机械工程控制基础绪论

机械工程控制基础

主讲人:钟金豹zhongjinbao122@126.com内蒙古科技大学机械工程学院

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

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《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：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）瑞典博福福斯公司司研制的的“双鹰”水下扫雷雷机器人人一个典型型的运动动控制系系统船用火力力发电综综合控制制系统家用电电器器冰箱、洗洗衣机家庭影院院微波炉......控制技术术应应用举例例(2)消费类产产品U盘、MP3手机应用用产品......控制技术术应应用举例例(3)32、64等合弦音MCU芯片智能楼宇宇的控制制控制技术术应应用举例例(4)可视对讲讲、室内内报警、、远程家家电控制制…….楼宇电电梯梯的控控制制信号检测供电系统电机(执行机构构)可编程序序控制器ProgrammableLogicController电机控制制器汽车电子子汽车电电子子电源发动机控控制行驶装置置报警与安安全装置置旅居性仪表娱乐通讯讯收音机、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….控制技术术应应用举例例(5)21世纪绿色环保汽车车EV安全、舒舒适、可可靠无废气排排放(零排放放)高效率EV?机电机电一体体化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…….电子子机械驱动控制系统电机驱动系统控制控制基于CAN总线的汽汽车内部部控制示示意图口语汽车车导航系系统使用用情景示示意图汽车GPS定位，GIS导航，GSM通信单片机控制器应用由行程开开关控制制的自动动往返起起动线路路典型应用用一、引言言1、控制系系统简介介自动控制制成为一一门科学学是从1945发展起来来的。开始多用用于工业业：压力力、温度度、流量量、位移移、湿度度、粘度度自动控控制。后来进入入军事领领域：飞飞机自动动驾驶、、火炮自自动跟踪踪、导弹弹、卫星星、宇宙宙飞船自自动控制制。目前渗透透到更多多领域：：大系统统、交通通管理、、图书管管理等。。所谓自动动控制指指的是在在没有人人直接参参与的情情况下，，利用控控制器自自动调节节和控制制机器设设备或生生产过程程的工作作状态，，使之保保持不变变或按预预定的规规律变化化这样一一种现象象，叫做做自动控控制。补充知识识自动控制制理论的的发展自动控制制理论是是研究自自动控制制共同规规律的技技术科学学。既是是一门古古老的、、已臻成成熟的学学科，又又是一门门正在发发展的、、具有强强大生命命力的新新兴学科科。从1868年马克斯斯威尔（（J.C.Maxwell）提出低低阶系统统稳定性性判据至至今一百百多年里里，自动动控制理理论的发发展可分分为四个个主要阶阶段：第一阶段段：经典控制制理论（（或古典典控制理理论）的的产生、、发展和和成熟；；第二阶段段：现代控制制理论的的兴起和和发展；；第三阶段段：大系统控控制兴起起和发展展阶段；；第四阶段段：智能控控制发展展阶段。。经典控制制理论控制理论论的发展展初期，，是以反反馈理论论为基础础的自动动调节原原理，主主要用于于工业控控制。第第二次世世界大战战期间，，为了设设计和制制造飞机机及船用用自动驾驾驶仪、、火炮定定位系统统、雷达达跟踪系系统等基基于反馈馈原理的的军用装装备，进进一步促促进和完完善了自自动控制制理论的的发展。。1868年，马克克斯威尔尔（J.C.Maxwell）提出了了低阶系系统的稳稳定性代代数判据据。