機(jī)械控制工程基礎(chǔ)培訓(xùn)課件

控制工程基礎(chǔ)主講教師：王曉云參考教材[1]

楊叔子、楊克沖.《機(jī)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[2]熊良才、楊克沖.《機(jī)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[3]朱驥北.《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》(第15版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005年[4]董景新、趙長德.《控制工程基礎(chǔ)》(第3版）.北京：清華大學(xué)出版社，2009年6月[5]劉叔軍、樊京.《MATLAB控制系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)例》.北京：清華大學(xué)出版社，2008年5月授課方式與考核方式授課方式以電子工業(yè)出版社、玄兆燕編寫的《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》為指導(dǎo)，利用多媒體課件為主、板書為輔進(jìn)行理論教學(xué)；利用MATLAB/Simulink軟件開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)?？己朔绞狡綍r(shí)作業(yè)5次，占總評成績的20%；實(shí)驗(yàn)2次，占總評成績的10%；期末閉卷考試，占總評成績的70%。

出勤率低于1/3取消期末考試資格。課程性質(zhì)控制論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論本課程的主要內(nèi)容“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”是控制論(Cybernetics)與機(jī)械工程技術(shù)理論之間的邊緣學(xué)科，側(cè)重介紹機(jī)械工程的控制原理，同時(shí)密切結(jié)合工程實(shí)際，是一門技術(shù)基礎(chǔ)課程。

機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)明顯而重要的趨勢——越來越廣泛而深入地引入了控制理論。

數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)床動(dòng)態(tài)分析與測試、電氣液壓伺服系統(tǒng)是科學(xué)方法論之一，強(qiáng)調(diào)用系統(tǒng)的、反饋的、控制的方法來分析研究工程實(shí)際問題。課程任務(wù)與學(xué)習(xí)要求課程任務(wù)通過課程教學(xué)，使學(xué)生掌握經(jīng)典控制理論的基本原理和思想方法，初步培養(yǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析與校正的能力，結(jié)合后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，為將來在機(jī)械電子工程中解決一些實(shí)際問題打下一定的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)要求需要大家具備一定的數(shù)學(xué)、力學(xué)、電學(xué)方面的基礎(chǔ)知識，還要有一定的機(jī)械工程方面的專業(yè)知識。需要大家認(rèn)真對待每次的課后練習(xí)環(huán)節(jié)。主要教學(xué)內(nèi)容機(jī)械控制工程基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識工程應(yīng)用分析方法基本概念控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)域分析頻域分析系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)系統(tǒng)校正緒論

（2學(xué)時(shí)）拉普拉斯變換（2學(xué)時(shí)）系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（8+2學(xué)時(shí)）系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析（8+2學(xué)時(shí)）系統(tǒng)的頻率特性分析（8+2學(xué)時(shí)）系統(tǒng)的穩(wěn)定性（4學(xué)時(shí)）復(fù)習(xí)（2學(xué)時(shí)）課程章節(jié)第一章緒論1.1機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(wù)

1.2系統(tǒng)及其模型

1.3反饋

1.4系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求

