机械控制工程基础学习教案

1、会计学1机械机械(jxi)控制工程基础控制工程基础第一页，共166页。授课方式授课方式 以华中科技大学出版社出版、杨叔子编写的机以华中科技大学出版社出版、杨叔子编写的机械工程控制基础（第五版）为指导，利用多媒体械工程控制基础（第五版）为指导，利用多媒体课件为主、板书课件为主、板书(bnsh)(bnsh)为辅进行理论教学；为辅进行理论教学； 利用利用MATLABMATLAB软件开展实验教学。软件开展实验教学。考核方式考核方式(fngsh)(fngsh) 平时作业平时作业5 5次，占总评成绩的次，占总评成绩的20%20%； 实验实验2 2次，占总评成绩的次，占总评成绩的10%10%； 期末闭卷考试

2、，占总评成绩的期末闭卷考试，占总评成绩的70%70%。第1页/共165页第二页，共166页。控制论控制论经典经典(jngdin)(jngdin)控制理控制理论论现代控制现代控制(kngzh)(kngzh)理理论论本课程的主要内容“机械控制工程基础机械控制工程基础”是控制论是控制论(Cybernetics)(Cybernetics)与机械工程技与机械工程技术理论之间的边缘学科，侧重介绍机械工程的控制原理，同术理论之间的边缘学科，侧重介绍机械工程的控制原理，同时密切结合工程实际，是一门时密切结合工程实际，是一门技术基础课程技术基础课程。 机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势机械制造技术发展的一个

3、明显而重要的趋势越来越来越广泛而深入地引入了控制理论。越广泛而深入地引入了控制理论。 数控机床、工业机器人、机床动态分析与测试、电气液压伺服系统是是科学方法论科学方法论之一，强调用之一，强调用系统的、反馈的、控制的系统的、反馈的、控制的方法来分析研究工程实际问题。方法来分析研究工程实际问题。第2页/共165页第三页，共166页。课程任务课程任务 通过课程教学，使学生掌握经典控制理论的通过课程教学，使学生掌握经典控制理论的基本原理和思想方法基本原理和思想方法(fngf)(fngf)，初步培养进行系，初步培养进行系统分析与校正的能力，结合后续专业课程的学统分析与校正的能力，结合后续专业课程的学习，

4、为将来在机械电子工程中解决一些实际问习，为将来在机械电子工程中解决一些实际问题打下一定的基础。题打下一定的基础。学习要求学习要求 需要大家具备一定的数学、力学、电学方面需要大家具备一定的数学、力学、电学方面(fngmin)(fngmin)的基础知识，还要有一定的机械工程方的基础知识，还要有一定的机械工程方面面(fngmin)(fngmin)的专业知识。需要大家认真对待每次的专业知识。需要大家认真对待每次的课后练习环节。的课后练习环节。第3页/共165页第四页，共166页。主要(zhyo)教学内容机械机械(jxi)控制工程基础控制工程基础基础知识基础知识工程工程(gngchng)(gngchng

5、)应用应用分析方法分析方法基本概念基本概念控制系统结构体系控制系统结构体系控制系统数学模型控制系统数学模型时域分析时域分析频域分析频域分析系统稳定性判据系统稳定性判据系统性能指标系统性能指标系统校正系统校正第4页/共165页第五页，共166页。绪论绪论 （3学时）学时）系统的数学模型系统的数学模型 （8学时）学时）系统的时间响应分析系统的时间响应分析(fnx) （8+2学时）学时）系统的频率特性分析系统的频率特性分析(fnx) （9+2学时）学时）系统的稳定性系统的稳定性 （6学时）学时）系统的性能指标与校正（系统的性能指标与校正（1学时）学时）复习复习 （1学时）学时）课程(kchng)章节

6、第5页/共165页第六页，共166页。第一章 绪 论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型 1.3 1.3 反馈反馈(fnku) (fnku) 1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 第6页/共165页第七页，共166页。本章本章(bn zhn)(bn zhn)教学大纲教学大纲1. 1. 了解机械工程控制论的基本概念、研究对象与任务了解机械工程控制论的基本概念、研究对象与任务(rn wu)(rn wu)；2. 2. 掌握系统、模型、反馈、偏差等基本概念；掌握系统、模型、反馈