1895年，数学学家劳斯斯（Routh）和赫尔尔威茨（（Hurwitz）分别别独立立地提提出了了高阶阶系统统的稳稳定性性判据据，即即Routh和Hurwitz判据。。二战期期间（（1938-1945年）奈奈奎斯斯特（（H.Nyquist）提出出了频频率响响应理理论；；1948年，伊伊万斯斯（W.R.Evans）提出出了根根轨迹迹法。。至此，，控制制理论论发展展的第第一阶阶段基基本完完成，，形成成了以以频率率法和和根轨轨迹法法为主主要方方法的的经典典控制制理论论。经典控控制理理论的的基本本特征征（1）主要要用于于线性性定常常系统统的研研究，，即用用于常常系数数线性性微分分方程程描述述的系系统的的分析析与综综合；；（2）只用用于单单输入入，单单输出出的反反馈控控制系系统；；（3）只讨讨论系系统输输入与与输出出之间间的关关系，，而忽忽视系系统的的内部部状态态，是是一种种对系系统的的外部部描述述方法法。应该指指出的的是，，反馈馈控制制是一一种最最基本本最重重要的的控制制方式式，引引入反反馈信信号后后，系系统对对来自自内部部和外外部干干扰的的响应应变得得十分分迟钝钝，从从而提提高了了系统统的抗抗干扰扰能力力和控控制精精度。。与此此同时时，反反馈作作用又又带来来了系系统稳稳定性性问题题，正正是这这个曾曾一度度困扰扰人们们的系系统稳稳定性性问题题激发发了人人们对对反馈馈控制制系统统进行行深入入研究究的热热情，，推动动了自自动控控制理理论的的发展展与完完善。。因此此从某某种意意义上上讲，，古典典控制制理论论是伴伴随着着反馈馈控制制技术术的产产生和和发展展而逐逐渐完完善和和成熟熟起来来的。。现代控控制理理论由于经经典控控制理理论只只适用用于单单输入入、单单输出出的线线性定定常系系统，，只注注重系系统的的外部部描述述而忽忽视系系统的的内部部状态态。因因而在在实际际应用用中有有很大大局限限性。。随着航航天事事业和和计算算机的的发展展，20世纪60年代初初，在在经典典控制制理论论的基基础上上，以以线性性代数数理论论和状状态空空间分分析法法为基基础的的现代代控制制理论论迅速速发展展起来来。1954年贝尔尔曼（（R.Belman)提出动动态规规划理理论1956年庞特特里雅雅金（（L.S.Pontryagin）提出出极大大值原原理1960年卡尔尔曼（（R.K.Kalman)提出多多变量量最优优控制制和最最优滤滤波理理论在数学学工具具、理理论基基础和和研究究方法法上不不仅能能提供供系统统的外外部信信息（（输出出量和和输入入量）），而而且还还能提提供系系统内内部状状态变变量的的信息息。它它无论论对线线性系系统或或非线线性系系统，，定常常系统统或时时变系系统，，单变变量系系统或或多变变量系系统，，都是是一种种有效效的分分析方方法。。大系统理论20世纪70年代开开始，，现代代控制制理论论继续续向深深度和和广度度发展展，出出现了了一些些新的的控制制方法法和理理论。。如（（1）现代代频域域方法法以以传递递函数数矩阵阵为数数学模模型，，研究究线性性定常常多变变量系系统；；（2）自适适应控控制理理论和和方法法以以系统统辨识识和参参数估估计为为基础础，在在实时时辨识识基础础上在在线确确定最最优控控制规规律；；（3）鲁棒棒控制制方法法在在保证证系统统稳定定性和和其它它性能能基础础上，，设计计不变变的鲁鲁棒控控制器器，以以处理理数学学模型型的不不确定定性。。随着控控制理理论应应用范范围的的扩大大，从从个别别小系系统的的控制制，发发展到到若干干个相相互关关联的的子系系统组组成的的大系系统进进行整整体控控制，，从传传统的的工程程控制制领域域推广广到包包括经经济管管理、、生物物工程程、能能源、、运输输、环环境等等大型型系统统以及及社会会科学学领域域。大系统统理论论是过过程控控制与与信息息处理理相结结合的的系统统工程程理论论，具具有规规模庞庞大、、结构构复杂杂、功功能综综合、、目标标多样样、因因素众众多等等特点点。