机械控制工程基础 第一章 控制系统的基本概念
控制工程基础(第一章)
生产过程的组织＋管理＋生产过程＝制造系统
生产过程的组织、管理以及生产过程中的每一个环 节都是整个制造系统的一个环节，任何一个环节都会对 其后面的环节产生影响，而后面的环节可能又反过来影 响前面的环节。这是一个闭环系统。
•北京工业大学机电学
•
§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
•北京工业大学机电学
•
§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
二. 研究反馈控制系统的性能和设计
• 反馈控制系统——系统的输出通过适当的测量装 置将输出信号全部或部分返回到输入端，并与系统的 输入进行比较。 • 如数控机床，自动生产线，精密工作台等。
•北京工业大学机电学
•
§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
•
•例如：数控机床、焊接机器人、温度控制系统
•北京工业大学机电学
•
§1-1 概述
• 特点：一个或多个被控制的物理量按照给定量的变 化而变化。
给定量：系统的输入量，可以是物理量、也可以是数 字量；
被控量：系统的输出量。
若被控量是恒定的，为恒值调节系统，如稳压电源， 恒温控制系统；
若被控量随给定量的变化而变化，则为调节系统或随 动系统，如转速调节系统，位置随动系统等。
•北京工业大学机电学
•
§1-1 概述
控制论是自动控制、电子技术、计算机科学等多学科相 互渗透的产物：
20世纪40年代酝酿形成，1948年，维纳（Wiener） 《控制论》出版，标志着该学科的诞生；
50年代蓬勃发展，一方面，火药、导弹的控制技术， 以及数控、电力、冶金自动化技术得到极大发展，另一方面 ，控制理论也逐渐成熟；
•北京工业大学机电学
控制工程基础习题课
按输出量的变化规律：
恒值控制系统（自动调节系统）： 系统的输出为恒定值。如恒温箱、液面控制等 此类系统同时也是闭环系统 程序控制系统： 系统的输出按规定程序变化。如数控加工系统 此类系统同时也是闭环系统
随动系统：
系统的输出相应于输入按任意规律变化。如炮瞄雷达系统 此类系统可以是开环系统，也可以是闭环系统
脉冲信号
等速和等加速信号
自动控制系统方框图的绘制步骤
• 分析控制系统的工作原理，找出被控对象； • 分清系统的输入量、输出量； • 按照控制系统各环节的定义，找出相应的 各个环节； • 按信息流动方向将各个环节用原件方框和 连线连接起来。
试说明如题图 (a)所示液面自动控 制系统的工作原理。若将系统的结 构改为如题图 (b)所示，将对系统 工作有何影响？
线性化的定义：
将一些非线性方程在一定的工作范围内用近似的线性方程来 代替，使之成为线性定常微分方程
2.2 系统的传递函数
传递函数：复数域中描述系统特性的数学模型
2.2 系统的传递函数
传递函数：复数域中描述系统特性的数学模型
E.g. 3 机械系统传递函数的建立：求图式所示系统的传递函数
1 确定系统的输入和输出：输入为f，输出为y。
1.4 自动控制系统的研究方法
基本问题：建立数学模型 、系统性能分析、控制器设计
分析： 在给定系统的条件下，将物理系统抽象成数学模型， 然后用已经成熟的数学方法和先进的计算工具来定性或 定量地对系统进行动、静态的性能分析。 综合： 在已知被控对象和给定性能指标的前提下，寻求控 制规律，建立一个能使被控对象满足性能要求的系统。 典型控制信号： 正弦信号 阶跃信号
1.2 反馈控制系统及其组成
闭环控制系统的组成：给定环节、测量环节、比较环节、放大及运算环 节、执行环节 给定环节：
1—控制系统的基本概念1
分类法小结（补充28、29）
• 开环与闭环(Open-loop / Closed-loop)系统 • 线性与非线性 (Linear/Nonlinear)系统 • 集中参数与分布参数 (Lumped / Distributed Parameter)系统 • 时变与时不变 (Time-variant / Time-invariant or Stationary / Non-stationary)系统 • 确定性与随机(Deterministic / Random)系统 • 单变量与多变量 (Single variable / Multivariable or SISO / MIMO)系统 • 连续与离散(Continuous / Discrete)系统
§1-4 控制工程发展概况
控制工程是一门新型的技术科学，也是一 门边缘科学。它的理论基础是工程控制论。 早在一千多年以前，我国就先后发明了铜 壶滴漏计时器、指南针以及天文仪器等多种自 动控制装置，这些发明促进了当时社 会经济的发展。即使从1788年瓦特（J.Watt） 发明蒸汽机飞球调速器算起，控制工程也已有 了二百多年的历史。然而，控制工程作为一门 学科，它的形成并迅速发展却是最近五六十年 的事。
1.1.3 闭环控制系统的组成
§1-2 控制系统的基本类型
