机械工程控制基础第1章绪论PPT课件

1、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第1页/共78页 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，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。它在现代机器

2、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。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。一个基本了解，以便更好地学习

3、以后各章节。第2页/共78页 即，在人不直接参与的即，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）。状态）能自动地按照预定的规律变化（或运行）。引 言第3页/共78页一、自动控制技术应用于军事、航天领域一、自动控制技术应用于军事、航天领域 火炮、雷达、跟踪系统；火炮、雷达、跟踪系统； 人造卫星；人造卫星； 宇宙飞船。宇宙飞船。 二、自动控制技术应用于工业生产过程二、自动控制技术应用于工业生产过程 轧钢过程；轧钢过程； 工业窑炉；石油化工；

4、工业窑炉；石油化工； 水泥建材；玻璃、造纸等水泥建材；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。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，药物动力学生物：人口控制，药物动力学 金融：货币控制金融：货币控制 家庭：电饭煲，洗衣机，空调，冰箱家庭：电饭煲，洗衣机，空调，冰箱 引 言第4页/共78页 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。发展前途的技术

5、科学之一。 自动控制往往是自动控制往往是参考人工控制参考人工控制而建立起来的，以下通过一些简单的、典型而建立起来的，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。例子，来说明控制系统的工作原理。第5页/共78页 实例 水箱水位图图1-1 1-1 水箱水位的人工控制系统原理图水箱水位的人工控制系统原理图1 1、手动控制：、手动控制： 观测实际水位，将实际水观测实际水位，将实际水位与要求的水位值相比较，得位与要求的水位值相比较，得出两者偏差。出两者偏差。 根据偏差的大小和方向调根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水水位高于要求

6、值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水箱以改变进水量，从而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。水位，使之与要求值保持一致。第6页/共78页 实例 水箱水位图图1-2 1-2 水箱水位的自动控制系统原理图水箱水位的自动控制系统原理图2、自动控制： 当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要位与水位要求求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际水位

7、重新与水位要求值相等时为止。开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。第7页/共78页引 言第8页/共78页第一节 机械工程控制论的研究对象与任务 具体地说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件作用下，从具体地说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件作用下，从系统一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性所决定的整个动态历程；系统一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性所决定的整个动态历程； 换句话说，就是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。换句话说，就是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。第9页/共78页第一节 机械工程控制论的研究对象与任务

8、第10页/共78页第一节 机械工程控制论的研究对象与任务第11页/共78页第一节 机械工程控制论的研究对象与任务对上例，需研究的问题可归纳为以下三类：对上例，需研究的问题可归纳为以下三类：第一类，系统、输入第一类，系统、输入 输出输出第二类，系统、输出第二类，系统、输出 输入输入第三类，输入、输出第三类，输入、输出 系统系统第12页/共78页第一节 机械工程控制论的研究对象与任务第13页/共78页第二节 系统及其模型一、系统系统：就是由相互联系、相互作用的若干部分构成，而且有一定的目的或一定运就是由相互联系、相互作用的若干部分构成，而且有一定的目的或一定运动规律的一个整体。动规律的一个整体。特

9、点：特点：1 1）整体性整体性：系统由许多要素组成，各个组成部分是不可分割的。：系统由许多要素组成，各个组成部分是不可分割的。2 2）相关性相关性：系统内部各要素之间相互以一定规律联系着。：系统内部各要素之间相互以一定规律联系着。3 3）层次性层次性：系统可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构。：系统可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构。4 4）目的性目的性：系统具有某种目的，要达到既定的目的，系统必须具有一定的功能（如：系统具有某种目的，要达到既定的目的，系统必须具有一定的功能（如控制、调节和管理的功能）。控制、调节和管理的功能）。第14页/共78页 例3： 孤立的考察这两

10、个对象 考察km系统，分析各元素其动力学方程及系统动力学方程.mY(t)F(t)k第15页/共78页二、机械系统机械系统：以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。对于机械系统，其输入和输出分别称为载荷为目的的系统，称为机械系统。对于机械系统，其输入和输出分别称为“ 激励激励” 和和“ 响应响应”。第16页/共78页第二节 系统及其模型三、系统模型 模型: : 就是对系统的一种客观描述，它通常是真实系统的一种简化。就是对系统的一种客观描述，它通常是真实系统的一种简化。实物模型实物模型物理模