它它是一一个多多输入入、多多输出出、多多干扰扰、多多变量量的系系统。。大系系统理理论目目前仍仍处于于发展展和开开创性性阶段段。智能控控制是近年年来新新发展展起来来的一一种控控制技技术，，是人人工智智能在在控制制上的的应用用。智智能控控制的的概念念和原原理主主要是是针对对被控控对象象、环环境、、控制制目标标或任任务的的复杂杂性提提出来来的，，它的的指导导思想想是依依据人人的思思维方方式和和处理理问题题的技技巧，，解决决那些些目前前需要要人的的智能能才能能解决决的复复杂的的控制制问题题。被被控对对象的的复杂杂性体体现为为:模型的的不确确定性性，高高度非非线性性，分分布式式的传传感器器和执执行器器，动动态突突变，，多时时间标标度，，复杂杂的信信息模模式，，庞大大的数数据量量，以以及严严格的的特性性指标标等。。智能能控制制是驱驱动智智能机机器自自主地地实现现其目目标的的过程程，对对自主主机器器人的的控制制就是是典型型的例例子而而环境境的复复杂性性则表表现为为变化化的不不确定定性和和难以以辨识识。智能控控制是是从“仿人”的概念念出发发的。。一般般认为为，其其方法法包括括学习习控制制、模模糊控控制、、神经经元网网络控控制、、和专专家控控制等等方法法。2、控制制的定定义:控制:对对象象施加加某种种操作作，使使其产产生所所期望望的行行为。。例.[钢铁轧轧制]:轧出厚厚度一一致的的高精精度铁铁板存在温温度控控制,生铁成成分控控制,厚度控控制,张力控控制,等等。。自动控控制:在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下，，利利用用外外加加的的设设备备或或装装置置（（称称为为控控制制装装置置或或控控制制器器）），，使使机机器器、、设设备备或或生生产产过过程程（（通通称称被被控控对对象象））的的某某个个工工作作状状态态或或参参数数（（即即被被控控量量））自自动动地地按按照照预预定定的的规规律律运运行行。。例.典型型控控制制系系统统：：数数控控机机床床、、机机车车、、船船舶舶及及飞飞机机自自动动驾驾驶驶、、导导弹弹制制导导等等。。例.控制制实实例例-液面面控控制制人工工控控制制自动动控控制制3、控控制制论论:定义义：：关关于于控控制制原原理理和和控控制制方方法法的的学学科科，，研研究究事事物物变变化化和和发发展展的的一一般般规规律律。。控制制三三要要素素：：被被控控对对象象、、控控制制目目标标、、控控制制装装置置控制制论论强强调调：：1)所研研究究的的对对象象是是一一个个系系统统；；2)系统统在在不不断断地地运运动动（（经经历历动动态态历历程程、、包包括括内内部部状状态态和和外外部部行行为为））；；3)产生生运运动动的的条条件件是是外外因因（（外外界界的的作作用用：：输输入入、、干干扰扰））4)产生生运运动动的的根根据据是是内内因因（（系系统统的的固固有有特特性性））控制制论论与与其其它它学学科科结结合合，，形形成成众众多多的的分分支支学学科科。。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同的的本本质质特特点点：：通通过过信信息息的的传传递递、、处处理理与与反反馈馈进进行行控控制制。。二、、机械械工工程程控控制制论论的的研研究究对对象象与与任任务务机械械工工程程控控制制论论研研究究机机械械工工程程中中广义义系系统统的动力力学学问问题题。1、系系统统(广义义系系统统):按一一定定的的规规律律联联系系在在一一起起的的元元素素的的集集合合。。系统统框框图图如如下下:系统统的的层层次次性性和和相相对对性性：：系系统统的的组组成成元元素素也也可可以以是是一一个个系系统统（（子子系系统统）），，整整个个系系统统又又可可以以是是更更上上一一层层系系统统的的组组成成元元素素。。