机械工程控制基础机械工程控制基础课件

28十月20221机械工程控制基础-1机械工程控制基础(绪22十月20221机械工程控制基础-1机械工程控制基础(1

专业技术基础课(选修）课程性质:服务对象:大学机电类专业课程特点：内容丰富，技术更新快，紧密联系实际，应用非常广泛。

本课程是非电专业的机电技术专业基础课，应用广泛，学时少、内容多，不能轻视。否则，对以后的工作、学习将会造成影响。前导课程：复变函数、电路理论、机械制造技术基础后续课程：机电控制，机电控制系统设计专业技术基础课(选修）课程性质:服务对象:大学机电类专业课程2

主要教学环节习题独立完成作业，按时交作业。紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解题方法和技巧。课堂教学课外补充复习：复变函数Laplace变换自学：Matlab编程。主要教学环节习题独立完成作业，按时交作业。紧跟老师讲课思路，3主要教学内容基础知识分析方法基本概念控制系统结构体系控制系统数学模型工程控制技术时域分析频域分析系统稳定性判据工程应用系统性能指标系统校正主要教学内容基础知识分析方法基本概念工时域分析频域分析系统稳4课程成绩确定方法：

本课程将注重过程，采用过程评价体系。成绩主要由平时成绩、作业成绩和考试成绩三部分组成。每项说明如下：1.平时成绩：到课率、迟到早退情况、回答问题情况、上课情况等。2.作业成绩：4-6次作业，当堂交作业。3.随堂考试：闭卷，卷面考试成绩。最终成绩的给定大约按如下公式得到：平时成绩+作业成绩+考试成绩三者比重大约分别为：20%、20%、60%逃课、早退、未交作业累计五次，不允许参加考试课程成绩确定方法：逃课、早退、未交作业累计五次，不允许参加考5《工程控制基础》课程教材及参考书教材：《机械工程控制基础》（第五版），杨叔子、杨克冲等编著，华中科技大学出版社，20051.韩致信等编．《机械自动控制工程》．科学出版社2.梅晓榕主编．《自动控制原理》．科学出版社3.柳洪义编著．《机械控制工程》．科学出版社4.陈康宁等编．

《机械控制工程》．西安交通大学出版社5.陈丽兰等编．

《自动控制原理教程》．电子工业出版社参考书：《工程控制基础》课程教材及参考书教材：《机械工程控制基础》6希望和要求:教学形式:

课堂上，多媒体授课为主，板书为辅；学习模式：预习－>听课－>复习(作业等形式)意见要求及时反馈新生事物大家支持教师严谨治学学生积极配合师生共同创造佳绩建议希望踊跃发言希望和要求:教学形式:课堂上，多媒体授课为主，板书为辅；7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......控制技术的应用控制技术

应用举例(1)工业控制电机控制控制技术8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）

海洋探测机器人1990年日本海洋科技中心研制的“海沟号”9CR-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）CR-01型6000米水下无缆机器人1995年8月我国沈阳自10瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人

瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人11一个典型的运动控制系统一个典型的运动控制系统12船用火力发电综合控制系统

船用火力发电综合控制系统13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)家用电器冰箱、洗衣机控制技术

应用举例(2)14消费类产品U盘、MP3手机应用产品......控制技术

应用举例(3)32、64等合弦音MCU芯片消费类产品U盘、MP3控制技术

应用举例(3)32、15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…….智能楼宇的控制控制技术

应用举例(4)可视对讲、室内报16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电机控制器楼宇电梯的控制信供电机可编程序Programma17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)汽车电子汽车电子电源收音机、汽车电话、业余电台点火装置1821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?21世纪绿色环保汽车EV安全、舒适、可靠无废气排放高效率19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机电机电一体化EV充电系统电池管理系统汽车照明、电20基于CAN总线的汽车内部控制示意图基于CAN总线的汽车内部控制示意图21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口语汽车导航系统使用情景示意图汽车GPS定位，GIS导航，G22由行程开关控制的自动往返起动线路典型应用由行程开关控制的自动往返起动线路典型应用23一、引言1、控制系统简介自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制。后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制。目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等。所谓自动控制指的是在没有人直接参与的情况下，利用控制器自动调节和控制机器设备或生产过程的工作状态，使之保持不变或按预定的规律变化这样一种现象，叫做自动控制。一、引言1、控制系统简介自动控制成为一门科学是从1945发展24补充知识自动控制理论的发展