11、型物理模型数学模型数学模型静态模型静态模型动态模型动态模型静态模型：反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统平衡状态下反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统平衡状态下 的特性。的特性。（一般用代数方程描述）动态模型：用于研究系统在迅变载荷作用下或在系统不平衡状态下的用于研究系统在迅变载荷作用下或在系统不平衡状态下的 特性。特性。 （一般用微分方程或差分方程描述）(描绘系统的动态历程)第17页/共78页 例：第18页/共78页第二节 系统及其模型 动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或控制工程中，动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或控制工程中，一般关心的是

12、系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。即，一般关心的是系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。即，一般所指一般所指的系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式的系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式。第19页/共78页第三节 反馈外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈， 称为外反馈。内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。 内反馈是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。它是造成机械系统存在一定内反馈是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。它是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变得异常复杂。

13、对的动态特性的根本原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变得异常复杂。对于机械系统中普遍存在的内反馈现象应引起足够的重视。于机械系统中普遍存在的内反馈现象应引起足够的重视。第20页/共78页反馈是系统存在动态历程，系统及其输入输出间有动态关系的根本原因。反馈是系统存在动态历程，系统及其输入输出间有动态关系的根本原因。第三节 反馈第21页/共78页第22页/共78页第三节 反馈第23页/共78页第三节 反馈第24页/共78页第三节 反馈第25页/共78页第四节 系统的分类及对控制系统的基本要求一、系统的几种分类 对控制系统，可从不同角度加以分类。1.按反馈情况：开环控制、闭环控制、复合控制开环

14、控制、闭环控制、复合控制2.按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。生物系统等。3.按系统功能：温度、压力、位置、速度温度、压力、位置、速度4.按系统性能：线性与非线性、定常与时变线性与非线性、定常与时变5.按输入信号变化规律：恒值、随动、程序控制恒值、随动、程序控制6.按系统内部传输信号的性质：连续与离散连续与离散7.按输入、输出信号的数目：单输入单输入-单输出系统与多输入单输出系统与多输入-多输出系统多输出系统第26页/共78页1、按反馈情况、按反馈情况 自动控制系统有三种基本控制方式：自动控制系统有三种基

15、本控制方式：开环控制方式开环控制方式、闭环控制方式（反馈控制方式）闭环控制方式（反馈控制方式）和和复合控制方式复合控制方式，它们都有其各自的特点和不同的使用场合。其中闭环控制方式是自动控，它们都有其各自的特点和不同的使用场合。其中闭环控制方式是自动控制系统最基本的控制方式制系统最基本的控制方式, ,也是应用最广泛的一种控制方式。也是应用最广泛的一种控制方式。（1）开环控制方式）开环控制方式 开环控制方式是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过开环控制方式是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程程, ,按这种方式组成的系统称为开环控制系统按这种方式组成的

16、系统称为开环控制系统, ,其特点是系统的输出量不会对系统的控其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。制作用发生影响。特点：结构简单，容易实现，成本低；但是精度低，抗干扰能力差。特点：结构简单，容易实现，成本低；但是精度低，抗干扰能力差。第27页/共78页第28页/共78页（2）闭环控制方式（反馈控制）闭环控制方式（反馈控制） 需要控制的是受控对象的被控量，而测量的是被控量对给定值的偏差。无论是由需要控制的是受控对象的被控量，而测量的是被控量对给定值的偏差。无论是由干扰造成的，还是由结构参数的变化引起的，只要被控量出现偏差，系统自行纠偏。干扰造成的，还是由结构参数的变化引起的，只要被控