广义义系系统统：：具具备备系系统统要要素素的的一一切切事事物物或或对对象象，，如如机机器器系统统、、生生命命系系统统、、社社会会系系统统、、生生产产系系统统、、思思维维、、学学习习等等。。机械械工工程程中中的的广广义义系系统统：：元元件件、、部部件件、、仪仪器器、、设设备备、、加加工工过过程程、、测测量量、、车车间间、、部部门门、、工工厂厂、、企企业业、、企企业业集集团团等等。。2、动动力力学学问问题题:系统统在在外外界界作作用用（（输输入入或或激激励励、、包包括括外外加加控控制制与与外外界界干干扰扰））下下，，从从一一定定初初始始状状态态出出发发，，经经历历由由其其内内部部的的固固有有特特性性（（由由系系统统的的结结构构与与参参数数所所决决定定））所所决决定定的的动动态态历历程程（（输输出出或或响响应应））。。这一一过过程程中中，，系统统及其其输入入、输出出三者者之之间间的的动态态关关系系即为为系系统统的的动动力力学学问问题题。。例.弹簧簧－－质质量量－－阻阻尼尼单单自自由由度度系系统统。。分析析：：这这是是同同一一个个系系统统，，不不同同的的外外界界作作用用上式式中中y(t)为微微分分方方程程的的解解，，显显然然它它是是由由系系统统的的初初始始条条件件，，系系统统的的固固有有特特性性，，系系统统的的输输入入及及系系统统与与输输入入之之间间的的关关系系决决定定。。对上上例例，，需需要要研研究究的的问问题题可可归归纳纳为为以以下下三三类类：：1)系统统的的输输入入与与系系统统的的固固有有特特性性如如何何影影响响y(t)，三三者者之之间间表表现现为为何何种种关关系系。2)系统统确确定定并并已已知知时时，，对对系系统统施施加加何何种种输输入入，，能能使使系系统统实实现现预预期期的的响响应应。。3)对于于确确定定的的输输入入，，系系统统应应具具有有什什么么特特性性，，才才能能使使系系统统实实现现预预期期的的响响应应。基本的动力学问题。注意意：：系统统的的初初始始状状态态也也可可视视为为一一种种特特殊殊的的输输入入，，即即初初始始输输入入或或初初始始激激励励。。当当初初态态不不为为0时，即使使无输入入，系统统的状态态也不断断改变，，这就是是自由运运动。工程控制制论的内内容可归归纳为如如下5个方面：：（1）已知系系统和输输入，求求系统的的输出，，即系统统分析问问题；（2）已知系系统和系系统的理理想输出出，设计计输入，，即最优优控制问题；；（3）已知输输入和理理想输出出时，设设计系统统，即最最优设计计问题；（4）输出已已知，确确定系统统，以识识别输入入或输入入中的有有关信息，此此即滤波波与预测测问题；；（5）已知系系统的输输入和输输出，求求系统的的结构与与参数，，即系统辨辨识问题题。三、系统及其其模型1、系统的的特性:（1）系统的的性能不不仅与系系统的元元素有关关，而且且还与系系统的结构有有关；（2）系统的的内容比比组成系系统各元元素的内内容要丰丰富得多多；（3）系统往往往具有有表现出出在时域域、频域域或复域域等域内内的动态特特性。2、机械系系统:实现一定定的机械械运动、、输出一一定的机机械能，，以及承承受一定的机机械载荷荷为目的的的系统统，称为为机械系系统。对对于机械械系统，其其输入和和输出分分别称为为“激励”和“响应”。3、系统模模型:模型是研研究系统统、认识识系统与与描述系系统、分分析系统统的一种工具具。在我我们这里里模型是是指一种种用数学学方法所所描述的的抽象的理理论模型型，用来来表达一一个系统统内部各各部分之之间，或或系统与其其外部环环境之间间的关系系，故又又称为数数学模型型。系统的模模型包括括实物模模型、物物理模型型、和数数学模型型等等。而而数学模模型又包包括静态态模型和和动态模模型。动动态模型在一定定的条件件下可以以转换成成静态模模型。在在控制理理论或控制工程程中，一一般关心心的是系系统的动动态特性性，因此此，往往需要采采用动态态数学模模型。