机械控制工程基础

控控 制制 工工 程程 基基 础础主讲教师：王晓云主讲教师：王晓云参考教材1 1 杨杨叔子、叔子、杨杨克冲克冲.机械工程控制基机械工程控制基础础（第五版）（第五版）.武武汉汉：华华中科技大学出版社，中科技大学出版社，_年年_月月22熊良才、熊良才、杨杨克冲克冲.机械工程控制基机械工程控制基础础学学习辅导习辅导与与题题解解.武武汉汉：华华中科技大学出版社，中科技大学出版社，_年年_月月33朱朱骥骥北北.机械控制工程基机械控制工程基础础(第第1515版）版）.北京：北京：机械工机械工业业出版社，出版社，_年年44董景新、董景新、赵长赵长德德.控制工程基控制工程基础础(第第3 3版）版）.北京：北京：清清华华大学出版社，大学出版社，_年年_月月55刘叔刘叔军军、樊京、樊京.MATLABMATLAB控制系控制系统应统应用与用与实实例例.北北京：清京：清华华大学出版社，大学出版社，_年年_月月 授课方式与考核方式授授课方式方式 以以电子工子工业出版社、玄兆燕出版社、玄兆燕编写的写的机械工程控机械工程控制基制基础为指指导，利用多媒体，利用多媒体课件件为主、板主、板书为辅进行理行理论教学；教学；利用利用MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink软件开展件开展实验教学。教学。考核方式考核方式 平平时作作业5 5次，占次，占总评成成绩的的20%20%；实验2 2次，占次，占总评成成绩的的10%10%；期末期末闭卷考卷考试，占，占总评成成绩的的70%70%。出勤率低于出勤率低于1/31/3取消期末考取消期末考试资格。格。课程性质控制控制论经典控制理典控制理论现代控制理代控制理论本课程的主要内容本课程的主要内容“机械控制工程基机械控制工程基础”是控制是控制论(Cybernetics)(Cybernetics)与机械与机械工程技工程技术理理论之之间的的边缘学科，学科，侧重介重介绍机械工程的控机械工程的控制原理，同制原理，同时密切密切结合工程合工程实际，是一，是一门技技术基基础课程程。机械制造技机械制造技术发展的一个明展的一个明显而重要的而重要的趋势越越来越广泛而深入地引入了控制理来越广泛而深入地引入了控制理论。数控机床、工业机器人、机床动态分析与测试、电气液压伺服系统数控机床、工业机器人、机床动态分析与测试、电气液压伺服系统是是科学方法科学方法论之一，之一，强调用用系系统的、反的、反馈的、控制的的、控制的方法来分析研究工程方法来分析研究工程实际问题。课程任务与学习要求课程任程任务 通通过课程教学，使学生掌握程教学，使学生掌握经典控制理典控制理论的基本的基本原理和思想方法，初步培养原理和思想方法，初步培养进行系行系统分析与校正的能分析与校正的能力，力，结合后合后续专业课程的学程的学习，为将来在机械将来在机械电子工子工程中解决一些程中解决一些实际问题打下一定的基打下一定的基础。学学习要求要求 需要大家具需要大家具备一定的数学、力学、一定的数学、力学、电学方面的基学方面的基础知知识，还要有一定的机械工程方面的要有一定的机械工程方面的专业知知识。需。需要大家要大家认真真对待每次的待每次的课后后练习环节。主要教学内容主要教学内容机机械械控控制制工工程程基基础基基础知知识工程工程应用用分析方法分析方法基本概念基本概念控制系控制系统结构体系构体系控制系控制系统数学模型数学模型时域分析域分析频域分析域分析系系统稳定性判据定性判据系系统性能指性能指标系系统校正校正绪论 （2学学时）拉普拉斯拉普拉斯变换（2学学时）系系统的数学模型的数学模型 （8+2学学时）系系统的的时间响响应分析分析 （8+2学学时）系系统的的频率特性分析率特性分析 （8+2学学时）系系统的的稳定性定性（4学学时）复复习 （2学学时）课程章节课程章节第一章第一章 绪绪 论论1.1 1.1 机械工程控制机械工程控制论的研究的研究对象与任象与任务 1.2 1.2 系系统及其模型及其模型 1.3 1.3 反反馈 1.4 1.4 系系统的分的分类及及对控制系控制系统的基本要的基本要求求 本章教学大本章教学大纲1.1.了解机械工程控制了解机械工程控制论的基本概念、研究的基本概念、研究对象与任象与任务；2.2.掌握系掌握系统、模型、反、模型、反馈、偏差等基本概念；、偏差等基本概念；3.3.掌握反掌握反馈控制系控制系统工作原理的分析；工作原理的分析；4.4.掌握控制系掌握控制系统的的组成、分成、分类及基本性能要求。及基本性能要求。