机械控制理论

1、机械控制理论第一章第一章 绪论绪论1.3对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求1.2 控制系统的分类控制系统的分类1.1 控制工程概述控制工程概述1.1.11.1.1控制系统的基本概念控制系统的基本概念v 系统：系统：任何一组存在某种因果关系的物理元件。任何一组存在某种因果关系的物理元件。 v 控制：控制：按照预先给定的目标，改变系统行为或性能。按照预先给定的目标，改变系统行为或性能。 v 自动控制：自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置( (称控制装置或控制器称控制装置或控制器) )，使机器、设备或生产过程，使机器、设备或生产

2、过程( (统称被控对象统称被控对象) )的的某个工作状态或参数某个工作状态或参数( (即被控量即被控量) )自动地按照预定的规律运行。自动地按照预定的规律运行。 1.1.控制系统的工作原理控制系统的工作原理人工人工控制控制恒温控制系统恒温控制系统自动自动控制控制举例：1.1.控制系统的工作原理控制系统的工作原理人工控制加热加热电阻丝电阻丝温度计温度计调压器调压器图图1.1 1.1 人工控制的恒温箱人工控制的恒温箱220V1.1.控制系统的工作原理控制系统的工作原理自动控制减速器减速器u电位计电位计u1功率功率放大器放大器加热加热电阻丝电阻丝给定信号给定信号调压器调压器220V电压电压放大器放大

3、器执行执行电动机电动机热电偶热电偶u2图图1.2 恒温箱的自动控制恒温箱的自动控制比较：比较：自动控制系统与人工控制系统非常相似。在自动控制系统中，测量装置就相当于人的眼睛，控制器则类似于人的大脑，执行机构好比人手。在控制过程中，它们的共同点都是要检测偏差，并利用检测的偏差再去纠正偏差。没有偏差就不会有控制调节过程。值得注意的是控制系统没有调节，并不等于系统不工作。 1.1.控制系统的工作原理控制系统的工作原理将输出量的将输出量的实际值与给实际值与给定值进行比定值进行比较，得到偏较，得到偏差信号。差信号。 通过测量通过测量元件检测元件检测输出量的输出量的实际实际 。 用偏差值用偏差值产生控制产

4、生控制调节作用调节作用去消除偏去消除偏差。差。 测量测量比较比较控制控制1.1.控制系统的工作原理控制系统的工作原理工作原理归纳如下：工作原理归纳如下：在控制系统中，给定量又称为输入量输入量，被控制量又称为输出量输出量。通常，我们把输出量取出，送回到输入端，并与输入量相比较产生偏差信号的过程，称为反馈反馈。这种基于反馈原理，通过“检测偏差，利用偏差纠正偏差”的系统，称为反馈控制系统反馈控制系统。显然，作为反馈控制系统，至少应具备有检测检测、比比较（或计算）较（或计算）和执行执行三个基本功能。1.1.控制系统的工作原理控制系统的工作原理控制系统要控制系统要解决的问题解决的问题输出信号输出信号的检

5、测的检测被控量被控量控制目的控制目的受控对象受控对象1.1.控制系统的工作原理控制系统的工作原理2.2.控制系统的方框图控制系统的方框图扰动量扰动量被控量被控量热电偶热电偶给定信号给定信号电压、电压、功率放功率放大器大器执行电机执行电机减速器减速器调压器调压器温度温度t恒温箱恒温箱（被控对象）（被控对象）图图1.3 恒温箱自动控制系统职能框图恒温箱自动控制系统职能框图 代表比较元件代表比较元件 代表信号的传递及方向代表信号的传递及方向 代表一个环节代表一个环节 u u1 1u u2 3.3.日常生活中的控制系统日常生活中的控制系统1.1.人手取书人手取书输入输入书的位置书的位置大脑大脑输出输出

6、肌肉肌肉手臂手臂眼睛眼睛手的位置手的位置图图1.4 人手取书方框图人手取书方框图2.2.汽车行驶的位置控制汽车行驶的位置控制实际路线实际路线希望路线希望路线大脑大脑输出输出方向盘方向盘汽车汽车眼睛眼睛输入输入图图1.5 汽车行驶的位置控制框图汽车行驶的位置控制框图3.3.日常生活中的控制系统日常生活中的控制系统3.3.液位控制系统液位控制系统图1.6 液位控制系统结构示意图iq0qh人工控制浮球控制3.3.日常生活中的控制系统日常生活中的控制系统典型应用典型应用: 厕所水箱厕所水箱4.4.控制系统的组成控制系统的组成主反馈主反馈局部反馈局部反馈执行执行元件元件被控被控对象对象放大、变放大、变换

