機械工程控制基礎主講人:許澤銀教授E-mail:xuzeyin@126.com

專業(yè)技術基礎課課程性質:服務對象:大學機械類專業(yè)課程特點：內容豐富，技術更新快，緊密聯(lián)系實際，應用非常廣泛。

本課程是非電專業(yè)的機電技術專業(yè)基礎課，應用廣泛，學時少、內容多，不能輕視。否則，對以后的工作、學習將會造成影響。前導課程：高等數(shù)學、電工電子技術、機械制造基礎后續(xù)課程：數(shù)控技術、測試技術、畢業(yè)設計等……

控制思想、控制方法論

主要教學環(huán)節(jié)習題獨立完成作業(yè)，按時交作業(yè)。緊跟老師講課思路，搞清基本概念，注意解題方法和技巧。課堂教學實驗注意理論聯(lián)系實際，掌握軟件編制的方法，仿真調試與物理實驗驗證相結合。課外補充自學：復變函數(shù)Laplace變換

Matlab編程。主要教學內容基礎知識分析方法基本概念控制系統(tǒng)結構體系控制系統(tǒng)數(shù)學模型工程控制技術時域分析頻域分析系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)工程應用系統(tǒng)性能指標系統(tǒng)校正課程成績確定方法：

本課程將注重過程，采用N+2過程考核。成績主要由讀書筆記、過程考核、期末成績三部分組成。每項說明如下：1.主要是課堂筆記和課后復習筆記組成2.過程成績：到課率、遲到早退情況、作業(yè)情況、回答問題情況、上課情況、3次過程考核成績、實驗等3.期末考試：閉卷，卷面考試成績最終成績的給定大約按如下公式得到：學習筆記+N成績+考試成績三者比重大約分別為：10%、50%、40%上課將會有提問、點名，課堂練習；課后將會有作業(yè)，記入平時成績。本模塊通過的必要條件是：期末考試卷面成績必須大于等于50分?！稒C械工程控制基礎》課程教材及參考書教材：《控制工程基礎》王華等編著，北京航空航天大學大學出版社，2011《機械工程控制基礎》（第五版）楊叔子、楊克沖等編著，華中科技大學出版社，20052.胡壽松等編《自動控制原理》．科學技術出版社3.陽含和編著．《機械控制工程》．機械工業(yè)出版社

參考書：希望和要求:教學形式:

課堂上，多媒體授課為主，板書為輔；學習模式：預習－>聽課－>復習(作業(yè)等形式)意見要求及時反饋新生事物大家支持教師嚴謹治學學生積極配合師生共同創(chuàng)造佳績建議希望踴躍發(fā)表控制技術

應用舉例(1)工業(yè)控制電機控制機床控制生產(chǎn)過程自動化控制機器人控制......控制技術的應用

海洋探測機器人1990年日本海洋科技中心研制的“海溝號”纜控式無人潛水器（左）及其在大海中工作時的情況（右）

CR-01型6000米水下無纜機器人1995年8月我國沈陽自動化所機器人中心研制的CR-01型6000米水下無纜機器人（上）和正在下水的情況（右）瑞典博福斯公司研制的“雙鷹”水下掃雷機器人

一個典型的運動控制系統(tǒng)

船用火力發(fā)電綜合控制系統(tǒng)

家用電器空調、洗衣機家庭影院微波爐......控制技術

應用舉例(2)消費類產(chǎn)品U盤、MP3手機應用產(chǎn)品......控制技術

應用舉例(3)32、64等合弦音MCU芯片智能樓宇的控制控制技術

應用舉例(4)可視對講、室內報警、遠程家電控制…….樓宇電梯的控制信號檢測供電系統(tǒng)電機(執(zhí)行機構)可編程序控制器ProgrammableLogicController電機控制器汽車電子汽車電子電源發(fā)動機控制行駛裝置報警與安全裝置旅居性儀表娛樂通訊收音機、汽車電話、業(yè)余電臺點火裝置、燃油噴射控制、發(fā)動機電子控制車速控制、間歇刮水、除霧裝置、車門緊鎖….安全帶、車燈未關報警、速度報警、安全氣囊….空調控制、動力窗控制里程表、數(shù)字式速度表、出租車用儀表….控制技術