u教学重点：反教学重点：反馈的基本概念、控制系的基本概念、控制系统工作原理分析、工作原理分析、控制系控制系统的分的分类第一章第一章 绪论绪论本章教学大纲本章教学大纲第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制机械工程控制论的研究的研究对象与任象与任务一、控制一、控制论概述概述 控制控制论是关于控制原理与控制方法的学科，它研究是关于控制原理与控制方法的学科，它研究事物事物变化和化和发展的一般展的一般规律。律。“控制控制论”的两个核心是信息的两个核心是信息论和反和反馈控制。控制。首先首先创立控制立控制论学科的是美国的数学家、信息理学科的是美国的数学家、信息理论家家(Norbert WienerNorbert Wiener)诺伯特伯特维纳，他于，他于19481948年年发表表了了“控制控制论”。1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论控制控制论经济学学社会学社会学生物学生物学工程技工程技术经济控制控制论社会控制社会控制论生物控制生物控制论工程控制工程控制论机械工程机械工程机械工程控制机械工程控制论控制控制论与其它学科与其它学科结合，形成众多的分支学科。合，形成众多的分支学科。控制控制论的中心思想的中心思想通通过信息的信息的传递、加工、加工处理理并利用反并利用反馈来来进行控制。行控制。1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论 19541954年我国科学家年我国科学家钱学森学森出版出版专著著工程控制工程控制论(英文版英文版)，首先把控制，首先把控制论推广到工程技推广到工程技术领域。域。机械工程控制机械工程控制论研究研究机械工程技机械工程技术中广中广义系系统的的动力学力学问题研究的研究的对象象：系：系统（广（广义系系统）研究的研究的任任务：动力学力学问题研究的研究的领域域：机械工程：机械工程领域域二、机械工程控制二、机械工程控制论的研究的研究对象象1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论 系系统按一定按一定规律律联系在一起的元素的集合系在一起的元素的集合系系统的要素的要素元素元素元素之元素之间的的联系系系系统与外界的交互作用与外界的交互作用外界外界对系系统的作用的作用系系统对外界的作用外界的作用输入入(激励激励)干干扰(扰动)输出出(响响应)系系统的框的框图1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论 机械工程中的广机械工程中的广义系系统:元件、部件、元件、部件、仪器、器、设备;加工加工过程、操作程、操作设备、测量量;车间、部、部门、工厂、企、工厂、企业、企企业集集团、全球制造行、全球制造行业等等 如如:机器系机器系统生命系生命系统社会社会经济系系统生生产系系统思思维、学、学习、工作、工作 广广义系系统具具备系系统要素的一切事物或要素的一切事物或对象象1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论系系统非控制系非控制系统控制系控制系统人工控制系人工控制系统自自动控制系控制系统 非控制系非控制系统仅具有由人工开、关两种状具有由人工开、关两种状态的系的系统如：如：搅拌机拌机（视频链接接）教室里的照明系教室里的照明系统 控制系控制系统系系统的可的可变输出，能按照要求由参考出，能按照要求由参考输入或控制入或控制输入入进行行调节的系的系统1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论如如:空空调加加热电阻阻丝220V调压器器人工控制的恒温箱人工控制的恒温箱 温度温度计自自动控制系控制系统教室中的教室中的风扇扇人工控制系人工控制系统1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论加加热电阻阻丝220V调压器器热电偶偶给定信号定信号比比较电压放大器放大器功率功率放大器放大器执行行电动机机减速器减速器u2u1 u u恒温箱自恒温箱自动控制系控制系统1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论根据自己的生活和学根据自己的生活和学习经验，列，列举控制系控制系统的例子的例子问题：1）普通全自）普通全自动洗衣机洗衣机 2）全自）全自动照相机的照相机的闪光系光系统、调焦系焦系统 3）饮水机，微波炉水机，微波炉 