17、量出现偏差，系统自行纠偏。特点：抗干扰能力强，稳态精度高；但是存在稳定性问题，并且结构复杂，实现不易，特点：抗干扰能力强，稳态精度高；但是存在稳定性问题，并且结构复杂，实现不易，成本高。成本高。第29页/共78页第30页/共78页 开环控制与闭环控制比较开环控制与闭环控制比较如何选用开环控制或闭环控制？应当注意以下几个方面： 当系统的输入量能预先知道，并且不存在任何扰动时，采用开环控制比较合适。当系统的输入量能预先知道，并且不存在任何扰动时，采用开环控制比较合适。 当输出量难于测量，或者要测量输出量在经济上不允许时，采用开环系统比较当输出量难于测量，或者要测量输出量在经济上不允许时，采用开环系

18、统比较合适。合适。 从成本、功率的角度出发，为了减少系统所需要的成本、功率，在可能情况下从成本、功率的角度出发，为了减少系统所需要的成本、功率，在可能情况下应当采用开环控制。应当采用开环控制。 将开环控制与闭环控制适当地结合在一起，通常比较经济，并且能够获得满意将开环控制与闭环控制适当地结合在一起，通常比较经济，并且能够获得满意的综合性能。的综合性能。第31页/共78页2、按系统性能来分、按系统性能来分 是指组成系统的元器件的静态特性为直线，能用线性常微分方程描述是指组成系统的元器件的静态特性为直线，能用线性常微分方程描述其输出与输入关系的系统。线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性。其输出与

19、输入关系的系统。线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性。 本课程研究本课程研究线性定常系统线性定常系统（或称为线性时不变系统、自治系统），简单涉及非（或称为线性时不变系统、自治系统），简单涉及非线性系统。线性系统。 是指组成系统的元器件中有一个以上具有非直线的静态特性的系统。是指组成系统的元器件中有一个以上具有非直线的静态特性的系统。非线性系统还可分为非线性时变系统与非线性定常系统。非线性系统还可分为非线性时变系统与非线性定常系统。 严格地说，实际上不存在线性系统，这是因为各种实际的物理系统总是具有不严格地说，实际上不存在线性系统，这是因为各种实际的物理系统总是具有不同程度的非线性，但只要非线

20、性不严重，在一定范围内能用线性系统的理论和方法同程度的非线性，但只要非线性不严重，在一定范围内能用线性系统的理论和方法对待的系统都可视为线性系统。对待的系统都可视为线性系统。第32页/共78页3、按输出信号变化规律来分、按输出信号变化规律来分又称为定值调节系统或自又称为定值调节系统或自动镇定系统。动镇定系统。特点特点：系统输入量（即给定值）：系统输入量（即给定值）不变，但由于扰动使被控量偏离要求值，该不变，但由于扰动使被控量偏离要求值，该系统能根据偏差产生控制作用，使被控量恢系统能根据偏差产生控制作用，使被控量恢复到要求值，并以一定的准确度保持在要求复到要求值，并以一定的准确度保持在要求值附近

21、。值附近。又称为伺服系统。又称为伺服系统。特点特点：给定：给定值是预先未知的、随时间任意变化，要求系值是预先未知的、随时间任意变化，要求系统被控量以尽可能小的误差跟随给定值变化。统被控量以尽可能小的误差跟随给定值变化。特点特点：系统输入量按预：系统输入量按预定程序变化。定程序变化。第33页/共78页4、按系统内部传输信号的性质来分、按系统内部传输信号的性质来分，各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟量，可用微分方程来各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟量，可用微分方程来描述各部分输入描述各部分输入- -输出关系的系统。输出关系的系统。 ，某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。

22、某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。 离散系统离散系统也有线性离散系统和非线性离散系统、定常离散系统和时变离散系统之分。也有线性离散系统和非线性离散系统、定常离散系统和时变离散系统之分。 （SISOSISO, Single Input Single Output), Single Input Single Output)：只有一个输入：只有一个输入量和一个输出量的控制系统，也称为单变量系统。如前述的水箱水位控制系统。量和一个输出量的控制系统，也称为单变量系统。如前述的水箱水位控制系统。 （MIMOMIMO, Multiple Inputs Multiple Outputs): ,