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。从1868年马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：补充知识自动控制理论的发展25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。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；26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。1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据。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。经典控制理论控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础27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，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。

应该指出的是，反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。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28现代控制理论

由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。现代控制理论由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的29大系统理论

20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。大20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度30智能控制

是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。

智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。

智能控制是近年来新发展起来的一种控制技术，是人312、控制的定义:

控制:对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。例.[钢铁轧制]:轧出厚度一致的高精度铁板存在温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。

自动控制:在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。2、控制的定义:控制:对对象施加某种操作，使其产生所32例.典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等。例.控制实例-液面控制人工控制自动控制例.典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制333、控制论:

定义：关于控制原理和控制方法的学科，研究事物变化和发展的一般规律。控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置控制论强调：1)所研究的对象是一个系统；2)系统在不断地运动（经历动态历程、包括内部状态和外部行为）；3)产生运动的条件是外因（外界的作用：输入、干扰）4)产生运动的根据是内因（系统的固有特性）3、控制论:定义：关于控制原理和控制方法的学科，研究34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共同的本质特点：通过信息的传递、处理与反馈进行控制。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35二、机械工程控制论的研究对象与任务

机械工程控制论研究机械工程中广义系统的动力学问题。1、系统(广义系统):按一定的规律联系在一起的元素的集合。二、机械工程控制论的研究对象与任务机械工程36系统框图如下:

系统的层次性和相对性：系统的组成元素也可以是一个系统（子系统），整个系统又可以是更上一层系统的组成元素。

广义系统：具备系统要素的一切事物或对象，如机器系统、生命系统、社会系统、生产系统、思维、学习等。

机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加工过程、测量、车间、部门、工厂、企业、企业集团等。系统框图如下:系统的层次性和相对性：系统的组成元素372、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2、动力学问题:系统在外界作用（输入或激励、包括外加38机械工程控制基础机械工程控制基础课件39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。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40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。

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41三、系统及其模型

1、系统的特性:（1）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；

（2）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；

（3）系统往往具有表现出在时域、频域或复域等域内的动态特性。

2、机械系统:实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。

三、系统及其模型1、系统的特性:（1）系统的性能不仅与系统423、系统模型:

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。

系统的模型包括实物模型、物理模型、和数学模型等等。而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。3、系统模型:模型是研究系统、认识系统与描述系统、分析43

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。例:可见书P6图1.2.2。四、反馈

1、定义:系统的输出不断地，直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统，其实质就是信息的传递与交互。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442、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。例：m-c-k系统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45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。3、系统方框图及其组成

系统方框图由许多对信号（量）进行单向传递的元件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。它包括三个基本的单元，即：

1)引出点（分支点）：表示信号的引出或信号的分支，箭头表示信号的传递方向，线上标记信号的名称。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46

比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号进行相加或相减运算。“+”表示信号相加；“-”表示信号相减。

元件方框：方框中写入元、部件的名称，进入箭头表示其输入信号；引出箭头表示其输出信号。比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号进行相加或47例：见书P23页1.4题解：当刀具以进给量s进行切削时，在切削过程中产生切削力Py，而使机床-工件系统发生变形退让，减少了刀具的实际进给a，此时a=s-y,进而影响到切削力的变化，如此循环，使得切削过程为一个动态过程，其过程如下图所示的方框图表示：切削过程机床-工件系统例：见书P23页1.4题解：当刀具以进给量s进行切削时，在切48例：见书P24页1.7-1题解：人骑自行车时，总是希望自行车具有一定的理想状态（如速度，方向等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，使得自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉车子的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈的过程如下图所示：运动系统感觉器官自行车例：见书P24页1.7-1题解：人骑自行车时，总是希望自行车49五、控制系统的工作原理及其组成加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱

温度计例：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五、控制系统的工作原理及其组成加热电阻丝~220V调压器人工50

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根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电人工控制过程的实质51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：加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压功率执行减速52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：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53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。给定电压控制减调恒温箱热电偶u1u2uuanvu温度t(54

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。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系综上所述，控制系统55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。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56六、系统的分类及对控制系统的基本要求1、开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：开环控制系统闭环控制系统半闭环控制系统六、系统的分类及对控制系统的基本要求1、开环控制与闭环控制实57