4）抽水）抽水马桶水箱的液面自桶水箱的液面自动调节器器液面控制液面控制1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论生物、医学、生物、医学、环境、境、经济管理等其它管理等其它机器人、机器人、导弹制制导、核、核动力等高新力等高新领域域宇航：火箭、宇航：火箭、飞船、船、卫星星道路交通：信号灯控制、道路交通：信号灯控制、车牌自牌自动识别日常：冰箱、洗衣机、空日常：冰箱、洗衣机、空调农业：恒温大棚、：恒温大棚、农业自自动化机械化机械应用范用范围工工业：数控机床、：数控机床、轧钢机、恒温箱等机、恒温箱等1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论蒸汽机离心蒸汽机离心调速器速器工工业：1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论数控机床数控机床进给系系统模模拟图1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务在在农业机械机械领域的域的应用用第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务在日常生活中的在日常生活中的应用用第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务道路交通的道路交通的应用用车牌自牌自动识别第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论人形机器人人形机器人1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务勇气号火星探测器（美国，勇气号火星探测器（美国，20042004）第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论自自动火炮、火炮、导弹制制导等高新等高新领域的域的应用用1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论在雷达在雷达领域的域的应用用1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务海洋探海洋探测机器人机器人19901990年日本海洋科技中心年日本海洋科技中心 研制的研制的“海沟号海沟号”缆控式控式无人潜水器（左）及其在大海中工作无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）的情况（右）第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论瑞典博福斯公司研制的瑞典博福斯公司研制的“双双鹰”水下水下扫雷机器人雷机器人 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论 恒温恒湿恒温恒湿试验箱又名箱又名环境境试验箱，箱，实验各种材料的耐各种材料的耐热、耐寒、耐寒、耐干、耐湿性能。适合耐干、耐湿性能。适合电子、子、电器、食品、器、食品、车辆、金属、化学、金属、化学、建材等建材等实验1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务三、机械工程控制三、机械工程控制论的研究任的研究任务第一章第一章 绪论绪论 动力学力学问题 机械工程技机械工程技术中的广中的广义系系统在一定的在一定的外外界条件作用界条件作用下，从一定的初始状下，从一定的初始状态出出发，经历由其内由其内部的部的固有特性固有特性所决定的整个所决定的整个动态历程；程；研究研究这一一过程中，系程中，系统及其及其输入、入、输出三者之出三者之间的的动态关系。关系。即即输入或激励，包括外加控制与外界干入或激励，包括外加控制与外界干扰即由系即由系统的的结构与参数所决定的特性构与参数所决定的特性 下面，我下面，我们通通过一个一个简单的例子，的例子，让大家更深刻的理解大家更深刻的理解“机械工程控制机械工程控制论的研究任的研究任务”这一一问题。1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论同一同一系系统，不同的不同的输入入例例1-1 1-1 弹簧簧-质量量-阻尼阻尼单自由度系自由度系统 系系统（a a）系系统（b b）m-c-km-c-k单自由度系自由度系统1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论（a）（b）整理得：整理得：（a a）解：解：（b b）解：解：动力学方程：力学方程：y(t)即微分方程的解，它是由即微分方程的解，它是由系系统的初始条件、的初始条件、系系统的的固有特性、固有特性、系系统的的输入入及及系系统与与输入之入之间的关系的关系所决定。