一、按输入量的特征分类 1.恒值控制系统 生产中温度、压力、流量、液面控制； 原动机速度控制、机床位置控制； 电力系统电网电压、频率控制 2. 程序控制系统
液位控制系统
§1-2 控制系统的基本类型
2. 程序控制系统（数字控制、计算机控制） 变化规律预知
不连续系统 (Discontinuous Variable System)
离散系统(Discrete Variable System)
控制工程基础客观题复习题与答案
10．下列信号中，哪个用来定义二阶系统的瞬态响应指标(
A.系统型次越高，增益 K 越大，系统稳定误差越大 B.系统型次越高，增益 K 越大，系统稳定误差越小 C.系统阶次越高，增益 K 越大，系统稳定误差越小 D.系统阶次越高，稳态误差越大 12．二阶系统的极点分别为 s1 0.5, s2 4 ，系统增益为 5，则其传递函数为（ A. D ）
k , (k 0, T 0) ，则该系统的阻尼 s (Ts 1)
K /T ） 。当 0 1 时，该系统的阶跃
响应曲线为（ 衰减振荡 ）曲线，当 1 时，该系统的阶跃响应曲线为（ 单调上升 ）曲 线。当 1 时，该系统为（ 临界阻尼状态 ）系统。当 （ 0 ）时，该系统获得最佳过 渡过程。 。当误差带定为 0.05（0.02）时，过渡 4．图示电路的传递函数为（ G ( s ) 1 / 0.2s 1 ） 过程时间为（ 0.6 s 或 0.8 s ） 。
5．系统的频率特性可表示为幅频和相频，幅频特性表示（ 稳态输出量与输入量的振幅 ） 的比值。 6．一般来说，系统的相位裕量愈小，则超调量（ 越大 ） ，截止频率愈大，则调节时间（ 越 小 ） 。 7．频率响应是系统对（ 正弦 ）输入的（ 稳态响应 ） 。 8 ． 频 率 响 应 是 （ 稳 态 ） 响 应 ； 频 率 特 性 G ( j ) 与 传 递 函 数 G ( s ) 的 关 系 为 （ G ( j ) G ( s ) s j ） 。 9．频率响应是系统对（ 正弦输入 ）的稳态响应，频率特性包括（ 幅频和相频 ）两种特 性。 10.极坐标图(Nyquist 图)与对数坐标图(Bode 图)之间对应关系为：极坐标图上的单位圆对 应于 Bode 图上的( 0 分贝线 )；极坐标图上的负实轴对应于 Bode 图上的( －180°线 )。 11．三频段中的( 中频 )段基本确定了系统的动态性能。 12． 反馈控制系统开环对数幅频特性的中频段， 反映系统响应的 （ 快速性 ） 和 （ 稳定性 ） ； 而低频段主要表明系统的（ 准确性 ） 。 13．若系统输入为 A sin t ，其稳态输出相应为 B sin( t ) ，则该系统的幅频特性为
控制工程基础PPT课件(王积伟)第一章控制系统的基本概念
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第一章 控制系统的基本概念
输入量 控制器
输出量 对象或过程
反馈量 测量元件
闭环控制系统框图
➢ 半闭环控制系统 特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。
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第一章 控制系统的基本概念 闭环控制系统的组成
比较
给定 元件
+ 元件
_
串联校正 元件
输入信号 偏差信号
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第一章 控制系统的基本概念
准确性 控制精度，以稳态误差来衡量。 稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋 于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量 之间的差值。
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第一章 控制系统的基本概念
快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏 差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。
注意：在机械、液压、气动、机电等系统中 存在着内在反馈，这种反馈无须专门 的反馈元件，是系统内部各参数相互 作用产生的，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。
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第一章 控制系统的基本概念
➢ 比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差 信号；
➢ 放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱 动执行元件实现控制功能。
