1、課件,1,控 制 工 程 基 礎(chǔ),重慶科技學(xué)院 機械與動力工程學(xué)院,課件,2,機械與動力工程學(xué)院,楊叔子、楊克沖.機械工程控制基礎(chǔ)（第五版）.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005年7月。 熊良才、楊克沖.機械工程控制基礎(chǔ)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與題解.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002年4月。 朱驥北.機械控制工程基礎(chǔ) (第15版）.北京：機械工業(yè)出版社，2005年。 韓利竹、王華.MATLAB電子仿真與應(yīng)用（第一版）.北京：國防工業(yè)出版社，2001年。,參 考 教 材,課件,3,機械與動力工程學(xué)院,授課方法與考核方式,采用國家級精品課程資源華中科技大學(xué)機械控制工程基礎(chǔ)多媒體課件與老師補充課件相結(jié)合方式進行理論

2、教學(xué)。 實驗課程教學(xué)共有2次，利用MATLAB軟件來完成。 平時作業(yè)5次，占總評成績20；實驗2次，占總評成績10；期末考試占總評成績70。,課件,4,機械與動力工程學(xué)院,課程簡要內(nèi)容及學(xué)習(xí)的意義,控制理論經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論 “機械工程控制基礎(chǔ)”是控制論(Cybernetics)與機械工程技術(shù)理論之間的邊緣學(xué)科，側(cè)重介紹機械工程的控制原理，同時密切結(jié)合工程實際，是一門技術(shù)基礎(chǔ)課程。 機械制造技術(shù)發(fā)展的一個明顯而重要的趨勢是越來越廣泛而深入地引入了控制理論。 控制理論是一門非常重要的學(xué)科，而且也是科學(xué)方法論之一，控制工程理論強調(diào)用系統(tǒng)的、反饋的、控制的方法來分析研究工程實際問題。,課件,

3、5,機械與動力工程學(xué)院,學(xué)習(xí)目的和學(xué)習(xí)方法,學(xué)會運用控制理論的基本原理和思想方法，初步學(xué)會分析和研究機、電、液系統(tǒng)中信號的傳遞、反饋與控制，以及機、電、液系統(tǒng)的動態(tài)特性，并結(jié)合后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)，為將來在機械工程中解決一些實際問題打下一定的基礎(chǔ)。 需要大家具備良好的數(shù)學(xué)、力學(xué)、電學(xué)方面的基礎(chǔ)知識，還要有一定的機械工程方面的專業(yè)知識。需要大家認真對待每次的課后練習(xí)環(huán)節(jié)，認真對待實驗。,課件,6,機械與動力工程學(xué)院,主要內(nèi)容,緒論 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)的時間響應(yīng)分析 系統(tǒng)的頻率特性分析 系統(tǒng)的穩(wěn)定性,課件,7,機械與動力工程學(xué)院,第一章 緒論,課件,8,機械與動力工程學(xué)院,一、控制論概述,1.1 機

4、械工程控制論的研究對象與任務(wù),控制論是關(guān)于控制原理與控制方法的學(xué)科，它研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律。 首先創(chuàng)立控制論學(xué)科的是美國的數(shù)學(xué)家、信息理論家(Norbert Wiener)諾伯特維納，他于1948年發(fā)表了“控制論”。 控制論的中心思想通過信息的傳遞、加工處理并利用反饋來進行控制。,1 緒論,課件,9,機械與動力工程學(xué)院,二、機械工程控制論的研究對象,機械工程控制論實質(zhì)上是研究機械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題。 1. 系統(tǒng)與廣義系統(tǒng) 系統(tǒng)按一定規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。,廣義系統(tǒng)具備系統(tǒng)要素的一切事物或?qū)ο蟆?1 緒論,課件,10,機械與動力工程學(xué)院,系統(tǒng)有控制系統(tǒng)與非控制系統(tǒng)兩大類

5、 非控制系統(tǒng)：那些僅僅具有開、關(guān)兩種狀態(tài)的系統(tǒng)。如，攪拌機； 教室里的照明系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)：就是指系統(tǒng)的可變輸出，能按照要求由參考輸入或控制輸入進行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。 如，數(shù)控機床進給系統(tǒng)； 空調(diào)；,1 緒論,全自動照相機的閃光系統(tǒng)； 液面自動調(diào)節(jié)器。,自動控制系統(tǒng),人工控制系統(tǒng),課件,11,機械與動力工程學(xué)院,2. 動力學(xué)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)歷由系統(tǒng)內(nèi)部的固有特性（由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定）所決定的動態(tài)歷程（輸出或響應(yīng)）。 這一過程中，系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系即為系統(tǒng)的動力學(xué)問題。 機械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)及其輸入、輸出三者

