本課程的基本任務(wù)特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法

1、 本課程的基本任務(wù)特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法機(jī)電控制工程基礎(chǔ)是以控制理論為基礎(chǔ)，密切結(jié)合工程實(shí)際的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè)必修課。本課程所討論的問題，都是在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上抽象出來的問題，是分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的共性問題，這些問題理論較強(qiáng)，涉及的面也十分廣泛。因此，討論問題的周期長是本課程特點(diǎn)之一。為了學(xué)好本課程，在學(xué)習(xí)過程中就應(yīng)對學(xué)過的內(nèi)容經(jīng)常復(fù)習(xí)，明確前后問題的聯(lián)系，掌握進(jìn)度。本課程中應(yīng)用的數(shù)學(xué)較多，但是，所討論的問題都是和工程實(shí)踐緊密聯(lián)系著的。因此，學(xué)習(xí)本課程要特別重視理論聯(lián)系實(shí)際，重視在物理概念的基礎(chǔ)上對問題的理解。負(fù)反饋是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的基本控制策略。因此，牢固地掌握反饋在工程

2、系統(tǒng)中的應(yīng)用是學(xué)好本課程的關(guān)鍵。控制系統(tǒng)分析，就是建立給定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在規(guī)定的工作條件下，對它的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析研究。其研究的內(nèi)容就是穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)（暫態(tài)）性能，以及分析某些參數(shù)變化對上述性能的影響，決定如何選取合理的參數(shù)等。系統(tǒng)綜合設(shè)計，就是在給定對系統(tǒng)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能要求情況下，根據(jù)己知的被控制對象，合理的確定控制器的數(shù)學(xué)模型，控制規(guī)律和參數(shù)，并驗證所綜合的控制系統(tǒng)是否是滿足性能指標(biāo)要求。 機(jī)電控制工程基礎(chǔ)的基本問題是：建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；系統(tǒng)分析計算；綜合校正確定控制規(guī)律。本課程的基本任務(wù)，是使學(xué)生獲得機(jī)電控制系統(tǒng)的基本理論，掌握系統(tǒng)的基本分析方法和計算方法。為設(shè)計機(jī)電控制系統(tǒng)及后繼課

3、程的學(xué)習(xí)和進(jìn)一步研究學(xué)習(xí)控制理論打下一定的基礎(chǔ)。 1 控制系統(tǒng)的基本概念本章主要內(nèi)容、基本要求、重點(diǎn) 主要內(nèi)容：（1） 控制任務(wù)，被控制對象、輸入量、輸出量、擾動量。（2） 開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)及反饋的概念。（3） 控制系統(tǒng)的組成、基本環(huán)節(jié)及對控制系統(tǒng)的基本要求?；疽螅海?） 了解“機(jī)電控制工程基礎(chǔ)”課程特點(diǎn)，初步建立控制系統(tǒng)概念。（2） 了解反饋及反饋控制概念，了解開環(huán)系統(tǒng)及閉環(huán)系統(tǒng)概念。（3） 對本課程有一初步認(rèn)識。重點(diǎn)：開環(huán)控制、閉環(huán)控制，系統(tǒng)的基本組成環(huán)節(jié)。學(xué)習(xí)本章內(nèi)容主要了解基本含義、概念。被控制對象或?qū)ο?我們稱這些需要控制的工作機(jī)器、裝備為被控制對象或?qū)ο?。輸出量（被?/p>

4、制量） 將表征這些機(jī)器裝備工作狀態(tài)需要加以控制的物理參量，稱為被控制量（輸出量）。輸入量（控制量） 將要求這些機(jī)器裝備工作狀態(tài)應(yīng)保持的數(shù)值，或者說，為了保證對象的行為達(dá)到所要求的目標(biāo)，而輸入的量，稱為輸入量（控制量）擾動量 使輸出量偏離所要求的目標(biāo)，或者說妨礙達(dá)到目標(biāo)，所作用的物理量稱為擾動量。控制的任務(wù)實(shí)際上就是形成控制作用的規(guī)律，使不管是否存在擾動，均能使被控制對象的輸出量滿足給定值的要求。開環(huán)控制系統(tǒng)只有給定量影響輸出量（被控制量），被控制量只能受控于控制量，而被控制量不能反過來影響控制量的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)可以用結(jié)構(gòu)示意圖表示，如圖所示?？刂破鞅豢刂茖ο?擾動量 輸入量