开环控制系统特点：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。开环控制系统特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端输入指58缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力控制器对象或过程输入量输出量开环控制系统框图闭环控制系统特点：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。

优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力控制器对象或过程输入量输出59缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。控制器对象或过程输入量输出量测量元件闭环控制系统框图反馈量

半闭环控制系统特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性控制器对象或过程输入602、闭环控制系统的组成给定元件+串联校正元件放大变换元件执行元件控制对象_+_并联校正元件局部反馈反馈元件主反馈控制部分比较元件比较元件输入信号

xi偏差信号

e主反馈信号

xb扰动信号输出

xo闭环控制系统的组成

给定元件产生给定信号或输入信号。2、闭环控制系统的组成给定+串联校正放大变换执行控制_+61

反馈元件

测量被控制量（输出量），产生反馈信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。注意：在机械、液压、气动、机电等系统中存在着内在反馈，这种反馈无须专门的反馈元件，是系统内部各参数相互作用产生的，如作用力与反作用力之间形成的直接反馈。

比较元件对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号；

放大元件对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。反馈元件注意：在机械、液压、气动、机电等系统中存在着内在反62

执行元件

直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、液压马达等；

校正元件

用以改善系统控制质量的装置。校正元件分为串联和并联两种。控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动，但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。执行元件校正元件校正元件分为串联和并联两种。控制系统中比633、输出变化规律分类

恒值控制系统系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。

程序控制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。

随动系统（伺服系统）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3、输出变化规律分类恒值控制系统如：恒温箱控制、电网电压、64各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。4、按系统中传递信号的性质分类

连续控制系统系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。

离散（数字）控制系统系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。如：仿形加655、线性系统和非线性系统线性系统由线性元件组成，输入输出间具有叠加性和均匀性性质，以线性微分方程来表述。

非线性系统系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。用非线性微分方程来表述。5、线性系统和非线性系统线性系统由线性元件组成，输入输出间666、其它分类系统定常系统和时变系统

机械、电气、机电、液压、气动、热力等控制系统

温度、压力、位置等控制系统6、其它分类系统定常系统和时变系统机械、电气、机电、液压67七、对控制系统的基本要求1、稳定性系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。七、对控制系统的基本要求1、稳定性系统动态过程的振荡倾向及682、精确性控制精度，以稳态误差来衡量。稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量之间的差值。

3、快速性输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。2、精确性控制精度，以稳态误差来衡量。稳态误差：系统的调整69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。

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：系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应70八、控制工程发展概况

一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文仪器时间刻度浮子铜壶滴漏

1788年：J.Watt发明蒸汽机调速器

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。

1884年：E.J.Routh提出劳斯稳定性判据。

1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普诺夫稳定性理论。八、控制工程发展概况一千多年前：铜壶滴漏计时时浮子铜壶滴漏711895年：A.Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。1945年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法1948年：N.Wiener发表《控制论》，标志经典控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入—单输出（SISO）系统的分析和控制问题；1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，进一步充实了经典控制论；1895年：A.Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。72

1954年：钱学森发表《工程控制论》；

50年代末60年代初：现代控制理论形成；现代控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研究多输入-多输出(MIMO)、时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空间方法。1954年：钱学森发表《工程控制论》；50年代末60年73

1956年：蓬特里亚金（Pontryagin）提出极大值原理

1957年：R.I.Bellman提出动态规划理论

1960年：R.E.Kalman提出卡尔曼滤波理论

1960～1980年：确定性系统的最优控制、随机系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制

1980迄今：鲁棒控制、H控制、非线性控制、智能控制等1956年：蓬特里亚金（Pontryagin）提出极大174九、本课程的任务及主要内容

本课程的任务

控制系统性能分析动态性能：过渡过程分析、稳定性分析等稳态性能：控制精度（稳态误差）

控制系统设计选择适当的控制器及控制规律以改善控制系统的性能使其满足控制要求。控制系统的性能分析和设计通常是交替进行的。九、本课程的任务及主要内容本课程的任务控制系统性能分析动75控制系统分析和设计一般包括：