7、元件换元件扰动扰动串联校串联校正元件正元件并联校并联校正元件正元件反馈元件反馈元件给定给定元件元件比 较比 较元件元件输出输出图图1.7 典型反馈控制系统框图典型反馈控制系统框图5.5.控制系统的物理本质控制系统的物理本质 控制过程是一种信息处理及能量转移的过程。因此，提高信息处理能力，以最短的时间和(或)最小的代价(能量消耗最小)实现系统按预定的规律进行能量转移，就是控制系统设计所要解决的中心问题。1.1.2 1.1.2 控制系统的发展与应用控制系统的发展与应用1.控制思想的溯源控制思想的溯源u中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400B.C. 1100B

8、.C.)。孙武著。孙武著孙子兵法孙子兵法(600B.C.)西汉漏壶u亚历山大的亚历山大的希罗希罗发明神殿自动门和分发圣水等发明神殿自动门和分发圣水等自动装置自动装置(100年年)u中国中国马钧马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年年)u中国明代中国明代宋应星宋应星所著所著天工开物天工开物记载有程序控制记载有程序控制思想思想(CNC)的提花织机结构图的提花织机结构图(1637年年)1.1.2 1.1.2 控制系统的发展与应用控制系统的发展与应用u英国英国J. WattJ. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1

9、788(1788年年) )是一种典型的自动化装置。是一种典型的自动化装置。 1.1.2 1.1.2 控制系统的发展与应用控制系统的发展与应用1.1.2 1.1.2 控制系统的发展与应用控制系统的发展与应用u英国英国J. C. MaxwellJ. C. Maxwell发表发表“论调速器论调速器”(On Governors)(On Governors)论文论文(1868(1868年年) )u英国英国E.J. E.J. RouthRouth建立建立RouthRouth判据判据( (RouthRouth-Hurwitz Stability -Hurwitz Stability Criteria)(18

10、75Criteria)(1875年年) )u俄国俄国A.M. A.M. LyapunovLyapunov博士论文博士论文“论运动稳定性的一般问题论运动稳定性的一般问题” (1892(1892年年) )u19321932年美国贝尔实验室工程师奈奎斯特发表了反馈放大器年美国贝尔实验室工程师奈奎斯特发表了反馈放大器稳定性的著名论文，给出了系统稳定性的奈奎斯特判据。稳定性的著名论文，给出了系统稳定性的奈奎斯特判据。2.2.经典控制理论经典控制理论(20(20世纪世纪4040年代年代-60-60年代年代) )1.1.2 1.1.2 控制系统的发展与应用控制系统的发展与应用u美国MIT的N. Wiener

11、研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表控制论(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。u我国著名科学家钱学森1954年在美国发表的工程控制论。 u伯德于1945年提出了简便而又实用的伯德图法。u1948年，伊文思提出了直观而又形象的根轨迹法。1.1.2 1.1.2 控制系统的发展与应用控制系统的发展与应用3.3.现代控制理论现代控制理论(20(20世纪世纪6060年代年代-)-)u苏联苏联L.S. L.S. PontryaginPontryagin发表发表“最优过程数学理论最优过程数学理论”，提出极，提出极大值原理大值原理(1958

12、)(1958)u美国美国R. BellmanR. Bellman发表著名的发表著名的Dynamic ProgrammingDynamic Programming，建立最，建立最优控制的基础优控制的基础(1954)(1954)u美国美国MITMIT的的Servomechanism LaboratoryServomechanism Laboratory研制出第一台数控研制出第一台数控机床机床(1952)(1952)1.1.2 1.1.2 控制系统的发展与应用控制系统的发展与应用u世界第一颗人造地球卫星世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)(Sputnik)由苏联发射成功由苏联发射成功(1957)

13、(1957)u美国卡尔曼提出的状态空间方法以及其它学者提出的极大值原理和动态规划等方法，形成了系统测辨、最优控制、自组织、自适应系统等现代控制理论。 1.1.2 1.1.2 控制系统的发展与应用控制系统的发展与应用4.4.大系统理论时期大系统理论时期(20(20世纪世纪7070年代年代-)-)控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控制论发展。生物控制论又分化出神经控制论、医学控制论、人工智能研究和仿生学研究。 社会控制论把控制论应用于社会的生产管理、效能运输、电力网络、能源工程、环境保护、城市建议，以至社会决策等方面。 呼应与西方工业革命发展相频域复域时域与航天技术发展相呼应系统辩识

