1、歡迎任何形式的意見和建議代機械控制工程基礎2002-09-23 1第1章 自動控制原理的基本概念本課程與其它課程的關系：微積分自動控制理論電路理論電機與拖動大學物理信號與系統復變函數 拉氏變換模擬電子技術線性代數各 類 專業課線性系統現代控 制理論課程特點及學習方法特點： 抽象，概括性強，范圍廣，要有良好的數學，力學電學基礎，還要有一定的機械工程方面的專業知識學習方法1）對每部分的基本要求，重點，難點有所了解2）正確理解基本概念，對基本方法要完全掌握3）重視習題練習和實驗課，通過作習題幫助掌握基本概念和基本方法 教材的選用機械工程控制基礎(第五版)華中科技大學出版社

2、楊叔子 等主編參考教材機械工程控制基礎學習輔導與題解華中科技大學出版社 熊良才 楊克沖 吳波編著機械控制工程基礎機械工業出版社 董玉紅 徐莉平主編課程內容及安排講授內容：1.緒論（開環閉環系統，反饋,方框圖）2.復變及積分變換的簡單復習3.系統的數學模型（系統的微分方程、系統的傳遞函數、系統的傳遞函數方框圖及其簡化、反饋控制系統的傳遞函數、相似原理）4.時間響應分析(時間響應及其組成、典型輸入信號、一階系統、二階系統、高階系統、系統的誤差分析與計算、脈沖響應函數中的應用）5.系統的頻率分析（頻率特性的圖示例方法、閉環頻率特性、頻率特性的特征量、最小相位系統與非最小相位系統）6.系統的穩定性(各

3、種穩定性判據)7.系統的性能指標與校正要求遵守課堂紀律平時作業一定要做考試方式：閉卷平時成績（包括平時作業和實驗成績） 30試卷成績 701 引言第一章 緒論自動控制技術的發展史(1) 中國張衡發明水運渾象，研制出自動測量地震的候風地動儀(132年)I.前期控制(Early Control)(1400B.C. - 1900)(4) 中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車(235年)(3) 英國J. Watt（瓦特）用離心式調速器控制蒸汽機的速度(1788年)(8) 英國E.J. Routh（勞斯）建立Routh判據(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1

4、875年)(9) 英國J. M. Gray（格雷）設計出第一艘全自動蒸汽輪船“東方”號(Great Eastern)(1866年)II.經典控制前期(The Pre-classical Period)(1900-1935)(1) 美國福特(Ford Motor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(1913)(2) 美國N. Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結構，提出PID控制方法(1922)(3) 美國MIT的Vannevar Bush研制成第一臺大型模擬計算機(Differential Analyzer)(1928)V. Bush(4) 美國H.S. Black（布萊克）提出放大器性能

5、的負反饋方法(Negative Feedback Amplifier) (1927)H. S. Black(5) 自動控制的基礎為閉環控制。控制論的奠基人（維納） 給出的定義為：“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance” 閉環控制系統的結構框圖：III. 經典控制(Classical Control)(1935-1950)(1) 美國貝爾實驗室的H. Bode（伯德）(1938)，以及Nyquist(1940)提出頻率響應法(2) 美

6、國Taylor儀器公司的J. G. Ziegler（齊格勒）和N. B. Nichols（尼科爾森）提出PID參數的最佳調整法(1942)(3) 美國MIT的N. Wiener（維納）研究隨機過程的預測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發表控制論(Cybernetics)一書(1948)，標志著控制論學科的誕生。N.B. NicholsN. WienerN. Wiener, shown here in 1954 with Yuk Wing Lee (left) and Amar G. Bose, discussing an aspect of statistical comm