應用舉例(5)21世紀綠色環(huán)保汽車EV安全、舒適、可靠無廢氣排放(零排放)高效率EV?機電機電一體化EV充電系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)汽車照明、電動轉向、空調、音響、雨刷、安全報警、電動門窗…….電子機械驅動控制系統(tǒng)電機驅動系統(tǒng)控制控制基于CAN總線的汽車內部控制示意圖口語汽車導航系統(tǒng)使用情景示意圖汽車GPS定位，GIS導航，GSM通信單片機控制器應用由行程開關控制的自動往返起動線路典型應用一、引言1、控制系統(tǒng)簡介自動控制成為一門科學是從1945發(fā)展起來的。開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動控制。后來進入軍事領域：飛機自動駕駛、火炮自動跟蹤、導彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動控制。目前滲透到更多領域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管理等。補充知識自動控制理論的發(fā)展

自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學。既是一門古老的、已臻成熟的學科，又是一門正在發(fā)展的、具有強大生命力的新興學科。從1868年馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動控制理論的發(fā)展可分為四個主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；第四階段：智能控制發(fā)展階段。經(jīng)典控制理論

控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎的自動調節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設計和制造飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進一步促進和完善了自動控制理論的發(fā)展。1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。1895年，數(shù)學家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應理論1948年，伊萬斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論的基本特征（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；（3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關系，而忽視系統(tǒng)的內部狀態(tài)，是一種對系統(tǒng)的外部描述方法。

應該指出的是，反饋控制是一種最基本最重要的控制方式，引入反饋信號后，系統(tǒng)對來自內部和外部干擾的響應變得十分遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。與此同時，反饋作用又帶來了系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，正是這個曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題激發(fā)了人們對反饋控制系統(tǒng)進行深入研究的熱情，推動了自動控制理論的發(fā)展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來的?，F(xiàn)代控制理論

由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內部狀態(tài)。因而在實際應用中有很大局限性。隨著航天事業(yè)和計算機的發(fā)展，20世紀60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。1954年貝爾曼（R.Belman)提出動態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理1960年卡爾曼（R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論在數(shù)學工具、理論基礎和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內部狀態(tài)變量的信息。它無論對線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。大系統(tǒng)理論

20世紀70年代開始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應控制理論和方法以系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計為基礎，在實時辨識基礎上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎上，設計不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學模型的不確定性。隨著控制理論應用范圍的擴大，從個別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個相互關聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領域推廣到包括經(jīng)濟管理、生物工程、能源、運輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會科學領域。大系統(tǒng)理論是過程控制與信息處理相結合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結構復雜、功能綜合、目標多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開創(chuàng)性階段。智能控制

是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術，是人工智能在控制上的應用。智能控制的概念和原理主要是針對被控對象、環(huán)境、控制目標或任務的復雜性提出來的，它的指導思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復雜的控制問題。被控對象的復雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動態(tài)突變，多時間標度，復雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴格的特性指標等。智能控制是驅動智能機器自主地實現(xiàn)其目標的過程，對自主機器人的控制就是典型的例子而環(huán)境的復雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識。

智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。一般認為，其方法包括學習控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡控制、和專家控制等方法。

2、控制的定義:

控制:對對象施加某種操作，使其產(chǎn)生所期望的行為。

例.[鋼鐵軋制]:軋出厚度一致的高精度鐵板存在溫度控制,生鐵成分控制,厚度控制,張力控制,等等。

自動控制:在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產(chǎn)過程（通稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。例.典型控制系統(tǒng)：數(shù)控機床、機車、船舶及飛機自動駕駛、導彈制導等。例.控制實例-液面控制人工控制自動控制3、控制論:

定義：關于控制原理和控制方法的學科，研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律?？刂迫兀罕豢貙ο?、控制目標、控制裝置控制論強調：1)所研究的對象是一個系統(tǒng)；2)系統(tǒng)在不斷地運動（經(jīng)歷動態(tài)歷程、包括內部狀態(tài)和外部行為）；3)產(chǎn)生運動的條件是外因（外界的作用：輸入、干擾）4)產(chǎn)生運動的根據(jù)是內因（系統(tǒng)的固有特性）控制論與其它學科結合，形成眾多的分支學科?？刂普摻?jīng)濟學社會學生物學工程技術經(jīng)濟控制論社會控制論生物控制論工程控制論機械工程機械工程控制論共同的本質特點：通過信息的傳遞、處理與反饋進行控制。二、機械工程控制論的研究對象與任務