系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分 地返回，并作用于系统，即输出量的返回过程称 为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。
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第一章 控制系统的基本概念
综上所述，控制系统的工作原理： ➢检测输出量（被控制量）的实际值 ➢将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比
较得出偏差； ➢用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得
机械控制工程基础
第一章绪论知识结构图知识结构图第一节机械工程控制论的研究对象与任务一、系统及广义系统系统是由相互联系、相互作用的若干部分构成且具有一定运动规律的一个有机整体。
一个较大系统之内可能包括若干个较小的子系统。
不仅系统的各部分之间存在非常紧密的联系，而且，系统与外界之间也存在一定的联系。
系统与外界之间的联系如图1.1.1所示，其中，输入：外界对系统的作用，它包括给定的输入和干扰；输出：系统对外界的作用。
图1.1.1系统及其与外界的联系系统可大可小，可繁可简，甚至可“实”可“虚”，完全由研究的需要而定，通常将它们统称为广义系统。
二、机械工程控制论的研究对象机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广义系统的动力学问题。
具体地说，它研究的是机械工程广义系统在一定的外界条件（即输入或激励、干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性（即由系统的结构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程；研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。
三、机械工程控制论的研究任务从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械工程控制论的任务可以分为以下五种：（1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；（2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；（3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题；（4）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题；（5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。
第二节系统及其模型一、系统的特性系统具有如下特性：（1）系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的结构有关；（2）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；（3）系统往往具有表现出在时域、频域或空域等域内的动态特性。
二、机械系统以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。
对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。
《控制工程基础》电子教案
《控制工程基础》电子教案第一章：绪论1.1 课程介绍解释控制工程的定义、目的和重要性概述控制工程的应用领域和学科范围1.2 控制系统的基本概念介绍控制系统的定义和组成解释输入、输出、反馈和控制器的概念1.3 控制工程的历史和发展回顾控制工程的发展历程和重要里程碑讨论现代控制工程的挑战和发展趋势第二章：数学基础2.1 线性代数介绍矩阵、向量的基本运算和性质讲解线性方程组的求解方法2.2 微积分复习微积分的基本概念和公式讲解导数和积分的应用2.3 离散时间信号介绍离散时间信号的定义和特点讲解离散时间信号的运算和处理方法第三章：连续控制系统3.1 连续控制系统的概述介绍连续控制系统的定义和特点解释连续控制系统的应用领域3.2 传递函数讲解传递函数的定义和性质介绍传递函数的绘制和分析方法3.3 控制器设计讲解PID控制器和模糊控制器的原理和方法讨论控制器设计的考虑因素和优化方法第四章：离散控制系统4.1 离散控制系统的概述介绍离散控制系统的定义和特点解释离散控制系统的应用领域4.2 差分方程和离散传递函数讲解差分方程的定义和求解方法介绍离散传递函数的定义和性质4.3 控制器设计讲解离散PID控制器和模糊控制器的原理和方法讨论控制器设计的考虑因素和优化方法第五章：状态空间方法5.1 状态空间模型的概述介绍状态空间模型的定义和特点解释状态空间模型的应用领域5.2 状态空间方程讲解状态空间方程的定义和求解方法介绍状态空间方程的稳定性分析5.3 