(3.2)-第一章 绪论随书课件控制工程基础

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机械控制工程基础2

机械控制工程是研究控制论在机械工程中应用的科学。它是一门技术科学，也是一门跨控制论和机械工程领域的边缘学科。《机械控制工程基础》是本学科的技术基础课。课程的性质和特点

机械控制工程基础复变函数电子技术线性代数微积分测试技术数控技术机电接口等理论力学

理论性非常强但又和实际应用紧密结合。3

一般概念课程的体系结构

时域法复域法*频域法稳定性123465性能指标系统模型4

第一章绪论第一节机械工程控制论概述

第二节控制系统的工作原理与组成第三节

控制系统的分类与基本要求第四节MATLAB语言简介▼

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了解自动控制和自动控制系统的基本概念；

重点掌握闭环控制系统的原理和组成；

掌握反馈控制系统的基本要求；

学习重点6

一、控制论第一节

机械工程控制论的基本概念

反馈控制系统稳定最优控制传递函数状态方程非线性系统、时变系统MIMO

经典控制理论

(20世纪40年代)

SISO线性定常系统

现代控制理论(20世纪60年代)

智能控制理论(20世纪70年代)模糊控制神经网络遗传算法微分方程状态空间分析法人工智能7

二、机械工程控制论的研究对象与任务1、机械工程控制论的研究对象是机械工程技术中广义系统的动力学问题。即研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。系统：按一定规律联系在一起的元素的集合。广义系统：通常机械工程控制论简称机械控制工程，其所研究的系统可大可小，可繁可简，完全由研究的需要决定，因而称之为广义系统。动态关系：系统在外界条件作用（输入或激励、包括控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，所经历由内部的固有特性（由系统结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）8

2、机械工程控制论的任务1）系统分析：已知系统、输入，求输出。2）最优控制：系统已确定输出已知，求输入，要求输出符合给定最佳值。3）最优设计：已知输入，输出给定，要确定系统，使输出尽可能符合给定最佳要求。4）系统辨识：根据系统的输入、输出分析系统由哪些环节组成，并求出各环节参数，建立系统的数学模型。5）滤波与预测：系统已定，输出已知，要识别输入或输入中的有关信息。9

三、反馈及反馈控制控制论的核心内容是通过信息的传递、加工处理和反馈来进行控制。反馈：将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，并与输入信号共同作用于系统的过程。负反馈：如果反馈回去的信号与系统的输入信号方向相反，称之为负反馈；如果方向相同，则称之为正反馈。反馈控制：利用反馈信号对系统进行控制。10英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)。蒸汽nnn1负载圆锥形齿轮飞锤套筒杠杆阀门弹簧蒸汽机11

第二节控制系统的工作原理与组成火炮自动瞄准系统12

神州九号载人航天13

日本仿人机器人

进水

出水水位自动控制系统一、工作原理控制系统指系统的输出能按照要求的参考输入或控制输入进行调节的系统。控制系统的工作原理1）检测被控制量或输出量的实际值。2）讲实际值与给定值进行比较得出偏差值。3）用偏差值产生控制调节作用去除偏差。16

进水

出水水位自动控制系统控制系统的基本控制方式：17

1.开环控制系统

例1-1水箱液位控制系统Q2阀门V1进水出水

给定水位Q1Hg18

12扰动量给定量输出量

1-控制器(进水阀门)2-被控对象(水箱)

开环控制系统结构图19

（2）开环控制特点

输入控制输出；输出不参与控制；系统抗干扰能力较差。（1）开环控制

只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。20

2.闭环（反馈）控制系统例1-2水箱液位闭环控制系统（1）人工闭环控制阀门V1进水出水

给定水位Q1Q221

（2）自动闭环控制阀门进水出水

给定水位Q1Q2Hg放大器RPBUaRPAM△UUBUA22

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13闭环控制系统组成方框图1-执行器2-控制对象3-检测装置2浮球杠杆电位器RPB水箱阀门给定水位Q2实际水位Q1放大器减速器电机-RPAUA12扰动量给定量输出量24