機械工程控制論研究機械工程中廣義系統(tǒng)的動力學問題。1、系統(tǒng)(廣義系統(tǒng)):按一定的規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。系統(tǒng)框圖如下:

系統(tǒng)的層次性和相對性：系統(tǒng)的組成元素也可以是一個系統(tǒng)（子系統(tǒng)），整個系統(tǒng)又可以是更上一層系統(tǒng)的組成元素。

廣義系統(tǒng)：具備系統(tǒng)要素的一切事物或對象，如機器系統(tǒng)、生命系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、思維、學習等。

機械工程中的廣義系統(tǒng)：元件、部件、儀器、設備、加工過程、測量、車間、部門、工廠、企業(yè)、企業(yè)集團等。2、動力學問題:

系統(tǒng)在外界作用（輸入或激勵、包括外加控制與外界干擾）下，從一定初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷由其內部的固有特性（由系統(tǒng)的結構與參數(shù)所決定）所決定的動態(tài)歷程（輸出或響應）。這一過程中，系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關系即為系統(tǒng)的動力學問題。例.彈簧－質量－阻尼單自由度系統(tǒng)。分析：這是同一個系統(tǒng)，不同的外界作用上式中y(t)為微分方程的解，顯然它是由系統(tǒng)的初始條件，系統(tǒng)的固有特性，系統(tǒng)的輸入及系統(tǒng)與輸入之間的關系決定。對上例，需要研究的問題可歸納為以下三類：1)系統(tǒng)的輸入與系統(tǒng)的固有特性如何影響y(t)，三者之間表現(xiàn)為何種關系。2)系統(tǒng)確定并已知時，對系統(tǒng)施加何種輸入，能使系統(tǒng)實現(xiàn)預期的響應。3)對于確定的輸入，系統(tǒng)應具有什么特性，才能使系統(tǒng)實現(xiàn)預期的響應?；镜膭恿W問題。注意：系統(tǒng)的初始狀態(tài)也可視為一種特殊的輸入，即初始輸入或初始激勵。當初態(tài)不為0時，即使無輸入，系統(tǒng)的狀態(tài)也不斷改變，這就是自由運動。工程控制論的內容可歸納為如下5個方面：（1）已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的輸出，即系統(tǒng)分析問題；

（2）已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，設計輸入，即最優(yōu)控制問題；

（3）已知輸入和理想輸出時，設計系統(tǒng)，即最優(yōu)設計問題；

（4）輸出已知，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸入中的有關信息，此即濾波與預測問題；

（5）已知系統(tǒng)的輸入和輸出，求系統(tǒng)的結構與參數(shù)，即系統(tǒng)辨識問題。

三、系統(tǒng)及其模型

1、系統(tǒng)的特性:（1）系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關，而且還與系統(tǒng)的結構有關；

（2）系統(tǒng)的內容比組成系統(tǒng)各元素的內容要豐富得多；

（3）系統(tǒng)往往具有表現(xiàn)出在時域、頻域或復域等域內的動態(tài)特性。

2、機械系統(tǒng):

實現(xiàn)一定的機械運動、輸出一定的機械能，以及承受一定的機械載荷為目的的系統(tǒng)，稱為機械系統(tǒng)。對于機械系統(tǒng)，其輸入和輸出分別稱為“激勵”和“響應”。

3、系統(tǒng)模型:

模型是研究系統(tǒng)、認識系統(tǒng)與描述系統(tǒng)、分析系統(tǒng)的一種工具。在我們這里模型是指一種用數(shù)學方法所描述的抽象的理論模型，用來表達一個系統(tǒng)內部各部分之間，或系統(tǒng)與其外部環(huán)境之間的關系，故又稱為數(shù)學模型。

系統(tǒng)的模型包括實物模型、物理模型、和數(shù)學模型等等。而數(shù)學模型又包括靜態(tài)模型和動態(tài)模型。動態(tài)模型在一定的條件下可以轉換成靜態(tài)模型。在控制理論或控制工程中，一般關心的是系統(tǒng)的動態(tài)特性，因此，往往需要采用動態(tài)數(shù)學模型。

靜態(tài)模型反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性，現(xiàn)時輸出僅由其現(xiàn)時輸入所決定，一般以代數(shù)公式描述。

動態(tài)模型反映系統(tǒng)在迅變載荷或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性，現(xiàn)時輸出還由受其以前輸入的歷史的影響，一般以微分方程或差分方程描述。例：四、反饋