状态控制器设计讲解状态控制器的原理和方法讨论状态控制器设计的考虑因素和优化方法第六章：频域分析6.1 频率响应介绍频率响应的定义和作用讲解频率响应的实验测量方法6.2 频率特性分析系统频率特性的性质和图形讨论频率特性对系统性能的影响6.3 滤波器设计讲解滤波器的基本类型和设计方法分析不同滤波器设计指标的选择和计算第七章：数字控制系统7.1 数字控制系统的概述介绍数字控制系统的定义和特点解释数字控制系统的应用领域7.2 数字控制器设计讲解Z变换和反变换的基本原理介绍数字PID控制器和模糊控制器的设计方法7.3 数字控制系统的仿真与实现讲解数字控制系统的仿真方法和技术讨论数字控制系统的实现和优化第八章：非线性控制系统8.1 非线性系统的概述介绍非线性系统的定义和特点解释非线性系统的应用领域8.2 非线性模型和分析方法讲解非线性系统的建模方法和分析技术分析非线性系统的稳定性和可控性8.3 非线性控制策略讲解非线性PID控制器和模糊控制器的原理和方法讨论非线性控制策略的设计和优化第九章：鲁棒控制9.1 鲁棒控制的概述介绍鲁棒控制的定义和目的解释鲁棒控制在控制工程中的应用领域9.2 鲁棒控制设计方法讲解鲁棒控制的基本设计和评估方法分析不同鲁棒控制策略的性能和特点9.3 鲁棒控制在实际系统中的应用讲解鲁棒控制在工业和航空航天等领域的应用案例讨论鲁棒控制在实际系统中的挑战和限制第十章：控制系统的设计与实践10.1 控制系统的设计流程讲解控制系统设计的基本流程和方法分析控制系统设计中的关键环节和技术选择10.2 控制系统实践案例分析不同控制系统实践案例的设计和实现过程讲解控制系统实践中的注意事项和优化方法10.3 控制系统的发展趋势讨论控制系统未来的发展方向和挑战分析新兴控制技术和方法在控制系统中的应用前景重点和难点解析重点环节1：控制系统的基本概念和组成控制系统定义和组成的理解输入、输出、反馈和控制器的相互作用重点环节2：传递函数和控制器设计传递函数的定义和性质PID控制器和模糊控制器的设计方法和应用重点环节3：差分方程和离散传递函数差分方程的求解方法离散传递函数的定义和性质重点环节4：状态空间模型的建立和分析状态空间方程的定义和求解状态空间模型的稳定性和可控性分析重点环节5：频率响应和滤波器设计频率响应的实验测量和分析滤波器设计方法和应用重点环节6：数字控制系统和控制器设计Z变换和反变换的应用数字PID控制器和模糊控制器的设计方法重点环节7：非线性系统的建模和控制策略非线性系统的建模方法非线性控制策略的设计和优化重点环节8：鲁棒控制的设计和评估鲁棒控制的基本设计和评估方法鲁棒控制策略的性能和特点重点环节9：控制系统的设计流程和实践案例控制系统设计的基本流程和方法控制系统实践案例的设计和实现过程重点环节10：控制系统的发展趋势和新兴技术控制系统未来的发展方向新兴控制技术和方法在控制系统中的应用前景本教案涵盖了控制工程基础的十个重点环节，包括控制系统的基本概念和组成、传递函数和控制器设计、差分方程和离散传递函数、状态空间模型的建立和分析、频率响应和滤波器设计、数字控制系统和控制器设计、非线性系统的建模和控制策略、鲁棒控制的设计和评估、控制系统的设计流程和实践案例以及控制系统的发展趋势和新兴技术。
控制工程基础
课程总复习
xo (t )
误差容充限
Mp 1
o
tr tp
ts
t
二阶系统的响应指标
ts
|0.02
4
n
ts
|0.05
3
n
tr
d
tp
d
M p e 1 2 100%
控制工程基础
第三章 控制系统的时域分析方法
课程总复习
5、闭环系统特征根与阶跃响应的关系
6、误差与偏差的定义及计算
误差： e(t) xor (t) xo (t) 偏差： (t) xi (t) b(t)
控制工程基础
课程总复习
第一章 控制系统的基本概念
一、基本概念
1、自动控制：指在没有人直接参与的情况下，利 用控制装置，使机器、设备或生产过程的某个工作 状态或参数，自动的按照预定的规律运行。
2、反馈：将系统的输出部分或全部地返回到系统 的输入端并与输入信号进行比较的过程。
控制工程基础
第一章 控制系统的基本概念
3、稳态误差和稳态响应的计算
4、稳定性分析
课程总复习
控制工程基础
第三章 控制系统的时域分析方法
1、典型输入信号
课程总复习
控制工程基础
第三章 控制系统的时域分析方法
2、一阶系统的时域响应
一阶系统的单位阶跃响应 一阶系统的单位速度响应 一阶系统的单位脉冲响应 线性定常系统时间响应的性质
课程总复习
控制工程基础
t<τ时, f (t-τ)=0
L[f
若L[f(t)]= (t-)]=e-s
FF(（(ss))，，则0）
控制工程基础
第二章 控制系统的数学模型
1、拉氏变换
控制工程基础(第一章)
§1-3 自动控制系统的基本概念
一.自动控制系统工作原理
（1）人工控制系统：如图，人工控制恒温箱。
北京工业大学机电学院 图2 人工控制恒温箱
§1-3 自动控制系统的基本概念
人工观察温度计测得的恒温箱温度，与要求的温度 进行比较，若恒温箱温度高于要求的温度，移动调压器 使电阻丝电流减小以降低恒温箱温度；若恒温箱温度低 于要求的温度，移动调压器使电阻丝电流增加以升高恒 温箱温度。