建立控制对象的数学模型（线性化模型）

对象的性能分析、仿真

选择控制方案（开环/闭环；线性/非线性等）

选择性能指标，设计控制器

全系统性能分析、仿真

研制控制器，构建控制系统

试验验证控制系统分析和设计一般包括：建立控制对象的数学模型（线性化76

本课程主要内容介绍经典控制理论的基础知识，包括：控制系统数学模型的建立控制系统的时域分析控制系统的频域分析控制系统稳定性分析控制系统的设计和校正本课程主要内容介绍经典控制理论的基础知识，包括：控制系统77十、习题自动控制系统方框图的绘制步骤(重点掌握)：（1）分析控制系统的工作原理，找出被控对象。（2）分清系统的输入量、输出量。（3）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。（4）按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连接起来十、习题自动控制系统方框图的绘制步骤(重点掌握)：（1）分析78例1.1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，水箱内的水温需要控制，即水箱为被控对象。水的实际温度是被控制量，或称为系统的输出量，输入量为用户希望的温度（给定值），由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使水箱内水温下降成为该系统的主要干扰。例1.1设电热水器如下图所示。为了保持希望的温度，由温控开关79当To=Ti时，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，水箱中的水温保持在希望的温度上。当使用热水并注入冷水时，水温下降，此时To<Ti，则偏差不为零而使温控开关工作。于是电源接通，电加热器开始对水箱内的水进行加热，使水温上升，直到To=Ti时为止。系统控制方框图如下图所示：当To=Ti时，水箱的实际水温经测温元件检测，并将实当使用热80例1.2分析图示液位自动控制系统工作原理并绘制系统功能框图节流阀节流阀H(t)放大器+E+E.电动机减速器例1.2分析图示液位自动控制系统工作原理并绘节流阀节流阀H81解：1、电位器滑动触点位于中间位置，电动机停转，阀门保持原有开度，水箱中流入水量与流出水量相等，液面保持在希望的高度。2、若系统收到扰动使液面升高，则浮子相应升高，通过杠杆作用使电位器滑动触点下移，给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使输入流量减小，液位下降，直到电位器滑动触点回到中间位置，液面恢复给定高度；解：1、电位器滑动触点位于中间位置，电动机停转，阀门保持原823、若系统收到扰动使液面下降，则系统会自动加大阀门开度，使输入流量增加，液面恢复到给定高度。给定液位杠杆电位器放大器电动机减速器阀门水箱实际液位浮子3、若系统收到扰动使液面下降，则系统会自动加大阀门83例1.3分析大门自动控制系统工作原理并绘制系统功能框图放大器电动机门u2u1反馈开关绞盘例1.3分析大门自动控制系统工作原理并绘放大器电动机门u284解：当合上开门开关时，u1>u2，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（u1＝u2），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、关门位置电位器放大器电动机绞盘大门实际位置解：当合上开门开关时，u1>u2，电位器桥式测量电路产生85例1.4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放大器1放大器2厚度检测器减速器直线执行器uauu1u3u2vbda钢板例1.4分析图示钢板厚度控制系统工作原理并绘放大器1放大器86解：1、稳态给定电压u1比例于被轧钢板要求的厚度；厚度检测器输出u2比例于轧制后钢板的厚度，u2放大后得到u3并与u1比较得到偏差信号；2、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离；反之，加大轧棍间距离，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d处的厚度，因此系统存在测量延迟，延迟时间=d/v。给定厚度厚度检测器放大器1电动机减速器直线执行器轧辊钢板实际厚度延时器放大器2解：1、稳态给定电压u1比例于被轧钢板要求的厚度；厚度检测87例1.5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，并绘制其控制方框图。例1.5所示为函数记录仪的示意图，它通过记录笔记录缓变电压88解：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。记录笔的实际位移Lo为输出，与电压信号Ui对应的理想位移Li=Kui为输入。通过设定比例系数K，将输入信号Li与需要记录的电压ui对应起来。记录笔的实际位移Lo通过带动电位器R2的滑块，使桥式电路输出电压Ub进行测量，于是在放大器两端形成偏差电压信号ue=ui-ub，利用的大小和正负对记录笔的位置进行控制。当ui>ub时，偏差ue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，此时偏差ue逐渐减小，直至为0；解：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89

反之，当ui<ub时，偏差ue为负，记录笔及滑块负向移动，直至ue为0。这样，再配合匀速走纸机构，就能在纸上记录出电压信号的波形。其控制方框图如下图所示：反之，当ui<ub时，偏差ue为负，记录笔及滑块负向9028十月20221机械工程控制基础-1机械工程控制基础(绪22十月20221机械工程控制基础-1机械工程控制基础(91

