机械控制工程基础课件(1)..
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第一章 机械工程控制基础PPT课件
u=0,电机停止转动。
《控制工程基础》2012，2
1.1 控制系统的原理
第一章 绪论
人的有目 的的活动
具有控制
功能的机 器
人工控制与自动控制对比
测量 比较 纠正偏差
活动 测试机构 决策机构 执行机构
取物 眼、耳 大脑 手、脚
火炮打敌机 雷达
指挥仪 随动系统
《控制工程基础》2012，2
1.1 控制系统的原理
2
主要参考资料
❖ 1. 教材、讲义
❖ （）
❖ 2. 自动控制原理简明教程.胡寿松主编.科学出版社. ❖ 3. 《机械工程控制基础（第四版）学习辅导与题解》，
华中科技大学出版社。 ❖ 4. 自动控制原理 导教·导学·导考 刘慧英主编 西北工业
大学出版社。
《控制工程基础》2012，2
《控制工程基础》课程学习参考资料
2.实验总学时：4（2次试验，CAD中心）
3.授课内容：教材 1、2、3、4、5、6章
4.
实验 （试验指导书）
控制工程基础 2012，2
8
《控制工程基础》2012，2
9
《控制工程基础》2012，2
第一章 绪 论
1. 控制系统的原理 2. 控制系统的结构方框图 3. 自动控制系统的基本要求 4. 控制理论的发展
二、自动控制
1、定义
第一章 绪论
一个或一些被控物理量按 给定量的变化而变化。
在没有人直接参予的情况下，使生产过程和被控对象的某些物 理量准确地按照预期规律变化。
一般地说，如何使被控量按给定量的变化规律而变化，是 控制系统所要解决的基本任务。
《控制工程基础》2012，2
1.1 控制系统的原理
二、自动控制
《控制工程基础》2012，2
1.1 控制系统的原理
第一章 绪论
人的有目 的的活动
具有控制
功能的机 器
人工控制与自动控制对比
测量 比较 纠正偏差
活动 测试机构 决策机构 执行机构
取物 眼、耳 大脑 手、脚
火炮打敌机 雷达
指挥仪 随动系统
《控制工程基础》2012，2
1.1 控制系统的原理
2
主要参考资料
❖ 1. 教材、讲义
❖ （）
❖ 2. 自动控制原理简明教程.胡寿松主编.科学出版社. ❖ 3. 《机械工程控制基础（第四版）学习辅导与题解》，
华中科技大学出版社。 ❖ 4. 自动控制原理 导教·导学·导考 刘慧英主编 西北工业
大学出版社。
《控制工程基础》2012，2
《控制工程基础》课程学习参考资料
2.实验总学时：4（2次试验，CAD中心）
3.授课内容：教材 1、2、3、4、5、6章
4.
实验 （试验指导书）
控制工程基础 2012，2
8
《控制工程基础》2012，2
9
《控制工程基础》2012，2
第一章 绪 论
1. 控制系统的原理 2. 控制系统的结构方框图 3. 自动控制系统的基本要求 4. 控制理论的发展
二、自动控制
1、定义
第一章 绪论
一个或一些被控物理量按 给定量的变化而变化。
在没有人直接参予的情况下，使生产过程和被控对象的某些物 理量准确地按照预期规律变化。
一般地说，如何使被控量按给定量的变化规律而变化，是 控制系统所要解决的基本任务。
《控制工程基础》2012，2
1.1 控制系统的原理
二、自动控制
1机械工程控制基础(第五版)__第一章绪论概论
①对机电系统中存在的问题能够以控制论 的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题 的本质和有效的解决方法；
②如何控制一个机电系统，使之按预定的 规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实 现最佳控制打下基础。
2020年11月19日2时6分
主要内容介绍
(一) 绪论 控制系统的基本工作原理，控制系统的几种分 类，控制理论的发展史，对控制系统的基本要 求。
(二) 控制系统的数学模型及传递函数 LAPLACE变换，系统的数学模型，传递函数， 典型环节的传递函数，系统的方框图及其联接， 系统的信号流程图。
(三) 线性系统的时域分析 典型输入信号，控制系统的时域性能指标，一 阶系统的时间响应，二阶系统的时间响应，系 统的稳态误差。
2020年11月19日2时6分
本课程所分析的系统，涉及机械、电气， 所以在建立数学模型时，需运用到理论 力学、电工、机械原理等多门课程的知 识。
2020年11月19日2时6分
第一章 绪论
基本内容