所决定。系统的固有特性系统的固有特性:mp +cp+k2系统与外界之间的关系系统与外界之间的关系:1，cp+k系统对输入的响应（系统的输出）：系统对输入的响应（系统的输出）：y(t)系统的输入或激励系统的输入或激励:f(t)，x(t)代表了系代表了系统在一定外界条件下的在一定外界条件下的动态历程程令令 p=d/dt（微分算子）（微分算子）系系统(a)(a)(mp+cp+k)y(t)=f(t)系系统(b)(b)(mp+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t)221.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论问题：1.1.系系统的的输入与系入与系统的固有特性如何影响的固有特性如何影响y(t)？三者之三者之间表表现为何种关系？何种关系？2.2.系系统确定并已知确定并已知时，对系系统施加何种施加何种输入，入，能使系能使系统实现预期的响期的响应（即（即y(t)）？）？3.3.对于确定的于确定的输入，系入，系统应具有什么特性，具有什么特性，才能使系才能使系统实现预期的响期的响应？求求输出出求求输入入求系求系统(结构参数构参数)基本的基本的动力学力学问题1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论研究任研究任务:(1)(1)系系统分析分析问题(2)(2)最最优控制控制问题(3)(3)最最优设计问题(4)(4)滤波与波与预测问题(5)(5)系系统辨辨识问题已知系已知系统和和输入，求系入，求系统的响的响应(或或输出出)，并通并通过响响应来研究系来研究系统本身的本身的问题已知系已知系统和系和系统的理想的理想输出，出，设计输入入已知已知输入和理想入和理想输出出时，设计系系统输出已知，确定系出已知，确定系统，以，以识别输入或入或输入中的的有关信息入中的的有关信息已知系已知系统的的输入与入与输出，求系出，求系统的的结构构与参数，即建立系与参数，即建立系统的数学模型的数学模型1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论1.2 1.2 系系统及其模型及其模型一、系一、系统 系系统具有如下特性：具有如下特性：(1)(1)系系统的性能不的性能不仅与系与系统的元素有关，而且的元素有关，而且还与系与系统的的结构有关；构有关；(2)(2)系系统的内容比的内容比组成系成系统的各元素的内容要丰富很多的各元素的内容要丰富很多;(3)(3)系系统往往具有表往往具有表现在在时间域、域、频率域或空率域或空间域等域等领域内的域内的动态特性。特性。1.2 1.2 系系统及其模型及其模型1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型第一章第一章 绪论绪论二、机械系二、机械系统 定定义以以实现一定的机械运一定的机械运动，承受一定的机械，承受一定的机械载荷荷为目的，由机械元件目的，由机械元件组成的系成的系统。如：如：切削加工切削加工过程程工件工件操作者操作者当研究某台机床当研究某台机床切削加工切削加工过程程中的中的动力学力学问题时；当研究此台机床加工的当研究此台机床加工的工件工件的某些的某些质量指量指标时；当研究此台机床的当研究此台机床的操作者操作者在加工在加工过程中的作用程中的作用时；输入入激励（外界激励（外界对系系统的作用，如的作用，如载荷等）荷等）输出出响响应（系（系统对外界的作用，如外界的作用，如变形、位移）形、位移）1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型第一章第一章 绪论绪论激激励励控制控制输入入人人为地、有意地、有意识地加上去；地加上去；扰动偶然因素偶然因素产生而一般无法完全人生而一般无法完全人为 控制的（干控制的（干扰）；）；三、数学模型三、数学模型 模型的定模型的定义研究系研究系统、认识系系统、描述系、描述系统与分与分析系析系统的一种工具。的一种工具。模型的种模型的种类实物模型、物理模型和数学模型等。物模型、物理模型和数学模型等。