机械控制理论

第一章 绪论 www.ncwu.edu.cn 1.1 控制工程概述 1.2 控制系统的分类 1.3对控制系统的基本要求

1.1.1控制系统的基本概念 系统：任何一组存在某种因果关系的物理元件。 控制：按照预先给定的目标，改变系统行为或性能。 www.ncwu.edu.cn 系统：任何一组存在某种因果关系的物理元件。 控制：按照预先给定的目标，改变系统行为或性能。 自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器)，使机器、设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控量)自动地按照预定的规律运行。

1.控制系统的工作原理 www.ncwu.edu.cn 恒温控制系统 举例： 人工 控制 自动 控制

1.控制系统的工作原理 www.ncwu.edu.cn 人工控制 加热 电阻丝 温度计 调压器 图1.1 人工控制的恒温箱 ～220V

1.控制系统的工作原理 自动控制 图1.2 恒温箱的自动控制 △u 给定信号 执行 电动机 电压 u1 减速器 电位计 u2 热电偶 功率 www.ncwu.edu.cn 自动控制 减速器 △u 电位计 u1 功率 放大器 加热 电阻丝 给定信号 调压器 ～220V 电压 执行 电动机 热电偶 u2 图1.2 恒温箱的自动控制 △u

1.控制系统的工作原理 比较： 自动控制系统与人工控制系统非常相似。 在自动控制系统中，测量装置就相当于人的眼睛，控制器则 www.ncwu.edu.cn 比较： 自动控制系统与人工控制系统非常相似。 在自动控制系统中，测量装置就相当于人的眼睛，控制器则 类似于人的大脑，执行机构好比人手。 在控制过程中，它们的共同点都是要检测偏差，并利用检测 的偏差再去纠正偏差。没有偏差就不会有控制调节过程。 值得注意的是控制系统没有调节，并不等于系统不工作。

1.控制系统的工作原理 工作原理归纳如下： 测量 比较 控制 通过测量元件检测输出量的实际 。 www.ncwu.edu.cn 工作原理归纳如下： 测量 比较 控制 通过测量元件检测输出量的实际 。 将输出量的实际值与给定值进行比较，得到偏差信号。 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。

1.控制系统的工作原理 在控制系统中，给定量又称为输入量，被控制量又 称为输出量。 通常，我们把输出量取出，送回到输入端，并与输 www.ncwu.edu.cn 在控制系统中，给定量又称为输入量，被控制量又 称为输出量。 通常，我们把输出量取出，送回到输入端，并与输 入量相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。 这种基于反馈原理，通过“检测偏差，利用偏差纠 正偏差”的系统，称为反馈控制系统。 显然，作为反馈控制系统，至少应具备有检测、比 较（或计算）和执行三个基本功能。

1.控制系统的工作原理 www.ncwu.edu.cn 控制系统要 解决的问题 输出信号 的检测 控制目的 受控对象 被控量

2.控制系统的方框图 u1 u2 代表比较元件 → 代表信号的传递及方向 □ 代表一个环节 △u 扰动量 被控量 热电偶 给定信号 www.ncwu.edu.cn 扰动量 被控量 热电偶 给定信号 电压、功率放大器 执行电机 减速器 调压器 温度t 恒温箱 （被控对象） 图1.3 恒温箱自动控制系统职能框图 u1 △u u2 代表比较元件 → 代表信号的传递及方向 □ 代表一个环节

3.日常生活中的控制系统 1.人手取书 2.汽车行驶的位置控制 图1.4 人手取书方框图 图1.5 汽车行驶的位置控制框图 输入 书的位置 www.ncwu.edu.cn 1.人手取书 输入 书的位置 大脑 输出 肌肉 手臂 眼睛 手的位置 图1.4 人手取书方框图 2.汽车行驶的位置控制 实际路线 希望路线 大脑 输出 方向盘 汽车 眼睛 输入 图1.5 汽车行驶的位置控制框图

3.日常生活中的控制系统 www.ncwu.edu.cn 3.液位控制系统 图1.6 液位控制系统结构示意图

3.日常生活中的控制系统 www.ncwu.edu.cn 典型应用: 厕所水箱

4.控制系统的组成 图1.7 典型反馈控制系统框图 主反馈 局部反馈 执行 元件 被控 对象 放大、变 换元件 扰动 串联校 正元件 并联校 www.ncwu.edu.cn 主反馈 局部反馈 执行 元件 被控 对象 放大、变 换元件 扰动 串联校 正元件 并联校 反馈元件 给定 比较元件 输出 图1.7 典型反馈控制系统框图