静态模型型反映系系统在恒恒定载荷荷或缓变变作用下下或在系系统平衡衡状态下下的特性性，现时时输出仅仅由其现现时输入入所决定定，一般般以代数数公式描描述。动态模型型反映系系统在迅迅变载荷荷或在系系统不平平衡状态态下的特特性，现现时输出出还由受受其以前前输入的的历史的的影响，，一般以以微分方方程或差差分方程程描述。。例:可见书P6图1.2.2。四、反馈1、定义:系统的输输出不断断地，直直接或间间接地、、全部或或部分地地返回，，并作用用于系统统，其实实质就是是信息的的传递与与交互。。2、内反馈馈与外反反馈外反馈：：在自动动控制系系统中，，为达到到某种控控制目的的而人为为加入的的反馈，，称为外外反馈。。内反馈：：在系统统或过程程中存在在的各种种自然形形成的反反馈，称为内反反馈。它它是系统统内部各各个元素素之间相相互耦合合的结果。内内反馈是是造成机机械系统统存在一一定的动动态特性性的根本原因因，纷繁繁复杂的的内反馈馈的存在在使得机机械系统统变得异异常常复复杂杂。。例：m-c-k系统显然然这这是是一一个个内内反反馈馈，，因因为为没没有有附附加加反反馈馈控控制制装装置置。。内内反反馈馈是是系系统统内内部部的的信信息息交交互互，，反反映映了了系系统统的的动动态态特特性性。。3、系系统统方方框框图图及及其其组组成成系统统方方框框图图由由许许多多对对信信号号（（量量））进进行行单单向向传传递递的的元元件件方方框框和和一一些些连连线线组组成成，，表表征征了了系系统统各各元元件件之之间间及及系系统统与与外外界界之之间间进进行行信信息息交交换换的的过过程程。。它它包包括括三三个个基基本本的的单单元元，，即即：1)引出出点点（（分分支支点点））：：表表示示信信号号的的引引出出或或信信号号的的分分支支，，箭箭头头表表示示信信号号的的传传递递方方向向，，线线上上标标记记信信号号的的名名称称。。比较较点点（（相相加加点点））：：表表示示两两个个或或两两个个以以上上的的信信号号进进行行相相加加或或相相减减运运算算。。“+”表示信信号相相加；；“-”表示信信号相相减。。元件方方框：：方框框中写写入元元、部部件的的名称称，进进入箭箭头表表示其其输入入信号号；引引出箭箭头表表示其其输出出信号号。例：见见书P23页1.4题解：当当刀具具以进进给量量s进行切切削时时，在在切削削过程程中产产生切切削力力Py，而使使机床床-工件系系统发发生变变形退退让，，减少少了刀刀具的的实际际进给给a，此时时a=s-y,进而影影响到到切削削力的的变化化，如如此循循环，，使得得切削削过程程为一一个动动态过过程，，其过过程如如下图图所示示的方方框图图表示示：切削过程机床-工件系统例：见见书P24页1.7-1题解：人人骑自自行车车时，，总是是希望望自行行车具具有一一定的的理想想状态态（如如速度度，方方向等等），，人脑脑根据据这个个理想想状态态指挥挥四肢肢动作作，使使自行行车按按预定定的状状态运运动，，此时时，路路面的的状况况等因因素会会对自自行车车的实实际状状态产产生影影响，，使得得自行行车偏偏离理理想状状态，，人的的感觉觉器官官感觉觉车子子的状状态，，并将将此信信息返返回到到大脑脑，大大脑根根据实实际状状态与与理想想状态态的偏偏差调调整四四肢动动作，，如此此循环环往复复。其其信息息流动动与反反馈的的过程程如下下图所所示：：运动系统感觉器官自行车五、控控制系系统的的工作作原理理及其其组成成加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱

温度计例：人工控制制恒温温箱调调节过过程：观测恒恒温箱箱内的的温度度（被被控制制量））与要求求的温温度（（给定定值））进行行比较较，得得到温温度偏差的的大小小和方方向根据偏偏差大大小和和方向向调节节调压压器，，控制制加热热电阻丝的的电流流以调调节温温度回回复到到要求求值。人工控控制过过程的的实质质：检测偏偏差再再纠正正偏差差。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：恒温箱箱自动动控制制系统统工作作原理理：恒温箱箱实际际温度度由热热电偶偶转换换为对对应的的电压压u2恒温箱箱期望望温度度由电电压u1给定，，并与与实际际温度度u2比较得得到温温度偏偏差信信号u＝u1u2温度偏偏差信信号经经电压压、功功率放放大后后，用用以驱驱动执行电电动机机，并并通过过传动动机构构拖动动调压压器动动触头。当当温度度偏高高时，，动触触头向向减小小电流流的方方向运动，，反之之加大大电流流，直直到温温度达达到给给定值值为止，此此时，，偏差差u＝0，电机机停止止转动动。系统功功能框框图如如下所所示：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温箱控控制系系统功功能框框图可可见：给定量量位于于系统统的输输入端端，称称为系统输输入量量。也称为为参考输输入量量（信号）。被控制制量位位于系系统的的输出出端，，称为为系统输输出量量。输出量量（全全部或或一部部分））通过过测量量装置置返回回系统的输输入端端，使使之与与输入入量进进行比比较，，产生生偏差（给定定信号号与返返回的的输出出信号号之差差）信信号。。输出量量的返返回过过程称称为反馈。返回回的全全部或或部分输出出信号号称为为反馈信信号。综上所所述，，控制制系统统的工工作原原理：：检测输输出量量（被被控制制量））的实实际值值将输出出量的的实际际值与与给定定值（（输入入量））进行行比较得出出偏差差；用偏差差值产产生控控制调调节作作用去去消除除偏差差，使使得输出量量维持持期望望的输输出。。由于存存在输输出量量反馈馈，上上述系系统能能在存存在无无法预预计扰扰动的的情况况下，，自动动减少少系统统的输输出量量与参参考输输入量量（或或者任任意变变化的的希望望的状状态））之间间的偏偏差，，故称称之为为反馈控控制。显然：：反馈控控制建建立在在偏差差基础础上，其控控制方方式是是“检测偏偏差再再纠正正偏差差”。这种基基于反反馈原原理，，能对对输出出量与与参考考输入入量进进行比比较，，并力力图保保持两两者之之间既既定关关系的的系统统。称称为反馈控控制系系统。反馈馈控制制系统统具备备测量、比较和执行三个基基本功功能。。注意：：反馈馈控制制系统统中，，反馈馈信号号是与与给定定信号号相减减，使使偏差差越来来越小小，称称为负反馈馈。负反反馈控控制是是实现现自动动控制制最基基本的的方法法。六、系系统的的分类类及对对控制制系统统的基基本要要求1、开环环控制制与闭闭环控控制实际的的控制制系统统根据据有无无反馈馈作用用可分分为三三类：：开环控控制系系统闭环控控制系系统半闭环环控制制系统统开环控控制系系统特点：系统仅仅受输输入量量和扰扰动量量控制制；输输出端端和输入入端之之间不不存在在反馈馈回路路；输输出量量在整个个控制制过程程中对对系统统的控控制不不产生生任何影影响。。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、、稳定定、可可靠。。若组组成系系统的的元件件特性性和参参数值值比较较稳定定，且且外界界干扰扰较小小，开开环控控制能能够保保持一一定的的精度度。缺点：精度通常较较低、无自自动纠偏能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系统特点：输出端和输输入端之间间存在反馈馈回路，输输出量对控制制过程有直直接影响。。闭环的作用用：应用反反馈，减少少偏差。优点：精度高，对对外部扰动动和系统参参数变化不不敏感缺点：存在稳定、、振荡、超超调等问题题，系统性性能分析和设设计麻烦。。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制系统特点：反馈信号通通过系统内内部的中间间信号获得得。