本章教學(xué)大綱1.了解機(jī)械工程控制論的基本概念、研究對象與任務(wù)；2.掌握系統(tǒng)、模型、反饋、偏差等基本概念；3.掌握反饋控制系統(tǒng)工作原理的分析；4.掌握控制系統(tǒng)的組成、分類及基本性能要求。教學(xué)重點(diǎn)：反饋的基本概念、控制系統(tǒng)工作原理分析、控制系統(tǒng)的分類第一章緒論本章教學(xué)大綱第一章緒論1.1機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(wù)一、控制論概述控制論是關(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。“控制論”的兩個(gè)核心是信息論和反饋控制。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(NorbertWiener)諾伯特·維納，他于1948年發(fā)表了“控制論”。1.1機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(wù)第一章緒緒論控制論經(jīng)濟(jì)學(xué)社會學(xué)生物學(xué)工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)控制論社會控制論生物控制論工程控制論機(jī)械工程機(jī)械工程控制論控制論與其其它學(xué)科結(jié)結(jié)合，形成成眾多的分分支學(xué)科。。控制論的中中心思想——通過信息的的傳遞、加加工處理并并利用反饋饋來進(jìn)行控控制。1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論1954年我國科學(xué)學(xué)家錢學(xué)森森出版專著著《工程控制論論》(英文版)，首先把控控制論推廣廣到工程技技術(shù)領(lǐng)域。。機(jī)械工程控控制論研究機(jī)械工程技技術(shù)中廣義義系統(tǒng)的動(dòng)動(dòng)力學(xué)問題題研究的對象：系統(tǒng)（廣廣義系統(tǒng)））研究的任務(wù)：動(dòng)力學(xué)問問題研究的領(lǐng)域：機(jī)械工程程領(lǐng)域二、機(jī)械工工程控制論論的研究對對象1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論系統(tǒng)——按一定規(guī)律律聯(lián)系在一一起的元素素的集合系統(tǒng)的要素素元素元素之間的的聯(lián)系系統(tǒng)與外界界的交互作作用外界對系統(tǒng)統(tǒng)的作用系統(tǒng)對外界界的作用輸入(激勵(lì))干擾(擾動(dòng))輸出(響應(yīng))系統(tǒng)的框圖圖1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論機(jī)械工程中中的廣義系統(tǒng):元件、部件件、儀器、、設(shè)備;加工過程、、操作設(shè)備備、測量;車間、部門門、工廠、、企業(yè)、企業(yè)集團(tuán)、、全球制造造行業(yè)等如:機(jī)器系統(tǒng)生命系統(tǒng)社會經(jīng)濟(jì)系系統(tǒng)生產(chǎn)系統(tǒng)思維、學(xué)習(xí)習(xí)、工作廣義系統(tǒng)——具備系統(tǒng)要要素的一切切事物或?qū)ο?.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論系統(tǒng)非控制系統(tǒng)統(tǒng)控制系統(tǒng)人工控制系系統(tǒng)自動(dòng)控制系系統(tǒng)非控制系統(tǒng)統(tǒng)——僅具有由人人工開、關(guān)關(guān)兩種狀態(tài)態(tài)的系統(tǒng)如：攪拌機(jī)機(jī)（視頻鏈接）教室里的照照明系統(tǒng)控制系統(tǒng)——系統(tǒng)的可變變輸出，能能按照要求求由參考輸輸入或控制制輸入進(jìn)行行調(diào)節(jié)的系系統(tǒng)1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論如:空調(diào)加熱電阻絲~220V調(diào)壓器人工控制的恒溫箱

溫度計(jì)自動(dòng)控制系系統(tǒng)教室中的風(fēng)風(fēng)扇人工控制系系統(tǒng)1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論加熱電阻絲~220V調(diào)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(dòng)機(jī)減速器u2u1u恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論根據(jù)自己的的生活和學(xué)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，，列舉控制制系統(tǒng)的例例子問題：1）普通全自自動(dòng)洗衣機(jī)機(jī)2）全自動(dòng)照照相機(jī)的閃閃光系統(tǒng)、、調(diào)焦系統(tǒng)統(tǒng)3）飲水機(jī)，，微波爐4）抽水馬桶桶水箱的液液面自動(dòng)調(diào)調(diào)節(jié)器液面控制1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論生物、醫(yī)學(xué)學(xué)、環(huán)境、、經(jīng)濟(jì)管理理等其它機(jī)器人、導(dǎo)導(dǎo)彈制導(dǎo)、、核動(dòng)力等等高新領(lǐng)域域宇航：火箭箭、飛船、、衛(wèi)星道路交通：：信號燈控控制、車牌牌自動(dòng)識別別日常：冰箱箱、洗衣機(jī)機(jī)、空調(diào)農(nóng)業(yè)：恒溫溫大棚、農(nóng)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化化機(jī)械應(yīng)用范圍工業(yè)：數(shù)控控機(jī)床、軋軋鋼機(jī)、恒恒溫箱等1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論蒸汽機(jī)離心心調(diào)速器工業(yè)：1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論數(shù)控機(jī)床進(jìn)進(jìn)給系統(tǒng)模模擬圖1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械械領(lǐng)域的應(yīng)應(yīng)用第一章緒緒論1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)在日常生活活中的應(yīng)用用第一章緒緒論1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)道路交通的的應(yīng)用——車牌自動(dòng)識識別第一章緒緒論1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論人形機(jī)器人人1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)勇氣號火星星探測器（（美國，2004）第一章緒緒論1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論自動(dòng)火炮、、導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)等高新領(lǐng)領(lǐng)域的應(yīng)用用1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論在雷達(dá)領(lǐng)域域的應(yīng)用1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)海洋探測機(jī)機(jī)器人1990年日本海洋洋科技中心心研制的的“海溝號號”纜控式式無人潛水水器（左））及其在大大海中工作作時(shí)的情況況（右）第一章緒緒論1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論瑞典博福斯斯公司研制制的“雙鷹鷹”水下掃掃雷機(jī)器人人1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)第一章緒緒論恒溫恒濕試試驗(yàn)箱又名名環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)各種材料料的耐熱、、耐寒、耐耐干、耐濕濕性能。適適合電子、、電器、食食品、車輛輛、金屬、、化學(xué)、建建材等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)1.1機(jī)械工程控控制論的研研究對象與與任務(wù)三、機(jī)械工工程控制論論的研究任任務(wù)第一章緒緒論動(dòng)力學(xué)問題題——機(jī)械工程技技術(shù)中的廣廣義系統(tǒng)在在一定的外界條件作作用下，從一定定的初始狀狀態(tài)出發(fā)，，經(jīng)歷由其其內(nèi)部的固有特性所決定的整整個(gè)動(dòng)態(tài)歷歷程；研究這一過過程中，系系統(tǒng)及其輸輸入、輸出出三者之間間的動(dòng)態(tài)關(guān)關(guān)系。即輸入或激激勵(lì)，包括括外加控制制與外界干干擾即由系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)與參參數(shù)所決定定的特性下面，我們們通過一個(gè)個(gè)簡單的例例子，讓大大家更深刻刻的理解“機(jī)械工工程控控制論論的研研究任任務(wù)”這一問問題。。1.1機(jī)械工工程控控制論論的研研究對對象與與任務(wù)務(wù)第一章章緒緒論同一系統(tǒng)，不同的的輸入例1-1彈簧-質(zhì)量-阻尼單單自由由度系系統(tǒng)系統(tǒng)（（a）系系統(tǒng)（（b）m-c-k單自由由度系系統(tǒng)1.1機(jī)械工工程控控制論論的研研究對對象與與任務(wù)務(wù)第一章章緒緒論（a）（b）整理得得：（a）解：（b）解：動(dòng)力學(xué)學(xué)方程程：y(t)即微分分方程程的解解，它它是由由系統(tǒng)的的初始始條件件、系統(tǒng)的的固有有特性性、系統(tǒng)的的輸入入及系統(tǒng)與與輸入入之間間的關(guān)關(guān)系所決定定。系統(tǒng)的的固有有特性性:mp+cp+k2系統(tǒng)與與外界界之間間的關(guān)關(guān)系:1，cp+k系統(tǒng)對對輸入入的響響應(yīng)（（系統(tǒng)統(tǒng)的輸輸出））：y(t)系統(tǒng)的的輸入入或激激勵(lì):f(t)，x(t)代表了了系統(tǒng)統(tǒng)在一一定外外界條條件下下的動(dòng)動(dòng)態(tài)歷歷程令p=d/dt（微分分算子子）系統(tǒng)(a)(mp+cp+k)y(t)=f(t)系統(tǒng)(b)(mp+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t)221.1機(jī)械工工程控控制論論的研研究對對象與與任務(wù)務(wù)第一章章緒緒論問題：：系統(tǒng)的的輸入入與系系統(tǒng)的的固有有特性性如何何影響響y(t)？三者之之間表表現(xiàn)為為何種種關(guān)系系？2.系統(tǒng)確確定并并已知知時(shí)，，對系系統(tǒng)施施加何何種輸輸入，，能使系系統(tǒng)實(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)預(yù)期的的響應(yīng)應(yīng)（即即y(t)）？3.對于確確定的的輸入入，系系統(tǒng)應(yīng)應(yīng)具有有什么么特性性，才能使使系統(tǒng)統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)預(yù)期期的響響應(yīng)？？