機械控制工程基礎主講：林海鵬機械電子教研室機械控制工程基礎主講：林海鵬1主要內容第一章緒論第二章控制系統數學模型第三章控制系統時間響應分析第四章控制系統的頻率特性第五章控制系統的穩定性分析第六章控制系統的綜合與校正主要內容第一章緒論2第一章緒論1.1自動控制系統的工作原理及基本概念1.2控制系統的基本概述第一章緒論1.1自動控制系統的工作原理及基本概31．1自動控制系統的工作原理及基本概念一控制系統的工作原理自動控制系統的分類反饋控制系統的基本組成控制系統的基本要求1．1自動控制系統的工作原理及基本概念一控制系統的4一控制系統的工作原理自動控制：在沒有人的直接參與下利用控制器（機械、電子、液壓等系統）使生產過程或被控對象（機器、恒溫箱）的某一物理量（溫度、壓力、速度）準確的按預期規律運行。控制系統按控制類型分為人工控制自動控制人工控制：如自行車速度控制（根據交通情況控制車速起停）汽車駕駛控制系統（方向和速度），收音機音量控制，普通洗衣機（根據衣服多少來控制加水量）。一控制系統的工作原理自動控制：在沒有人的直接參與下利用51.恒溫箱（1）人工控制系統

人工控制的恒溫箱原理圖1.恒溫箱（1）人工控制系統人工控制的恒溫箱原理圖6人工控制恒溫箱調節過程：（1）觀測恒溫箱內的溫度（被控量）（2）與要求的溫度（給定值）進行比較，得到溫度偏差的大小和方向（3）根據偏差大小和方向調節調壓器，控制加熱電阻絲的電流以調節溫度回到要求值人工控制恒溫箱調節過程：7人工控制恒溫箱系統功能框圖總結：人工控制過程的實質：檢測偏差再糾正偏差人工控制恒溫箱系統功能框圖總結：8（2）自動控制系統

恒溫箱的自動控制系統原理圖（2）自動控制系統恒溫箱的自動控制系統原理圖9恒溫箱自動控制系統工作原理：（1）恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓U2（2）恒溫箱期望溫度由U1給定，并與實際溫度U2比較得到溫度偏差信號△U＝U1-U2（3）溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動執行電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之，加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差△U＝0，電機停止轉動。恒溫箱自動控制系統工作原理：10自動控制恒溫箱系統功能框圖控制系統功能圖包括：（1）輸入信號（2）輸出信號（3）比較元件（4）控制器（5）控制對象（6）反饋環節自動控制恒溫箱系統功能框圖控制系統功能圖包括：11控制系統的工作原理

（具有反饋回路的）（1）檢測輸出量（被控制量）的實際值（2）將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較，得出偏差（3）用偏差值產生控制調節作用去消除偏差，使得輸出值維持期望的輸出。控制系統的工作原理

（具有反饋回路的）（1）檢測輸出量（被控123.人工控制與自動控制的比較①

測量：前者靠觀測者的眼睛，自動控制由元器件實現（熱電偶）②比較：前者人的大腦，而后者靠自動控制器③執行：前者靠操縱者的手實現，后者由執行電機完成。總結：人工控制和自動控制的原理是相同的，只是執行機構不同而已，在自動控制過程中，偏差是通過反饋建立起來。3.人工控制與自動控制的比較①測量：前者靠觀測者的眼睛，13二自動控制系統分類1.根據控制系統有無反饋來分

閉環控制系統

開環控制系統2.按給定量的特點來分

隨動控制系統

恒值控制系統程序控制系統3.按系統反應特性來分

離散控制系統

連續控制系統二自動控制系統分類1.根據控制系統有無反饋來分閉環14①開環控制系統：指系統的輸入和輸出之間不存在反饋回路，輸出量對系統的控制作用沒有影響，這樣的系統稱為開環控制系統。

①開環控制系統：指系統的輸入和輸出之間不存在反饋回路，輸出量15②閉環控制系統：反饋控制系統也稱為閉環控制系統，是指系統的輸入端與輸出端之間存在反饋回路，輸出量對控制作用有直接影響，其作用應用反饋來減少偏差，但不能消除偏差。