间和(或)最小的代价(能量消耗最小)实现系 统按预定的规律进行能量转移，就是控制系 统设计所要解决的中心问题。 5.控制系统的物理本质 www.ncwu.edu.cn 控制过程是一种信息处理及能量转移的过 程。因此，提高信息处理能力，以最短的时 间和(或)最小的代价(能量消耗最小)实现系 统按预定的规律进行能量转移，就是控制系 统设计所要解决的中心问题。

1.1.2 控制系统的发展与应用 1.控制思想的溯源 中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400B.C. www.ncwu.edu.cn 1.控制思想的溯源 中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400B.C. ~1100B.C.)。孙武著《孙子兵法》(600B.C.) 西汉漏壶 亚历山大的希罗发明神殿自动门和分发圣水等 自动装置(100年)

1.1.2 控制系统的发展与应用 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年) 中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制 www.ncwu.edu.cn 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年) 中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制 思想(CNC)的提花织机结构图(1637年)

1.1.2 控制系统的发展与应用 英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年) 是一种典型的自动化装置。 www.ncwu.edu.cn 英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年) 是一种典型的自动化装置。

1.1.2 控制系统的发展与应用 英国J. C. Maxwell发表“论调速器”(On Governors)论文 (1868年) www.ncwu.edu.cn 英国J. C. Maxwell发表“论调速器”(On Governors)论文 (1868年) 英国E.J. Routh建立Routh判据(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875年) 俄国A.M. Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题” (1892年) 1932年美国贝尔实验室工程师奈奎斯特发表了反馈放大器 稳定性的著名论文，给出了系统稳定性的奈奎斯特判据。

1.1.2 控制系统的发展与应用 2.经典控制理论(20世纪40年代-60年代) www.ncwu.edu.cn 2.经典控制理论(20世纪40年代-60年代) 美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)， 提出Wiener滤波理论(1942)，发表《控制论》(Cybernetics) 一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。 我国著名科学家钱学森1954年在美国发表 的《工程控制论》。 伯德于1945年提出了简便而又实用的伯德图法。 1948年，伊文思提出了直观而又形象的根轨迹法。

1.1.2 控制系统的发展与应用 3.现代控制理论(20世纪60年代--) www.ncwu.edu.cn 3.现代控制理论(20世纪60年代--) 苏联L.S. Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极 大值原理(1958) 美国R. Bellman发表著名的Dynamic Programming，建立最优控制的基础(1954) 美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控 机床(1952)

1.1.2 控制系统的发展与应用 世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957) www.ncwu.edu.cn 世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957) 美国卡尔曼提出的状态空间方法以及其它学者提出的极大值 原理和动态规划等方法，形成了系统测辨、最优控制、自组织、 自适应系统等现代控制理论。

1.1.2 控制系统的发展与应用 4.大系统理论时期(20世纪70年代-----) 控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控 www.ncwu.edu.cn 4.大系统理论时期(20世纪70年代-----) 控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控 制论发展。 生物控制论又分化出神经控制论、医学控制论、人工智能 研究和仿生学研究。 社会控制论把控制论应用于社会的生产管理、效能运输、 电力网络、能源工程、环境保护、城市建议，以至社会决 策等方面。

1.1.2 控制系统的发展与应用 www.ncwu.edu.cn 总结：发展过程 19世纪 20世纪60年代初

1.1.2 控制系统的发展与应用 经典控制理论 现代控制理论 www.ncwu.edu.cn 经典控制理论 现代控制理论 以传递函数为基础，研究单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早,现已臻成熟。 以状态空间法为基础,研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。

1.1.2 控制系统的发展与应用 控制理论主要研究两方面的问题： www.ncwu.edu.cn 控制理论主要研究两方面的问题： 1) 分析：在系统的结构和参数已经确定的条件下，对系统的性能进行分析，并提出改善性能的途径。 2) 综合：根据系统要实现的任务，给出稳态和动态性能指标，要求组成一个系统，并确定适当的参数，使系统满足给定的性能指标。

1.1.2 控制系统的发展与应用 www.ncwu.edu.cn 自动化的应用 军事 自动化 自动化 工业 自动化 家庭 自动化 机器人

1.2 控制系统的分类 1.2.1.根据有无反馈控制作用可分为两类 开环控制 闭环控制 控制系统 www.ncwu.edu.cn 1.2.1.根据有无反馈控制作用可分为两类 开环控制 闭环控制 控制系统 输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。 输出端和输入端之间存在 着反馈回路，输出量对控 制过程产生直接影响 顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。