求輸出出求輸入入求系統(tǒng)統(tǒng)(結(jié)構(gòu)參參數(shù))基本的的動(dòng)力力學(xué)問問題1.1機(jī)械工工程控控制論論的研研究對對象與與任務(wù)務(wù)第一章章緒緒論研究任任務(wù):系統(tǒng)分分析問問題最優(yōu)控控制問問題最優(yōu)設(shè)設(shè)計(jì)問問題濾波與與預(yù)測測問題題系統(tǒng)辨辨識問問題已知系系統(tǒng)和和輸入入，求求系統(tǒng)統(tǒng)的響響應(yīng)(或輸出出)，并通通過響響應(yīng)來來研究究系統(tǒng)統(tǒng)本身身的問問題已知系系統(tǒng)和和系統(tǒng)統(tǒng)的理理想輸輸出，，設(shè)計(jì)計(jì)輸入入已知輸輸入和和理想想輸出出時(shí)，，設(shè)計(jì)計(jì)系統(tǒng)統(tǒng)輸出已已知，，確定定系統(tǒng)統(tǒng)，以以識別別輸入入或輸輸入中中的的的有關(guān)關(guān)信息息已知系系統(tǒng)的的輸入入與輸輸出，，求系系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)構(gòu)與參參數(shù)，，即建建立系系統(tǒng)的的數(shù)學(xué)學(xué)模型型1.1機(jī)械工工程控控制論論的研研究對對象與與任務(wù)務(wù)第一章章緒緒論1.2系統(tǒng)及及其模模型一、系系統(tǒng)系統(tǒng)具具有如如下特特性：：系統(tǒng)的的性能能不僅僅與系系統(tǒng)的的元素素有關(guān)關(guān)，而而且還還與系系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)構(gòu)有關(guān)關(guān)；系統(tǒng)的的內(nèi)容容比組組成系系統(tǒng)的的各元元素的的內(nèi)容容要豐豐富很很多;系統(tǒng)往往往具具有表表現(xiàn)在在時(shí)間間域、、頻率率域或或空間間域等等領(lǐng)域域內(nèi)的的動(dòng)態(tài)態(tài)特性性。1.2系統(tǒng)及及其模模型1.2系統(tǒng)及及其模模型第一章章緒緒論二、機(jī)機(jī)械系系統(tǒng)定義——以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)一定定的機(jī)機(jī)械運(yùn)運(yùn)動(dòng)，，承受受一定定的機(jī)機(jī)械載載荷為為目的的，由由機(jī)械械元件件組成成的系系統(tǒng)。。如：切削削加加工工過過程程工件件操作作者者當(dāng)研研究究某某臺臺機(jī)機(jī)床床切削削加加工工過過程程中的的動(dòng)動(dòng)力力學(xué)學(xué)問問題題時(shí)時(shí)；；當(dāng)研研究究此此臺臺機(jī)機(jī)床床加加工工的的工件件的某某些些質(zhì)質(zhì)量量指指標(biāo)標(biāo)時(shí)時(shí)；；當(dāng)研研究究此此臺臺機(jī)機(jī)床床的的操作作者者在加加工工過過程程中中的的作作用用時(shí)時(shí)；；輸入入———激勵(lì)勵(lì)（（外外界界對對系系統(tǒng)統(tǒng)的的作作用用，，如如載載荷荷等等））輸出出———響應(yīng)應(yīng)（（系系統(tǒng)統(tǒng)對對外外界界的的作作用用，，如如變變形形、、位位移移））1.2系統(tǒng)統(tǒng)及及其其模模型型第一一章章緒緒論論激勵(lì)勵(lì)控制制輸輸入入———人為為地地、、有有意意識識地地加加上上去去；；擾動(dòng)動(dòng)———偶然然因因素素產(chǎn)產(chǎn)生生而而一一般般無無法法完完全全人人為為控制制的的（（干干擾擾））；；三、、數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)模模型型模型型的的定定義義———研究究系系統(tǒng)統(tǒng)、、認(rèn)認(rèn)識識系系統(tǒng)統(tǒng)、、描描述述系系統(tǒng)統(tǒng)與與分分析析系系統(tǒng)統(tǒng)的的一一種種工工具具。。模型型的的種種類類———實(shí)物物模模型型、、物物理理模模型型和和數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)模模型型等等。。1.2系統(tǒng)統(tǒng)及及其其模模型型第一一章章緒緒論論數(shù)學(xué)學(xué)模模型型———定量量地地描描述述系系統(tǒng)統(tǒng)的的動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)性性能能，，揭揭示示系系統(tǒng)統(tǒng)的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)、、參參數(shù)數(shù)與與動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)性性能能之之間間關(guān)關(guān)系系的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)表表達(dá)達(dá)式式。。數(shù)學(xué)學(xué)模模型型靜態(tài)態(tài)模模型型動(dòng)態(tài)態(tài)模模型型———反映映系系統(tǒng)統(tǒng)在在恒恒定定載載荷荷或或緩緩變變載載荷荷作作用用下下或或在在系系統(tǒng)統(tǒng)平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)下下的的特特性性；；———用于于研研究究系系統(tǒng)統(tǒng)在在迅迅變變載載荷荷作作用用下下或或在在系系統(tǒng)統(tǒng)不不平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)下下的的特特性性；；在一一定定條條件件下下，，動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)模模型型可可以以轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為為靜靜態(tài)態(tài)模模型型。。