2.最优控制——系统已确定，确定系统的输入，已使输 出尽可能符合给定的最佳要求；
3. 最优设计——输入已知，确Fra bibliotek系统，以使输出尽可能 符合给定的最佳要求；
4. 滤波与预测——输出已知，确定系统，以识别输入或 输出中的有关信息；
5. 系统辨识——输入、输出均已知，求系统的结构和参 数，也即建立系统的数学模型
§1-1 概述
控制论是自动控制、电子技术、计算机科学等多学科相 互渗透的产物：
20世纪40年代酝酿形成，1948年，维纳（Wiener） 《控制论》出版，标志着该学科的诞生；
50年代蓬勃发展，一方面，火药、导弹的控制技术， 以及数控、电力、冶金自动化技术得到极大发展，另一方面， 控制理论也逐渐成熟；
控制工程基础
第一章 绪论
控制理论 控制理论在机械制造中的作用 自动控制系统的工作原理 反馈控制系统的基本组成 自动控制系统的基本类型
北京工业大学机电学院
§1-1 概述
控制工程基础课程：阐述有关自动控制技术的基础理论
自动控制： 没有人直接参与的情况下，使生产过程或被控制
对象的某些物理量准确地按照预期规律变化。 例如：数控机床、焊接机器人、温度控制系统
北京工业大学机电学院
机械控制工程基础-总复习
推论：
d n xt n 0 sx n 2 0 x n 1 0 L n s X s s n 1 x0 s n 2 x dt
零初始条件
0 若：x 0 x x 0 x n 2 0 x n 1 0 0 d n x t n L s X s n dt
一、典型输入信号（掌握）
1. 阶跃函数 2. 斜坡函数 3. 加速度函数 4. 脉冲函数
5. 正弦函数
二、一阶系统的瞬态响应（掌握）
闭环传递函数 输入信号 输出响应
t 1 T e T
ess
0 0
(t )
(t 0)
1 Ts 1
1(t )
1e
t T
(t 0)
t T
t
t
1 2 t 2
t T Te
t 0
T
∞
1 2 2 t Tt T (1 e T ) t 0 2
等价关系： 系统对输入信号导数的响应，就等于系统对该输入信号响应的导数； 系统对输入信号积分的响应，就等于系统对该输入信号响应的积分。
三、二阶系统的瞬态响应
X i s
-
×
n ss 2 n
jV
0 2
G j
K U 0
0 0
jV
[G j ]
nm 3
nm 2
0
U
0 1
n m 1
乃氏图的终点
乃氏图的起点
三、频率响应的对数坐标图—伯德图
1.伯德图的定义（掌握）
由两张图组成。纵坐标分别为
对数幅频特性： L 20lg G j
机械控制工程基础复习课
例2：系统传递函数方框图简化
前向通道 ： G1G2G3
反馈回路： L1：G1、G2、G3 相加点处 "" L2：G1、G2、H1 相加点处 "" L3：G2、G3、H 2 相加点处 ""
各反馈回路有公共传递 函数方框
例3：求如图所示系统的传递函数
Gs
X O s 前向通道的传递函数之 积 X i s 1 （每一反馈回路的开环 传递函数之积）
自动控制系统的基本组成： 输 入 串联 校正 元件 输 对 出 象
给定 元件
+
-
+
-
放大 元件
执行 元件
反馈校正 元件
测量变送 元件
给定元件：其职能是给出与期望的输出相对应的 系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。
测量元件：其职能是检测被控量，如果测出的物 理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，以 便利用电的手段加以处理。 比较元件：其职能是把测量元件检测到的实际输 出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之 间的偏差。 放大元件：其职能是将过于微弱的偏差信号加以 放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。 执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被 控量发生变化。 校正元件：为改善或提高系统的性能，在系统基 本结构基础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称 为调节器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。
第三章
☆ ☆ ☆ ☆
时间响应分析
☆ ☆ ☆ ☆
本章主要内容 典型时间信号 一阶系统的时间响应 二阶系统的时间响应 系统的误差分析与计算 本章重点与难点 一阶系统的单位阶跃响应 二阶系统的单位阶跃响应 二阶系统的性能指标 稳态误差分析与计算
《机械工程控制基础》课件
二、开环、闭环和复合控制系统
控制系统按其有无反馈作用和反馈作用 的方式可分为三类： 1、开环控制系统 2、闭环控制系统 3、复合控制系统
开环控制系统
如果系统的输出量和输入量之间没有反 馈作用，输出量对系统的控制过程不发 生影响时，这样的系统称为开环控制系 统。 图1-5是数控线切割机的进给系统.