7、unication theory現代控制(Modern Control) (1950- )二次世界大戰中火炮，雷達，飛機以及通訊系統的控制研究直接推動了經典控制的發展。五十年代后興起的現代控制起源于冷戰時期的軍備競賽，如導彈(發射，操縱，指導及跟蹤)，衛星，航天器和星球大戰，以及計算機技術的出現(英國科學家A.J.G. MacFarlane)。() 美國MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一臺數控機床(1952)() 世界第一顆人造地球衛星(Sputnik)由蘇聯發射成功(1957)Sputnik 1 was the first artificial satell

8、ite launched into space 1957. Laika. Sputnik 2(3) 加拿大G. Zames提出H 魯棒控制設計方法(1981年)(4) 美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發射成功(1981年)Gorge Zames 在現代科學技術的眾多領域中，自動控制技術 起著越來越重要的作用。 所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（控制裝置），使機器、設備或生產過程（控制對象）的某個工作狀態或參數（被控量）自動地按照預定的規律運行。 如數控車床按預定程序自動切削，人造衛星準確進入預定軌道并回收等。古典控制理論 以傳遞函數為基礎研究單輸入-單輸出一類定常

9、控制系統的分析與設計問題。這些理論由于其發展較早，現已臻成熟。 現代控制 以狀態空間法為基礎，研究多輸入-多輸出、時變、非線性一類控制系統的分析與設計問題。系統具有高精度和高效能的特點。2 開環控制與閉環控制自動控制： 是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象（如機器、設備或生產過程）的一個或數個物理量（如電壓、電流、速度、位置、溫度、流量、化學成分等）自動的按照預定的規律運行（或變化）。自動控制系統：是指能夠對被控對象的工作狀態進行自動控制的系統。它一般由控制裝置和被控對象組成。被控制對象是指那些要求實現自動控制的機器、設備或生產過程。控制裝置是指對被控對象起控制作用的設備總體。

10、自動控制系統有兩種最基本的形式： 開環控制 閉環控制2.1 開環控制 開環控制是最基本的控制方式特點： 在控制器與被控對象之間只有正向控制作用，沒有反饋控制作用，即系統的輸出量對控制量沒有影響被控制對象：爐子被控制量（輸出量）：爐溫控制裝置：開關K和電熱絲，對被控制量起控制作用。例如：圖1 電加熱爐1）開環控制 只有輸入量對輸出量產生控制作用，輸出量不參與對系統的控制。 （2）開環控制特點 輸入控制輸出 輸出不參與控制 系統沒有抗干擾能力方框圖的有關概念 方框 控制裝置和被控對象分別用方框表示信號線 方框的輸入和輸出以及它們之間的聯接用帶箭頭的信號線表示輸入信號 進入方框的信號輸出信號 離開方

11、框的信號 控制系統的輸出量就是被控量,它的希望值一般是系統輸入信號的函數。信號線方框信號線輸入信號輸出信號開環系統的示意框圖如下：控制器被控對象輸入量控制量輸出量 在開環控制系統中，對于每一個參考輸入量，就有一個與之對應的工作狀態和輸出量。系統的精度取決于元器件的精度和特性調整的精度。 當系統的內擾和外擾影響不大，并且控制精度不高時，采用開環控制方式2.2 閉環控制特點： 在控制器與被控對象之間不僅存在正向作用，而且存在著反饋作用，即系統的輸出量對控制量有直接影響?？刂破鞅豢貙ο筝斎肓靠刂屏科盍繙y量元件反饋量反饋的概念反饋：把輸出量送回到系統的輸入端并與輸入信號比較的過程。 若反饋信號是與輸

12、入信號相減而使偏差值越來越小，則稱為負反饋；若相加，則稱為正反饋輸入信號與反饋信號之差稱為偏差信號閉環控制偏差信號作用于控制器上，控制器對偏差信號進行某種運算，產生一個控制作用，使系統的輸出量趨于給定的數值。閉環控制的實質，就是利用負反饋的作用來減小系統的偏差，因此閉環控制也稱反饋控制輸出量控制器被控對象輸入量控制量偏差量測量元件反饋量開環向閉環控制的轉換例1轉換例2閉環與開環控制系統的比較閉環控制系統的特點 誤差控制，可以抑制內、外擾動對被控制量產生的影響。精度高、結構復雜，設計、分析麻煩。開環控制系統的特點 順向作用，沒有反向的聯系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結構簡單、調整方便、成本