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务 1.2 系统及其模型 1.3 反馈 1.4 控制系统的分类 1.5 对控制系统的基本要求
本章难点
主要内容介绍（续）
(四) 频率特性分析法
频率特性的基本概念，典型环节的频率特性， 系统的开环频率特性的绘制，系统的闭环频率 特性。
(五) 控制系统的稳定性分析
稳定性的基本概念，代数稳定性判据，频域稳 定性判据，系统的相对稳定性。
(六) 系统的校正方法
系统校正的一般概念，串联校正，反馈校正。
2020年11月19日2时6分
中南林业科技大学-机电工程学院
2020年11月19日2时6分
讲授人：龚中良 教 材：《机械工程控制基础》（第五版）
②如何控制一个机电系统，使之按预定的 规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实 现最佳控制打下基础。
2020年11月19日2时6分
主要内容介绍
(一) 绪论 控制系统的基本工作原理，控制系统的几种分 类，控制理论的发展史，对控制系统的基本要 求。
(二) 控制系统的数学模型及传递函数 LAPLACE变换，系统的数学模型，传递函数， 典型环节的传递函数，系统的方框图及其联接， 系统的信号流程图。
(三) 线性系统的时域分析 典型输入信号，控制系统的时域性能指标，一 阶系统的时间响应，二阶系统的时间响应，系 统的稳态误差。
2020年11月19日2时6分
本课程所分析的系统，涉及机械、电气， 所以在建立数学模型时，需运用到理论 力学、电工、机械原理等多门课程的知 识。
2020年11月19日2时6分
第一章 绪论
基本内容
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务 1.2 系统及其模型 1.3 反馈 1.4 控制系统的分类 1.5 对控制系统的基本要求
本章难点
主要内容介绍（续）
(四) 频率特性分析法
频率特性的基本概念，典型环节的频率特性， 系统的开环频率特性的绘制，系统的闭环频率 特性。
(五) 控制系统的稳定性分析
稳定性的基本概念，代数稳定性判据，频域稳 定性判据，系统的相对稳定性。
(六) 系统的校正方法
系统校正的一般概念，串联校正，反馈校正。
2020年11月19日2时6分
中南林业科技大学-机电工程学院
2020年11月19日2时6分
讲授人：龚中良 教 材：《机械工程控制基础》（第五版）
《机械控制工程基础》
0
控制工程基础
2.1.5 拉普拉斯(Laplace)反变换
（1）拉普拉斯反变换的定义
1 j st f (t ) L [ F ( s)] F ( s ) e ds 2j j
1
（2）拉普拉斯反变换的应用
求解微分方程 求原函数
2.2 典型环节的传递函数
控制工程基础
控制工程基础
3.1 时间响应的概念
时间响应可分为瞬态响应与稳态响 应。
控制工程基础
瞬态响应的性能指标
表3-3
阻尼比
极点与阶跃响应的关系
极 点 极点在s平面的位置 阶跃响应形式
>1 =1
0<<1
s1 , s 2 n n 2 1
s1 , s 2 n
s1 , s2 n j n 1 2
（1）静态误差系数
ess lim e(t ) lim sE ( s)
t s 0
1 lim s X ( s) s 0 1 G ( s ) H ( s )
（3-56）
K ( 1s 1)( 2 s 1)......( m s 1) G(s) H (s) N （3-57） s (T1s 1)(T2 s 1)......(Tn s 1)
i 1 j 1
注意 ：开环传递函数和开环系统传递函数是不 一样的。
闭环传递函数
Y ( s) X (s)
n
G ( s)
i i 1 m i 1 j 1
n
1 Gi ( s) H i ( s)
当H(s)=1时，我们将系统称为单位反馈系统或全 反馈系统。
控制工程基础
2.1.5 拉普拉斯(Laplace)反变换
（1）拉普拉斯反变换的定义
1 j st f (t ) L [ F ( s)] F ( s ) e ds 2j j
1
（2）拉普拉斯反变换的应用
求解微分方程 求原函数
2.2 典型环节的传递函数
控制工程基础
控制工程基础
3.1 时间响应的概念
时间响应可分为瞬态响应与稳态响 应。
控制工程基础
瞬态响应的性能指标
表3-3
阻尼比
极点与阶跃响应的关系
极 点 极点在s平面的位置 阶跃响应形式
>1 =1
0<<1
s1 , s 2 n n 2 1