23、 Multiple Inputs Multiple Outputs): 有多个有多个输入量和多个输出量的控制系统，也称为多变量系统。如后述的火力发电厂综合控输入量和多个输出量的控制系统，也称为多变量系统。如后述的火力发电厂综合控制系统制系统 。5、按输入、输出信号的数目来分、按输入、输出信号的数目来分第34页/共78页 为了使为了使控制系统的表示既简单又明了，在控制工程中一般采用控制系统的表示既简单又明了，在控制工程中一般采用方框图方框图来表示来表示系统的组成及各组成部分之间信号的传输关系。系统的组成及各组成部分之间信号的传输关系。 系统方框图由许多对信号（系统方框图由许多对信号（ 量）量）

24、进行单向传递的元件方框和一些连线组成，进行单向传递的元件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。它包括三个基本的表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。它包括三个基本的单元，单元， 即即 元件方框元件方框 比较点（比较点（ 相加点）相加点） 引出点（引出点（ 分支点）分支点）第35页/共78页 元件方框元件方框：方框中写入元、部件的名称，进入箭头表示其输入信号；：方框中写入元、部件的名称，进入箭头表示其输入信号； 引出箭头表引出箭头表示其输出信号。示其输出信号。第36页/共78页 比较点（比较点（ 相加点）相加点）： 表示两个或两个以上的信号

25、进行相加或相减运算。表示两个或两个以上的信号进行相加或相减运算。“ + +”表表示信号相加；示信号相加；“ - -”表示信号相减。表示信号相减。第37页/共78页 引出点（引出点（ 分支点）分支点）： 表示信号的引出或信号的分支，表示信号的引出或信号的分支， 箭头表示信号的传递方向，箭头表示信号的传递方向， 线上标记信号的名称。线上标记信号的名称。第38页/共78页 自动控制系统的一般组成形式自动控制系统的一般组成形式被控对象r(t)u(t)c(t)反馈环节e(t)给定环节b(t)放大元件执行元件串联校正并联校正比较环节扰动控制器被控对象r(t)u(t)c(t)反馈环节e(t)给定环节b(t)

26、比较环节扰动第39页/共78页 名词术语名词术语 输入信号输入信号 输出信号输出信号 反馈信号反馈信号 偏差信号偏差信号 误差信号误差信号 扰动信号扰动信号自自动动控控制制系系统统被控对象被控对象给定环节给定环节比较环节比较环节反馈环节反馈环节控制器控制器校正环节校正环节执行环节执行环节放大环节放大环节并联校正并联校正串联校正串联校正第40页/共78页 输入信号: : （输入量、控制量、给定量）是指控制输出量（输入量、控制量、给定量）是指控制输出量 变化规律的信号；变化规律的信号； 输出信号： （输出量、被控制量、被调节量）输出是输入（输出量、被控制量、被调节量）输出是输入 的结果，它的变化规

27、律通过控制应与输入信号的结果，它的变化规律通过控制应与输入信号 之间保持有确定的关系；之间保持有确定的关系； 反馈信号：输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号称输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号称 反馈信号；反馈信号； 偏差信号：输入信号与主反馈信号之差；输入信号与主反馈信号之差； 误差信号：输出量实际值与希望值之差；输出量实际值与希望值之差； 扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号；偶然的无法加以人为控制的信号；第41页/共78页（ 1 1） 分析控制系统的工作原理， 找出被控对象。（ 2 2） 分清系统的输入量、输出量。（ 3 3） 按照控制系统各环节的定义， 找出相应的各个环节。

28、（ 4 4） 按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连接起来。第42页/共78页图图1-3 1-3 恒温箱控制系统原理图恒温箱控制系统原理图 例题 恒温箱控制系统第43页/共78页图图1-5 1-5 恒温箱控制系统方框图恒温箱控制系统方框图第44页/共78页例例1.11.1设电热水器如下图所示。为了保持希望的温度，由温控开关接通或断开电加设电热水器如下图所示。为了保持希望的温度，由温控开关接通或断开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明该系统工作原理热器的电源。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明该系统工作原理并画出系统的方框图。并画出系统的方框图。解：解