1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型第一章第一章 绪论绪论 数学模型数学模型定量地描述系定量地描述系统的的动态性能，揭示系性能，揭示系统的的结构、参数与构、参数与动态性能之性能之间关系的数学表达式。关系的数学表达式。数数学学模模型型静静态模型模型动态模型模型 反映系反映系统在恒定在恒定载荷或荷或缓变载荷作用下或在系荷作用下或在系统平衡状平衡状态下的特性；下的特性；用于研究系用于研究系统在迅在迅变载荷作用荷作用下或在系下或在系统不平衡状不平衡状态下的特性；下的特性；在一定条件下，在一定条件下，动态模型可以模型可以转换为静静态模型。模型。代数公式描述代数公式描述微分方程或差分方程来描述微分方程或差分方程来描述 动态模型是描述系模型是描述系统的的动态历程的，机械工程控制程的，机械工程控制论研究的是机械工程技研究的是机械工程技术中广中广义系系统的的动力学力学问题，所以往往需要采用所以往往需要采用动态数学模型，即需要建立微分方数学模型，即需要建立微分方程或差分方程来描述系程或差分方程来描述系统的的动态特性。特性。1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型第一章第一章 绪论绪论1.3 1.3 反反馈一、反一、反馈的定的定义反反馈是机械工程控制是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念中一个最基本、最重要的概念 系系统的的输出不断直接或出不断直接或经过中中间变换后全部或部分后全部或部分地返回到地返回到输入端，并与入端，并与输入共同作用于系入共同作用于系统的的过程。程。系系统之所以有之所以有动态历程，系程，系统及其及其输入、入、输出之出之间之所之所以有以有动态关系，就是由于系关系，就是由于系统本身存在着信息的反本身存在着信息的反馈。二、反二、反馈的种的种类1.1.内反内反馈与外反与外反馈例例1-2 1-2 发动机离心机离心调速系速系统 例例1-3 1-3 质量量-弹簧簧-阻尼阻尼单自由度系自由度系统1.3 1.3 反馈反馈2.2.正反正反馈与与负反反馈第一章第一章 绪论绪论例例1-2 1-2 发动机离心机离心调速系速系统 控制原理：控制原理：如果如果负载变化使化使增大，增大，离心机构滑套上移离心机构滑套上移 液液压滑滑阀上移，上移，动力力活塞下移，油活塞下移，油门关小，关小，减减小小 直到滑直到滑阀回复到中位，回复到中位，回到回到设定定值 通通过离心机构离心机构检测系系统的的实际输出出值，并与，并与设定定值进行比行比较，反，反过来作用于系来作用于系统，形成，形成反反馈，进而而调节系系统的的输出。出。发动机离心机离心调速系速系统结构原理构原理简图1.3 1.3 反馈反馈第一章第一章 绪论绪论例例1-3 1-3 质量量-弹簧簧-阻尼阻尼单自由度系自由度系统 m-c-k 单自由度系自由度系统结构原理构原理图动力学方程：力学方程：或或即即m-c-k 单自由度系自由度系统方框方框图信息交互（反信息交互（反馈）1.3 1.3 反馈反馈第一章第一章 绪论绪论 在在这两个例子，反两个例子，反馈在本在本质上都是上都是信息的信息的传递与与交互交互。但从具体形式上看，。但从具体形式上看，则有所不同。有所不同。对于于发动机离心机离心调速系速系统来来说，离心，离心调速器是速器是人人为附加附加的反的反馈控制装置，其目的在于抵抗由于控制装置，其目的在于抵抗由于负载变化化这一干一干扰引起的引起的输出出轴转速的速的变化。化。这种反种反馈称称为外反外反馈。而而质量量弹簧阻尼系簧阻尼系统中存在的反中存在的反馈则为内反内反馈。这种反种反馈是是系系统内部内部的信息交互，反映了系的信息交互，反映了系统内部内部各元素之各元素之间互互为因果的因果的联系关系，反映了系系关系，反映了系统的的动态特性。特性。1.3 1.3 反馈反馈第一章第一章 绪论绪论(1)(1)内反内反馈 在系在系统或或过程中存在的各种自然形成的反程中存在的各种自然形成的反馈。是。是系系统内部各个元素之内部各个元素之间相互耦合的相互耦合的结果，是造成机械果，是造成机械系系统存在一定存在一定动态特性的根本原因。特性的根本原因。(2)(2)外反外反馈 在控制系在控制系统中，中，为达到某种控制目的而人达到某种控制目的而人为加入加入的反的反馈。生活小生活小实例：生病例：生病 生病生病看病看病吃吃药、打、打针、手、手术恢复健康恢复健康 生病生病自身自身调节恢复健康恢复健康外反外反馈内反内反馈1.3 1.3 反馈反馈第一章第一章 绪论绪论2.2.负反反馈与正反与正反馈(1)(1)负反反馈 输出出偏离偏离设定定值时，反，反馈作用使作用使输出偏离程度减出偏离程度减小，并力小，并力图达到达到设定定值。