機械工程控制基礎課程簡介

課程性質：機械類的一門技術基礎課。先修課程：復變函數、機械動力學、交流電路理論等

后續課程：為專業基礎和專業課打下一定基礎。如：機械工程測試技術、機電傳動控制、數控機床等。

課程目的：本課程是數理基礎課與專業課程之間的橋梁。通過本課程學習，使學生逐步學會運用“系統”、“動態”的觀點，運用控制理論的方法，解決機械工程中的實際問題。

Chp.1緒論基本要求（1）了解機械工程控制論的基本含義和研究對象,學習本課程的目的和任務；掌握廣義系統動力學方程的含義。（2）了解系統、廣義系統的概念，了解系統的基本特性；了解系統動態模型和靜態模型之間的關系。（3）掌握反饋的含義，學會分析動態系統內信息流動的過程，掌握系統或過程中存在的反饋。（4）了解廣義系統的幾種分類方法；掌握閉環控制系統的工作原理、組成；學會繪制控制系統的方框圖。（5）了解控制系統中基本名詞和基本變量。（6）了解正反饋、負反饋、內反饋、外反饋的概念。（7）了解對控制系統的基本要求。重點與難點本章重點（1）學會用系統論、信息論的觀點分析廣義系統的動態特性、信息流，理解信息反饋的含義及其作用。（2）掌握控制系統的基本概念、基本變量、基本組成和工作原理；繪制控制系統方框圖。本章難點廣義系統的信息反饋及控制系統方框圖的繪制。二、控制系統的發展

控制論+工程技術→工程控制論控制論+機械工程→機械工程控制

1、控制系統發展自動控制成為一門科學是從1945發展起來的。開始多用于工業：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動控制后來進入軍事領域：飛機自動駕駛、火炮自動跟蹤、導彈、衛星、宇宙飛船自動控制目前滲透到更多領域：大系統、交通管理、圖書管理等

自動控制理論是研究自動控制共同規律的技術科學。既是一門古老的、已臻成熟的學科，又是一門正在發展的、具有強大生命力的新興學科。從1868年馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出低階系統穩定性判據至今一百多年里，自動控制理論的發展可分為四個主要階段：第一階段：經典控制理論（或古典控制理論）的產生、發展和成熟；第二階段：現代控制理論的興起和發展；第三階段：大系統控制興起和發展階段；第四階段：智能控制發展階段。經典控制理論的基本特征（1）主要用于線性定常系統的研究，即用于常系數線性微分方程描述的系統的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統；（3）只討論系統輸入與輸出之間的關系，而忽視系統的內部狀態，是一種對系統的外部描述方法。

應該指出的是，反饋控制是一種最基本最重要的控制方式，引入反饋信號后，系統對來自內部和外部干擾的響應變得十分遲鈍，從而提高了系統的抗干擾能力和控制精度。與此同時，反饋作用又帶來了系統穩定性問題，正是這個曾一度困擾人們的系統穩定性問題激發了人們對反饋控制系統進行深入研究的熱情，推動了自動控制理論的發展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術的產生和發展而逐漸完善和成熟起來的。現代控制理論

由于經典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統，只注重系統的外部描述而忽視系統的內部狀態。因而在實際應用中有很大局限性。隨著航天事業和計算機的發展，20世紀60年代初，在經典控制理論的基礎上，以線性代數理論和狀態空間分析法為基礎的現代控制理論迅速發展起來。1954年貝爾曼（R.Belman)提出動態規劃理論1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理1960年卡爾曼（R.K.Kalman)提出多變量最優控制和最優濾波理論在數學工具、理論基礎和研究方法上不僅能提供系統的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統內部狀態變量的信息。它無論對線性系統或非線性系統，定常系統或時變系統，單變量系統或多變量系統，都是一種有效的分析方法。大系統理論

20世紀70年代開始，現代控制理論繼續向深度和廣度發展，出現了一些新的控制方法和理論。如（1）現代頻域方法以傳遞函數矩陣為數學模型，研究線性定常多變量系統；（2）自適應控制理論和方法以系統辨識和參數估計為基礎，在實時辨識基礎上在線確定最優控制規律；（3）魯棒控制方法在保證系統穩定性和其它性能基礎上，設計不變的魯棒控制器，以處理數學模型的不確定性。隨著控制理論應用范圍的擴大，從個別小系統的控制，發展到若干個相互關聯的子系統組成的大系統進行整體控制，從傳統的工程控制領域推廣到包括經濟管理、生物工程、能源、運輸、環境等大型系統以及社會科學領域。大系統理論是過程控制與信息處理相結合的系統工程理論，具有規模龐大、結構復雜、功能綜合、目標多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統。大系統理論目前仍處于發展和開創性階段。智能控制

是近年來新發展起來的一種控制技術，是人工智能在控制上的應用。智能控制的概念和原理主要是針對被控對象、環境、控制目標或任務的復雜性提出來的，它的指導思想是依據人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復雜的控制問題。被控對象的復雜性體現為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執行器，動態突變，多時間標度，復雜的信息模式，龐大的數據量，以及嚴格的特性指標等。智能控制是驅動智能機器自主地實現其目標的過程，對自主機器人的控制就是典型的例子而環境的復雜性則表現為變化的不確定性和難以辨識。