②閉環控制系統：反饋控制系統也稱為閉環控制系統，是指系統的輸16(1)開環控制系統特點

抗干擾能力差，控制精度低，但結構簡單，調整方便，成本低，無自動糾偏能力。(2)閉環控制系統特點

抗干擾能力強，控制精度高，結構復雜，能自動糾偏。缺點：由于引入反饋，存在穩定、振蕩和超調等問題，設計分析比較復雜。開環控制系統與閉環控制系統特點（比較）(1)開環控制系統特點(2)閉環控制系統特點開環控制系統與閉17恒值控制系統：輸入量是一個給定的恒定值。系統作用是保證在任何擾動作用下，系統維持恒值輸出量（恒溫、恒壓、恒速、恒定水位高度）特點：能克服擾動對輸出量的影響程序控制系統：輸入量為時間的已知函數，輸出量要盡快跟隨輸入量信號變化的系統（程序控制機床——數控機床）隨動控制系統：輸入量是時間的未知函數，保證輸出量變化緊緊跟隨輸入量的變化系統（液壓仿形刀架、電信號筆式記錄儀、雷達跟蹤系統）特點：響應較快按給定量的特點來分：

恒值控制系統：輸入量是一個給定的恒定值。系統作用是保證在任何18（1）連續控制系統：系統的各環節輸入量與輸出量是信號連續的系統稱為～按系統反應特性來分

（2）離散控制系統：系統的各環節輸入量、輸出量信號是離散的系統稱為～（如采樣信號）（1）連續控制系統：系統的各環節輸入量與輸出量是信號連續的系19三反饋控制系統的基本組成1.組成：給定元件、比較元件、反饋元件、放大元件、執行元件、控制對象及校正元件。三反饋控制系統的基本組成1.組成：給定元件、比較元件、20①給定元件：用于產生輸入信號或給定信號如：電位計②比較元件：用來比較輸入信號與反饋信號所產生偏差的元件。③反饋元件：置于主反饋通道中的元件，用于產生主反饋信號單位反饋：系統的輸出不經過任何變化（即主反饋元件不存在）直接加入到系統輸入的反饋稱為單位反饋.④放大元件：對偏差信號放大以推動執行元件動作2.各元件功能

①給定元件：用于產生輸入信號或給定信號2.各元件功能21⑤執行元件：直接對控制對象進行操作的元件（調壓器、電動機）⑥控制對象：控制系統所要操縱的對象，它的輸出量即為系統的被控量（恒溫箱、機床工作臺）⑦校正元件：用以改善系統控制性能的元件（該元件可有可無）⑤執行元件：直接對控制對象進行操作的元件（調壓器、電動機）22輸入信號：控制系統所有輸入信號（給定信號和擾動信號），也叫輸入量、控制量或給定量。輸出信號：也叫輸出量、被控制量或被調節量。輸出信號是輸入信號作用的結果，它的變化規律與輸入信號之間保持確定的關系。反饋信號：指輸出信號經過反饋元件變換后加到輸入端的信號（有正負）。偏差信號：輸入信號與主反饋信號之差。誤差信號：指實際輸出值與希望值之差。通常希望值是系統的輸入量。