29、：在电热水器系统中，在电热水器系统中，水箱内的水温需要控制，即水箱内的水温需要控制，即水箱为被控对象。水箱为被控对象。水的实际温度是被控制量，或称为系统的输出量，设为；输入量为用户希望的温水的实际温度是被控制量，或称为系统的输出量，设为；输入量为用户希望的温度（给定值），设为；由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使水箱内水度（给定值），设为；由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使水箱内水温下降成为该系统的主要干扰。温下降成为该系统的主要干扰。 自动控制系统举例自动控制系统举例第45页/共78页当当To=TiTo=Ti时，水箱的实际水温经测温元件检测，并将实时，水箱的实际水温经测温元件检

30、测，并将实际水温转化成相应的电信号，与温控开关预先设定的际水温转化成相应的电信号，与温控开关预先设定的信号进行比较而得到的偏差为零，此时电加热器不工作，信号进行比较而得到的偏差为零，此时电加热器不工作，水箱中的水温保持在希望的温度上。水箱中的水温保持在希望的温度上。当使用热水并注入冷水时，水温下降，此时当使用热水并注入冷水时，水温下降，此时ToTiTo u u2 2，电位器桥式测，电位器桥式测量电路产生偏差电压，经放大器放大后，驱动电量电路产生偏差电压，经放大器放大后，驱动电机带动绞盘转动，使大门向上提起。与此同时，机带动绞盘转动，使大门向上提起。与此同时，与大门连在一起的电位器滑动触头上移，

31、直至桥与大门连在一起的电位器滑动触头上移，直至桥路达到平衡（路达到平衡（ u u1 1u u2 2），电机停止转动，大门开），电机停止转动，大门开启。反之，合上关门开关时，电机反向转动，带启。反之，合上关门开关时，电机反向转动，带动绞盘使大门关闭；动绞盘使大门关闭；开、关开、关门位置门位置电位器电位器放大器放大器电动机电动机绞盘绞盘大门大门实际实际位置位置第48页/共78页第四节 系统的分类及对控制系统的基本要求二、对控制系统的基本要求 第49页/共78页 1、 （稳定性）（稳定性） 稳是指动态过程的震荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能力。稳是指动态过程的震荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的

32、能力。 稳定性是对控制系统最基本的要求。稳定性是对控制系统最基本的要求。 对于稳定的恒值系统，被控量因扰动而偏离期望值后，经过一个过渡过程时间，对于稳定的恒值系统，被控量因扰动而偏离期望值后，经过一个过渡过程时间，被控量应恢复到原来的期望值状态；对于稳定的随动系统，被控量应能始终跟随输入被控量应恢复到原来的期望值状态；对于稳定的随动系统，被控量应能始终跟随输入量的变化。量的变化。 第50页/共78页2、（快速性）（快速性） 指动态过程（过渡过程）进行的时间长短。指动态过程（过渡过程）进行的时间长短。过程时间持续很长，将使系统长久的过程时间持续很长，将使系统长久的出现大偏差，同时也说明系统响应很

33、迟钝，难以复现快速变化的指令信号。稳和快反出现大偏差，同时也说明系统响应很迟钝，难以复现快速变化的指令信号。稳和快反映了系统在控制过程中的性能。映了系统在控制过程中的性能。点击右图查看Flash动画第51页/共78页3、（准确性）（准确性） 指系统过渡到新的平衡工作状态以后，或系统受扰动重新恢复平衡之后，最终保指系统过渡到新的平衡工作状态以后，或系统受扰动重新恢复平衡之后，最终保持的精度，反映了动态过程后期的性能。持的精度，反映了动态过程后期的性能。 准通常用系统的稳态误差来表示。准通常用系统的稳态误差来表示。点击右图查看Flash动画第52页/共78页几点说明：几点说明：w “稳稳”与与“快

34、快”是说明系统动态过程（过渡过程）品质。是说明系统动态过程（过渡过程）品质。w “准准”是说明系统的稳态（静态）品质是说明系统的稳态（静态）品质w 稳定性稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件。是保证控制系统正常工作的先决条件。w 线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。w 系统的过渡过程产生的原因系统的过渡过程产生的原因 ： 系统中存在着一些不同性质的储能元件，这些储能元件的能量不可能突变；系统中存在着一些不同性质的储能元件，这些储能元件的能量不可能突变； 系统具有的能源功率有限，因而运动加速度