s1 , s 2 n
s1 , s2 n j n 1 2
（1）静态误差系数
ess lim e(t ) lim sE ( s)
t s 0
1 lim s X ( s) s 0 1 G ( s ) H ( s )
（3-56）
K ( 1s 1)( 2 s 1)......( m s 1) G(s) H (s) N （3-57） s (T1s 1)(T2 s 1)......(Tn s 1)
i 1 j 1
注意 ：开环传递函数和开环系统传递函数是不 一样的。
闭环传递函数
Y ( s) X (s)
n
G ( s)
i i 1 m i 1 j 1
n
1 Gi ( s) H i ( s)
当H(s)=1时，我们将系统称为单位反馈系统或全 反馈系统。
机械工程控制基础课件绪论
机械工程控制基础课件绪论第一章绪论第一节机械工程控制论的研究对象与任务第二节系统及其模型第三节反馈第四节系统的分类及对控制系统的基本要求第五节机械制造的发展与控制理论的应用第六节控制理论发展的简单回顾第七节本课程的特点与学习方法在科学和工程技术的发展过程中，自动控制技术起着重要的作用。
除了在宇宙飞船、导弹发射和飞机驾驶等系统中，自动控制技术具有特别重要的作用之外，它在现代机器制造和工业生产过程中也是不可缺少的重要组成部分。
随着自动控制理论和技术的不断发展，给人们提供了获得动态系统最佳性能的方法，提高了产品质量，降低了生产成本，提高了劳动生产率，使人们从繁重的体力劳动和重复的手工操作中解放出来。
本章将对本课程的主要内容作一个简介，使同学们对自动控制理论的内容有一个基本了解，以便更好地学习以后各章节。
引言控制：对对象施加某种操作，使其产生所预期的行为。
?自动控制：该操作由控制装置自动完成，无须人直接参与。
即，在人不直接参与的情况下，通过控制器使被控对象（如机器设备、生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定的规律变化（或运行）。
引言一、自动控制技术应用于军事、航天领域火炮、雷达、跟踪系统；人造卫星；宇宙飞船。
二、自动控制技术应用于工业生产过程轧钢过程；工业窑炉；石油化工；水泥建材；玻璃、造纸等三、自动控制技术应用于现代农业生产自动灌溉；农产品质量检测等。
四、自动控制技术应用于其他领域生物：人口控制，药物动力学金融：货币控制家庭：电饭煲，洗衣机，空调，冰箱?自动控制技术已成为促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素，是最有发展前途的技术科学之一。
自动控制往往是参考人工控制而建立起来的，以下通过一些简单的、典型例子，来说明控制系统的工作原理。
实例一水箱水位1、手动控制：观测实际水位，将实际水位与要求的水位值相比较，得出两者偏差。
根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。
《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。
机械工程控制基础ppt课件
16
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
五、本课程参考书
杨叔子主编 版社
朱骥北主编 胡寿松主编 董景新编著
王积伟编著
《机械工程控制基础》
《机械控制工程基础》 《自动控制原理》 《控制工程基础》 《控制工程基础》
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
机械设计制造(教材)
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
绪论 拉普拉斯变换的数学方法 系统的数学模型 系统的瞬态响应与误差分析 系统的频率特性 系统的稳定性分析 机械工程控制系统的校正与设计
二、控制理论的发展
控制理论发展大体可分三个阶段： 第一阶段： 20世纪40～50年代为经典控制论发展时期。经
典控制论的内容是以微分方程、传递函数为基 础，主要研究单输入、单输出控制系统的分析 和设计问题，对线性定常系统，这种方法是成 熟而有效的。
12
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
实现控制的三个基本步骤
•不论采用人工控制还是自动控制都具有以下的共同点： •一是要检测被控制量的实际值； •二是被控制量的实际值要与给定值进行比较得出 偏差值； •三是要用偏差值产生控制调节作用再去消除偏差。