13、低。自動控制系統中術語和定義控制環節Gc被控對象Go參考輸入r控制量u輸出量c偏差e反饋環節H主反饋b比較環節擾動n參考輸入r: 輸入到控制系統中的指令信號；主反饋b: 與輸出成正比或某種函數關系且與參考輸入量綱相同的反饋信號；偏差e: 參考輸入與主反饋之差，即e=r-b;控制量u: 從控制器輸出并作用于被控制對象的信號；擾動n：來自系統內部或外部，對系統輸出產生不利影響的信號；輸出c：反饋控制系統的被控制量，即被控制對象的輸出量；比較環節：將參考輸入與主反饋信號進行比較的環節，它的輸出等于參考輸入與主反饋信號的差值，即偏差e,比較環節又稱為偏差檢測器?？刂茖ο螅罕豢刂频臋C器，設備，過程或系統

14、；控制器：用來對被控制對象施加控制作用的裝置；反饋環節：將輸出量轉化為主反饋信號的裝置；反饋環節中通常含有信號檢測裝置。自動控制系統的類型和基本要求1.按輸入輸出分：開環系統： 當構成系統的每一環節的輸入不受系統的輸出影響時，稱此系統為開環系統閉環系統： 當構成系統的任一環節的輸入受到系統輸出的影響時，此系統成為閉環系統自動控制系統的類型和基本要求2.按輸出的變化規律分：恒值系統（又稱為自動調節系統） 在外界作用下，系統的輸出能基本保持在常值的系統恒溫調節系統隨動系統： 在外界條件變化時系統的輸出能相應于輸入在廣闊范圍內按任意規律變化的系統.雷達系統程序控制系統:在外界條件下,系統的輸出按預定

15、的程序變化的系統.數控系統 3、按系統的反應特性來分 （1）.線性系統和非線性系統線性系統： 由線性元件組成的系統，其微分方程中輸出量及其各階導數都是一次的，并且各系數與輸入量（自變量）無關 非線性系統：由非線性元件組成的系統，其微分方程式的系數與自變量有關。 （2）、連續系統與離散系統連續系統： 當系統各元件的輸入信號是時間的連續函數，各元件相應的輸出信號也是時間的連續函數時，稱為連續系統離散系統： 當系統中信號有一處或一處以上為離散時間函數則稱為離散系統（3）、確定系統與不確定系統確定系統： 系統的結構、參數、輸入量都是確定的、已知的系統稱為確定系統不確定系統： 當系統本身的結構或參數以及

16、作用于該系統的信號有不確定性或模糊性時稱為不確定系統4. 按輸入輸出形式分單輸入單輸出系統（SISO）： 也稱單變量系統,其輸入量和輸出量各為一個多輸入多輸出系統（MIMO）： 也稱多變量系統,其輸入量和輸出兩多于一個4.2 對自動控制系統的基本要求穩定性： 1 對恒值系統，要求當系統受到擾動后，經過一定時間的調整能夠回到原來的期望值。 2 對隨動系統，被控制量始終跟蹤參據量的變化。穩定性是對系統的基本要求，不穩定的系統不能實現預定任務。穩定性，通常由系統的結構決定與外界因素無關。對自動控制系統性能的基本要求可以歸結為穩定性（長期穩定性）、準確性（精度）和快速性（相對穩定性）。 穩 準快準確性： 用穩態誤差來表示。在參考輸入信號作用下，當系統達到穩態后，其穩態輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩態誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統的輸出跟隨參考輸入的精度越高?？焖傩裕?對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態性能。 穩定高射炮射角隨動系統，雖然炮身最終能跟蹤目標，但如果目標變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標。5 應用舉例1.熱力系統的自動反饋控制 方框圖控制閥水