課程：《控制工程基礎》教師：吳至境控制工程基礎教案第一章緒論教材：《機械工程控制基礎》楊叔子等編著華中科技大學出版社課程性質：專業基礎課計劃學時:48h(40+8)（C）；32h(24+8)(B)主要內容:結合機械工程講述經典控制論的基本內容。成績:平時成績---30%

考試---70%控制工程基礎教案第一章緒論第一章緒論1.1引言1.2機械工程控制論的研究對象與任務1.3系統及其模型1.4反饋1.5對自動控制系統的基本要求1.6對本課程的基本要求控制工程基礎教案第一章緒論1.1引言控制工程基礎教案第一章緒論回答三個問題：1、什么是“機械工程控制論”?2、自動控制與自動控制理論3、控制論的發展機械工程控制論:是控制論在機械領域的體現；研究用控制論的基本原理來解決機械工程中的實際技術問題。控制：對對象施加某種操作，使其產生所期望的行為。自動控制:在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預定規律運行。特點：該操作由控制裝置自動完成，無須人的參與。控制器和被控對象的總體即自動控制系統。自動控制理論:以自動控制系統為研究對象,采用數學的方法對自動控制系統進行分析與綜合。例子：水箱液面控制系統：控制工程基礎教案第一章緒論控制論控制論：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（總體概述）控制三要素：

被控對象、控制目標、控制裝置可控與能控：

1.被控對象（或其被控量）必須存在著多種發展的可能性。如果事物的未來只有一種可能性，就無所謂控制了;2.被控制的對象不僅必須存在多種發展的可能性，而且，可以在這些可能性中通過一定的手段進行選擇，才談得到控制。控制工程基礎教案第一章緒論控制論方法：

1.了解事物面臨的可能性空間是什么;2.在可能性空間中選擇某一狀態為目標（控制目標）；

3.控制條件，使事物向既定的目標轉化。控制工程基礎教案第一章緒論控制論：既是一門技術學科

又是一門技術哲學和一種科學方法論控制論強調：

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）。控制工程基礎教案第一章緒論控制論強調：元素間的相互作用：信息傳遞與交互狀態變化動態歷程

控制論實質上研究的是廣義的系統動力學，

其核心是系統內部以及系統與外界環境的信息

交互、傳遞和反饋。控制工程基礎教案第一章緒論控制輪與其它學科結合，形成了眾多的分支學科控制工程基礎教案第一章緒論控制論經濟學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。控制論的發展發展歷史：控制工程基礎教案第一章緒論階段形成時期理論基礎分析方法研究對象數學工具Ⅰ30-50年代經典控制論時域/復域(1948)、頻域(1932)SISOSingle-inputSingle-output微分方程拉式變換復變函數等Ⅱ60-70年代現代控制論狀態空間時域MIMOMultiple-inputMultiple-output矩陣理論線性代數Ⅲ70-至今大系統理論智能控制時域/復域/頻域法模糊集法多因素多層次復雜對象控制工程基礎教案第一章緒論1.2機械工程控制論的研究對象與任務研究對象：研究機械工程技術中廣義系統的動力學問題。什么是動力學問題：動力學問題：系統在外界作用（輸入或激勵、包括外加控制與外界干擾）下，從一定初始狀態出發，經歷由其內部的固有特性（由系統的結構與參數決定）所決定的動態歷程（輸出或響應）。這一過程中，系統及其輸入、輸出三者之間的動態關系即為系統的動力學問題。控制工程基礎教案第一章緒論例1-1彈簧——質量——阻尼單自由度系統（書p2）控制工程基礎教案第一章緒論同一系統、不同的外界作用圖1-3m-c-k單自由度系統分析：分別寫出其動力學方程，為系統（a）:(mp2+cp+k)y(t)=f(t)系統（b）:(mp2+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t)

式中：p=d/dt（微分算子）初始狀態：y(0)=y0,y(0)=y0系統的固有特性：mp2+cp+k（與外界無關，左邊算子）外界的作用：x(t),f(t)（系統的輸入或激勵）外界作用方式（與外界的關系，右邊算子）：１，cp+k系統對輸入的響應（系統的輸出）：y(t)控制工程基礎教案第一章緒論上例中，y(t)即微分方程的解，顯然，它是由系統的初始條件、系統的固有特性、系統的輸入及系統與輸入之間的關系所決定。問題：

1.系統的輸入與系統的固有特性如何影響y(t)？三者之間表現為何種關系？

2.系統確定并已知時，對系統施加何種輸入，使系統實現預期的響應（即y(t)）?