二、控制理论的发展
4、1948年美国数学家维纳（N.Wiener）出版了 著名的《控制论—关于在动物和机器中控制和通 讯的科学》一书，他揭示了无论机器系统、生命 系统甚至社会和经济系统中，都存在一个共同本 质的特点，它们都是通过信息的传递、处理与反 馈这三个要素来进行控制，这就是控制论的中心 思想。1950年伊万斯（W.R.Evans）提出的根轨 迹法提供了寻找特征方程根的比较简易的图解方 法，至此，形成了完整的经典控制理论。
控制系统中常用的概念和术语的含义说明
• 输出量（或称输出信号、被控制量）：是指控制系统中需要
加以控制的物理量。系统的输出量常用符号xo(t)表示。 • 输入量（或称输入信号、给定值、给定量）：是指输入给控 制系统用以控制输出量变化规律的物理量它作用于系统输入端 ，直接地或间接地表示系统输出量的期望值（给定值）。系统 的输入量常用符号xi(t)表示. • 扰动量（或称扰动信号）：指那些能使输出量偏离预定要求 （期望值）的意外干扰因素。 • 反馈量（或称反馈信号）：是指把输出量取出并直接或经转 换以后送回到输入端与输入信号进行比较的物理量。
一、控制系统的基本工作原理
系统：是由相互制约的各个部分组成的具有一 定功能的有机整体。 自动控制系统：能够进行自动控制的一整套设 备或装置。通常由控制器（控制装置）和被控 对象两大部分组成。 被控对象是指系统中需要加以控制的机器、设 备或生产过程； 控制器是指能够对被控对象产生控制作用的设 备的总体。 控制系统的任务就是使被控制对象的物理量按 照预先给定的控制规律变化。
最新控制工程基础PPT课件(王积伟)第一章控制系统的基本概念
➢ 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏 差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。
系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分 地返回，并作用于系统，即输出量的返回过程称 为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。
xi
e
比较
+ 元件
_
放大变换 元件
并联校正 元件
执行 元件
局部 反馈
主反馈信号 xb
控制部分
反馈元件 主反馈
闭环控制系统的组成
扰动信号
控制 输出 xo
对象
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第一章 控制系统的基本概念
➢ 给定元件 产生给定信号或输入信号。
➢ 反馈元件 测量被控制量（输出量），产生反馈信号。 为便于传输，反馈信号通常为电信号。
➢ 开环控制系统：如步进驱动的数控机床、普通 洗衣机、家用电烤箱、微波炉等
➢ 闭环控制系统：如伺服驱动的数控机床、恒温 箱（冰箱、空调）等
➢ 半闭环控制系统
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第一章 控制系统的基本概念
➢ 开环控制系统
特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端 和输入端之间不存在反馈回路；输出量 在整个控制过程中对系统的控制不产生 任何影响。
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第一章 控制系统的基本概念
输入量 控制器
输出量 对象或过程
反馈量 测量元件
闭环控制系统框图
➢ 半闭环控制系统 特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。
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第一章 控制系统的基本概念 闭环控制系统的组成
机械控制工程基础第一章
(a)
(b)
(m p2cpk)y(t)f(t) (m p 2 c p k )y (t) (c p k )x (t)
初始状态：
y(0)y , 0
.
.
y(0) y0
系统固有特性： mp2 cpk
外界作用： f (t) , x(t)
与外界的关系： 1, cpk
初始状态、系统 固有特性、外界 作用、与外界的 关系等四大因素 决定系统响应
机械工程控制基础
教材：
杨叔子等,机械工程控制基础,华中科技大学出版社,(第六 版),2011
参考文献：
1.胡寿松等,自动控制原理,科学出版社,(第五版),2009. 2.李友善.自动控制原理,国防工业出版社,2010. 3.陈康宁.机械工程控制基础.西安交通大学出版社.2005. 4.Matlab使用手册
二、机械工程控制论研究对象与任务
2. 系统的动力学问题 研究的是机械工程广义系统在一定的外界条件（即输入或 激励、干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所 经历的由其内部的固有特性（即由系统的结构与参数所决 定的特性）所决定的整个动态历程。 研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。
二、机械工程控制论研究对象与任务
系统的输出： y ( t )
研究任务
➢ 系统分析问题：已知系统和输入，求输出（或响应），并 通过响应来研究系统本身的问题。
➢ 最优控制问题：已知系统和理想输出，求最优输入，使实 际输出满足要求。
➢ 最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。 ➢ 滤波与预测问题：设计或选择合适的系统，以便由输出识
稳定性好，则系统恢复平衡状态的能力强 系统的快速性
快速性好，则消除偏差快，或调整时间短。
机械工程控制基础复习
机械工程控制基础复习 第一章 绪论1.控制理论在工程技术领域中体现为工程控制论，在机械工程领域则体现为机械工程控制论。
2.工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题。
具体地说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件（即输入或激励，包括外加控制与外加干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性（即由系统的结构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程；研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。