35、有限。系统具有的能源功率有限，因而运动加速度有限。 由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、快、准的要求是有所侧重的。例由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、快、准的要求是有所侧重的。例如随动系统对快要求较高，而恒值控制系统则对稳限制严格。如随动系统对快要求较高，而恒值控制系统则对稳限制严格。 在同一个系统中，上述三方面的性能要求通常是相互制约的。在同一个系统中，上述三方面的性能要求通常是相互制约的。第53页/共78页第五节 机械制造的发展与控制理论的应用 机电工业是我国最重要的支柱产业之一机电工业是我国最重要的支柱产业之一 ，而传统，而传统的机电产品正在向的机电产品正在向机电一体化（机

36、电一体化（MechatronicsMechatronics）方向方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动控制自动化化。机电控制型产品技术含量高，附加值大，在国内。机电控制型产品技术含量高，附加值大，在国内外市场上具有很强的竞争优势，形成机电一体化产品外市场上具有很强的竞争优势，形成机电一体化产品发展的主流。当前国内外机电结合型产品，诸如典型发展的主流。当前国内外机电结合型产品，诸如典型的工业机器人，数控机床，自动导引车等都广泛地应的工业机器人，数控机床，自动导引车等都广泛地应用了控制理论。用了控制理论。第54页/共78页第55页/共78页机器手机

37、器手第56页/共78页图1-13 柔性制造系统柔性制造系统柔性制造系统第57页/共78页 目前，控制理论在机械制造领域中应用最为活跃的有下面几个主要方面：（1）在机械制造过程自动化方面；（2）在加工过程的研究方面；（3）在产品与设备的设计方面；（4）在动态过程或参数的测试方面；第58页/共78页 公元前公元前1400140011001100年，中国、埃及和巴比年，中国、埃及和巴比伦相继出现自动计时漏伦相继出现自动计时漏壶，人类产生了最早期壶，人类产生了最早期的控制思想。的控制思想。第六节 控制理论发展的简单回顾一、古代自动控制系统方面的成就 第59页/共78页 公元前公元前300300年秦昭王

38、时，由李冰父子主持年秦昭王时，由李冰父子主持设计修筑的著名水利工程都江堰，是一种液面设计修筑的著名水利工程都江堰，是一种液面控制，是控制，是“系统系统”观念的杰出体现。观念的杰出体现。第60页/共78页 公元公元100100年，亚历山大的希罗发明开闭庙门和年，亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水的自动计时装置。分发圣水的自动计时装置。第61页/共78页 公元公元132132年，中国科学家张衡（公元年，中国科学家张衡（公元7813978139）研制出自动测量地震的地动仪。）研制出自动测量地震的地动仪。第62页/共78页 公元公元235235年，中年，中国马钧研制出用齿轮国马钧研制出用齿轮传动的自

39、动指示方向传动的自动指示方向的指南车的指南车( (司南车）。司南车）。第63页/共78页 公元公元17881788年，英国人年，英国人J.WattJ.Watt用离心式调速用离心式调速器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。革命。第64页/共78页 维纳，维纳，MITMIT教授。早期进教授。早期进行模拟计算机研究，二战期间行模拟计算机研究，二战期间参与火炮控制研究，提炼出负参与火炮控制研究，提炼出负反馈概念。反馈概念。 19481948年，维纳所著年，维纳所著控制控制论论的出版，标志着这门学科的出版，标志着这门学科的正式诞生的正式诞生。控制论的奠基人

40、控制论的奠基人美国科学家美国科学家维纳维纳（Wiener,N.，18941964）第65页/共78页 19541954年，我国科学家钱学森在美国运用控年，我国科学家钱学森在美国运用控制论思想和方法，用英文出版制论思想和方法，用英文出版工程控制论工程控制论，首先把控制论推广到工程技术领域。首先把控制论推广到工程技术领域。第66页/共78页 接着短短的几十年里，在各国科学家和科学技接着短短的几十年里，在各国科学家和科学技术人员的努力下，又相继出现了术人员的努力下，又相继出现了生物控制论生物控制论，经济经济控制论控制论和和社会控制论社会控制论等，控制理论已经渗透到各个等，控制理论已经渗透到各个领域，