被控量被控量目目标值如：如：发动机离心机离心调速系速系统 液面自液面自动调节器器 数控机床数控机床进给伺服系伺服系统 动物捕食物捕食 火炮自火炮自动瞄准瞄准 学学习和工作中的和工作中的负反反馈测偏与偏与纠偏偏1.3 1.3 反馈反馈第一章第一章 绪论绪论(2)(2)正反正反馈 输出偏离出偏离设定定值时，反，反馈作用使作用使输出偏离程度加出偏离程度加剧。如：如：疾病疾病 自激振自激振荡器器 机器疲机器疲劳破坏破坏 火火药爆炸、爆炸、热核反核反应 学学习和工作中的正反和工作中的正反馈1.3 1.3 反馈反馈第一章第一章 绪论绪论三、反三、反馈控制系控制系统及其及其组成成 在工程技在工程技术领域中，越来越多地采用了自域中，越来越多地采用了自动控制系控制系统。在。在这种系种系统中，往往有着中，往往有着“反反馈控制控制”。1.1.定定义 一般在自一般在自动控制系控制系统中，偏差是基于反中，偏差是基于反馈建立起建立起来的来的。自。自动控制的控制的过程就是程就是“测偏与偏与纠偏偏”的的过程，程，这一原理又称一原理又称为反反馈控制原理控制原理。利用此原理。利用此原理组成的系成的系统称称为反反馈控制系控制系统。它具。它具备测量、比量、比较和和执行三个行三个基本功能。基本功能。反反馈控制是控制是实现自自动控制的最基本的方法。控制的最基本的方法。没有反没有反馈就无法就无法测量偏差，就无法根据偏差自量偏差，就无法根据偏差自动控制控制系系统纠正偏差正偏差1.3 1.3 反馈反馈第一章第一章 绪论绪论例：例：发动机离心机离心调速系速系统发动机离心机离心调速系速系统结构原理构原理简图被控被控对象：象：发动机机被控量：被控量：转速速被控量的目被控量的目标值设定：定：预紧弹簧簧设定定控制信息控制信息传递与反与反馈：转速速离心机构离心机构(检测或感知）或感知）偏差偏差杠杆杠杆液液压比例控制器比例控制器油油门1.3 1.3 反馈反馈第一章第一章 绪论绪论表示系表示系统结构与工作原理的物理框构与工作原理的物理框图：离心离心调速系速系统控制方框控制方框图比比较控制器控制器检测被控被控对象象执行行运算放大运算放大控制部分控制部分被控部分被控部分1.3 1.3 反馈反馈第一章第一章 绪论绪论2.2.反反馈控制系控制系统的的组成成 典型的反典型的反馈控制系控制系统包括包括给定定环节、测量量环节、比、比较环节、放大运算、放大运算环节、执行行环节、被控、被控对象等。象等。每个每个组成部分的含成部分的含义见教材教材P:6P:6尽管不同的反尽管不同的反馈控制系控制系统是由是由许多起着不同作用的多起着不同作用的环节组成，但都可以看成是由成，但都可以看成是由控制部分控制部分和和被控部分被控部分组成。成。反反馈控制系控制系统的的组成成1.3 1.3 反馈反馈第一章第一章 绪论绪论1.4 1.4 系系统的分的分类及及对控制系控制系统的基本要求的基本要求一、控制系一、控制系统的几种分的几种分类 1.1.按系按系统结构（反构（反馈情况）情况）开开环控制系控制系统 闭环控制系控制系统:系系统没有反没有反馈回路回路 系系统的的输出出对系系统没有控制作没有控制作用用:系系统有反有反馈回路回路 系系统的的输出出对系系统有控制作用有控制作用1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第一章第一章 绪论绪论如：步如：步进电机机驱动的数控机床的数控机床开开环控制系控制系统、普通洗衣机、普通洗衣机、家用、家用电烤箱、微波炉烤箱、微波炉步步进电机机驱动的数控机床原理的数控机床原理图步步进电机机驱动的数控机床开的数控机床开环控制系控制系统方框方框图1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第一章第一章 绪论绪论闭环控制系控制系统如：伺服如：伺服电机机驱动的数控机床的数控机床、离心、离心调速系速系统、恒温箱、恒温箱(冰箱、空冰箱、空调)伺服伺服电机机驱动的数控机床原理的数控机床原理图伺服伺服驱动的数控机床的数控机床闭环控制系控制系统方框方框图1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求按按有有无无反反馈无无有有开开环系系统闭环系系统优点：构造点：构造简单，成本低。，成本低。缺点：无抗干缺点：无抗干扰能力，不能自能力，不能自 动纠偏，控制精度偏，控制精度较低。低。优点：抗干点：抗干扰能力能力强，稳态 精度高，精度高，动态精度好精度好。缺点：构造复缺点：构造复杂，设计与制造与制造 较困困难，成本，成本较高。