注意：只有在單位反饋系統中，即反饋信號等于輸出信號的情況下，偏差與誤差相同，否則不等。擾動信號：系統中偶然的、無法加以人為控制的信號稱為擾動信號。通常對系統的輸出產生不利影響。3．名詞述語輸入信號：控制系統所有輸入信號（給定信號和擾動信號），也叫輸23四控制系統的基本要求控制系統的共同要求（穩、準、快）①穩定性：是指動態過程的振蕩傾向和系統能否恢復平衡狀態的能力。保證控制系統能正常工作，是控制系統的首要條件。②準確性：是指在調整過程結束后輸出量和給定量之間的偏差，即指的是控制系統的控制精度。③快速性：是指當系統輸出量與給定量產生偏差時，消除這種偏差的快速程度。應用領域：恒溫控制系統要求準確性較好隨動系統（雷達跟蹤，液壓仿形）要求快速性好調速系統要求穩定性較好。四控制系統的基本要求控制系統的共同要求（穩、準、快）應用24一．學習控制工程的意義二．控制論的發展三．控制理論的組成1．2概述一．學習控制工程的意義1．2概述25一學習控制工程的意義控制工程是研究控制論在工程中應用的科學，控制工程基礎是自動控制技術的基礎理論，即控制工程基礎又稱為自動控制理論（或自動控制原理）。自動控制技術應用范圍：(1)日常生活：如聲控燈，電飯煲，自動洗衣機(2)工業生產：自動棉紡廠，工廠的自動化(3)軍事領域：火炮射擊的雷達跟蹤系統(4)航空航天領域：衛星定位系統一學習控制工程的意義控制工程是研究控制論在工程中應用的科學26二．控制論的發展18世紀，JamesWatt為控制蒸汽機速度設計的離心調節器，是自動控制領域的第一項重大成果。1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動控制器，并證明了從系統的微分方程確定系統的穩定性的方法。1932年，Nyquist提出了一種根據系統的開環頻率響應(對穩態正弦輸入)，確定閉環系統穩定性的方法。1934年，Hezen提出了用于位置控制系統的伺服機構的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構。二．控制論的發展18世紀，JamesWatt為控制蒸汽機2719世紀40年代，頻率響應法為閉環控制系統提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。19世紀50年代末，控制系統設計問題的重點從設計許多可行系統中的一種系統，轉到設計在某種意義上的最佳系統。19世紀60年代，數字計算機的出現為復雜系統的基于時域分析的現代控制理論提供了可能。從1960年到1980，確定線性系統、隨機系統的最佳控制及復雜系統的自適應和智能控制，都得到充分的研究。從1980年到現在，現代控制理論進展集中于魯棒控制、H∞控制及其相關課題。19世紀40年代，頻率響應法為閉環控制系統提供了一種可行方法28三．控制理論的組成根據控制論對生產的發展和社會進步的影響分為經典控制論和現代控制論.1．經典控制論：以傳遞函數為基礎，對單輸入單輸出的控制系統進行分析和設計。2．現代控制論：以狀態空間法為基礎，對多輸入和多輸出變系數非線性等控制系統進行分析和設計。

三．控制理論的組成根據控制論對生產的發展和社會進步的影響分為29

下圖（a）是一個液位控制系統原理圖。在這里，自動控制器通過比較實際液位與希望液位，并通過調整氣動閥門的開度，對誤差進行修正，從而保持液位不變。圖（b）是該控制系統的方框圖。試畫出相應的人工操縱液位控制系統方塊圖。例題1-1下圖（a）是一個液位控制系統原理圖。在這里30（a）液位控制系統原理圖（a）液位控制系統原理圖31控制器：比較、放大的作用浮子：液面高度的反饋元件Q2為系統的干擾量氣動閥門：執行機構被控對象：水箱（b）控制系統方框圖控制器：比較、放大的作用（b）控制系統方框圖32相對應的人工操縱系統方框圖眼睛－測量裝置（浮子）手－氣動閥門頭腦－控制器，比較、計算相對應的人工操縱系統方框圖眼睛－測量裝置（浮子）33（1）人工控制水箱水位高度控制H0期望水位高度H1實際水位高度1——水位計Q1流入量Q2流出量

圖1－1人工控制水箱水位高度（1）人工控制水箱水位高度控制H0期望水位高度圖1－134（2）自動控制H0期望水位高度H1實際水位高度1——水位計Q1流入量Q2流出量

水箱水位高度控制圖1－2水箱水位高度的自動控制（2）自動控制H0期望水位高度水箱水位高度控制圖1－235機械控制工程基礎主講：林海鵬機械電子教研室機械控制工程基礎主講：林海鵬36主要內容第一章緒論第二章控制系統數學模型第三章控制系統時間響應分析第四章控制系統的頻率特性第五章控制系統的穩定性分析第六章控制系統的綜合與校正主要內容第一章緒論37第一章緒論1.1自動控制系統的工作原理及基本概念1.2控制系統的基本概述第一章緒論1.1自動控制系統的工作原理及基本概381．1自動控制系統的工作原理及基本概念一控制系統的工作原理自動控制系統的分類反饋控制系統的基本組成控制系統的基本要求1．1自動控制系統的工作原理及基本概念一控制系統的39一控制系統的工作原理自動控制：在沒有人的直接參與下利用控制器（機械、電子、液壓等系統）使生產過程或被控對象（機器、恒溫箱）的某一物理量（溫度、壓力、速度）準確的按預期規律運行。控制系統按控制類型分為人工控制自動控制人工控制：如自行車速度控制（根據交通情況控制車速起停）汽車駕駛控制系統（方向和速度），收音機音量控制，普通洗衣機（根據衣服多少來控制加水量）。一控制系統的工作原理自動控制：在沒有人的直接參與下利用401.恒溫箱（1）人工控制系統