1.2 控制系统的分类 1.2.2 按输入信号变化规律分类 1．恒值控制系统 它的输入量是一恒定值，输入量一经给定，在运行过程中 www.ncwu.edu.cn 1.2.2 按输入信号变化规律分类 1．恒值控制系统 它的输入量是一恒定值，输入量一经给定，在运行过程中 就不再改变 。任务是保证在任何干扰作用下，维持系统 的输出量为恒定值 。例如：温度控制系统。 2．程序控制系统 当输入量为已知给定的时间函数时，称为程序控制系统。 输入量不为常数，其变化规律是预先知道的，故可预先把 输入量的变化规律编成程序，由该程序发出控制指令，在 输入装置中再将控制指令转换成控制信号，经过全系统的 作用，使被控对象按指令的要求而运动。

1.2 控制系统的分类 举例：用于机床切削加工的程序控制系统 3．随动系统（又称伺服控制） www.ncwu.edu.cn 举例：用于机床切削加工的程序控制系统 指令 脉冲 执行 机构 伺服 电动机 运算 控制器 变换 放大器 工作 机床 反馈测量元件 指令脉冲 位移 切削 刀具 3．随动系统（又称伺服控制） 系统的输入量是未知的，给定量的变化规律是不能预先确定的。 要求输出量迅速而平稳地跟随着变化，且能排除各种干扰因 素的影响，准确地复现控制信号的变化规律 。例如：火炮自 动瞄准系统、导弹目标自动跟踪系统。

1.2 控制系统的分类 www.ncwu.edu.cn 导弹的导引技术 思考：导弹是怎样盯住目标的呢？ 我国研制的地空导弹

1.2 控制系统的分类 1.2.3 按系统的数学描述分类 1．线性控制系统 能用线性微分方程描述的系统，称为线性控制系统。 www.ncwu.edu.cn 1.2.3 按系统的数学描述分类 1．线性控制系统 能用线性微分方程描述的系统，称为线性控制系统。 线性系统的重要特点是满足叠加原理。 2．非线性控制系统 不能用线性微分方程描述的系统，称为非线性控制系统。 非线性系统的重要特点是含有（那怕只有一个）非线性 元件，它的输入输出关系要用非线性微分方程描述。

1.2 控制系统的分类 1.2.4 按系统内部的信号特征分类 1．连续控制系统 系统中各部分传递的信号都是连续时间变量的系统称为 www.ncwu.edu.cn 1.2.4 按系统内部的信号特征分类 1．连续控制系统 系统中各部分传递的信号都是连续时间变量的系统称为 连续控制系统。 2．离散控制系统（或数字控制系统） 系统中某一处或数处的信号是脉冲序列或数字量传递的系统 称为离散控制系统。

1.3 对控制系统的基本要求 稳 快 准 稳定性要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。 1.3 对控制系统的基本要求 www.ncwu.edu.cn 稳 稳定性要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。 快 快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。 准 控制系统的精确性即即控制精度，一般用稳态误差来衡量。

1.3 对控制系统的基本要求 1.3.1 稳定性 定义：当一个实际的系统处于一个平衡的状态时，如果受到 1.3 对控制系统的基本要求 www.ncwu.edu.cn 1.3.1 稳定性 稳定性示意图 定义：当一个实际的系统处于一个平衡的状态时，如果受到 外来作用的影响时系统经过一个过程仍然能够回到原来的 平衡状态，我们称这个系统就是稳定的，否则称系统不稳定。 一个控制系统要能起控制作用，系统必须是稳定的，而且 必须满足一定的稳定裕量，当系统参数发生变化某些变化 时，也能够使系统保持稳定的工作状态。

1.3 对控制系统的基本要求 1.3.2 快速性 快速性是在系统稳定的条件下提出的。所谓快速性是指当 1.3 对控制系统的基本要求 www.ncwu.edu.cn 1.3.2 快速性 快速性是在系统稳定的条件下提出的。所谓快速性是指当 系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的 快慢程度。 1.3.3 精确性 控制系统的精确性即控制精度，一般用稳态误差来衡量。 所谓稳态误差是指以一定变化规律的输入信号作用于系 统后，当调整过程结束而趋于稳定时，输出量的实际值 与期望值之间的误差值。

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