代數(shù)數(shù)公公式式描描述述微分分方方程程或或差差分分方方程程來來描描述述動(dòng)態(tài)態(tài)模模型型是是描描述述系系統(tǒng)統(tǒng)的的動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)歷歷程程的的，，機(jī)機(jī)械械工工程程控控制制論論研研究究的的是是機(jī)機(jī)械械工工程程技技術(shù)術(shù)中中廣廣義義系系統(tǒng)統(tǒng)的的動(dòng)動(dòng)力力學(xué)學(xué)問問題題，，所所以以往往往往需需要要采采用用動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)模模型型，，即即需需要要建建立立微微分分方方程程或或差差分分方方程程來來描描述述系系統(tǒng)統(tǒng)的的動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性。。1.2系統(tǒng)統(tǒng)及及其其模模型型第一一章章緒緒論論1.3反饋一、反反饋的的定義義反饋是是機(jī)械械工程程控制制論中中一個(gè)個(gè)最基基本、、最重重要的的概念念系統(tǒng)的的輸出出不斷斷直接接或經(jīng)經(jīng)過中中間變變換后后全部部或部部分地地返回回到輸輸入端端，并并與輸輸入共共同作作用于于系統(tǒng)統(tǒng)的過過程。。系統(tǒng)之之所以以有動(dòng)動(dòng)態(tài)歷歷程，，系統(tǒng)統(tǒng)及其其輸入入、輸輸出之之間之之所以以有動(dòng)動(dòng)態(tài)關(guān)關(guān)系，，就是是由于于系統(tǒng)統(tǒng)本身身存在在著信信息的的反饋饋。二、反反饋的的種類類內(nèi)反饋饋與外外反饋饋例1-2發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)離心心調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)例1-3質(zhì)量-彈簧-阻尼單單自由由度系系統(tǒng)1.3反饋2.正反饋饋與負(fù)負(fù)反饋饋第一章章緒緒論例1-2發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)離心心調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)控制原原理：：如果負(fù)負(fù)載變變化使使ω增大，，離心機(jī)機(jī)構(gòu)滑滑套上上移液壓滑滑閥上上移，，動(dòng)力力活塞塞下移移，油油門關(guān)關(guān)小，，ω減小直到滑滑閥回回復(fù)到到中位位，ω回到設(shè)設(shè)定值值通過離離心機(jī)機(jī)構(gòu)檢檢測系系統(tǒng)的的實(shí)際際輸出出值，，并與與設(shè)定定值進(jìn)進(jìn)行比比較，，反過過來作作用于于系統(tǒng)統(tǒng)，形形成反反饋，，進(jìn)而而調(diào)節(jié)節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)的輸輸出。。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)離心心調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)原理理簡圖圖1.3反饋第一章章緒緒論例1-3質(zhì)量-彈簧-阻尼單單自由由度系系統(tǒng)m-c-k單自由由度系系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)原原理圖圖動(dòng)力學(xué)學(xué)方程程：或即m-c-k單自由由度系系統(tǒng)方方框圖圖信息交交互（（反饋饋）1.3反饋第一章章緒緒論在這兩兩個(gè)例例子，，反饋饋在本本質(zhì)上上都是是信息的的傳遞遞與交交互。但從從具體體形式式上看看，則則有所所不同同。對于發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)離心心調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)來說說，離離心調(diào)調(diào)速器器是人為附附加的反饋饋控制制裝置置，其其目的的在于于抵抗抗由于于負(fù)載載變化化這一一干擾擾引起起的輸輸出軸軸轉(zhuǎn)速速的變變化。。這種種反饋饋稱為為外反饋饋。而質(zhì)量量－彈彈簧－－阻尼尼系統(tǒng)統(tǒng)中存存在的的反饋饋則為為內(nèi)反饋饋。這種種反饋饋是系統(tǒng)內(nèi)內(nèi)部的信息息交互互，反反映了了系統(tǒng)統(tǒng)內(nèi)部部各元元素之之間互互為因因果的的聯(lián)系系關(guān)系系，反反映了了系統(tǒng)統(tǒng)的動(dòng)動(dòng)態(tài)特特性。。1.3反饋第一章章緒緒論(1)內(nèi)反饋饋在系統(tǒng)統(tǒng)或過過程中中存在在的各各種自自然形形成的的反饋饋。是是系統(tǒng)統(tǒng)內(nèi)部部各個(gè)個(gè)元素素之間間相互互耦合合的結(jié)結(jié)果，，是造造成機(jī)機(jī)械系系統(tǒng)存存在一一定動(dòng)動(dòng)態(tài)特特性的的根本本原因因。(2)外反饋饋在控制制系統(tǒng)統(tǒng)中，，為達(dá)達(dá)到某某種控控制目目的而而人為為加入入的反反饋。。生活小小實(shí)例例：生生病生病—看病—吃藥、、打針針、手手術(shù)—恢復(fù)健健康生病—自身調(diào)調(diào)節(jié)恢恢復(fù)健健康外反饋饋內(nèi)反饋饋1.3反饋第一章章緒緒論2.負(fù)反饋饋與正正反饋饋(1)負(fù)反饋饋輸出偏離設(shè)定值值時(shí)，反反饋?zhàn)髯饔檬故馆敵龀銎x離程度度減小小，并并力圖圖達(dá)到到設(shè)定定值。。