41、并伴随着其它科学技术的发展，极大地改变领域，并伴随着其它科学技术的发展，极大地改变了整个世界。控制理论自身也在创造人类文明中不了整个世界。控制理论自身也在创造人类文明中不断向前发展。控制理论的中心思想是通过信息的传断向前发展。控制理论的中心思想是通过信息的传递、加工处理并加以反馈来进行控制，控制理论是递、加工处理并加以反馈来进行控制，控制理论是信息学科的重要组成方面。信息学科的重要组成方面。第67页/共78页 自动控制理论是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为和两大部分。 人们普遍认为最早工业应用的自动装置是1788年Wat

42、t发明的离心式蒸汽机调速器。 v 形成时间形成时间：二十世纪：二十世纪4040年代到年代到5050年代形成的一门独立学科。年代形成的一门独立学科。v 研究对象研究对象：以：以线性定常系统为主要研究对象。线性定常系统为主要研究对象。v 研究方法研究方法：以：以作为系统的基本数学描述，以频率法和根轨迹法作为作为系统的基本数学描述，以频率法和根轨迹法作为分析和设计系统的两种方法。分析和设计系统的两种方法。二、控制理论的形成及其发展第68页/共78页 v 形成时间形成时间：始于二十世纪：始于二十世纪5050年代末年代末6060年代初。年代初。v 研究对象研究对象：适于研究：适于研究，这些系统可以是线性

43、的、非线性的、，这些系统可以是线性的、非线性的、定常的或时变的。定常的或时变的。v 研究方法研究方法：以：以作为系统的基本数学描述，以状态空间法作为主作为系统的基本数学描述，以状态空间法作为主要研究方法。要研究方法。v最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的研究课最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的研究课题，近年来计算机技术和现代应用数学的结合，又使现代控制理论在大系统理论和题，近年来计算机技术和现代应用数学的结合，又使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大发展。模仿人类智能活动的人工智能控制等诸多领域有了

44、重大发展。第69页/共78页)60()502019(年代以来大系统多层分散控制模糊控制自适应控制预测控制智能控制最优控制状态反馈控制现代控制理论年代世纪世纪中叶变换法采样控制波波夫法李雅普诺夫法描述函数法相平面法非线性根轨迹法频域法时域法线性经典控制理论自动控制理论Z第70页/共78页 “作为技术科学的控制论，对工程技术、作为技术科学的控制论，对工程技术、生物和生命现象的研究和经济科学，以及对社会研生物和生命现象的研究和经济科学，以及对社会研究都有深刻的意义，比起相对论和量子论对社会的究都有深刻的意义，比起相对论和量子论对社会的作用有过之无不及我们可以毫不含糊地说从科学作用有过之无不及我们可以

45、毫不含糊地说从科学理论的角度来看，理论的角度来看，也许可以称它们为三项科，也许可以称它们为三项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞跃。学革命，是人类认识客观世界的三大飞跃。” 钱学森钱学森 第71页/共78页 本课程的特点本课程的特点 本课程是一门非常重要的技术基础课，是机电学院平台课程。它是针对机械本课程是一门非常重要的技术基础课，是机电学院平台课程。它是针对机械对象的控制，结合经典控制理论形成的一门课程。对象的控制，结合经典控制理论形成的一门课程。本门课程主要介绍经典控制理论，研究怎样将其与机械相结合，并应用于机械。 本课程在高等数学、理论力学、电工电子学等知识的基础上，使学生掌握机本课程在高等数学、理论力学、电工电子学等知识的基础上，使学生掌握机械控制系统的基本原理及必要的实用知识。值得指出的是，尽管经典控制理论在六械控制系统的基本原理及必要的实用知识。值得指出的是，尽管经典控制理论在六十年代已完全发展成熟，但它并不过时，经典控制理论是整个自动控制理论（包括十年代已完全发展成熟，但它并不过时，经典控制理论是整个自动控制理论