专业技术基础课(选修）课程性质:服务对象:大学机电类专业课程特点：内容丰富，技术更新快，紧密联系实际，应用非常广泛。

本课程是非电专业的机电技术专业基础课，应用广泛，学时少、内容多，不能轻视。否则，对以后的工作、学习将会造成影响。前导课程：复变函数、电路理论、机械制造技术基础后续课程：机电控制，机电控制系统设计专业技术基础课(选修）课程性质:服务对象:大学机电类专业课程92

主要教学环节习题独立完成作业，按时交作业。紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解题方法和技巧。课堂教学课外补充复习：复变函数Laplace变换自学：Matlab编程。主要教学环节习题独立完成作业，按时交作业。紧跟老师讲课思路，93主要教学内容基础知识分析方法基本概念控制系统结构体系控制系统数学模型工程控制技术时域分析频域分析系统稳定性判据工程应用系统性能指标系统校正主要教学内容基础知识分析方法基本概念工时域分析频域分析系统稳94课程成绩确定方法：

本课程将注重过程，采用过程评价体系。成绩主要由平时成绩、作业成绩和考试成绩三部分组成。每项说明如下：1.平时成绩：到课率、迟到早退情况、回答问题情况、上课情况等。2.作业成绩：4-6次作业，当堂交作业。3.随堂考试：闭卷，卷面考试成绩。最终成绩的给定大约按如下公式得到：平时成绩+作业成绩+考试成绩三者比重大约分别为：20%、20%、60%逃课、早退、未交作业累计五次，不允许参加考试课程成绩确定方法：逃课、早退、未交作业累计五次，不允许参加考95《工程控制基础》课程教材及参考书教材：《机械工程控制基础》（第五版），杨叔子、杨克冲等编著，华中科技大学出版社，20051.韩致信等编．《机械自动控制工程》．科学出版社2.梅晓榕主编．《自动控制原理》．科学出版社3.柳洪义编著．《机械控制工程》．科学出版社4.陈康宁等编．

《机械控制工程》．西安交通大学出版社5.陈丽兰等编．

《自动控制原理教程》．电子工业出版社参考书：《工程控制基础》课程教材及参考书教材：《机械工程控制基础》96希望和要求:教学形式:

课堂上，多媒体授课为主，板书为辅；学习模式：预习－>听课－>复习(作业等形式)意见要求及时反馈新生事物大家支持教师严谨治学学生积极配合师生共同创造佳绩建议希望踊跃发言希望和要求:教学形式:课堂上，多媒体授课为主，板书为辅；97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......控制技术的应用控制技术

应用举例(1)工业控制电机控制控制技术98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）

海洋探测机器人1990年日本海洋科技中心研制的“海沟号”99CR-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）CR-01型6000米水下无缆机器人1995年8月我国沈阳自100瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人

瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人101一个典型的运动控制系统一个典型的运动控制系统102船用火力发电综合控制系统

船用火力发电综合控制系统103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)家用电器冰箱、洗衣机控制技术

应用举例(2)104消费类产品U盘、MP3手机应用产品......控制技术

应用举例(3)32、64等合弦音MCU芯片消费类产品U盘、MP3控制技术

应用举例(3)32、105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…….智能楼宇的控制控制技术

应用举例(4)可视对讲、室内报106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电机控制器楼宇电梯的控制信供电机可编程序Programma107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)汽车电子汽车电子电源收音机、汽车电话、业余电台点火装置10821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?21世纪绿色环保汽车EV安全、舒适、可靠无废气排放高效率109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机电机电一体化EV充电系统电池管理系统汽车照明、电110基于CAN总线的汽车内部控制示意图基于CAN总线的汽车内部控制示意图111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口语汽车导航系统使用情景示意图汽车GPS定位，GIS导航，G112由行程开关控制的自动往返起动线路典型应用由行程开关控制的自动往返起动线路典型应用113一、引言1、控制系统简介自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制。后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制。目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等。所谓自动控制指的是在没有人直接参与的情况下，利用控制器自动调节和控制机器设备或生产过程的工作状态，使之保持不变或按预定的规律变化这样一种现象，叫做自动控制。一、引言1、控制系统简介自动控制成为一门科学是从1945发展114补充知识自动控制理论的发展