被控量量目標(biāo)值值如：發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)離心心調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)液面自自動(dòng)調(diào)調(diào)節(jié)器器數(shù)控機(jī)機(jī)床進(jìn)進(jìn)給伺伺服系系統(tǒng)動(dòng)物捕捕食火炮自自動(dòng)瞄瞄準(zhǔn)學(xué)習(xí)和和工作作中的的負(fù)反反饋測偏與與糾偏偏1.3反饋第一章章緒緒論(2)正反饋饋輸出偏偏離設(shè)設(shè)定值值時(shí)，，反饋饋?zhàn)饔糜檬馆斴敵銎x程程度加加劇。。如：疾疾病病自激振振蕩器器機(jī)器疲疲勞破破壞火藥爆爆炸、、熱核核反應(yīng)應(yīng)學(xué)習(xí)和和工作作中的的正反反饋1.3反饋第一章章緒緒論三、反反饋控控制系系統(tǒng)及及其組組成在工程程技術(shù)術(shù)領(lǐng)域域中，，越來來越多多地采采用了了自動(dòng)動(dòng)控制制系統(tǒng)統(tǒng)。在在這種種系統(tǒng)統(tǒng)中，，往往往有著著“反饋控控制”。1.定義一般在在自動(dòng)動(dòng)控制制系統(tǒng)統(tǒng)中，，偏差差是基基于反反饋建建立起起來的的。。自動(dòng)動(dòng)控制制的過過程就就是“測偏與與糾偏偏”的過程程，這這一原原理又又稱為為反饋控控制原原理。利用用此原原理組組成的的系統(tǒng)統(tǒng)稱為為反饋控控制系系統(tǒng)。它具具備測測量、、比較較和執(zhí)執(zhí)行三三個(gè)基基本功功能。。反饋控控制是是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)自動(dòng)動(dòng)控制制的最最基本本的方方法。。沒有反反饋就就無法法測量量偏差差，就就無法法根據(jù)據(jù)偏差差自動(dòng)動(dòng)控制制系統(tǒng)統(tǒng)糾正正偏差差1.3反饋第一章章緒緒論例：發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)離心心調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)離心心調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)原理理簡圖圖被控對對象：：發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)被控量量：轉(zhuǎn)速ω被控量量的目目標(biāo)值值設(shè)定定：預(yù)緊彈彈簧設(shè)設(shè)定控制信信息傳傳遞與與反饋饋：轉(zhuǎn)速ω離心機(jī)機(jī)構(gòu)(檢測或或感知知）偏差杠桿液壓比比例控控制器器油門1.3反饋第一章章緒緒論表示系系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)與與工作作原理理的物物理框框圖：：離心調(diào)調(diào)速系系統(tǒng)控控制方方框圖圖比較控制器器檢測被控對對象執(zhí)行運(yùn)算放放大控制部部分被控部部分1.3反饋第一章章緒緒論2.反饋控控制系系統(tǒng)的的組成成典型的的反饋饋控制制系統(tǒng)統(tǒng)包括括給定定環(huán)節(jié)節(jié)、測測量環(huán)環(huán)節(jié)、、比較較環(huán)節(jié)節(jié)、放放大運(yùn)運(yùn)算環(huán)環(huán)節(jié)、、執(zhí)行行環(huán)節(jié)節(jié)、被被控對對象等等。每個(gè)組組成部部分的的含義義見教教材P:6盡管不不同的的反饋饋控制制系統(tǒng)統(tǒng)是由由許多多起著著不同同作用用的環(huán)環(huán)節(jié)組組成，，但都都可以以看成成是由由控制部分和被控部分組成。反饋控制系系統(tǒng)的組成成1.3反饋第一章緒緒論1.4系統(tǒng)的分類類及對控制制系統(tǒng)的基基本要求一、控制系系統(tǒng)的幾種種分類1.按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)（反饋情情況）開環(huán)控制系系統(tǒng)閉環(huán)控制系系統(tǒng):系統(tǒng)沒有反反饋回路系統(tǒng)的輸出出對系統(tǒng)沒沒有控制作作用:系統(tǒng)有反饋饋回路系統(tǒng)的輸出出對系統(tǒng)有有控制作用用1.4系統(tǒng)的分類類及對控制制系統(tǒng)的基基本要求第一章緒緒論如：步進(jìn)電電機(jī)驅(qū)動(dòng)的的數(shù)控機(jī)床床開環(huán)控制系系統(tǒng)、普通洗衣衣機(jī)、家用電烤烤箱、微波波爐步進(jìn)電機(jī)驅(qū)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控控機(jī)床原理理圖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控控機(jī)床開環(huán)環(huán)控制系統(tǒng)統(tǒng)方框圖1.4系統(tǒng)的分類類及對控制制系統(tǒng)的基基本要求第一章緒緒論閉環(huán)控制系系統(tǒng)如：伺服電電機(jī)驅(qū)動(dòng)的的數(shù)控機(jī)床床、離心調(diào)速速系統(tǒng)、恒溫箱(冰箱、空調(diào)調(diào))伺服電機(jī)驅(qū)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控控機(jī)床原理理圖伺服驅(qū)動(dòng)的的數(shù)控機(jī)床床閉環(huán)控制制系統(tǒng)方框框圖1.4系統(tǒng)的分類類及對控制制系統(tǒng)的基基本要求按有無反饋饋無有開環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造造簡單，成成本低。