6、之間的動態(tài)關(guān)系。 例1-1：彈簧質(zhì)量阻尼單自由度系統(tǒng)（華中課件）,1 緒論,課件,12,機械與動力工程學(xué)院,三、機械工程控制論的研究任務(wù) 從系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系出發(fā)，根據(jù)已知條件與求解問題的不同，機械工程控制論的研究任務(wù)可以分為以下五種：,(1)系統(tǒng)分析問題：已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的響應(yīng)（或輸出），并通過響應(yīng)來研究系統(tǒng)本身的問題； (2) 最優(yōu)控制問題：已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，設(shè)計輸入； (3) 最優(yōu)設(shè)計問題：已知輸入和理想輸出時，設(shè)計系統(tǒng)； (4) 濾波與預(yù)測問題：輸出已知，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸入中的有關(guān)信息； (5) 系統(tǒng)辨識問題：已知系統(tǒng)的輸入與輸出，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參

7、數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。,1 緒論,課件,13,機械與動力工程學(xué)院,1.2 系統(tǒng)及其模型,一、系統(tǒng) 系統(tǒng)具有如下特性：,系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關(guān)，而且還與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)； 系統(tǒng)的內(nèi)容比組成系統(tǒng)的各元素的內(nèi)容要豐富很多； 系統(tǒng)往往具有表現(xiàn)出在時間域、頻率域或空間域等域內(nèi)的動態(tài)特性。,1 緒論,課件,14,機械與動力工程學(xué)院,二、機械系統(tǒng) 機械系統(tǒng)以實現(xiàn)一定的機械運動，承受一定的機械載荷為目的，由機械元件組成的系統(tǒng)。 輸入激勵（外界對系統(tǒng)的作用，如載荷等） 輸出響應(yīng)（系統(tǒng)對外界的作用，如變形、位移） 控制輸入人為地、有意識地加上去； 激勵 擾動偶然因素產(chǎn)生而一般無法完全人為 控制的。（干擾

8、）,1 緒論,課件,15,機械與動力工程學(xué)院,三、系統(tǒng)的模型,定義是研究系統(tǒng)、認識系統(tǒng)、描述系統(tǒng)與分析系統(tǒng)的一種 工具。 種類實物模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型等。 數(shù)學(xué)模型定量地描述系統(tǒng)的動態(tài)性能，揭示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)與動態(tài)性能之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式。 靜態(tài)模型：反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下 或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性； 數(shù)學(xué)模型 動態(tài)模型：用于研究系統(tǒng)在迅變載荷作用下或在系 統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性。 在一定條件下，動態(tài)模型可以轉(zhuǎn)換為靜態(tài)模型。,1 緒論,課件,16,機械與動力工程學(xué)院,靜態(tài)模型代數(shù)公式描述； 動態(tài)模型微分方程或差分方程來描述。,動態(tài)模型是描述系統(tǒng)的動態(tài)歷程的。機械工程控制論研究的

9、是機械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題，所以往往需要采用動態(tài)數(shù)學(xué)模型，即需要建立微分方程或差分方程來描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。,1 緒論,課件,17,機械與動力工程學(xué)院,1.3 反饋,一、反饋的定義,系統(tǒng)的輸出不斷直接或經(jīng)過中間變換后全部或部分地返回到輸入端，并與輸入共同作用于系統(tǒng)的過程。 系統(tǒng)之所以有動態(tài)歷程，系統(tǒng)及其輸入、輸出之間之所以有動態(tài)關(guān)系，就是由于系統(tǒng)本身存在著信息的反饋。 二、反饋的種類 1. 內(nèi)反饋與外反饋（華中課件） 例1-2：發(fā)動機離心調(diào)速系統(tǒng) 例1-3：質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng),1 緒論,課件,18,機械與動力工程學(xué)院,在這兩個例子，反饋在本質(zhì)上都是信息的傳遞與交互。但從具體形式上看，則

10、有所不同。,對于發(fā)動機離心調(diào)速系統(tǒng)來說，離心調(diào)速器是人為附加的反饋控制裝置，其目的在于抵抗由于負載變化這一干擾引起的輸出軸轉(zhuǎn)速的變化。這種反饋稱為外反饋。 而質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)中存在的反饋則為內(nèi)反饋。這種反饋是系統(tǒng)內(nèi)部的信息交互，反映了系統(tǒng)內(nèi)部各元素之間互為因果的聯(lián)系關(guān)系，反映了系統(tǒng)的動態(tài)特性。,1 緒論,課件,19,機械與動力工程學(xué)院,內(nèi)反饋：在系統(tǒng)或過程中存在的各種自然形成的反饋。是系統(tǒng)內(nèi)部各個元素之間相互耦合的結(jié)果，是造成機械系統(tǒng)存在一定的動態(tài)特性的根本原因。 外反饋：在控制系統(tǒng)中，為達到某種控制目的而人為加入的反饋。 2. 負反饋與正反饋 負反饋：輸出偏離設(shè)定值時，反饋作用使輸出偏離程度