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。从1868年马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：补充知识自动控制理论的发展115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。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；116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。1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据。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。经典控制理论控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础117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，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。

应该指出的是，反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。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118现代控制理论

由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。现代控制理论由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的119大系统理论

20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。大20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度120智能控制

是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。

智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。

智能控制是近年来新发展起来的一种控制技术，是人1212、控制的定义:

控制:对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。例.[钢铁轧制]:轧出厚度一致的高精度铁板存在温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。

自动控制:在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。2、控制的定义:控制:对对象施加某种操作，使其产生所122例.典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等。例.控制实例-液面控制人工控制自动控制例.典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制1233、控制论:

定义：关于控制原理和控制方法的学科，研究事物变化和发展的一般规律。控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置控制论强调：1)所研究的对象是一个系统；2)系统在不断地运动（经历动态历程、包括内部状态和外部行为）；3)产生运动的条件是外因（外界的作用：输入、干扰）4)产生运动的根据是内因（系统的固有特性）3、控制论:定义：关于控制原理和控制方法的学科，研究124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共同的本质特点：通过信息的传递、处理与反馈进行控制。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125二、机械工程控制论的研究对象与任务

机械工程控制论研究机械工程中广义系统的动力学问题。1、系统(广义系统):按一定的规律联系在一起的元素的集合。二、机械工程控制论的研究对象与任务机械工程126系统框图如下:

系统的层次性和相对性：系统的组成元素也可以是一个系统（子系统），整个系统又可以是更上一层系统的组成元素。

广义系统：具备系统要素的一切事物或对象，如机器系统、生命系统、社会系统、生产系统、思维、学习等。

机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加工过程、测量、车间、部门、工厂、企业、企业集团等。系统框图如下:系统的层次性和相对性：系统的组成元素1272、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2、动力学问题:系统在外界作用（输入或激励、包括外加128机械工程控制基础机械工程控制基础课件129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。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130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。

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131三、系统及其模型

1、系统的特性:（1）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；

（2）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；

（3）系统往往具有表现出在时域、频域或复域等域内的动态特性。

2、机械系统:实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。

三、系统及其模型1、系统的特性:（1）系统的性能不仅与系统1323、系统模型:

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。

系统的模型包括实物模型、物理模型、和数学模型等等。而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。3、系统模型:模型是研究系统、认识系统与描述系统、分析133

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。例:可见书P6图1.2.2。四、反馈

1、定义:系统的输出不断地，直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统，其实质就是信息的传递与交互。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1342、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。例：m-c-k系统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135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。3、系统方框图及其组成

系统方框图由许多对信号（量）进行单向传递的元件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。它包括三个基本的单元，即：

1)引出点（分支点）：表示信号的引出或信号的分支，箭头表示信号的传递方向，线上标记信号的名称。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136

比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号进行相加或相减运算。“+”表示信号相加；“-”表示信号相减。

元件方框：方框中写入元、部件的名称，进入箭头表示其输入信号；引出箭头表示其输出信号。比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号进行相加或137例：见书P23页1.4题解：当刀具以进给量s进行切削时，在切削过程中产生切削力Py，而使机床-工件系统发生变形退让，减少了刀具的实际进给a，此时a=s-y,进而影响到切削力的变化，如此循环，使得切削过程为一个动态过程，其过程如下图所示的方框图表示：切削过程机床-工件系统例：见书P23页1.4题解：当刀具以进给量s进行切削时，在切138例：见书P24页1.7-1题解：人骑自行车时，总是希望自行车具有一定的理想状态（如速度，方向等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，使得自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉车子的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈的过程如下图所示：运动系统感觉器官自行车例：见书P24页1.7-1题解：人骑自行车时，总是希望自行车139五、控制系统的工作原理及其组成加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱

温度计例：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五、控制系统的工作原理及其组成加热电阻丝~220V调压器人工140

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根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电人工控制过程的实质141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：加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压功率执行减速142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：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143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。给定电压控制减调恒温箱热电偶u1u2uuanvu温度t(144

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。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系综上所述，控制系统145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。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146六、系统的分类及对控制系统的基本要求1、开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：开环控制系统闭环控制系统半闭环控制系统六、系统的分类及对控制系统的基本要求1、开环控制与闭环控制实147

开环控制系统特点：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。开环控制系统特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端输入指148缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力控制器对象或过程输入量输出量开环控制