人工控制的恒溫箱原理圖1.恒溫箱（1）人工控制系統人工控制的恒溫箱原理圖41人工控制恒溫箱調節過程：（1）觀測恒溫箱內的溫度（被控量）（2）與要求的溫度（給定值）進行比較，得到溫度偏差的大小和方向（3）根據偏差大小和方向調節調壓器，控制加熱電阻絲的電流以調節溫度回到要求值人工控制恒溫箱調節過程：42人工控制恒溫箱系統功能框圖總結：人工控制過程的實質：檢測偏差再糾正偏差人工控制恒溫箱系統功能框圖總結：43（2）自動控制系統

恒溫箱的自動控制系統原理圖（2）自動控制系統恒溫箱的自動控制系統原理圖44恒溫箱自動控制系統工作原理：（1）恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓U2（2）恒溫箱期望溫度由U1給定，并與實際溫度U2比較得到溫度偏差信號△U＝U1-U2（3）溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動執行電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之，加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差△U＝0，電機停止轉動。恒溫箱自動控制系統工作原理：45自動控制恒溫箱系統功能框圖控制系統功能圖包括：（1）輸入信號（2）輸出信號（3）比較元件（4）控制器（5）控制對象（6）反饋環節自動控制恒溫箱系統功能框圖控制系統功能圖包括：46控制系統的工作原理

（具有反饋回路的）（1）檢測輸出量（被控制量）的實際值（2）將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較，得出偏差（3）用偏差值產生控制調節作用去消除偏差，使得輸出值維持期望的輸出。控制系統的工作原理

（具有反饋回路的）（1）檢測輸出量（被控473.人工控制與自動控制的比較①

測量：前者靠觀測者的眼睛，自動控制由元器件實現（熱電偶）②比較：前者人的大腦，而后者靠自動控制器③執行：前者靠操縱者的手實現，后者由執行電機完成。總結：人工控制和自動控制的原理是相同的，只是執行機構不同而已，在自動控制過程中，偏差是通過反饋建立起來。3.人工控制與自動控制的比較①測量：前者靠觀測者的眼睛，48二自動控制系統分類1.根據控制系統有無反饋來分

閉環控制系統

開環控制系統2.按給定量的特點來分

隨動控制系統

恒值控制系統程序控制系統3.按系統反應特性來分

離散控制系統

連續控制系統二自動控制系統分類1.根據控制系統有無反饋來分閉環49①開環控制系統：指系統的輸入和輸出之間不存在反饋回路，輸出量對系統的控制作用沒有影響，這樣的系統稱為開環控制系統。

①開環控制系統：指系統的輸入和輸出之間不存在反饋回路，輸出量50②閉環控制系統：反饋控制系統也稱為閉環控制系統，是指系統的輸入端與輸出端之間存在反饋回路，輸出量對控制作用有直接影響，其作用應用反饋來減少偏差，但不能消除偏差。

②閉環控制系統：反饋控制系統也稱為閉環控制系統，是指系統的輸51(1)開環控制系統特點

抗干擾能力差，控制精度低，但結構簡單，調整方便，成本低，無自動糾偏能力。(2)閉環控制系統特點

抗干擾能力強，控制精度高，結構復雜，能自動糾偏。缺點：由于引入反饋，存在穩定、振蕩和超調等問題，設計分析比較復雜。開環控制系統與閉環控制系統特點（比較）(1)開環控制系統特點(2)閉環控制系統特點開環控制系統與閉52恒值控制系統：輸入量是一個給定的恒定值。系統作用是保證在任何擾動作用下，系統維持恒值輸出量（恒溫、恒壓、恒速、恒定水位高度）特點：能克服擾動對輸出量的影響程序控制系統：輸入量為時間的已知函數，輸出量要盡快跟隨輸入量信號變化的系統（程序控制機床——數控機床）隨動控制系統：輸入量是時間的未知函數，保證輸出量變化緊緊跟隨輸入量的變化系統（液壓仿形刀架、電信號筆式記錄儀、雷達跟蹤系統）特點：響應較快按給定量的特點來分：