5、 輸出量 ur u a n 圖 開環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖可以表示這種系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間的關(guān)系。由圖可知，輸入量直接經(jīng)過控制器作用于被控制對象，所以只有輸入量影響輸出量。當(dāng)出現(xiàn)擾動時，沒有人的干預(yù)，輸出量不能按照輸入量所期望的狀態(tài)去工作。閉環(huán)控制系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對輸出量進(jìn)行測量，并將測量的結(jié)果反饋到輸入端與輸入量相減得到偏差，再由偏差產(chǎn)生直接控制作用去消除偏差。因此，整個控制系統(tǒng)形成一個閉合環(huán)路。我們把輸出量直接或間接地反饋到輸入端，形成閉環(huán),參與控制的系統(tǒng)，稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于系統(tǒng)是根據(jù)負(fù)反饋原理按偏差進(jìn)行控制的，也叫作反饋控制系統(tǒng)或偏差控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)中各元件的作用和信號

6、的流通情況，可用結(jié)構(gòu)圖表示?？刂破鞅豢刂茖ο髾z測裝置 ur ue ua n 輸入量 輸出量 ucf 反饋 圖 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中符號 表示比較元件，負(fù)號表示負(fù)反饋。 歸納一下開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)各自的特點(diǎn)如下：（1） 開環(huán)控制系統(tǒng)中，只有輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用；從控制結(jié)構(gòu)上來看，只有從輸入端到輸出端的信號傳遞通道（該通道稱為前向通道），控制系統(tǒng)簡單，實(shí)現(xiàn)容易。閉環(huán)控制系統(tǒng)中除前向通道外，還必須有從輸出端到輸入端的信號傳遞通道，使輸出信號也參與控制，該通道稱為反饋通道。閉環(huán)控制系統(tǒng)就是由前向通道和反饋通道組成的，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（2） 閉環(huán)控制系統(tǒng)能抑制內(nèi)部和外部各種形式的干擾，對干擾不甚敏

7、感。因此，可采用不太精密和成本較低的元件來構(gòu)成控制精度較高的系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)，因為輸入量與輸出量之間沒有反饋聯(lián)系，所以對干擾所造成的誤差，系統(tǒng)不具備修正能力。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度，完全由采用高精度元件和有效的抗干擾措施來保證。（3） 對閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，始終是一個首要問題。穩(wěn)定是閉環(huán)控制系統(tǒng)正常工作必要條件。對于開環(huán)控制系統(tǒng)，或者不存在不穩(wěn)定問題，或者容易解決。例題：液面控制系統(tǒng)如圖所示。要求在運(yùn)行中容器的液面高度保持不變。試簡述其工作原理，并畫出系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。解：被控對象是容器，其液面高度H應(yīng)為輸出量。浮子跟隨液面上下浮動，可以反映出液面的實(shí)際高度H，也可以表明實(shí)際

8、高度對輸入高度的偏差HrH，相當(dāng)于測量元件。 浮子帶動杠桿，杠桿聯(lián)動閥門1以調(diào)節(jié)進(jìn)入容器的流量，進(jìn)而控制液面高度，故杠桿相杠桿浮子閥門1 Q1 Hr 閥門2 Q2 圖 閉環(huán)液面控制系統(tǒng)當(dāng)于放大，執(zhí)行元件。浮子杠桿閥門1水箱 由以上分析可畫出系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖如圖所示。 Q2 Hr Q1 H圖 閉環(huán)液面控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 例題 下圖是數(shù)控機(jī)床工作臺閉環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)?？刂破鞑竭M(jìn)電機(jī)工作臺 xc xr x 磁尺 工作臺閉環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)圖中xr為輸入位移指令是輸入量，xc為工作臺位移量是輸出量，工作臺是被控對象，直流電機(jī)齒輪傳動及絲杠螺母是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，磁尺用來測量工作臺的位移量是測量元件。為了保證工作臺能依

9、輸入量作隨從運(yùn)動，控制器同時接收輸入量xr和磁尺測量出的代表工作臺位移xc的量，并進(jìn)行比較得出差值xxrxc，由差值x控制直流電動機(jī)驅(qū)動齒輪絲杠傳動機(jī)構(gòu)，帶動工作臺移動去減小差值。其結(jié)構(gòu)圖如圖所示?？刂破髦绷麟姍C(jī)傳動機(jī)構(gòu)工作臺磁 尺 xr xc圖工作臺閉環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖例題：(1) 什么叫反饋？什么是負(fù)反饋？ 答：把系統(tǒng)輸出全部或部分地返回到輸入端，就叫做反饋。把輸出量反饋到系統(tǒng)的輸入端與輸入量相減稱為負(fù)反饋。(2) 什么樣系統(tǒng)叫開環(huán)控制系統(tǒng)？舉例說明。 答：若系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)沒有控制作用，即系統(tǒng)沒有反饋回路時，則該控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。如自動售貨機(jī)，自動洗衣機(jī)，步進(jìn)電機(jī)控制刀架進(jìn)給