11、減小，并力圖達到設(shè)定值。（求偏與糾偏） 正反饋：輸出偏離設(shè)定值時，反饋作用使輸出偏離程度加劇。,1 緒論,課件,20,機械與動力工程學(xué)院,三、反饋控制系統(tǒng)及其組成,在工程技術(shù)領(lǐng)域中，越來越多地采用了自動控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，往往有著“反饋控制”。這里所說的反饋是指外反饋與負反饋的過程。 1. 定義 一般在自動控制系統(tǒng)中，偏差是基于反饋建立起來的 。自動控制的過程就是“測偏與糾偏”的過程，這一原理又稱為反饋控制原理。利用此原理組成的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)。 反饋控制是實現(xiàn)自動控制的最基本的方法。,1 緒論,課件,21,機械與動力工程學(xué)院,2. 反饋控制和自動控制的關(guān)系 自動控制系統(tǒng)一定具有反饋控

12、制; 而具有反饋控制的系統(tǒng)不一定是自動控制系統(tǒng)，它可以是人工控制系統(tǒng)。,3. 反饋控制系統(tǒng)的組成（華中課件）,1 緒論,課件,22,機械與動力工程學(xué)院,閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的比較 閉環(huán)系統(tǒng)抗干擾能力強，有自動糾偏的能力；較開環(huán)系統(tǒng)的精度高；設(shè)計時要著重考慮穩(wěn)定性問題，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，設(shè)計與制造較困難。主要用于精度要求高的系統(tǒng)中。精度和穩(wěn)定性之間的矛盾是閉環(huán)系統(tǒng)存在的主要矛盾。 開環(huán)系統(tǒng)無抗干擾能力，不能自動糾偏；精度較低；結(jié)構(gòu)較簡單，容易實現(xiàn)。主要用于精度要求不太高的場合。,1.4 控制系統(tǒng)的分類（華中課件）,1 緒論,課件,23,機械與動力工程學(xué)院,穩(wěn)、快、準（華中課件） 穩(wěn)定性的要求是控制系統(tǒng)

13、正常工作的首要條件，而且是最重要的條件。任何一個控制系統(tǒng)，要想完成令人滿意的工作，首先應(yīng)該是穩(wěn)定的，也就是說應(yīng)該具有這樣的性質(zhì)：輸出量對給定輸入量的偏離應(yīng)該隨著時間的增長逐漸趨近于恒定值?？梢哉f，穩(wěn)定的系統(tǒng)才是有意義的系統(tǒng)。,1.5 對控制系統(tǒng)的基本要求,1 緒論,課件,24,機械與動力工程學(xué)院,如果用輸出響應(yīng)曲線來表示，系統(tǒng)自由響應(yīng)曲線收斂的系統(tǒng)為穩(wěn)定的系統(tǒng)，反之，自由響應(yīng)呈等幅振蕩或發(fā)散的系統(tǒng)則是非穩(wěn)定系統(tǒng)。,1 緒論,課件,25,機械與動力工程學(xué)院,1.6 控制理論發(fā)展的簡單回顧,我國很早就發(fā)明了自動定向指南車及各種天文儀器等自動裝置； 1. 1788年，瓦特（JWatt）發(fā)明了蒸氣機自

14、動調(diào)速器； 2. 1868年，麥克斯韋爾（JCMaxwell）在“論調(diào)速器”一文中， 首先提出了反饋控制的概念； 3. 1895年，勞斯(Routh)和胡爾維茨(Hurwitz)導(dǎo)出了著名的穩(wěn) 定性判據(jù)，用代數(shù)方法定量的描述系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 4. 1932年，奈奎斯特(HNyquist)創(chuàng)立了穩(wěn)定性判據(jù)及“穩(wěn)定裕 量”的概念； 5. 1945年，波德(HWBode)創(chuàng)立了“頻率法” ； 6. 1948年，依萬斯(WREvans)創(chuàng)立了“根軌跡法”; 到此，“經(jīng)典控制理論”已經(jīng)比較完善，并在各行業(yè)中廣泛 地應(yīng)用這些理論 ，促進了控制工程的發(fā)展。,1 緒論,課件,26,機械與動力工程學(xué)院,1948年，美國數(shù)學(xué)家、信息理論家諾伯特維納(Norbert Wiener)首創(chuàng)了控制論(Cybernetics) 這個名詞，他認為，到那時為止，反饋理論已可以解決許多生物控