高。第一章第一章 绪论绪论1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第一章第一章 绪论绪论 2.2.按按输出量的出量的变化化规律律 自自动调节系系统（恒（恒值系系统）：系：系统的的输出保持常量出保持常量 随随动系系统（伺服系（伺服系统）：系：系统的的输出相出相应于于输入按入按 任意任意规律律变化化 程序控制系程序控制系统：系：系统的的输出按出按预定程序定程序变化化此此类系系统同同时也是也是闭环系系统此此类系系统同同时也是也是闭环系系统此此类系系统可以是开可以是开环系系统，也可以是，也可以是闭环系系统1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第一章第一章 绪论绪论 自自动调节系系统如：前例中的离心如：前例中的离心调速系速系统；恒温箱；恒温箱；液面自液面自动调节器。器。工工业生生产中中温度温度、压力力、流量流量、液面液面、速度速度等参数等参数的控制，均属此的控制，均属此类。1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第一章第一章 绪论绪论 随随动系系统如：炮瞄雷达系如：炮瞄雷达系统；导弹目目标自自动跟踪系跟踪系统；仿形机床；仿形机床；全自全自动照相机的照相机的 调焦系焦系统、闪光系光系统。1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第一章第一章 绪论绪论 程序控制系程序控制系统如：数控机床如：数控机床进给系系统；全自全自动洗衣机；洗衣机；微波炉。微波炉。1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第一章第一章 绪论绪论3.3.按信号按信号类型型4.4.按系按系统的性的性质5.5.按参数的按参数的变化情况化情况6.6.按控制量按控制量连续控制系控制系统离散控制系离散控制系统线性控制系性控制系统非非线性控制系性控制系统定常系定常系统时变系系统位移控制系位移控制系统温度控制系温度控制系统速度控制系速度控制系统1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第一章第一章 绪论绪论二、二、对控制系控制系统的基本要求的基本要求稳、快、准、快、准控控制制系系统统的的性性能能评评价价指指标标系系统的的稳定性：定性：系系统的快速性：的快速性：系系统的准确性：的准确性：指指动态过程的振程的振荡倾向和系向和系统能能够恢复平衡状恢复平衡状态的能力。的能力。这是系是系统正常工作的首要条件。正常工作的首要条件。在系在系统稳定的前提下，当系定的前提下，当系统的的输出量与出量与给定的定的输入量之入量之间产生偏差生偏差时，消除，消除这种偏差的快速程度。种偏差的快速程度。调整整过程程结束后，束后，输出量与出量与给定的定的输入量之入量之间的偏差。的偏差。1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求以坐以坐车的感受的感受为例例简单说明明 不同性不同性质的控制系的控制系统，对稳定性、快速性和准确性定性、快速性和准确性的要求各有的要求各有侧重。重。在同一个控制系在同一个控制系统中，中，稳定性、快速性、准确性相定性、快速性、准确性相互制互制约，应根据根据实际需求合理需求合理选择。如自如自动调节系系统对稳定性要求定性要求较高。高。如随如随动系系统对响响应快速性要求快速性要求较高。高。如数控机床如数控机床对定位精度要求高。定位精度要求高。注意：注意：1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第一章第一章 绪论绪论第一章第一章 绪论绪论本章小本章小结：机械工程控制机械工程控制论研究的研究的对象与任象与任务；系系统（广（广义系系统、机械系、机械系统）、）、动力学力学问题、模、模型（静型（静态模型、模型、动态模型）；反模型）；反馈（正、（正、负反反馈，内、外反内、外反馈）；控制系）；控制系统的分的分类，闭环控制系控制系统的的组成；成；对控制系控制系统的基本要求。的基本要求。本章小结本章小结例例设电热水器如下水器如下图所示。所示。为了保持希望的温度，由温控开关了保持希望的温度，由温控开关接通或断开接通或断开电加加热器的器的电源。在使用源。在使用热水水时，水箱中流出，水箱中流出热水水并并补充冷水。充冷水。试说明明该系系统工作原理并画出系工作原理并画出系统的方框的方框图。