缺點(diǎn)：無抗抗干擾能力力，不能自自動(dòng)糾偏，控控制精度較較低。優(yōu)點(diǎn)：抗干干擾能力強(qiáng)強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)精度高，動(dòng)動(dòng)態(tài)精度好好。缺點(diǎn)：構(gòu)造造復(fù)雜，設(shè)設(shè)計(jì)與制造造較困難，成成本較高。。第一章緒緒論1.4系統(tǒng)的分類類及對控制制系統(tǒng)的基基本要求第一章緒緒論2.按輸出量的的變化規(guī)律律自動(dòng)調(diào)節(jié)系系統(tǒng)（恒值值系統(tǒng)）：系統(tǒng)的輸輸出保持常常量隨動(dòng)系統(tǒng)（（伺服系統(tǒng)統(tǒng)）：系統(tǒng)的輸輸出相應(yīng)于于輸入按任意規(guī)律變變化程序控制系系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸輸出按預(yù)定定程序變化化此類系統(tǒng)同同時(shí)也是閉閉環(huán)系統(tǒng)此類系統(tǒng)同同時(shí)也是閉閉環(huán)系統(tǒng)此類系統(tǒng)可可以是開環(huán)環(huán)系統(tǒng)，也也可以是閉閉環(huán)系統(tǒng)1.4系統(tǒng)的分類類及對控制制系統(tǒng)的基基本要求第一章緒緒論自動(dòng)調(diào)節(jié)系系統(tǒng)如：前例中中的離心調(diào)調(diào)速系統(tǒng)；；恒溫箱；液面自動(dòng)調(diào)調(diào)節(jié)器。工業(yè)生產(chǎn)中溫度、壓力、流量、液面、速度等參數(shù)的控控制，均屬屬此類。1.4系統(tǒng)的分類類及對控制制系統(tǒng)的基基本要求第一章緒緒論隨動(dòng)系系統(tǒng)如：炮炮瞄雷雷達(dá)系系統(tǒng)；；導(dǎo)彈目目標(biāo)自自動(dòng)跟跟蹤系系統(tǒng)；；仿形機(jī)機(jī)床；；全自動(dòng)動(dòng)照相相機(jī)的的調(diào)焦系系統(tǒng)、、閃光光系統(tǒng)統(tǒng)。1.4系統(tǒng)的的分類類及對對控制制系統(tǒng)統(tǒng)的基基本要要求第一章章緒緒論程序控控制系系統(tǒng)如：數(shù)數(shù)控機(jī)機(jī)床進(jìn)進(jìn)給系系統(tǒng)；；全自動(dòng)動(dòng)洗衣衣機(jī)；；微波爐爐。1.4系統(tǒng)的的分類類及對對控制制系統(tǒng)統(tǒng)的基基本要要求第一章章緒緒論3.按信號號類型型4.按系統(tǒng)統(tǒng)的性性質(zhì)5.按參數(shù)數(shù)的變變化情情況6.按控制制量連續(xù)控控制系系統(tǒng)離散控控制系系統(tǒng)線性控控制系系統(tǒng)非線性性控制制系統(tǒng)統(tǒng)定常系系統(tǒng)時(shí)變系系統(tǒng)位移控控制系系統(tǒng)溫度控控制系系統(tǒng)速度控控制系系統(tǒng)1.4系統(tǒng)的的分類類及對對控制制系統(tǒng)統(tǒng)的基基本要要求第一章章緒緒論二、對對控制制系統(tǒng)統(tǒng)的基基本要要求穩(wěn)、快快、準(zhǔn)準(zhǔn)控制系系統(tǒng)的的性能能評價(jià)價(jià)指標(biāo)標(biāo)系統(tǒng)的的穩(wěn)定定性：：系統(tǒng)的的快速速性：：系統(tǒng)的的準(zhǔn)確確性：：指動(dòng)態(tài)態(tài)過程程的振振蕩傾傾向和和系統(tǒng)統(tǒng)能夠夠恢復(fù)復(fù)平衡衡狀態(tài)態(tài)的能能力。。這是是系統(tǒng)統(tǒng)正常常工作作的首首要條條件。。在系統(tǒng)統(tǒng)穩(wěn)定定的前前提下下，當(dāng)當(dāng)系統(tǒng)統(tǒng)的輸輸出量量與給給定的的輸入入量之之間產(chǎn)產(chǎn)生偏偏差時(shí)時(shí)，消消除這這種偏偏差的的快速速程度度。調(diào)整過過程結(jié)結(jié)束后后，輸輸出量量與給給定的的輸入入量之之間的的偏差差。1.4系統(tǒng)的的分類類及對對控制制系統(tǒng)統(tǒng)的基基本要要求以坐車車的感感受為為例簡簡單說說明不同性性質(zhì)的的控制制系統(tǒng)統(tǒng)，對對穩(wěn)定定性、、快速速性和和準(zhǔn)確確性的的要求求各有有側(cè)重重。在同一一個(gè)控控制系系統(tǒng)中中，穩(wěn)穩(wěn)定性性、快快速性性、準(zhǔn)準(zhǔn)確性性相互互制約約，應(yīng)應(yīng)根據(jù)據(jù)實(shí)際際需求求合理理選擇擇。如自動(dòng)動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)對穩(wěn)穩(wěn)定性性要求求較高高。如隨動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)對響響應(yīng)快快速性性要求求較高高。如數(shù)控控機(jī)床床對定定位精精度要要求高高。注意：：1.4系統(tǒng)的的分類類及對對控制制系統(tǒng)統(tǒng)的基基本要要求第一章章緒緒論第一章章緒緒論本章小小結(jié)：：機(jī)械工工程控控制論論研究究的對對象與與任務(wù)務(wù)；系系統(tǒng)（（廣義義系統(tǒng)統(tǒng)、機(jī)機(jī)械系系統(tǒng)））、動(dòng)動(dòng)力學(xué)學(xué)問題題、模模型（（靜態(tài)態(tài)模型型、動(dòng)動(dòng)態(tài)模模型））；反反饋（（正、、負(fù)反反饋，，內(nèi)、、外反反饋））；控控制系系統(tǒng)的的分類類，閉閉環(huán)控控制系系統(tǒng)的的組成成；對對控制制系統(tǒng)統(tǒng)的基基本要要求。。