1、定義:系統(tǒng)的輸出不斷地，直接或間接地、全部或部分地返回，并作用于系統(tǒng)，其實質就是信息的傳遞與交互。例5：解：如果負載變化，使w增加->離心機構滑套上移->液壓滑閥上移，動力活塞下移，油門關小，w減小->直到滑閥回復中位，w回復到設定值。

通過檢測系統(tǒng)的實際輸出值，并與設定值進行比較，反過來又作用于系統(tǒng)，形成反饋，進而調節(jié)系統(tǒng)的輸出，本例中的反饋表現(xiàn)為w變化所引起的信息傳遞與交互。2、內反饋與外反饋外反饋：在自動控制系統(tǒng)中，為達到某種控制目的而人為加入的反饋，稱為外反饋。

內反饋：在系統(tǒng)或過程中存在的各種自然形成的反饋，稱為內反饋。它是系統(tǒng)內部各個元素之間相互耦合的結果。內反饋是造成機械系統(tǒng)存在一定的動態(tài)特性的根本原因，紛繁復雜的內反饋的存在使得機械系統(tǒng)變得異常復雜。例：m-c-k系統(tǒng)顯然這是一個內反饋，因為沒有附加反饋控制裝置。內反饋是系統(tǒng)內部的信息交互，反映了系統(tǒng)的動態(tài)特性。3、系統(tǒng)方框圖及其組成

系統(tǒng)方框圖由許多對信號（量）進行單向傳遞的元件方框和一些連線組成，表征了系統(tǒng)各元件之間及系統(tǒng)與外界之間進行信息交換的過程。它包括三個基本的單元，即：

1)引出點（分支點）：表示信號的引出或信號的分支，箭頭表示信號的傳遞方向，線上標記信號的名稱。

比較點（相加點）：表示兩個或兩個以上的信號進行相加或相減運算?！?”表示信號相加；“-”表示信號相減。

元件方框：方框中寫入元、部件的名稱，進入箭頭表示其輸入信號；引出箭頭表示其輸出信號。例：解：當?shù)毒咭赃M給量s進行切削時，在切削過程中產(chǎn)生切削力Py，而使機床-工件系統(tǒng)發(fā)生變形退讓，減少了刀具的實際進給a，此時a=s-y,進行影響到切削刀的變化，如此循環(huán)，使得切削過程為一個動態(tài)過程，其過程如下圖所示的方框圖表示：切削過程機床-工件系統(tǒng)例：解：人騎自行車時，總是希望自行車具有一定的理想狀態(tài)（如速度，方向等），人腦根據(jù)這個理想狀態(tài)指揮四肢動作，使自行車按預定的狀態(tài)運動，此時，路面的狀況等因素會對自行車的實際狀態(tài)產(chǎn)生影響，使得自行車偏離理想狀態(tài)，人的感覺器官感覺車子的狀態(tài)，并將此信息返回到大腦，大腦根據(jù)實際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差調整四肢動作，如此循環(huán)往復。其信息流動與反饋的過程如下圖所示：運動系統(tǒng)感覺器官自行車五、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成加熱電阻絲~220V調壓器人工控制的恒溫箱

溫度計例：人工控制恒溫箱調節(jié)過程：

觀測恒溫箱內的溫度（被控制量）

與要求的溫度（給定值）進行比較，得到溫度偏差的大小和方向

根據(jù)偏差大小和方向調節(jié)調壓器，控制加熱電阻絲的電流以調節(jié)溫度回復到要求值。人工控制過程的實質：檢測偏差再糾正偏差。大腦手調壓器恒溫箱眼睛實際溫度期望溫度人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖溫度計加熱電阻絲~220V調壓器熱電偶給定信號比較電壓放大器功率放大器執(zhí)行電動機減速器u2u1++u恒溫箱自動控制系統(tǒng)例：恒溫箱自動控制系統(tǒng)工作原理：恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓u2

恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度

u2比較得到溫度偏差信號u＝u1

u2溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差u＝0，電機停止轉動。系統(tǒng)功能框圖如下所示：給定信號電壓功率放大器控制電機減速器調壓器恒溫箱(控制對象)熱電偶u1u2uuanvu溫度t(被控量)擾動恒溫箱自動控制系統(tǒng)功能框圖從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見：