2、闭环控制制系统的组组成给定元件+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信号或输入入信号。反馈元件测量被控制制量（输出出量），产产生反馈信信号。为便于传输输，反馈信信号通常为为电信号。。注意：在机械、液液压、气动动、机电等等系统中存存在着内在在反馈，这这种反馈无无须专门的的反馈元件件，是系统统内部各参参数相互作作用产生的的，如作用用力与反作作用力之间间形成的直直接反馈。比较元件对给定信号号和反馈信信号进行比比较，产生生偏差信号号；放大元件对偏差信号号进行放大大，使之有有足够的能能量驱动执执行元件实实现控制功功能。执行元件直接对受控控对象进行行操纵的元元件；如电电动机、液液压马达等等；校正元件用以改善系系统控制质质量的装置置。校正元件分分为串联和和并联两种种。控制系统中中比较元件件、放大元元件、执行行元件和反反馈元件等等共同起控控制作用，，统称为控制器。实际的控制制系统中，，扰动总是不可避避免的，扰扰动分为内部扰动和外部扰动，但在控制制系统中，，扰动集中中表现在控控制量与被被控量的偏偏差上，因因此，可以以将控制系系统的扰动动等效为对对控制对象象的干扰。。3、输出变化化规律分类类恒值控制系系统系统输入量量为恒定值值。控制任任务是保证证在任何扰扰动作用下下系统的输输出量为恒恒值。如：恒温箱箱控制、电电网电压、、频率控制制等。程序控制系系统输入量的变变化规律预预先确知，，输入装置置根据输入入的变化规规律，发出出控制指令令，使被控控对象按照照指令程序序的要求而而运动。如如数控加工工系统。随动系统（（伺服系统统）输入量的变变化规律不不能预先确确知，其控控制要求是是输出量迅迅速、平稳稳地跟随输输入量的变变化，并能能排除各种干扰因因素的影响响，准确地地复现输入入信号的变变化规律。。如：仿形加加工系统、、火炮自动动瞄准系统统等。4、按系统中传传递信号的的性质分类类连续控制系系统系统中各部部分传递的的信号为随随时间连续续变化的信信号。连续续控制系统统通常采用用微分方程程描述。离散（数字字）控制系系统系统中某一一处或多处处的信号为为脉冲序列列或数字量量传递的系系统。离散散控制系统统通常采用用差分方程程描述。5、线性系统和和非线性系系统线性系统由线性元件件组成，输输入输出间间具有叠加加性和均匀匀性性质，，以线性微微分方程来来表述。非线性系统统系统中有非非线性元件件，输入输输出间不具具有叠加性性和均匀性性性质。用用非线性微微分方程来来表述。6、其它分类类系统定常系统和和时变系统统机械、电气气、机电、、液压、气气动、热力力等控制系系统温度、压力力、位置等等控制系统统七、对控制制系统的基基本要求1、稳定性系统动态过过程的振荡荡倾向及其其恢复平衡衡状态的能能力。稳定定的系统当当输出量偏偏离平衡状状态时，其其输出能随随时间的增增长收敛并并回到初始始平衡状态态。稳定性性是控制系系统正常工工作的先决决条件。控制系统稳稳定性由系系统结构所所决定，与与外界因素素无关。稳稳定性由控控制系统内内部储能元元件的能量量不可能突突变所产生生的惯性滞滞后作用所所导致。2、精确性控制精度，，以稳态误误差来衡量量。稳态误差：系统的调调整（过渡渡）过程结结束而趋于于稳定状态态时，系统统输出量的的实际值与与给定量之之间的差值值。3、快速性输出量和输输入量产生生偏差时，，系统消除除这种偏差差的快慢程程度。快速速性表征系系统的动态态性能。注意：不同性质的的控制系统统，对稳定定性、精确确性和快速性要求各各有侧重。。系统的稳定定性、精确确性、快速速性相互制制约，应根据实际需需求合理选选择。八、控制工工程发展概概况