本章小小結(jié)例1.1設(shè)電熱熱水器器如下下圖所所示。。為了了保持持希望望的溫溫度，，由溫溫控開開關(guān)接接通或或斷開開電加加熱器器的電電源。。在使使用熱熱水時(shí)時(shí)，水水箱中中流出出熱水水并補(bǔ)補(bǔ)充冷冷水。。試說說明該該系統(tǒng)統(tǒng)工作作原理理并畫畫出系系統(tǒng)的的方框框圖。。解：在在電熱熱水器器系統(tǒng)統(tǒng)中，，水箱箱內(nèi)的的水溫溫需要要控制制，即即水箱箱為被被控對對象。。水的實(shí)實(shí)際溫溫度是是被控控制量量，或或稱為為系統(tǒng)統(tǒng)的輸輸出量量，輸輸入量量為用用戶希希望的的溫度（（給定定值）），由由于放放出熱熱水并并注入入冷水水或水水箱散散熱等等原因因而使使水箱箱內(nèi)水水溫下下降成成為該該系統(tǒng)統(tǒng)的主主要干干擾。。第一章章緒緒論補(bǔ)充習(xí)習(xí)題第一章章緒緒論補(bǔ)充習(xí)習(xí)題當(dāng)To=Ti時(shí)，水箱箱的實(shí)實(shí)際水水溫經(jīng)經(jīng)測溫溫元件件檢測測，并并將實(shí)實(shí)際水水溫轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成成相應(yīng)應(yīng)的電電信號號，與與溫控控開關(guān)關(guān)預(yù)先先設(shè)定定的信信號進(jìn)進(jìn)行比比較而而得到到的偏偏差為為零，，此時(shí)時(shí)電加加熱器器不工工作，，水箱箱中的的水溫溫保持持在希希望的的溫度度上。。當(dāng)使用用熱水水并注注入冷冷水時(shí)時(shí)，水水溫下下降，，此時(shí)時(shí)To<Ti，則偏差差不為為零而而使溫溫控開開關(guān)工工作。。于是是電源源接通通，電電加熱熱器開開始對對水箱箱內(nèi)的的水進(jìn)進(jìn)行加加熱，，使水水溫上上升，，直到到To=Ti時(shí)為止止。系系統(tǒng)控控制方方框圖圖如下下圖所所示：：第一章章緒緒論補(bǔ)充習(xí)習(xí)題例1.2分析圖圖示液液位自自動(dòng)控控制系系統(tǒng)工工作原原理并并繪制制系統(tǒng)統(tǒng)功能能框圖圖。節(jié)流閥節(jié)流閥H(t)放大器+E+E.電動(dòng)機(jī)減速器第一章章緒緒論補(bǔ)充習(xí)習(xí)題解：1）電位位器滑滑動(dòng)觸觸點(diǎn)位位于中中間位位置，，電動(dòng)動(dòng)機(jī)停停轉(zhuǎn)，，閥門門保持持原有有開度度，水水箱中中流入入水量量與流流出水水量相相等，，液面面保持持在希希望的的高度度。2）若系系統(tǒng)收收到擾擾動(dòng)使使液面面升高高，則則浮子子相應(yīng)應(yīng)升高高，通通過杠杠桿作作用使使電位位器滑滑動(dòng)觸觸點(diǎn)下下移，，給電電動(dòng)機(jī)機(jī)提供供一定定的控控制電電壓，，驅(qū)動(dòng)動(dòng)電動(dòng)動(dòng)機(jī)通通過減減速器器減小小閥門門開度度，使使輸入入流量量減小小，液液位下下降，，直到到電位位器滑滑動(dòng)觸觸點(diǎn)回回到中中間位位置，，液面面恢復(fù)復(fù)給定定高度度；第一章章緒緒論補(bǔ)充習(xí)習(xí)題3）若系系統(tǒng)收收到擾擾動(dòng)使使液面面下降降，則則系統(tǒng)統(tǒng)會自自動(dòng)加加大閥閥門開開度，，使輸輸入流流量增增加，，液面面恢復(fù)復(fù)到給給定高高度。。給定液位杠桿電位器放大器電動(dòng)機(jī)減速器閥門水箱實(shí)際液位浮子第一章章緒緒論補(bǔ)充習(xí)習(xí)題例1.3分析大大門自自動(dòng)控控制系系統(tǒng)工工作原原理并并繪制制系統(tǒng)統(tǒng)功能能框圖圖。放大器電動(dòng)機(jī)門u2u1反饋開關(guān)絞盤第一章章緒緒論補(bǔ)充習(xí)習(xí)題解：當(dāng)當(dāng)合合上開開門開開關(guān)時(shí)時(shí)，u1>u2，電位位器橋橋式測測量電電路產(chǎn)產(chǎn)生偏偏差電電壓，，經(jīng)放放大器器放大大后，，驅(qū)動(dòng)動(dòng)電機(jī)機(jī)帶動(dòng)動(dòng)絞盤盤轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)，使使大門門向上上提起起。與與此同同時(shí)，，與大大門連連在一一起的的電位位器滑滑動(dòng)觸觸頭上上移，，直至至橋路路達(dá)到到平衡衡（u1＝u2），電電機(jī)停停止轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，，大門門開啟啟。反反之，，合上上關(guān)門門開關(guān)關(guān)時(shí)，，電機(jī)機(jī)反向向轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)，帶帶動(dòng)絞絞盤使使大門門關(guān)閉閉。開、關(guān)門位置電位器放大器電動(dòng)機(jī)絞盤大門實(shí)際位置第一章章緒緒論補(bǔ)充習(xí)習(xí)題例1.4分析圖圖示鋼鋼板厚厚度控控制系系統(tǒng)工工作原原理并并繪制制系統(tǒng)統(tǒng)功能能框圖圖。放大器1放大器2厚度檢測器減速器直線執(zhí)行器uauu1u3u2vbda鋼板第一章章緒緒論補(bǔ)充習(xí)習(xí)題解：1）穩(wěn)態(tài)態(tài)給定定電壓u1比例于于被軋軋鋼板板要求求的厚厚度；；厚度度檢測測器輸輸出u2