恒值控制系統：輸入量是一個給定的恒定值。系統作用是保證在任何53（1）連續控制系統：系統的各環節輸入量與輸出量是信號連續的系統稱為～按系統反應特性來分

（2）離散控制系統：系統的各環節輸入量、輸出量信號是離散的系統稱為～（如采樣信號）（1）連續控制系統：系統的各環節輸入量與輸出量是信號連續的系54三反饋控制系統的基本組成1.組成：給定元件、比較元件、反饋元件、放大元件、執行元件、控制對象及校正元件。三反饋控制系統的基本組成1.組成：給定元件、比較元件、55①給定元件：用于產生輸入信號或給定信號如：電位計②比較元件：用來比較輸入信號與反饋信號所產生偏差的元件。③反饋元件：置于主反饋通道中的元件，用于產生主反饋信號單位反饋：系統的輸出不經過任何變化（即主反饋元件不存在）直接加入到系統輸入的反饋稱為單位反饋.④放大元件：對偏差信號放大以推動執行元件動作2.各元件功能

①給定元件：用于產生輸入信號或給定信號2.各元件功能56⑤執行元件：直接對控制對象進行操作的元件（調壓器、電動機）⑥控制對象：控制系統所要操縱的對象，它的輸出量即為系統的被控量（恒溫箱、機床工作臺）⑦校正元件：用以改善系統控制性能的元件（該元件可有可無）⑤執行元件：直接對控制對象進行操作的元件（調壓器、電動機）57輸入信號：控制系統所有輸入信號（給定信號和擾動信號），也叫輸入量、控制量或給定量。輸出信號：也叫輸出量、被控制量或被調節量。輸出信號是輸入信號作用的結果，它的變化規律與輸入信號之間保持確定的關系。反饋信號：指輸出信號經過反饋元件變換后加到輸入端的信號（有正負）。偏差信號：輸入信號與主反饋信號之差。誤差信號：指實際輸出值與希望值之差。通常希望值是系統的輸入量。

注意：只有在單位反饋系統中，即反饋信號等于輸出信號的情況下，偏差與誤差相同，否則不等。擾動信號：系統中偶然的、無法加以人為控制的信號稱為擾動信號。通常對系統的輸出產生不利影響。3．名詞述語輸入信號：控制系統所有輸入信號（給定信號和擾動信號），也叫輸58四控制系統的基本要求控制系統的共同要求（穩、準、快）①穩定性：是指動態過程的振蕩傾向和系統能否恢復平衡狀態的能力。保證控制系統能正常工作，是控制系統的首要條件。②準確性：是指在調整過程結束后輸出量和給定量之間的偏差，即指的是控制系統的控制精度。③快速性：是指當系統輸出量與給定量產生偏差時，消除這種偏差的快速程度。應用領域：恒溫控制系統要求準確性較好隨動系統（雷達跟蹤，液壓仿形）要求快速性好調速系統要求穩定性較好。四控制系統的基本要求控制系統的共同要求（穩、準、快）應用59一．學習控制工程的意義二．控制論的發展三．控制理論的組成1．2概述一．學習控制工程的意義1．2概述60一學習控制工程的意義控制工程是研究控制論在工程中應用的科學，控制工程基礎是自動控制技術的基礎理論，即控制工程基礎又稱為自動控制理論（或自動控制原理）。自動控制技術應用范圍：(1)日常生活：如聲控燈，電飯煲，自動洗衣機(2)工業生產：自動棉紡廠，工廠的自動化(3)軍事領域：火炮射擊的雷達跟蹤系統(4)航空航天領域：衛星定位系統一學習控制工程的意義控制工程是研究控制論在工程中應用的科學61二．控制論的發展18世紀，JamesWatt為控制蒸汽機速度設計的離心調節器，是自動控制領域的第一項重大成果。1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動控制器，并證明了從系統的微分方程確定系統的穩定性的方法。1932年，Nyquist提出了一種根據系統的開環頻率響應(對穩態正弦輸入)，確定閉環系統穩定性的方法。1934年，Hezen提出了用于位置控制系統的伺服機構的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構。二．控制論的發展18世紀，JamesWatt為控制蒸汽機6219世紀40年代，頻率