機電控制工程基礎多媒體教學課件指導老師：葉俊杰副教授蘇玉鑫教授教材《機電控制工程基礎》主編：左鍵民副主編：盛英葉俊杰副教授

辦公室：北校區(qū)主樓3區(qū)249聯(lián)系方式：QQ:35402105ronkey6000@Tel二章控制系統(tǒng)的數學模型第一章緒論第三章控制系統(tǒng)的時域分析第四章控制系統(tǒng)的頻率特性分析第五章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析第六章控制系統(tǒng)的性能分析第七章控制系統(tǒng)的校正設計第九章線性離散控制系統(tǒng)機電控制工程基礎第一章緒論（一）控制系統(tǒng)的工作原理及組成（二）控制系統(tǒng)的基本類型（三）控制系統(tǒng)的基本要求（四）控制工程理論發(fā)展歷史基本要求：（1）了解控制系統(tǒng)的基本類型（2）了解對控制系統(tǒng)的基本要求及控制理論發(fā)展歷史（3）掌握控制原理及系統(tǒng)的組成重點：掌握反饋控制原理及系統(tǒng)組成第一章緒論

第一節(jié)控制系統(tǒng)的工作原理及其組成一、概述控制是指控制主體按照給定的條件和目標，對控制客體施加影響的過程和行為。自動控制就是在沒有人直接參與的條件下，利用控制裝置使被控對象（如機器、設備或生產過程）的某些物理量（或工作狀態(tài)）能自動地按照預定的規(guī)律變化或運行。隨著計算機迅速發(fā)展，為自動控制技術的應用開辟了廣闊的前景，使自動控制技術不僅大量應用于空間技術、科技、工業(yè)、交通管理等領域，而且自動控制的概念和分析問題的方法也向其它領域滲透。東風-41洲際導彈電動平衡車電信1號美國轟炸我國大使館現場

我們所見到的自動控制系統(tǒng)，其功用及其組成是多種多樣的，結構有簡有繁，它可以是只控制一個物理量（如溫度、壓力、電壓）的簡單系統(tǒng)；也可以是一個具體的工程系統(tǒng)，也可以是抽象的社會系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)或經濟系統(tǒng)等。自動控制技術的廣泛應用不僅能使生產設備或過程實現自動化，極大地提高勞動生產率和產品的質量，改善勞動條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展空間技術和改善人民生活條件等方面都起著極其重要的作用。自動控制是一門必不可少的科學技術。二、控制系統(tǒng)工作原理以恒溫控制系統(tǒng)為例，分析其控制過程。人工控制實現恒溫控制自動控制圖1-1人工控制的恒溫箱調整變壓器電壓調整熱量：[動態(tài)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。[實質]檢測偏差再糾正偏差。1.人工控制恒溫箱123Part1.2.1

控制系統(tǒng)的工作原理圖1-2恒溫箱的自動控制系統(tǒng)給定值（要求的溫度）—由給定信號電壓控制測量元件—熱電偶，把溫度轉換成對應的電壓信號放大元件—電壓、功率放大器執(zhí)行元件—執(zhí)行電動機受控對象—恒溫箱被控量—恒溫箱的溫度干擾—工件、環(huán)境溫度等偏差信號—當溫度偏低時，經放大器放大執(zhí)行電動機轉動減速器、調壓器動觸頭移動電流加大溫度升高溫度達到給定值2.恒溫箱自動控制系統(tǒng)人工恒溫箱：溫度計溫度偏差信號經電壓、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。[動態(tài)過程]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比較自動控制系統(tǒng)和人工控制系統(tǒng)測量裝置人的眼睛控制器人腦執(zhí)行機構人手

共同的特點：檢測偏差，并用檢測到的偏差去糾正偏差，偏差是通過反饋建立起來的。

控制系統(tǒng)的工作原理：

1）檢測輸出量的實際量；

2）將實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差值；

3）用偏差值產生控制調節(jié)作用去消除偏差。這種基于反饋原理，通過“檢測偏差再糾正偏差”的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的控制過程可以用系統(tǒng)的職能框圖清晰而形象地表示。反饋——輸出量的返回過程表示輸出量通過測量裝置將信號的全部或部分返回輸出端，使之與輸入量進行比較，比較產生的結果稱為偏差。在人工控制中，這一偏差是通過人眼觀測后，由人腦判斷、決策得出的；在自動控制系統(tǒng)中，偏差則是通過反饋，由控制器進行比較、計算產生的。[實質]檢測偏差糾正偏差圖1-3恒溫箱溫度自動控制系統(tǒng)職能方塊圖比較元件引出點信號方向方框表示元部件負號表示負反饋綜上所述控制系統(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。常用術語1.受控對象——被操縱的機器、設備2.控制裝置——對受控對象起控制作用的設備總體被控量（輸出量）——在工作過程中需要加以控制的物理量4.輸入量（給定值）——控制輸出量變化規(guī)律的信號5.擾動——除控制信號外，一切對系統(tǒng)輸出量產生影響的因素6.自動控制——在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱受控對象，使被控量等于希望值。干擾

