发动机电子控制车速控制、间歇刮水、除雾装置、车门紧锁….安全带、车灯未关报警、速度报警、安全气囊….空调控制、动力窗控制里程表、数字式速度表、出租车用仪表….控制技术

应用举例(5)21世纪

绿色

环保汽车EV安全、舒适、可靠无废气排放(零排放)高效率EV?机电机电一体化EV充电系统电池管理系统汽车照明、电动转向、空调、音响、雨刷、安全报警、电动门窗…….电子机械驱动控制系统电机驱动系统控制控制口语汽车导航系统使用情景示意图汽车GPS定位，GIS导航，GSM通信单片机控制器应用自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：智能控制发展阶段。1.6控制理论发展的简单回顾经典控制理论控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。瓦特1769年瓦特（JamesWatt）的蒸汽机及他的离心式飞锤调速器建立了蒸汽机转速自动控制系统，出现了反馈的概念，“调节器”或“飞球调节器”用于调节蒸汽流，以便确保引擎工作时速度大致均匀，这是当时反馈调节器最成功的应用，它的出现标志着英国工业革命的开始，但也发现了闭环系统可能出现振荡的现象．瓦特是一位实干家，他没有对调节器进行理论分析．瓦特的蒸汽机离心调速器工作原理工作原理：进入蒸汽缸中的蒸汽量，可根据蒸汽机的希望转速与实际转速的差值自动地进行调整。它的工作原理是：根据希望的转速，设置输入量(控制量)。如果实际转速降低到希望的转速值以下，则调速器的离心力下降，从而使控制阀上升，进入蒸汽机的蒸汽量增加，于是蒸汽机转速随之增加，直至上升到希望的转速值时为止。反之，若蒸汽机的转速增加到超过希望的转速值，调速器的离心力便会增加，造成控制阀向下移动。这样就减少了进入蒸汽机的蒸汽量，蒸汽机的转速也就随之下降，直到下降至希望的转速时为止。离心调速器工作原理1868年：J.C.Maxwell发表《调速器》，提出反馈控制的概念及稳定性条件。1895年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。 二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论1948年，伊万斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。经典控制理论的基本特征（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；（2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系