• 总结：检测偏差，消除偏差
23
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
五、本课程参考书
杨叔子主编 版社
朱骥北主编 胡寿松主编 董景新编著
王积伟编著
《机械工程控制基础》
《机械控制工程基础》 《自动控制原理》 《控制工程基础》 《控制工程基础》
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
机械设计制造(教材)
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
绪论 拉普拉斯变换的数学方法 系统的数学模型 系统的瞬态响应与误差分析 系统的频率特性 系统的稳定性分析 机械工程控制系统的校正与设计
二、控制理论的发展
控制理论发展大体可分三个阶段： 第一阶段： 20世纪40～50年代为经典控制论发展时期。经
典控制论的内容是以微分方程、传递函数为基 础，主要研究单输入、单输出控制系统的分析 和设计问题，对线性定常系统，这种方法是成 熟而有效的。
12
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
实现控制的三个基本步骤
•不论采用人工控制还是自动控制都具有以下的共同点： •一是要检测被控制量的实际值； •二是被控制量的实际值要与给定值进行比较得出 偏差值； •三是要用偏差值产生控制调节作用再去消除偏差。
• 总结：检测偏差，消除偏差
23
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
机械工程控制基础(清华大学出版社)课件第1章绪论
4.放大元件：对偏差信号进行放大和功率放大 的元件。例如，伺服功率放大器、电液伺 服阀等。
5.执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。 例如，执行电动机、液压马达等。
6.控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的 输出量即为系统的控制量，例如，机床工 作台等。
7.校正元件：或称校正装置，用以提高控制系 统动态性能。有反馈校正和串联校正等形 式
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)。
第二节 系统的基本概念
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。 系统与外界之间的关系如下图所示，其中， 输入：外界对系统的作用； 输出：系统对外界的作用。
图 1-7 典型的反馈控制系统框图
1.给定元件：主要用于产生给定信号或输入信 号例如，调速系统的给定电位计。
2.反馈元件：它测量被控量或输出量，产生主 反馈信号，该信号与输出量存在着确定的 函数关系（通常为比例关系）。例如，调 速系统用于测速的测速发电机。
3.比较元件：用来比较输入信号和反馈信号之 间的偏差。可以是一个差接的电路，它往 往不是一个专门的物理元件，有时也叫比 较环节；自整角机、旋转变压器、机械式 差动装置都是物理的比较元件。
经典控制理论是自动控制理论的基础，又称为 控制理论基础。
学习控制理论基础要解决两个问题
1. 如何分析某个给定控制系统的工作原理、 稳定性和过渡过程品质；
2. 如何根据实际需要来设计控制系统。
前者主要是分析系统，后者是综合与设计。
第一节 机械工程控制理论研究的 对象与任务
机械工程控制基础【共81张PPT】精选全文完整版
2、传递函数确定
（1）对实验测得的系统对数幅频曲线进行分段处理。即用斜率 为20dB/dec整数倍的直线段来近似测量到的曲线。
（2）当某处系统对数幅频特性渐近线的斜率发生变化时，此 即为某个环节的转折频率。①当斜率变化+20dB/dec时,可知处 有一个一阶微分环节Ts+1; ②若斜率变化+40dB/dec时，则处 有一个二阶微分环节 (s2/ 2n+2s/n+1) ③ 若斜率变化 20dB/dec时,则处有一个惯性环节1/(Ts+1);③若斜率变化40dB/dec时，则处有一个二阶振荡环节1/ (s2/ 2n+2s/n+1) 。
系统开环的对数幅频特性:
n
L() 20 lg A() 20 lg[ Ai ()]
n
20 lg Ai ()
i 1
i 1 n
Li ()
开环相频特i性1 :
n
() G( j) i ()
由此看出，系统的开环i对1 数幅频特性L(ω)等于各
个串联环节对数幅频特性之和；系ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的开环相频特
性 等于各个环节相频特性之和。
即用斜率为 20dB/dec整数倍的直线段来近似测量到的曲线。
绘图制4-1系7 统纯开微环分2对环数节幅的频Bo特de性图曲线的一般步骤：
2
(2) 将各环节的对数幅频特性和相频特性曲线分别画于半对数
极坐标图在 时，在实轴上的投影为实频特性 ，在虚轴上的投影为虚频特性
对数相频特性横轴采用对数分度，纵轴为线性分度，单位为度。
曲线。
对数幅频特性的纵轴
为L(ω)=20lgA(ω)采用线 性分度，A(ω)每增加10 倍，L(ω)增加20dB；横坐 标采用对数分度，即横 轴上的ω取对数后为等 分点。
机械工程控制基础课件第1章
机械工程控制基础课件第1章第1章绪论什么是控制？控制：为达到某种目的，对某一对象施加所需的操作。
如温度控制、人口控制、压力控制等控制实例1：发电机供电发电机要正常供电，就必须维持其输出电压恒定，尽量不受负荷变化和原动机转速波动的影响。
发电机是被控制的设备称为控制对象。
输出电压是被控制的物理量称为被控制量。
额定电压称为输入量。
控制的基本任务：使控制对象的被控制量等于输入量。
控制实例2：水位人工控制期望水位：输入量实际水位：被控制量图1.1水位人工控制检测偏差实施控制消除偏差控制器进水阀浮球出水阀图1.2水位自动控制系统控制实例3：水位自动控制自动控制：在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵控制对象。
杠杆——水位控制器当水位处于平衡位置时，进水量=出水量当水位H下降时，进水阀门增大，进水量增大∴水位H上升自动控制系统:在无人直接操作的情况下，通过控制器使控制对象自动地按照给定的规律运行，使被控制量按照给定的规律变化。
问题：水位自动控制系统能准确的控制水位吗？系统存在振动现象，很难预测其何时停止控制使水位到达目标位置。
自动控制理论:以自动控制系统为研究对象，采用数学方法进行分析与综合。
自动控制理论的发展18世纪，JamesWatt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器是自动控制领域的第一项重大成果；1877年，提出线性系统稳定性的判据;1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应，确定闭环系统稳定性的方法——Nyquist稳定性判据；1948年，出版《控制论》，标志这门学科的正式诞生。
1954年，钱学森出版《工程控制论》经典控制理论在复数域内利用传递函数研究单输入—单输出线性定常系统的稳定性、响应快速性与响应准确性的问题。
20世纪50年代及其以前的控制理论属于经典控制理论数学基础：拉普拉斯变换基本数学模型：传递函数主要的分析与综合方法：时域分析法、频率响应法现代控制理论在时间域内利用状态空间分析研究多输入—多输出系统的最优控制问题。
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多种变化因素 人造卫星
第三个时期 ：大系统理论时期 70年代
规模庞大 目标不单一 结构复杂 变量参数多 生物系统 社会系统 机器人
14
1.1
发展前景：
概
述
控制论的发展及现状（2）
• 向大系统理论发展: 规模庞大、结构复杂、功能综合、因数众 多…… • 向智能控制系统发展：自组织、自学习、自修复、自繁殖……
以理论控制论为中心的四大分支（也有不同分 法）：
• • • • 工程控制论 生物控制论 社会控制论 智能控制论 （技术系统、工程系统） （生物系统） （社会系统） （思维系统）
15
1.1
概
述
“信息论”简介（1） 定义
• 作为一种研究方法，就是运用信息论观点，把系统看 作是借助于信息的获取、加工、处理、传递而实现其 目的的运动过程。 • 1948年申农发表的代表作<<通信的数学理论>>被视为 信息论的奠基之作。
的输出，并通过输出来研究系统本身的有关问题，即系统 分析。61.1概述
研究对象和任务
例：水钟（如右图所示）
7
1.1
概
述
工程控制论的学科背景
控制理论在工程技术领域中体现为工程控制论。
-----《工程控制论》，钱学森，1954.