智能控制是從“仿人”的概念出發的。一般認為，其方法包括學習控制、模糊控制、神經元網絡控制、和專家控制等方法。

2、控制的定義:

控制:對對象施加某種操作，使其產生所期望的行為。例.[鋼鐵軋制]:軋出厚度一致的高精度鐵板

自動控制:在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（通稱被控對象）的某個工作狀態或參數（即被控量）自動地按照預定的規律運行。存在溫度控制,生鐵成分控制,厚度控制,張力控制,等等。控制無處不在工業控制國防應用家用電器消費類產品控制技術應用控制技術

應用舉例(1)工業控制電機控制機床控制生產過程自動化控制機器人控制......控制技術的應用CR-01型6000米水下無纜機器人1995年8月我國沈陽自動化所機器人中心研制的CR-01型6000米水下無纜機器人（上）和正在下水的情況（右）船用火力發電綜合控制系統

家用電器冰箱、洗衣機家庭影院微波爐......控制技術

應用舉例(2)消費類產品WalkManU盤、MP3手機應用產品......控制技術

應用舉例(3)32、64等合弦音MCU芯片智能樓宇的控制控制技術

應用舉例(4)可視對講、室內報警、遠程家電控制…….樓宇電梯的控制信號檢測供電系統電機(執行機構)可編程序控制器ProgrammableLogicController電機控制器汽車電子汽車電子電源發動機控制行駛裝置報警與安全裝置旅居性儀表娛樂通訊收音機、汽車電話、業余電臺點火裝置、燃油噴射控制、發動機電子控制車速控制、間歇刮水、除霧裝置、車門緊鎖….安全帶、車燈未關報警、速度報警、安全氣囊….空調控制、動力窗控制里程表、數字式速度表、出租車用儀表….控制技術

應用舉例(5)例.典型控制系統：數控機床、機車、船舶及飛機自動駕駛、導彈制導等。例.控制實例-液面控制人工控制自動控制3、控制論:

定義：關于控制原理和控制方法的學科，研究事物變化和發展的一般規律。控制三要素：被控對象、控制目標、控制裝置控制論強調：1)所研究的對象是一個系統；2)系統在不斷地運動（經歷動態歷程、包括內部狀態和外部行為）；3)產生運動的條件是外因（外界的作用：輸入、干擾）4)產生運動的根據是內因（系統的固有特性）控制論與其它學科結合，形成眾多的分支學科?？刂普摻洕鷮W社會學生物學工程技術經濟控制論社會控制論生物控制論工程控制論機械工程機械工程控制論共同的本質特點：通過信息的傳遞、處理與反饋進行控制。研究對象：研究廣義系統在一定外界條件下，從系統初始條件出發的整個動態過程，以及在這個歷程中和歷程結束后所表現出來的動態特性和靜態特性。（1）

廣義系統:

(a)可大可小，可繁可簡，可虛可實。（b）一般可建立數學模型：微分方程、傳遞函數、頻率響應函數等（c）系統具有固有特性，由結構和參數決定（2）外界條件：指對系統的輸入（激勵）包括人為激勵、控制輸入、干擾輸入等4、控制論研究對象與任務分析系統，就是分析x(t)、h(t)、y(t)三者關系（動態歷程）（3）初始條件：系統在x(0-)時的狀態。x(0-）視為一種特殊的輸入。（4）動態歷程：即系統的輸出y(t)隨t而變化的過程，或系統從一種穩態到另一穩態之間所經歷的過程。

動態特性：系統在過渡過程中，輸出響應的快速性和穩定性

靜態特性：過渡過程結束后，系統工作的準確性（穩態誤差）穩定性、快速性、準確性是系統設計的三大指標要求。（5）系統研究類型：（a）h(t)已定，x(t)已知，求出y(t)，通過y(t)研究系統本身問題→系統分析

（b)h(t)已定，確定x(t)，使y(t)符合給定最佳要求→最優控制（c）x(t)已知，確定h(t)，使y(t)符合給定最佳要求→最優設計（d）x(t)已知，確定h(t)，以識別x(t)的有關信息→預測（e）x(t)、y(t)已知，確定h(t)的結構與參數（即建立數學模型）→系統識別或辯識

（6）系統數學模型例1，Fig.1.1.1質量m—阻尼c—彈簧k單自由度系統輸入：作用在m上的外力，輸出：質量塊m上的位移初始狀態：初始位置y(0)=y0，初始速度：即：（mp2+cp+k)y(t)=f(t)例2，Fig.1.1.2輸入：支座位移x(t)，輸出：質量塊位移y(t)支座位移通過彈簧和阻尼影響質量位移，即輸入（cp+k)x(t)

動力學方程：(mp2+cp+k)y(t)=（cp+k)x(t)左端算子:(mp2+cp+k)由系統本身結構與參數決定，固有特性，與外界無關。右端算子:（cp+k)反映系統與外界關系，與輸入有關。對一般線性系統，可建立微分方程：(anpn+an-1pn-1+…+a1p1+a0)y(t)=(bmpm+bm-1pm1+…+b1p1+b0)x(t)y(0)=y0y′(0)=y0′…yn-1(0)=y0(n-1)