給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量。也稱為參考輸入量（信號）。

被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。

輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進行比較，產(chǎn)生偏差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理：檢測輸出量（被控制量）的實際值將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。

由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預計擾動的情況下，自動減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎上，其控制方式是“檢測偏差再糾正偏差”。

這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間既定關系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測量、比較和執(zhí)行三個基本功能。注意：反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號是與給定信號相減，使偏差越來越小，稱為負反饋。負反饋控制是實現(xiàn)自動控制最基本的方法。六、系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求1、開環(huán)控制與閉環(huán)控制實際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋作用可分為三類：

開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)

半閉環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)特點：系統(tǒng)僅受輸入量和擾動量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個控制過程中對系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響。輸入裝置指令系統(tǒng)輸入控制裝置伺服驅動裝置工作臺工作臺位置系統(tǒng)輸出數(shù)控機床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖優(yōu)點：簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力控制器對象或過程輸入量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)框圖

閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程有直接影響。閉環(huán)的作用：應用反饋，減少偏差。

優(yōu)點：精度高，對外部擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感缺點：存在穩(wěn)定、振蕩、超調等問題，系統(tǒng)性能分析和設計麻煩?？刂破鲗ο蠡蜻^程輸入量輸出量測量元件閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量

半閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：反饋信號通過系統(tǒng)內部的中間信號獲得。2、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成給定元件+串聯(lián)校正元件放大變換元件執(zhí)行元件控制對象_+_并聯(lián)校正元件局部反饋反饋元件主反饋控制部分比較元件比較元件輸入信號

xi偏差信號

e主反饋信號

xb擾動信號輸出

xo閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

給定元件產(chǎn)生給定信號或輸入信號。

反饋元件

測量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號。為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。注意：在機械、液壓、氣動、機電等系統(tǒng)中存在著內在反饋，這種反饋無須專門的反饋元件，是系統(tǒng)內部各參數(shù)相互作用產(chǎn)生的，如作用力與反作用力之間形成的直接反饋。

比較元件對給定信號和反饋信號進行比較，產(chǎn)生偏差信號；

放大元件對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅動執(zhí)行元件實現(xiàn)控制功能。

執(zhí)行元件

直接對受控對象進行操縱的元件；如電動機、液壓馬達等；

校正元件

用以改善系統(tǒng)控制質量的裝置。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種?？刂葡到y(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為控制器。實際的控制系統(tǒng)中，擾動總是不可避免的，擾動分為內部擾動和外部擾動，但在控制系統(tǒng)中，擾動集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控制系統(tǒng)的擾動等效為對控制對象的干擾。3、輸出變化規(guī)律分類

恒值控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿帐潜ＷC在任何擾動作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。

程序控制系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律預先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運動。如數(shù)控加工系統(tǒng)。

隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）輸入量的變化規(guī)律不能預先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準確地復現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律。如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動瞄準系統(tǒng)等。4、按系統(tǒng)中傳遞信號的性質分類

連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號為隨時間連續(xù)變化的信號。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。

離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。5、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)

線性系統(tǒng)由線性元件組成，輸入輸出問具有疊加性和均勻性性質，以線性微分方程來表述。

非線性系統(tǒng)系統(tǒng)中有非線性元件，輸入輸出間不具有疊加性和均勻性性質。用非線性微分方程來表述。6、其它分類系統(tǒng)

定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)

機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等控制系統(tǒng)

溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)七、對控制系統(tǒng)的基本要求1、穩(wěn)定性系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定的系統(tǒng)當輸出量偏離平衡狀態(tài)時，其輸出能隨時間的增長收斂并回到初始平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結構所決定，與外界因素無關。穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)內部儲能元件的能量不可能突變所產(chǎn)生的慣性滯后作用所導致。2、精確性控制精度，以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差：系統(tǒng)的調整（過渡）過程結束而趨于穩(wěn)定狀態(tài)時，系統(tǒng)輸出量的實際值與給定量之間的差值。

3、快速性輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度?？焖傩员碚飨到y(tǒng)的動態(tài)性能。注意：不同性質的控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定性、精確性和快速性要求各有側重。

系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應根據(jù)實際需求合理選擇。八、控制工程發(fā)展概況