学科背景：老“三论”（SCI论） 系统论
控制论 信息论
系统论核心思想
• 是寻找建立一定结构形式联结构成的具有某种功能的 有机整体。
10
1.1
概
述
“控制论”简介（1）
控制论的诞生
• 1948年，美国数学家诺伯特.维纳（Norbert Wiener） 发表了专著《控制论（或关于在动物和机器中控制和通 讯的科学）》，标志着控制论这一学科的诞生。
控制论的基点就是把控制系统当作一种信息系统。
9
1.1 概 述 “系统论”简介（2）
贝塔朗菲的系统论观点
• 认为复杂事物功能远大于某组成因果链中各环节的简 单总和.一切生命都处于积极运动状态,有机体作为一 个系统,保持动态稳定是系统向环境充分开放，获得物 质、信息、能量交换的结果。
系统论三大基本特征
• 系统论强调整体与局部、局部与局部、系统本身与外 部环境之间互为依存、相互影响和制约的关系，具有 目的性、动态性、有序性三大基本特征。
研究范围
• 主要研究一切与信息有关的概念、理论及信息传播的 各种要素与效果问题。
16
1.1
概
述
“信息论”简介（2）
信息要素
• 在信息论中，信息被视为客观世界的第三大要素。 • 它与第一大要素物质，第二大要素能量相并列。就是 说，世界由物质,能量和信息三者构成。
17
1.1
概
述
控制理论分类 古典控制理论
• 人类很早就有“风磨漏斗”、“蒸汽机的调节 器”。 • 19世纪以来，出现了以电信号传递信息为主的 控制过程，如：数控机床、控制炼钢等等。 • 第二次世界大战以前，在美国，一些不同学科 的科学家自发地建立组织讨论会，研究各学科 之间的交叉资料问题。维纳参加了这样的讨论， 得到了启迪，形成了控制论的思想基础。
3
1.1
概
述
研究对象和任务
当前机械制造一个新的发展方向，是运用控制 理论、微电子、计算机技术和机械工程等学科 方面的理论和技术来提高生产效能、质量并推 出新产品。 “机械控制工程”是一门控制理论和机械工程 结合的新兴的技术科学，是一门边缘学科，它 是研究用控制理论的基本原理解决机械工程中 的实际技术问题。
8
1.1
系统论的创始人
概
述
“系统论”简介（1）
• 美籍奥地利生物学家贝塔朗菲。 系统论定义 • 系统论要求把事物当作一个整体或系统来研究，并 用数字模型去描述和确定系统的结构和行为。 • 所谓系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部 分结合成的、具有特定功能的有机整体；而系统本 身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。
机械控制工程基础
JIANZHU RUODIAN YINGYONG JISHU JIXIE KONGZHI GONGCHENG JICHU
第一章
绪论
1
第一章
绪
论
1
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
概述 基本概念 控制系统分类 控制系统的基本要求 控制系统的应用
2
2
3
4
5
1.1 引 言
概
述