三、開環(huán)控制與閉環(huán)控制

1.開環(huán)控制如果系統(tǒng)的輸出量沒有與其輸入量相比較，即系統(tǒng)的輸出與輸入量間不存在反饋通道，這種控制方式叫做開環(huán)控制。

開環(huán)控制系統(tǒng)

特點：結構簡單，所用的元器件少、成本低，系統(tǒng)一般也容易穩(wěn)定，但對工作過程中受到的擾動或特性參數的變化無法自動補償。應用：多用于系統(tǒng)結構參數穩(wěn)定和干擾較小的場合。如自動化流水線、自動洗衣機

1.閉環(huán)控制（又稱反饋控制）

反饋——輸出量回輸到輸入端并與給定值（輸入量）比較的過程。

無論是由干擾造成的，還是由結構參數的變化引起的，只要輸出量出現偏差，系統(tǒng)就自行糾偏?？刂菩盘栄厍跋蛲ǖ篮头答佂ǖ篱]路傳送，故稱閉環(huán)控制或反饋控制。

特點：1）能實現高精度控制

2）輸出量可能有較大的波動，嚴重時會使系統(tǒng)無法工作因系統(tǒng)按偏差調節(jié)，有時間延遲，輸出量的偏離不能立即得到修正，有可能使輸出量處于振蕩狀態(tài)，如果系統(tǒng)參數選擇不當，不僅不能修正偏離，反而會使偏離越來越大，系統(tǒng)無法工作。

四、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

圖1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

給定元件給定或輸入信號比較元件輸入和反饋信號偏差校正元件放大元件執(zhí)行元件反饋元件飛彈閉環(huán)控制系統(tǒng)非常復雜1）給定元件——產生給定信號或輸入信號，例如圖1-2中的熱電阻2）反饋元件——產生與輸出量有一定函數關系的反饋信號，例如圖1-2中的熱電偶,反饋元件一般為檢測元件3）比較元件——用來比較輸入信號與反饋信號之間的差值得到偏差信號，例如圖1-2

中電位計中差接的比較電路4）放大元件——對偏差信號進行放大的元件。放大元件的輸出一定要有足夠的能量，才能驅動執(zhí)行元件，實現控制功能例如電壓放大器,功率放大器5）執(zhí)行元件——直接對受控對象進行操作的元件例如伺服電動機、液壓（氣）馬達伺服液壓（氣）缸6）校正元件——為保證控制質量，使系統(tǒng)獲得良好的動、靜態(tài)性能而加入系統(tǒng)的元件串聯(lián)校正：串接在系統(tǒng)前向通道上反饋校正：接在系統(tǒng)的局部反饋通道中

第二節(jié)對控制系統(tǒng)的基本要求

控制系統(tǒng)應用于不同場合，對它有不同的性能要求。但從控制工程的角度來看，對控制系統(tǒng)卻有一些共同的要求，一般可歸結為穩(wěn)、快、準。1.穩(wěn)定性實際中，由于機械部分慣性，當系統(tǒng)各個參數分配不當時，將會引起系統(tǒng)的振動而失去工作能力穩(wěn)定性指系統(tǒng)能夠恢復平衡的能力系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)后應該隨著時間收斂最后回到平衡狀態(tài)動態(tài)過程（過渡過程）——系統(tǒng)受到外加信號作用后，輸出量隨時間t變化的全過程。

一種過渡過程是收斂的，即過渡過程結束后，系統(tǒng)又趨于平衡狀態(tài)，這類系統(tǒng)稱為穩(wěn)定的；

另一種過渡過程是發(fā)散的，這類系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定的；等幅振蕩也被認為是不穩(wěn)定的。顯然，系統(tǒng)穩(wěn)定是保證系統(tǒng)能正常工作的首要條件。

2.快速性指動態(tài)過程進行的時間長短，消除偏差的快速程度。（導彈系統(tǒng)）

穩(wěn)和快反應了系統(tǒng)在控制過程中的性能既快又穩(wěn)，則過程中輸出量偏離希望值小，偏離的時間短，系統(tǒng)的動態(tài)精度就高。要求系統(tǒng)具有有一定的響應速度