10、機(jī)構(gòu)等。(3) 什么叫閉環(huán)控制系統(tǒng)？舉例說明之。答：當(dāng)系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)有控制作用時，即系統(tǒng)存在著負(fù)反饋回路稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，例如：人手在抓取物件時的動作。機(jī)器人手臂運(yùn)動控制，火炮跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動，導(dǎo)彈飛行運(yùn)動控制等等。自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的種類繁多，很難確切地對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分類?，F(xiàn)在將經(jīng)常討論的幾種自動控制系統(tǒng)的類型概括如下：1 線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)按組成自動控制系統(tǒng)主要元件的特性方程式的性質(zhì)，可以分為線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)。線性系統(tǒng)是由線性元件組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)的運(yùn)動方程式可用線性微分方程式或線性差分方程式來描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)主要特點(diǎn)是具有迭加性和齊次性。就是

11、說對于線性控制系統(tǒng)，幾個輸入信號同時作用在系統(tǒng)上所引起的輸出等于各自輸入時，系統(tǒng)輸出之和。如果微分方程式或差分方程式的系數(shù)，不隨時間的變化而變化即是常數(shù)，則稱這類系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)，或稱為常參數(shù)系統(tǒng)。如果線性微分方程式或差分方程式的系數(shù)，隨時間的變化而變化則稱這類系統(tǒng)為線性時變系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)是由非線性微分方程式來描述的系統(tǒng)稱非線性系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中，若有一個元件是非線性的，這個系統(tǒng)就是非線性系統(tǒng)。典型非線性環(huán)節(jié)特性如圖所示。 xc xc xc xr xr xr 0 0 0 (a) (b) (c)（a）繼電器特性， （b）飽和特性， （c）不靈敏特性 圖 典型非線性環(huán)節(jié)特性1 2. 連續(xù)系

12、統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng) 控制系統(tǒng)中各元件的輸入、輸出信號都是時間t的連續(xù)函數(shù)時，則稱此系統(tǒng)為連續(xù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（或稱連續(xù)系統(tǒng)）。連續(xù)系統(tǒng)一般由微分方程式來描述。離散系統(tǒng) 是指系統(tǒng)的某一處或幾處，信號是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞。離散系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：在系統(tǒng)中使用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號。離散信號取脈沖形式的系統(tǒng)，稱為脈沖控制系統(tǒng)；離散信號以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)，稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。3 恒值系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。恒值系統(tǒng)，如恒速、恒溫、恒壓等自動控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的輸入量保持不變。程序控制系統(tǒng)，如程序控制機(jī)床的控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)輸入量是按照一定的時間函數(shù)變化的。隨動控制系統(tǒng)，

13、在這種系統(tǒng)中，輸入量是按照事先不知道的時間函數(shù)變化，要求輸出跟隨輸入量變化，如火炮的控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)的組成與對控制系統(tǒng)的基本要求是我們從控制功能的角度來看，自動控制系統(tǒng)一般均由以下基本環(huán)節(jié)（基本元件）組成。閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)（1） 被控對象或調(diào)節(jié)對象：是指要進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。（2） 比較環(huán)節(jié)（比較元件）：用來實(shí)現(xiàn)將所檢測到的輸出量和輸入量進(jìn)行比較，并產(chǎn)生偏差信號的元件。在多數(shù)控制系統(tǒng)中，比較元件常常和測量元件或測量線路結(jié)合在一起。（3） 放大環(huán)節(jié)（放大元件）：由于偏差信號一般比較微弱，不能直接用于驅(qū)動被控對象，需要進(jìn)行放大。因此控制系統(tǒng)必須具有放大環(huán)節(jié)。常用放大元件有：放大器

14、、可控硅整流器、液壓伺服放大器等。（4） 執(zhí)行環(huán)節(jié)（執(zhí)行元件）：用來實(shí)現(xiàn)控制動作，直接操縱被控對象的元件。常用執(zhí)行元件有：交、直流電機(jī)、液壓馬達(dá)、傳動裝置等。（5） 檢測環(huán)節(jié)（測量元件）：是用來測量被控制量的元件。由于測量元件的測量精度直接影響到系統(tǒng)的控制精度，因此應(yīng)盡可能采用高精度的測量元件和合理的測量電路，常用的測量元件有：測速電機(jī)、編碼器、自整角機(jī)等。（6） 校正環(huán)節(jié)（校正元件）：對控制性能要求比較高的系統(tǒng)或者比較復(fù)雜的系統(tǒng)，為了改善系統(tǒng)的控制性能，提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，需要在系統(tǒng)中加入校正環(huán)節(jié)。由上述元件構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，就其信號的傳遞和變換的功能來說，都可抽象出如圖所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。放 大執(zhí) 行反饋校正檢 測被控對象放大串聯(lián)校正 擾動量 比較 輸入量 輸出量 偏 差 反 量 饋 （局部反饋） 量 （主反饋） 閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖對控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性如果系統(tǒng)受擾動后偏離了原工作狀態(tài)，擾動消失后，系統(tǒng)能自動恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)，這樣的系統(tǒng)稱為穩(wěn)定系統(tǒng)，否則為不