3.y(t)称为系统的输出，显然，y(t)（它就是微分方程的解）是由系统的初始状态、系统的固有特性、系统与输入之间的关系以及输入所决定的。
4.工程控制论（包括机械工程控制论）的内容大致可归纳为如下五个方面： ⑴当系统已定、输入（或激励）已知时，求出系统的输出（或响应），并通过输出来研究系统本身的有关问题，此即系统分析问题；⑵当系统已定，确定输入，且所确定的输入应使得输出尽可能符合给定的最佳要求，此即最优控制问题；⑶当输入已知时，确定系统，且所确定的系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求，此即最优设计问题；⑷当输出已知时，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题； ⑸当输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，此即系统识别或系统辨识问题。
5.反馈：系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统。
负反馈：输出(被控量)偏离设定值(目标值)时，反馈作用使输出偏离程度减小，并力图达到设定值。
反馈的作用：消除偏离正反馈： 输出偏离初始值（或稳定值）时，反馈作用使输出偏离程度加剧。
反馈的作用：加剧偏离。
6.开环控制：只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。
特点是 结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题；输入控制输出；输出不参与控制； 系统没有抗干扰能力。
适用范围：输入量已知、控制精度要求不高、扰动作用不大。
控制工程基础—第1章绪论
三 .反馈控制系统的基本组成
一个典型的反馈控制系统应该包括给定元件、反 馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正 元件等。
给定 元件 比较元件 扰动 串联校正 元 件 +放大变 换元件 执行 元件 输出 控制 信号 对象 xo
+输入 偏差 信号 xi 信号 e
并联校正 元 件 局部反馈 反馈元件 主反馈
图1-2 人工控制的恒温箱
人工控制恒温的过程可归结如下：
1. 观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱（被 控制元件）的温度； 2. 与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏 差的大小和方向； 3. 根据偏差大小和方向再进行比较控制：当温度 高于所要求的给定温度值时，就调节调压器动 触头使电压减小，温度降低；若温度低于给定 的值，则调节调压器动触头，使电压增加，温 度升高； 4. 如温度还达不到要求时，要反复进行上面的步 骤操作。 因此，人工控制的过程就是测量、求偏差、再控 制以纠正偏差的过程。也就是“检测偏差用以 纠正偏差”的过程。
自动控制？
是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器 （机械装臵、电气装臵或电子计算机）使生产 过程或被控制对象（机器、设备）的某一物理 量（温度、压力、液面、流量、速度、位移等） 自动地按照预定的规律运行。
例如： 电冰箱自动地控制冰箱中的温度恒定； 无塔供水系统保证楼宇自动恒压供水； 加工中心根据加工工艺的要求，能够自动地 按照一定的加工程序加工出所需要的工件。
所谓系统的动态性能，主要分如下三类 1.已知系统的参数m、k、f及输入x(t)，确 定输出y(t)； 2.已知输入x(t)及输出y(t)，确定系统的参数 m、k及f； 3.已知系统的参数m、k及f，给定输出y(t)时， 确定输入x(t)。
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机械控制工程基础
徐俊
北 西二楼 材料学院 工程坊B区 梧 桐 西 道
工程坊B区 206
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机械控制工程基础
徐俊
第一章 绪论
§1.1 引言
1 自动控制理论简述 2 控制论 3 经典控制理论与现代控制理论
§1.2
机械控制工程
1 机械控制工程定义 2 机械控制工程的主要研究问题 3 机械控制系统的主要功能
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机械控制工程基础
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§1.1 引言
1. 自动控制理论简述 Science Technology Engineering Entrepreneurship Economics Life … 本课程讲授内容属于技术基础类知识 是研究控制理论在“机械工程”中应用的理论和 方法。
或动物和机器的控制和通信 》
(Cybernetics, or control and communication in the animal and machine, 1948)
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机械控制工程基础
徐俊
§1.1 引言
2.控制论
Cybernetics 一词，源于希 腊语，原意为掌舵术，包含 了调节、操纵、管理、指挥、 监督等多个含义。维纳选用 这个词命名此新学科，就是 不想过分偏向于某个含义， 避免“不能符合这个领域未 来的发展”，以及“纪念关 于反馈机构的第一篇重要论 文”的意思。
§1.3 §1.4
4
机械控制系统的基本概念 计算机辅助分析与设计控制系统
机械控制工程基础 徐俊
§1.1 引言
1. 自动控制理论怎么控制？
机械控制工程基础
Fundamentals of Mechanical Control System Engineering
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加热电阻丝
调压器
人工控制的恒温箱
~220V
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第一章 控制系统的基本概念
➢ 被控对象：在控制理论和控制技术中，运动规律或状态需要控制 的装置或元件称为被控对象（控制对象）
➢ 控制器：除被控对象以外的所有装置，统称为控制器 ➢ 被控制量：表征被控对象运动规律或状态的物理量
➢ 偏差：希望的恒温箱的温度与恒温箱的实际温度之差
➢ 控制量：加热电阻丝的输出功率。
➢ 扰动量（干扰）：恒温箱散热量