14、等最佳估计最优控制线性系统出）（单入经典控制理论/出）（多入现（近）代控制理论/19世纪20世纪60年代初总结：发展过程1.1.2 1.1.2 控制系统的发展与应用控制系统的发展与应用1.1.2 1.1.2 控制系统的发展与应用控制系统的发展与应用以传递函数为基础，以传递函数为基础，研究单输入研究单输入-单输出单输出一类定常控制系统的一类定常控制系统的分析与设计问题。这分析与设计问题。这些理论由于其发展较些理论由于其发展较早早,现已臻成熟。现已臻成熟。以状态空间法为基础以状态空间法为基础,研究多输入研究多输入-多输出、多输出、时变、非线性一类控时变、非线性一类控制系统的分析与设计制系统的分析与

15、设计问题。系统具有高精问题。系统具有高精度和高效能的特点。度和高效能的特点。经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论控制理论主要研究两方面的问题：控制理论主要研究两方面的问题：v1) 1) 分析：在系统的结构和参数已经确定的分析：在系统的结构和参数已经确定的条件下，对系统的性能进行分析，并提出条件下，对系统的性能进行分析，并提出改善性能的途径。改善性能的途径。v2) 2) 综合：根据系统要实现的任务，给出稳综合：根据系统要实现的任务，给出稳态和动态性能指标，要求组成一个系统，态和动态性能指标，要求组成一个系统，并确定适当的参数，使系统满足给定的性并确定适当的参数，使系统满足给定的性能指

16、标。能指标。1.1.2 1.1.2 控制系统的发展与应用控制系统的发展与应用自动化自动化工业工业自动化自动化机器人机器人军事军事自动化自动化家庭家庭自动化自动化自动化的应用自动化的应用1.1.2 1.1.2 控制系统的发展与应用控制系统的发展与应用顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。控制系统控制系统偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。1.2.1.根据有无反馈控制作用可分为两类1.2 1.2 控制系统的分类控制系统的分类开环控制开环控制闭环控制闭环控制输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的

17、控制作用没有影响。输出端和输入端之间存在着反馈回路，输出量对控制过程产生直接影响 1.2.2 按输入信号变化规律分类按输入信号变化规律分类1.2 1.2 控制系统的分类控制系统的分类1恒值控制系统 它的输入量是一恒定值，输入量一经给定，在运行过程中就不再改变 。任务是保证在任何干扰作用下，维持系统的输出量为恒定值 。例如：温度控制系统。2程序控制系统当输入量为已知给定的时间函数时，称为程序控制系统。 输入量不为常数，其变化规律是预先知道的，故可预先把输入量的变化规律编成程序，由该程序发出控制指令，在输入装置中再将控制指令转换成控制信号，经过全系统的作用，使被控对象按指令的要求而运动。 1.2

18、1.2 控制系统的分类控制系统的分类指令脉冲执行机构伺服电动机运算控制器变换放大器工作机床反馈测量元件指令脉冲位移切削刀具举例：用于机床切削加工的程序控制系统3随动系统（又称伺服控制）系统的输入量是未知的，给定量的变化规律是不能预先确定的。 要求输出量迅速而平稳地跟随着变化，且能排除各种干扰因素的影响，准确地复现控制信号的变化规律 。例如：火炮自动瞄准系统、导弹目标自动跟踪系统。 1.2 1.2 控制系统的分类控制系统的分类我国研制的地空导弹导弹的导引技术思考：导弹是怎样盯住目标的呢？ 1.2.3 按系统的数学描述分类能用线性微分方程描述的系统，称为线性控制系统。线性系统的重要特点是满足叠加原理。1线性控制系统2非线性控制系统不能用线性微分方程描述的系统，称为非线性控制系统。非线性系统的重要特点是含有（那怕只有一个）非线性元件，它的输入输出关系要用非线性微分方程描述。1.2 1.2 控制系统的分类控制系统的分类1.2.4 按系统内部的信号特征分类1连续控制系统系统中各部分传递的信号都是连续时间变量的系统称为连续控制系统。 2离散控制系统（或数字控制系统）系统中某一处或数处的信号是脉冲序列或数字量传递的系统称为离散控制系统。 1.2 1.2 控制系统的分类控制系统的