控制工程1緒論課件

控制工程基礎(chǔ)機(jī)械與動力工程學(xué)院楊叔子、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。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。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。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。參考教材機(jī)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(jī)械控制工程基礎(chǔ)》多媒體課件與老師補(bǔ)充課件相結(jié)合方式進(jìn)行理論教學(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％。機(jī)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(jī)、電、液系統(tǒng)中信號的傳遞、反饋與控制，以及機(jī)、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(jī)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(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)，認(rèn)真對待實驗。機(jī)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)定性機(jī)械與動力工程學(xué)院第一章緒論機(jī)械與動力工程學(xué)院二、機(jī)械工程控制論的研究對象機(jī)械工程控制論實質(zhì)上是研究機(jī)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?緒論機(jī)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(jī)；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(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。如，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)；空調(diào)；1緒論全自動照相機(jī)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)機(jī)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(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(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緒論機(jī)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緒論機(jī)械與動力工程學(xué)院二、機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)——以實現(xiàn)一定的機(jī)械運動，承受一定的機(jī)械載荷為目的，由機(jī)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）1緒論機(jī)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(rèn)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(dá)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緒論機(jī)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(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)例1-3：質(zhì)量－彈簧－阻尼系統(tǒng)1緒論機(jī)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，則有所不同。對于發(fā)動機(jī)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(fù)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緒論機(jī)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(jī)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(dá)到某種控制目的而人為加入的反饋。2.負(fù)反饋與正反饋負(fù)反饋：輸出偏離設(shè)定值時，反饋作用使輸出偏離程度減小，并力圖達(dá)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緒論機(jī)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緒論機(jī)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(qiáng)，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緒論機(jī)械與動力工程學(xué)院

穩(wěn)、快、準(zhǔn)（華中課件）穩(wěn)定性的要求是控制系統(tǒng)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緒論機(jī)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（J·Watt）發(fā)明了蒸氣機(jī)自動調(diào)速器；2.1868年，麥克斯韋爾（J·C·Maxwell）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(H·Nyquist)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(H·W·Bode)創(chuàng)立了“頻率法”；6.1948年，依萬斯(W·R·Evans)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(jìn)了控制工程的發(fā)展。1緒論機(jī)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(NorbertWiener)首創(chuàng)了控制論(Cybernetics)這個名詞，他認(rèn)為，到那時為止，反饋理論已可以解決許多生物控制機(jī)理、經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程等問題。事實證明，從那以后控制理論又有了新的發(fā)展，跨入了“現(xiàn)代控制理論”的階段。7.1954年，錢學(xué)森發(fā)表了著名的《工