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第一章 控制系统的基本概念
人工控制恒温箱调节过程： ➢ 观测恒温箱内的温度（被控制量） ➢ 与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度
第一章 控制系统的基本概念
恒温箱自动控制系统工作原理：
➢恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 ➢恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度
u2比较得到温度偏差信号u＝u1 u2
➢温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为
实质上是系统的输出（输出量） ➢ 希望值：希望的被控对象运动规律或状态的物理量
（或称输入量、系统输入） ➢ 偏差：系统的输入量与反馈量之差或之和（比较环节的输出值） ➢ 控制量：被控对象的输入量 ➢ 扰动量（干扰）：指除给定量以外，所有使得被控制量偏离
给定值的因素。扰动包括因系统外部因素发生变化而引起的 外扰和因系统内部因素所引起的内扰。
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第一章 控制系统的基本概念
➢机械工程控制论的研究任务
从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解 问题的不同，机械工程控制论的任务可以分为以下五种：
（1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题； （2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题； （3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题； （4）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，
机械控制工程基础 第一章 控制系统 的基本概念
第一章 控制系统的基本概念
第一章 控制系统的基本概念
一、机械工程控制论的研究对象与任务 二、控制系统的工作原理及其组成 三、控制系统的基本类型 四、对控制系统的基本要求 五、本课程的任务及主要内容
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第一章 控制系统的基本概念 一、机械工程控制论的研究对象与任务
➢系统及广义系统 系统是由相互联系、相互作用的若干部分构成且具有一定运 动规律的一个有机整体。是按一定规律联系在一起的元素的 集合。
元素
要素：
元素之间的关系
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包括三个基本的单元:引出点,比较点,元件方框
期望 温度
大脑
实际
手
调压器
恒温箱
温度
眼睛
温度计
人工控制恒温箱系统功能框图
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第一章 控制系统的基本概念
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（称为控制装置或控制器），使机 器、设备或生产过程（通称被控对象）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。 如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶 及飞机自动驾驶、导弹制导等。
偏差的大小和方向 ➢ 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电
阻丝的电流以调节温度回复到要求值。
人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。
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第一章 控制系统的基本概念
系统方框图
系统方框图由许多对信号（量）进行单向传递的元件方框和一些连线组成， 表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。
第一章 控制系统的基本概念
➢机械工程控制论的研究对象 机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广义系统的动 力学问题。具体地说，它研究的是机械工程广义系统在一定 的外界条件（即输入或激励、干扰）作用下，从系统的一定 的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性（即由系统 的结构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程；研究 这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。
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第一章 控制系统的基本概念
给定信号
比较Biblioteka u1电压 功率 放大器 放大器
u u2
执行 电动机
热电偶 加热电阻丝
减速器 调压器
恒温箱自动控制系统
~220V
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第一章 控制系统的基温本度概计念
加热电阻丝
调压器
~220V
➢ 被控对象：恒温箱
人工控制的恒温箱
➢ 控制器：除恒温箱以外的所有装置，统称为控制器。
➢ 被控制量：恒温箱的实际温度为被控制量（系统的输出量）
➢ 希望值：希望的恒温箱的温度。
此即滤波与预测问题； （5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统
辨识问题。
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第一章 控制系统的基本概念
二、控制系统的工作原理及其组成
控制：通过对一定对象实施一定的操作，以使其按照预定的 规律运动或变化的过程。
止，此时，偏差u＝0，电机停止转动。
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第一章 控制系统的基本概念
扰动
给定 信号
u1 u
电压 功率
u2 放大器
ua 控制 电机
n
减 速 器
v
调 压 器
u
恒温箱 (控制