②反馈控制特点

输入控制输出；输出参与控制；检测偏差纠正偏差；具有抗干扰能力；①反馈控制

将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，与给定信号进行比较产生偏差，此偏差经过控制器产生控制作用，使输出量按照要求的规律变化。反馈信号与给定信号极性相反为负反馈，反之为正反馈。

※2012.8.27第1次课25

AB阀门滑套离心机构n1BA滑套蒸汽机负载T进汽量qn瓦特式蒸汽机离心调速器例1：离心机构

蒸汽机阀门比较机构给定ngT实际nq转换机构蒸汽系统-tTTotnt1ng26

二、控制系统的组成闭环控制系统的组成框图1.控制系统的组成27

给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号。

反馈元件：测量被控制量或输出量xo，产生主反馈信号。将

其转换成便于传递的物理量，反馈到比较环节。

比较元件：用来接收输入信号并和反馈信号进行比较，产生反映两者差值的偏差信号e=xi-xf。

放大元件：对较弱的偏差信号作功率放大，以推动执行元件动作。

执行元件：直接驱动被控对象按预定规律运动的元件。

校正元件：为改善系统控制性能而加入系统中的元件。2.控制系统的基本概念和术语28

1）控制对象：在控制理论和控制技术中，运动规律或状态需要控制的装置称为控制对象或被控对象。2）控制器：被控对象以外的所有装置，称为控制器。3）输入信号：又叫输入量、控制量或给定量。一般输入信号是指控制输出量变化规律的信号。4）输出信号：又叫输出量、被控制量或被调节量。表征被控对象运动规律或状态的物理量。5）反馈信号：它是输出信号经过反馈元件变换后加到输入端的信号。6）偏差：系统的输入量与反馈量之差，即比较环节的输出。7）误差信号：指输出量的实际值与希望值之差。8）扰动信号：又叫干扰信号。偶然的人为无法控制的信号。2.控制系统的基本概念和术语29

一、

控制系统的分类1.按输入变化规律分类第三节

对控制系统的分类与基本要求1）恒值控制系统：

控制系统的输入量是一个恒定值，在整个运行过程中不改变（可定期校准或更改输入量）。恒值控制系统的任务，是保证在任何干扰作用下，输出量维持恒定不变。通常工业生产过程的温度、流量、液位、压力等控制都属于此类。30

2）程序控制系统：

系统输入量不为恒定值，但其变化规律是预先已知的时间函数。系统的输出量也要按相应的规律变化。数控机床的切削加工系统就是典型的程序控制系统。31

3）随动系统：

系统的给定量是按照事先未知的时间函数变化，要求系统能排除各种干扰因素，使被控量迅速平稳地复现和跟踪输入信号的变化。雷达天线的自动跟踪系统，火炮自动瞄准系统就是典型的随动控制系统。32

2.按系统中传递信号的性质分类

1）连续控制系统

指控制系统中的所有信号在时间上是连续的。2）离散控制系统指系统中某一处或数处的信号是以脉冲序列或数字量传递的系统，又称数字控制系统。33

1）连续控制系统的分类非线性系统

系统中只要有一个元件特性不能用线性微分方程描述其输入和输出关系，则称非线性系统。线性系统

组成系统的元件的特性均为线性的，可用一个或一组线性微分方程来描述系统的输入和输出之间的关系。线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。34

三、基本要求“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。系统的过渡过程产生的原因：系统中储能元件的能量不可能突变。

稳定性（稳）、准确性（准）、快速性（快）“准”是说明系统的稳态（静态）品质。35

1、稳定性(稳)tnNg（a)不稳定tnNg（b)稳定稳定性

是保证控制系统正常工作的首要条件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件和初始状态无关。若系统参数匹配不当可能引起振荡。36

2、准确性(准)准确性是指控制系统的控制精度，一般用稳态误差来衡量。所谓稳态误差是指以一定变化的输入信号作用于系统后，系统对抗干扰重新获得平衡状态时，输出量的实际值与期望值之间的误差。稳态精度与控制系统的结构、参数及输入信号形式有关。

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3、快速性(快)快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。用超调量、动态响应时间等指标来衡量。快速性好的系统，消除偏差的过渡过程时间短，因而能复现快速变化的输入信号，并具有较好的动态性能。

系统的阶跃响应

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