3.對于確定的輸入，系統應具有什么特性，才能使系統實現預期的響應？

基本的動力學問題！控制工程基礎教案第一章緒論一般地，就系統、輸入、輸出三者之間的動態關系而言，需研究的問題包括：1.系統分析問題：已知系統和輸入，求系統的響應（或輸出），并通過響應來研究系統本身的問題；2.最優控制問題：已知系統，確定輸入，使系統的輸出滿足要求；3.最優設計問題：已知輸入，設計系統，使輸出滿足要求；4.濾波與預測問題：確定系統，以根據輸出識別輸入或輸入中的有關信息；5.系統辨識問題：已知輸入和輸出，識別是系統的結構和參數，建立系統的數學模型。控制工程基礎教案第一章緒論1.3系統及其模型系統的特性：（1）系統的性能不僅與系統的元素有關，而且還與系統的結構有關；（2）系統的內容比組成系統各元素的內容要豐富得多；（3）系統往往表現出在時域、頻域或空域等域內的動態特性。機械系統：以實現一定的機械運動、輸出一定的機械能，以及承受一定的機械載荷為目的的系統，稱為機械系統。對于機械系統，其輸入和輸出分別稱為“激勵“和“響應”。控制工程基礎教案第一章緒論機械系統激勵響應擾動控制工程基礎教案第一章緒論1.4反饋控制論的三要素：信息、反饋、反饋控制。信息：能表達一定含義的信號。反饋（定義）：系統的輸出不斷地、直接或間接地、全部或部分地返回，并作用于系統，與輸入信號相比較產生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信號與輸入信號相減，使產生的偏差越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正反饋“反饋控制”是控制論的中心思想反饋控制系統：利用反饋原理構成的自動控制系統。反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠在存在擾動的情況下，力圖減小系統的輸出量與輸入量之間的偏差，提高控制精度。控制工程基礎教案第一章緒論反饋控制的基本工作原理：測量偏差和糾正偏差主反饋（外反饋）與內在反饋（內反饋）

主反饋：直接取自輸出端的反饋叫主反饋。相對于被控制對象而然，由于附加的反饋控制裝置引起的信息交互。

內在反饋：非人為的，而是元件或系統中存在著相互耦合作用而形成的固有反饋。內反饋例子：控制工程基礎教案第一章緒論用“○”號代表比較元件，“—”號代表兩者符號相反，“+”號代表兩者符號相同。信號沿箭頭方向從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統輸出量經測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構成的內回路。控制工程基礎教案第一章緒論(mp2+cp+k)y(t)=f(t)外反饋例子例1：數控機床工作臺控制工程基礎教案第一章緒論無反饋控制開環系統反饋控制閉環系統例2：發動機離心調速系統：控制工程基礎教案第一章緒論w控制原理：1.如果負載變化使轉速W增加;2.離心機構滑套上移;3.液壓滑閥上移，動力活塞下移動，油門關小，W減小；4.直到滑閥回復中位，W回到設定值。通過檢測系統的實際輸出值，并與設定值進行比較，反過來作用于系統，形成反饋，進而調節系統的輸出。反饋實質上是信息的傳遞與交互。（本例中反饋表現為W變化引起的信息傳遞與交互）。以發動機離心調速系統為例：被控對象：發動機被控量：轉速W被控量的目標設定：預緊彈簧設定控制信息傳遞與反饋：控制工程基礎教案第一章緒論反饋裝置控制工程基礎教案第一章緒論控制裝置給定環節：其職能是給出與期望的被控量相對應的系統輸入量測量環節：其職能是測量被控制的物理量比較環節：把輸入量與測量元件發來的有關被控量的反饋值進行比較，求出它們之間的偏差。放大環節：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執行元件去控制被控對象。執行環節：直接推動被控對象，使其被控量按照預期的規律運行。控制工程基礎教案第一章緒論反饋控制系統的分類：1.按反饋情況開環控制系統閉環控制系統開環控制系統：系統的輸出對系統沒有控制作用，系統沒有反饋回路。例如：步進驅動的數控機床控制工程基礎教案第一章緒論閉環控制系統：系統輸出對系統有控制作用，系統有反饋回路。例如：伺服驅動的數控機床控制工程基礎教案第一章緒論控制工程基礎教案第一章緒論閉環與開環控制系統的比較閉環控制系統的特點偏差控制，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、成本低。2.按輸出量的變化規律自動調節系統（恒值系統）：系統的輸出保持常量。如：前例中的離心調速系統恒溫箱、液面控制等。

此類系統同時也是閉環系統。隨動系統：系統的輸出相應于系統的輸入按任意規律變化。如：炮瞄雷達系統放形加工等。

此類系統同時也是閉環系統。程序控制系統：系統的輸出按預定程序變化。如：數控機床全自動洗衣機等。

此類系統可以是開環系統，也可以是閉環系統。控制工程基礎教案第一章緒論控制工程基礎教案第一章緒論控制工程基礎教案第一章緒論1輸入信號（又叫輸入量、控制量、給定量）：指控制輸出量變化規律的信號。2輸出信號（又叫輸出量、被控制量、被調節量）：是輸入的結果，應與輸入信號間保持確定的關系。3偏差信號：是輸入信號與反饋信號之差。4誤差信號：輸出希望值與實際值之差。術語控制工程基礎教案第一章緒論5擾動信號

擾動是一種對系統的輸出產生不利影響的信號。如果擾動產生在系統內部稱為內擾；擾動產生在系統