• 随着生产的发展和科学技术的进步，自动控制技术已 广泛地应用于工农业生产、交通运输和国防、宇航等 领域，并成为当今被受重视的高技术之一。 • 现代生活之中同样享受自动化技术。 • 现代自动化技术的科学基础是工程控制论的理论和方 法，各种自动化元部件和计算机则是它的物质基础。 • 掌握和了解工程控制论的基本理论和方法，对各专业 的科学技术人员都是十分必要的。
11
1.1
概
述
“控制论”简介（2）
维纳定义
• “控制论”是关于动物和机器中控制和通信的科学。
普通定义
• 控制论是研究系统的状态、功能、行为方式及变动趋 势，控制系统的稳定，揭示包括机器、生物、社会在 内的各种不同系统的共同的控制规律，使系统按预定 目标运行的技术科学。
12
1.1
概
述
控制论产生的基础 来源于社会实践活动，有它产生的实践和 理论基础
4
1.1
概
述
研究对象和任务
高压供油路
发动机
喷油泵
离心式飞球调速器
5
1.1
概
述
研究对象和任务
可见，控制工程实质是研究工程技术中广义系统的动力 学问题:
研究系统在外界条件作用下，从系统的一定初始状态
出发，所经历的由其内部的固有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。 本课程主要研究当系统已定，输入已知时，求出系统
用频域法、时域法解决单输入、单输出线性定常系统 的问题。 时域法→在时间域内解决问题 频域法→在频率域内解决问题
现代控制理论
用时域法（状态空间法）解决多输入、多输出的线性 及非线性时变系统的问题及最优控制问题。
18
1.1 课程简介
课程范围
概
述
• 课程以反馈控制理论为核心，突出基本概念和基本方 法，介绍控制系统建模方法，线性系统的时域、频域 和根轨迹的分析与设计方法，介绍基于MATLAB的控制 系统分析、设计和仿真。
控制技术与人类进步
13
1.1
概
述
控制论的发展及现状（1）
以维纳的《控制论》为标志，1948年正式形成。 三个时期：
第一个时期 ：经典控制理论时期 40年代末到50年代
单机自动化 自动调节器 多变量控制 航天系统 局部自动化 伺服系统 最优控制 导弹系统 单变量控制
第二个时期 ：现代控制理论时期 60年代
第三个时期 ：大系统理论时期 70年代
规模庞大 目标不单一 结构复杂 变量参数多 生物系统 社会系统 机器人
14
1.1
发展前景：
概
述
控制论的发展及现状（2）
• 向大系统理论发展: 规模庞大、结构复杂、功能综合、因数众 多…… • 向智能控制系统发展：自组织、自学习、自修复、自繁殖……
以理论控制论为中心的四大分支（也有不同分 法）：
• • • • 工程控制论 生物控制论 社会控制论 智能控制论 （技术系统、工程系统） （生物系统） （社会系统） （思维系统）
15
1.1
概
述
“信息论”简介（1） 定义
• 作为一种研究方法，就是运用信息论观点，把系统看 作是借助于信息的获取、加工、处理、传递而实现其 目的的运动过程。 • 1948年申农发表的代表作<<通信的数学理论>>被视为 信息论的奠基之作。
的输出，并通过输出来研究系统本身的有关问题，即系统 分析。61.1概述
研究对象和任务
例：水钟（如右图所示）
7
1.1
概
述
工程控制论的学科背景
控制理论在工程技术领域中体现为工程控制论。
-----《工程控制论》，钱学森，1954.