3.準確性過渡過程結束后，輸出量的希望值與實際值之差。數控機床的加工誤差小于0.02mm。一般恒速、恒溫控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差都在給定值的1%以內。

同一個系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準是相互制約的。提高快速性，可能會引起系統(tǒng)強烈振動。改善了平穩(wěn)性，控制過程又可能很遲緩，甚至精度也會變差。分析和解決這些矛盾，將是本學科討論的重要內容。

第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本類型

可以從不同角度對控制系統(tǒng)進行分類：按信號傳遞路徑，可分為開環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)

按輸入量的特征，可分為恒值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動（伺服）系統(tǒng)按系統(tǒng)中傳遞信號的形式，可分為連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)系統(tǒng)是否滿足疊加原理（齊次性、可加性），分為線性控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)根據系統(tǒng)部件的類型可分為機電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)

一、開環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)二.按輸入量的特征

1.恒值控制系統(tǒng)

2.程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量為常值系統(tǒng)的基本任務是當出現擾動時，使系統(tǒng)的輸出量保持為恒定的希望值。工業(yè)產生中的溫度、壓力、流量、液面等參數的控制電力系統(tǒng)的電網電壓、頻率控制等系統(tǒng)輸入量按預定規(guī)律變化，系統(tǒng)的控制過程按預定的程序進行。數控機床按預定程序自動地切削工件。

3.伺服系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量隨時間任意變化。系統(tǒng)輸出量常是機械位移、速度、加速度、力、力矩等機械量。系統(tǒng)的基本任務是使系統(tǒng)輸出量能快速、準確地跟隨輸入量變化。機械加工中的仿形機床。

武器裝備中的火炮自動瞄準系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)、導彈目標自動跟蹤系統(tǒng)位置隨動系統(tǒng)的原理圖直流隨動系統(tǒng)職能方塊圖誤差電壓Ue經放大器放大后供電給直流電動機，使之帶動負載和接收電位器的動臂一起旋轉，一直到θr=θc為止。電位器：位置的檢測元件，將位置信號轉換為電信號，并進行比較。放大器差動電橋三、連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)中各部分的信號若都是時間t

的連續(xù)函數，則稱這類系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)各部分的信號中只要有一個是時間t

的離散信號，則稱這種系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。脈沖和數碼都屬于離散信號。

計算機控制系統(tǒng)就是一種常見的離散控制系統(tǒng)。計算機只能接受和處理數字信號，計算機的輸出經D/A轉換加給放大器，然后再去驅動執(zhí)行元件，或由計算機直接輸出數字信號，經數字放大器后驅動數字式執(zhí)行元件。四、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)齊次性、可加性可用線性微分方程或差分方程描述的系統(tǒng)，稱為線性系統(tǒng)。如果微分方程或差分方程的系數為常數，則稱為線性定常系統(tǒng)；否則，稱為線性時變系統(tǒng)。用非線性方程描述的系統(tǒng)，稱為非線性系統(tǒng)。

第四節(jié)控制工程發(fā)展概況

控制工程是一門新型的技術科學，也是一門邊緣科學。從1788年瓦特（J.Watt)發(fā)明蒸汽機飛球調速器算起，控制工程也有了二百多年的歷史。然而，控制工程作為一門科學，它的形成并迅速發(fā)展卻是最近五六十年的事。早在一千多年以前，我國就先后發(fā)明了銅壺滴漏計時器等多種自動控制裝置，這些發(fā)明促進了當時社會經濟的發(fā)展。二次大戰(zhàn)期間，由于建造飛機自動駕駛儀、雷達跟蹤系統(tǒng)、火炮瞄準系統(tǒng)等軍事裝備的需要，推動了控制理論的飛躍發(fā)展。1948年威納（N.Wiener)發(fā)表了著名的《控制論》，從而基本上形成了經典控制理論，使控制工程有了扎實的理論支撐。二次世界大戰(zhàn)后，控制理論擴展到民用，在化工、煉油、冶金等工業(yè)部門得到了進一步的應用，控制理論也日漸成熟。1954年，我國科學家錢學森發(fā)表了《工程控制論》這一名著，為控制工程這門科學技術奠定了理論基礎。經典控制理論：以傳遞函數為基礎，研究單輸入、單輸出系統(tǒng)的分析和控制問題?，F代控制理論：以狀態(tài)空間法為基礎，研究多輸入、多輸出、時變、非線性等系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。20世紀50年代末和60年代，控制工程又出現了一個迅猛發(fā)展時期，這時由于導彈制導、數控技術、空間技術發(fā)展需要和計算機技術的成熟，控制理論發(fā)展到了一個新的階段，