解解：在在电热水水器器系系统中中，水水箱箱内内的的水水温温需需要要控控制制，即水箱即水箱为被控被控对象。象。水水的的实际温温度度是是被被控控制制量量，或或称称为系系统的的输出出量量，输入量入量为用用户希望的希望的温温度度（给定定值），由由于于放放出出热水水并并注注入入冷冷水水或或水水箱箱散散热等等原原因而使水箱内水温下降成因而使水箱内水温下降成为该系系统的主要干的主要干扰。第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题当当To=Ti时，水箱的，水箱的实际水温水温经测温元件温元件检测，并将，并将实际水温水温转化成相化成相应的的电信号，与温控开关信号，与温控开关预先先设定的信号定的信号进行比行比较而得到的偏差而得到的偏差为零，此零，此时电加加热器不工作，水箱中的水温保器不工作，水箱中的水温保持在希望的温度上。持在希望的温度上。当使用当使用热水并注入冷水水并注入冷水时，水温下降，此，水温下降，此时Tou2，电位器位器桥式式测量量电路路产生偏差生偏差电压，经放大器放大后，放大器放大后，驱动电机机带动绞盘转动，使大，使大门向上提起。与此同向上提起。与此同时，与大，与大门连在一在一起的起的电位器滑位器滑动触触头上移，直至上移，直至桥路达到平衡（路达到平衡（u1u2），），电机停止机停止转动，大，大门开启。反之，合上关开启。反之，合上关门开关开关时，电机反向机反向转动，带动绞盘使大使大门关关闭。开、关开、关门位置门位置电位器电位器放大器放大器电动机电动机绞盘绞盘大门大门实际实际位置位置第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题例例 分析分析图示示钢板厚度控制系板厚度控制系统工作原理并工作原理并绘制系制系统功能框功能框图。放大器放大器1 1放大器放大器2 2厚度厚度检测器检测器减速器直减速器直线执行器线执行器u ua a u uu u1 1u u3 3u u2 2v vb bd da a钢板钢板第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题解：解：1 1）稳态给定定电压u1比例于被比例于被轧钢板要求的厚度；厚板要求的厚度；厚度度检测器器输出出u2比例于比例于轧制后制后钢板的厚度，板的厚度，u2放大后得到放大后得到u3并与并与u1比比较得到偏差信号；得到偏差信号；2 2）若系）若系统处于于稳态后由于后由于扰动致厚度加大，致厚度加大，则偏差小于偏差小于零，偏差放大后控制零，偏差放大后控制电机通机通过减速器直减速器直线执行器减小行器减小轧棍棍间距距离；反之，加大离；反之，加大轧棍棍间距离，距离，实现厚度的厚度的闭环调节。由于系。由于系统不是直接不是直接测量量轧辊处厚度，而是相距厚度，而是相距 d 处的厚度，因此系的厚度，因此系统存存在在测量延量延迟，延，延迟时间 =d/v。给定定厚度厚度厚度厚度检测器检测器放大器放大器1电动机电动机减速器减速器直线执行器直线执行器轧辊轧辊钢板钢板实际实际厚度厚度延时器延时器放大器放大器2第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题例例 所示所示为函数函数记录仪的示意的示意图，它通，它通过记录笔笔记录缓变电压信号的波形。信号的波形。试说明其工作原理，并明其工作原理，并绘制其控制方框制其控制方框图。第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题解：解：为了了记录电压信号，信号，记录笔的位移需要笔的位移需要进行控行控制，因此，制，因此，记录笔笔为控制控制对象。象。记录笔的笔的实际位移位移Lo为输出，与出，与电压信号信号Ui对应的的理想位移理想位移Li=Kui为输入。通入。通过设定比例系数定比例系数K，将，将输入入信号信号Li与需要与需要记录的的电压ui对应起来。起来。记录笔的笔的实际位移位移Lo通通过带动电位器位器R2的滑的滑块，使使桥式式电路路输出出电压Ub进行行测量，于是在放大器两端量，于是在放大器两端形成偏差形成偏差电压信号信号ue=ui-ub，利用的大小和正，利用的大小和正负对记录笔的位置笔的位置进行控制。行控制。第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题 反之，当反之，当uiub时，偏差，偏差ue为正，正，该信号信号经放大，放大，驱动电机，机，带动齿轮机构，机构，进而使而使记录笔及滑笔及滑块正向移正向移动，此此时偏差偏差ue逐逐渐减小，直至减小，直至为0；