学科背景：老“三论”（SCI论） 系统论
控制论 信息论
系统论核心思想
• 是寻找建立一定结构形式联结构成的具有某种功能的 有机整体。
10
1.1
概
述
“控制论”简介（1）
控制论的诞生
• 1948年，美国数学家诺伯特.维纳（Norbert Wiener） 发表了专著《控制论（或关于在动物和机器中控制和通 讯的科学）》，标志着控制论这一学科的诞生。
控制论的基点就是把控制系统当作一种信息系统。
9
1.1 概 述 “系统论”简介（2）
贝塔朗菲的系统论观点
• 认为复杂事物功能远大于某组成因果链中各环节的简 单总和.一切生命都处于积极运动状态,有机体作为一 个系统,保持动态稳定是系统向环境充分开放，获得物 质、信息、能量交换的结果。
系统论三大基本特征
• 系统论强调整体与局部、局部与局部、系统本身与外 部环境之间互为依存、相互影响和制约的关系，具有 目的性、动态性、有序性三大基本特征。
研究范围
• 主要研究一切与信息有关的概念、理论及信息传播的 各种要素与效果问题。
16
1.1
概
述
“信息论”简介（2）
信息要素
• 在信息论中，信息被视为客观世界的第三大要素。 • 它与第一大要素物质，第二大要素能量相并列。就是 说，世界由物质,能量和信息三者构成。
17
1.1
概
述
控制理论分类 古典控制理论
• 人类很早就有“风磨漏斗”、“蒸汽机的调节 器”。 • 19世纪以来，出现了以电信号传递信息为主的 控制过程，如：数控机床、控制炼钢等等。 • 第二次世界大战以前，在美国，一些不同学科 的科学家自发地建立组织讨论会，研究各学科 之间的交叉资料问题。维纳参加了这样的讨论， 得到了启迪，形成了控制论的思想基础。
3
1.1
概
述
研究对象和任务
当前机械制造一个新的发展方向，是运用控制 理论、微电子、计算机技术和机械工程等学科 方面的理论和技术来提高生产效能、质量并推 出新产品。 “机械控制工程”是一门控制理论和机械工程 结合的新兴的技术科学，是一门边缘学科，它 是研究用控制理论的基本原理解决机械工程中 的实际技术问题。
8
1.1
系统论的创始人
概
述
“系统论”简介（1）
• 美籍奥地利生物学家贝塔朗菲。 系统论定义 • 系统论要求把事物当作一个整体或系统来研究，并 用数字模型去描述和确定系统的结构和行为。 • 所谓系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部 分结合成的、具有特定功能的有机整体；而系统本 身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。
机械控制工程基础
JIANZHU RUODIAN YINGYONG JISHU JIXIE KONGZHI GONGCHENG JICHU
第一章
绪论
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第一章
绪
论
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1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
概述 基本概念 控制系统分类 控制系统的基本要求 控制系统的应用
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1.1 引 言
概
述
• 随着生产的发展和科学技术的进步，自动控制技术已 广泛地应用于工农业生产、交通运输和国防、宇航等 领域，并成为当今被受重视的高技术之一。 • 现代生活之中同样享受自动化技术。 • 现代自动化技术的科学基础是工程控制论的理论和方 法，各种自动化元部件和计算机则是它的物质基础。 • 掌握和了解工程控制论的基本理论和方法，对各专业 的科学技术人员都是十分必要的。
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1.1
概
述
“控制论”简介（2）
维纳定义
• “控制论”是关于动物和机器中控制和通信的科学。
普通定义
• 控制论是研究系统的状态、功能、行为方式及变动趋 势，控制系统的稳定，揭示包括机器、生物、社会在 内的各种不同系统的共同的控制规律，使系统按预定 目标运行的技术科学。
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1.1
概
述
控制论产生的基础 来源于社会实践活动，有它产生的实践和 理论基础
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概
述
研究对象和任务
高压供油路
发动机
喷油泵
离心式飞球调速器
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1.1
概
述
研究对象和任务
可见，控制工程实质是研究工程技术中广义系统的动力 学问题:
研究系统在外界条件作用下，从系统的一定初始状态
出发，所经历的由其内部的固有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。 本课程主要研究当系统已定，输入已知时，求出系统
用频域法、时域法解决单输入、单输出线性定常系统 的问题。 时域法→在时间域内解决问题 频域法→在频率域内解决问题
现代控制理论
用时域法（状态空间法）解决多输入、多输出的线性 及非线性时变系统的问题及最优控制问题。
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1.1 课程简介
课程范围
概
述
• 课程以反馈控制理论为核心，突出基本概念和基本方 法，介绍控制系统建模方法，线性系统的时域、频域 和根轨迹的分析与设计方法，介绍基于MATLAB的控制 系统分析、设计和仿真。
控制技术与人类进步
13
1.1
概
述
控制论的发展及现状（1）
以维纳的《控制论》为标志，1948年正式形成。 三个时期：
第一个时期 ：经典控制理论时期 40年代末到50年代
单机自动化 自动调节器 多变量控制 航天系统 局部自动化 伺服系统 最优控制 导弹系统 单变量控制
第二个时期 ：现代控制理论时期 60年代