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发明蒸汽机机调速器1868年：J.C.Maxwell发表《调速器》，提出反馈馈控制的概念及稳稳定性条件件。1884年：E.J.Routh提出劳斯稳稳定性判据据。1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普普诺夫稳定定性理论。1895年：A.Hurwifz提出赫尔维维茨稳定性性判据。1932年：H.Nyquist提出奈奎斯斯特稳定性性判据。1945年：H.W.Bode提出反馈放放大器的一一般设计方法1948年：N.Wiener发表《控制论》，标志经典典控制理论基基本形成；；经典控制制理论以传传递函数为基础，主主要研究单单输入—单输出（SISO）系统的分析和和控制问题题；1950年：W.R.Evans提出根轨迹迹法，进一一步充实了经典控控制论；1954年：钱学森森发表《工程控制论论》；50年代末60年代初：现现代控制理理论形成；；现代控制理论以以状态空间间法为基础础，主要分分析和研究多输入-多输出(MIMO)、时变、非非线性等系统的最优优控制、最最优滤波、、系统辨识识、自适应控制、智智能控制等等问题；控控制理论研研究的重点开始由频频域移到从从本质上说说是时域的的状态空间方法。1956年：蓬特里里亚金（Pontryagin）提出极大大值原理1957年：R.I.Bellman提出动态规规划理论1960年：R.E.Kalman提出卡尔曼曼滤波理论论1960～1980年：确定性性系统的最最优控制、、随机系统的最优优控制、复复杂系统的的自适应和和自学习控制1980迄今：鲁棒棒控制、H控制、非线线性控制、、智能控制等等九、本课程程的任务及及主要内容容本课程的任任务控制系统性性能分析动态性能：：过渡过程程分析、稳稳定性分析析等稳态性能：：控制精度度（稳态误误差）控制系统设设计选择适当的的控制器及及控制规律律以改善控控制系统的性能使其其满足控制制要求。控制系统的的性能分析析和设计通通常是交替替进行的。。控制系统分分析和设计计一般包括括：建立控制对对象的数学学模型（线线性化模型型）对象的性能能分析、仿仿真选择控制方方案（开环环/闭环；线性性/非线性等））选择性能指指标，设计计控制器全系统性能能分析、仿仿真研制控制器器，构建控控制系统试验验证本课程主要要内容介绍经典控控制理论的的基础知识识，包括：：控制系统数数学模型的的建立控制系统的的时域分析析控制系统的的频域分析析控制系统稳稳定性分析析控制系统的的设计和校校正十、习题自动控制系系统方框图图的绘制步步骤(重点掌握)：（1）分析控制制系统的工工作原理，，找出被控控对象。（2）分清系系统的输输入量、、输出量量。（3）按照控控制系统统各环节节的定义义，找出出相应的的各个环环节。（4）按信息息流动的的方向将将各个环环节用元元件方框框和连线线连接起起来例1.1设电热水水器如下下图所示示。为了了保持希希望的温温度，由由温控开开关接通通或断开开电加热热器的电电源。在在使用热热水时，，水箱中中流出热热水并补补充冷水水。试说说明该系系统工作作原理并并画出系系统的方方框图。。解：在电热水水器系统统中，水水箱内的的水温需需要控制制，即水水箱为被被控对象象。水的实际际温度是是被控制制量，或或称为系系统的输输出量，，输入量量为用户户希望的的温度（（给定值值），由由于放出出热水并并注入冷冷水或水水箱散热热等原因因而使水水箱内水水温下降降成为该该系统的的主要干干扰。当To=Ti时，水箱箱的实际际水温经经测温元元件检测测，并将将实际水温转转化成相相应的电电信号，，与温控控开关预预先设定定的信号进行行比较而而得到的的偏差为为零，此此时电加加热器不不工作，，水箱中的的水温保保持在希希望的温温度上。。当使用热热水并注注入冷水水时，水水温下降降，此时时To<Ti，则偏差不为零零而使温温控开关关工作。。于是电电源接通通，电加加热器开始对水水箱内的的水进行行加热，，使水温温上升，，直到To=Ti时为止。系系统控制制方框图图如下图图所示：：例1.2分析图示示液位自自动控制制系统工工作原理理并绘制系统功