三、反饋控制論的中心思想就是“反饋控制”1、定義：將系統輸出全部或部分返回到輸入端。2、從微分方程中體現反饋

3、反饋控制系統實例熱力系統的自動反饋控制4、說明（1）人為增加，（2）外反饋與內反饋（3）正反饋與負反饋（4）都引起信息傳輸與交換(2)內反饋與外反饋外反饋：在自動控制系統中，為達到某種控制目的而人為加入的反饋，稱為外反饋。

內反饋：在系統或過程中存在的各種自然形成的反饋，稱為內反饋。它是系統內部各個元素之間相互耦合的結果。內反饋是造成機械系統存在一定的動態特性的根本原因，紛繁復雜的內反饋的存在使得機械系統變得異常復雜。例：m-c-k系統顯然這是一個內反饋，因為沒有附加反饋控制裝置。內反饋是系統內部的信息交互，反映了系統的動態特性。四、系統分類

開環控制系統

閉環控制系統復合控制系統1.實際的控制系統根據有無反饋作用可分為三類：

開環控制系統特點：系統僅受輸入量和擾動量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個控制過程中對系統的控制不產生任何影響。

輸入裝置指令系統輸入控制裝置伺服驅動裝置工作臺工作臺位置系統輸出數控機床的開環控制系統框圖優點：簡單、穩定、可靠。若組成系統的元件特性和參數值比較穩定，且外界干擾較小，開環控制能夠保持一定的精度。缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力控制器對象或過程輸入量輸出量開環控制系統框圖

閉環控制系統特點：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程有直接影響。閉環的作用：應用反饋，減少偏差。優點：精度高，對外部擾動和系統參數變化不敏感缺點：存在穩定、振蕩、超調等問題，系統性能分析和設計麻煩。控制器對象或過程輸入量輸出量測量元件閉環控制系統框圖反饋量特點：開環與閉環組合組成，也叫前饋-反饋控制系統。如圖1-6.復合控制系統2、按輸出變化：

自動調節系統（恒值系統）：在外界干擾下，系統輸出基本保持為常量（給定量為恒值）。

隨動系統：輸出相應于輸入按任意規律變化（給定量為變量）。如導彈目標自動跟隨系統，火炮自動瞄準系統。仿形機床-配鑰匙。

程序控制系統：系統輸出按預定程序變化。數控等離子切割機，數控機床等五、控制系統基本組成環節系統中的環節：1、控制環節（給定環節）：產生控制信號或輸入信號，可各種形式。2、測量環節：測量被控參量，起反饋作用，一般為非電量電測。3、比較環節：比較輸入和反饋量，產生偏差信號。ε=xi—xb（同一種量）4、放大環節：用以推動執行元件工作。5、校正元件：改善系統性能的調節元件。6、執行元件：對被控對象直接操作。圖1-7典型負反饋控制系統結構框圖

1、

輸出量（被控量、被控參量）x0：最終控制的目標值。2、控制量（給定量）xi：根據設計要求與輸出量相適應的預先給定信號。3、干擾量（擾動量）：引起輸出變化的各種外部和內部條件，屬于一種偶然的無法人為控制的隨機輸入信號。4、

輸入量：控制量與干擾量的總稱，一般多指控制量。5、

反饋量：由輸出端引回到輸入端的量。6、

偏差量：控制量與反饋量之差。7、

誤差量：實際輸出量與希望輸出量之差值。e(t)=x0(t)—x0*(t)控制系統中的量六、控制系統的基本要求“穩、快、準”1、穩定性：系統xo(t)對給定目標值xo*(t)的偏離，應隨t增長逐漸趨近于零。絕對為零不可能→給出一定的穩定裕度若系統不穩定，xo波動較大或發散，則不能正常工作。不同受控對象對系統穩定性要求不同。2、快速性：指xo達到給定目標值的快速性兩種指標衡量：①

瞬態響應時間ts(過渡過程時間，調整時間)即：︱xo(t)—xo（∞）︱≤△·xo(∞)的時間t≥ts△

為可靠度指標。一般△取0.02或0.05②

超調量Mp：欠阻尼下一般有振蕩衰減，產生MpMp較小，過渡過程平穩，Mp過大，系統過渡過程長。無振蕩則無Mp，但較大ts。3、

準確性（穩態精度）：

過渡過程結束后，x0與給定輸入量的偏差。1、系統方框圖及其組成

系統方框圖由許多對信號（量）進行單向傳遞的元件方框和一些連線組成，表征了系統各元件之間及系統與外界之間進行信息交換的過程。它包括三個基本的單元，即：

1)引出點（分支點）：表示信號的引出或信號的分支，箭頭表示信號的傳遞方向，線上標記信號的名稱。七、控制系統方框圖的畫法比較點（相加點）：表示兩個或兩個以上的信號進行相加或相減運算。“+”表示信號相加；“-”表示信號相減。

元件方框：方框中寫入元、部件的名稱，進入箭頭表示其輸