一千多年前：銅壺滴漏計時器、指南針、各種天文儀器時間刻度浮子銅壺滴漏

1788年：J.Watt發(fā)明蒸汽機調速器

1868年：J.C.Maxwell發(fā)表

《調速器》，提出反饋控制的概念及穩(wěn)定性條件。

1884年：E.J.Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)。

1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定性理論。1895年：A.Hurwifz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)。1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。1945年：H.W.Bode提出反饋放大器的一般設計方法1948年：N.Wiener發(fā)表《控制論》，標志經(jīng)典控制理論基本形成；經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎，主要研究單輸入—單輸出（SISO）系統(tǒng)的分析和控制問題；1950年：W.R.Evans提出根軌跡法，進一步充實了經(jīng)典控制論；

1954年：錢學森發(fā)表《工程控制論》；

50年代末60年代初：現(xiàn)代控制理論形成；現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎，主要分析和研究多輸入-多輸出(MIMO)、時變、非線性等系統(tǒng)的最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識、自適應控制、智能控制等問題；控制理論研究的重點開始由頻域移到從本質上說是時域的狀態(tài)空間方法。

1956年：蓬特里亞金（Pontryagin）提出極大值原理

1957年：R.I.Bellman提出動態(tài)規(guī)劃理論

1960年：R.E.Kalman提出卡爾曼濾波理論

1960～1980年：確定性系統(tǒng)的最優(yōu)控制、隨機系統(tǒng)的最優(yōu)控制、復雜系統(tǒng)的自適應和自學習控制

1980迄今：魯棒控制、H控制、非線性控制、智能控制等九、本課程的任務及主要內容

本課程的任務

控制系統(tǒng)性能分析動態(tài)性能：過渡過程分析、穩(wěn)定性分析等穩(wěn)態(tài)性能：控制精度（穩(wěn)態(tài)誤差）

控制系統(tǒng)設計選擇適當?shù)目刂破骷翱刂埔?guī)律以改善控制系統(tǒng)的性能使其滿足控制要求?？刂葡到y(tǒng)的性能分析和設計通常是交替進行的?？刂葡到y(tǒng)分析和設計一般包括：

建立控制對象的數(shù)學模型（線性化模型）

對象的性能分析、仿真

選擇控制方案（開環(huán)/閉環(huán)；線性/非線性等）

選擇性能指標，設計控制器

全系統(tǒng)性能分析、仿真

研制控制器，構建控制系統(tǒng)

試驗驗證

本課程主要內容介紹經(jīng)典控制理論的基礎知識，包括：

控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

控制系統(tǒng)的時域分析

控制系統(tǒng)的頻域分析

控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

控制系統(tǒng)的設計和校正十、習題自動控制系統(tǒng)方框圖的繪制步驟(重點掌握)：（1）分析控制系統(tǒng)的工作原理，找出被控對象。（2）分清系統(tǒng)的輸入量、輸出量。（3）按照控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的定義，找出相應的各個環(huán)節(jié)。（4）按信息流動的方向將各個環(huán)節(jié)用元件方框和連線連接起來例1.1設電熱水器如下圖所示。為了保持希望的溫度，由溫控開關接通或斷開電加熱器的電源。在使用熱水時，水箱中流出熱水并補充冷水。試說明該系統(tǒng)工作原理并畫出系統(tǒng)的方框圖。解：在電熱水器系統(tǒng)中，水箱內的水溫需要控制，即水箱為被控對象。水的實際溫度是被控制量，或稱為系統(tǒng)的輸出量，設為；輸入量為用戶希望的溫度（給定值），設為；由于放出熱水并注入冷水或水箱散熱等原因而使水箱內水溫下降成為該系統(tǒng)的主要干擾。當To=Ti時，水箱的實際水溫經(jīng)測溫元件檢測，并將實際水溫轉化成相應的電信號，與溫控開關預先設定的信號進行比較而得到的偏差為零，此時電加熱器不工作，水箱中的水溫保持在希望的溫度上。當使用熱水并注入冷水時，水溫下降，此時To<Ti，則偏差不為零而使溫控開關工作。于是電源接通，電加熱器開始對水箱內的水進行加熱，使水溫上升，直到To=Ti時為止。系統(tǒng)控制方框圖如下圖所示：例1.2分析圖示液位自動控制系統(tǒng)工作原理并繪制系統(tǒng)功能框圖節(jié)流閥節(jié)流閥H(t)放大器+E+E.電動機減速器解：1、電位器滑動觸點位于中間位置，電動機停轉，閥門保持原有開度，水箱中流入水量與流出水量