7、、偏差等基本概念；3. 3. 掌握反馈控制系统工作原理的分析；掌握反馈控制系统工作原理的分析；4. 4. 掌握控制系统的组成、分类及基本性能要求。掌握控制系统的组成、分类及基本性能要求。u教学重点：反馈的基本概念、控制系统工作教学重点：反馈的基本概念、控制系统工作(gngzu)原理分析、控制系统的分类原理分析、控制系统的分类第一章第一章 绪论绪论本章教学大纲本章教学大纲第7页/共165页第八页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)1.1 1.1 机械工程控制论的研究机械工程控制论的研究(ynji)(ynji)对象与任务对象与任务一、控制论概述一、控制论概述 控制论是关于控制原

8、理与控制方法的学科控制论是关于控制原理与控制方法的学科(xuk)，它，它研究事物变化和发展的一般规律。研究事物变化和发展的一般规律。“控制论控制论”的两个核心是信息论和反馈控制。的两个核心是信息论和反馈控制。 首先创立控制论学科首先创立控制论学科(xuk)的是美国的数学家、信息的是美国的数学家、信息理论家理论家(Norbert Wiener)诺伯特诺伯特维纳，他于维纳，他于1948年发年发表了表了“控制论控制论”。1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第8页/共165页第九页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)控制论控制论经济学经济学社

9、会学社会学生物学生物学工程技术工程技术经济控制论经济控制论社会控制论社会控制论生物控制论生物控制论工程控制论工程控制论机械工程机械工程机械工程控制论机械工程控制论控制论与其它控制论与其它(qt)学科结合，形成众多的分支学科。学科结合，形成众多的分支学科。 控制论的中心思想控制论的中心思想通过信息的传递、加工处理并通过信息的传递、加工处理并利用反馈利用反馈(fnku)来进行控制。来进行控制。1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第9页/共165页第十页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln) 1954年我国科学家钱学森出版专著年我国科学家钱学

10、森出版专著(zhunzh)工程控工程控制论制论(英文版英文版)，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。 机械工程控制论机械工程控制论 研究机械工程技术中广义研究机械工程技术中广义(gungy)(gungy)系统的系统的动力学问题动力学问题研究的研究的对象对象：系统（广义系统）：系统（广义系统）研究的研究的任务任务：动力学问题：动力学问题研究的研究的领域领域：机械工程领域：机械工程领域P:2二、机械工程控制论的研究对象二、机械工程控制论的研究对象1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第10页/共165页第十一页，共166页。第一章

11、第一章 绪论绪论(xln)(xln) 系统系统按一定规律联系按一定规律联系(linx)在一起的元素的集合在一起的元素的集合系统系统(xtng)(xtng)的要素的要素元素元素元素之间的联系元素之间的联系系统与外界的交互作用系统与外界的交互作用外界对系统的作用外界对系统的作用系统对外界的作用系统对外界的作用输入输入(激励激励)干扰干扰(扰动扰动)输出输出( (响应响应) )系统的框图系统的框图1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第11页/共165页第十二页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln) 机械工程中的广义系统机械工程中的广义系统:

12、元件、部件、仪器、设备元件、部件、仪器、设备(shbi); 加工过程、操作设备加工过程、操作设备(shbi)、测量、测量; 车间、部门、工厂、企业、车间、部门、工厂、企业、 企业集团、全球制造行业等企业集团、全球制造行业等 如如:机器机器(j q)(j q)系统系统生命系统生命系统社会经济系统社会经济系统生产系统生产系统思维、学习、工作思维、学习、工作 广义广义系统系统具备系统要素的一切事物或对象具备系统要素的一切事物或对象1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第12页/共165页第十三页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)系统系统(x

13、tng)非控制系统非控制系统(kn zh x tn)控制系统控制系统人工控制系统人工控制系统自动控制系统自动控制系统 非控制系统非控制系统仅具有由人工开、关两种状态的系统仅具有由人工开、关两种状态的系统如：搅拌机如：搅拌机 （视频链接视频链接） 教室里的照明系统教室里的照明系统 控制系统控制系统系统的可变输出，能按照要求由参考输入或系统的可变输出，能按照要求由参考输入或控制输入进行调节的系统控制输入进行调节的系统1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第13页/共165页第十四页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)如如: : 空调空调(k

14、n (kn dio)dio)加热电阻丝加热电阻丝220V调压器调压器人工控制的恒温箱人工控制的恒温箱 温度计温度计自动自动(zdng)控制控制系统系统教室中的风扇教室中的风扇人工控制系统人工控制系统1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第14页/共165页第十五页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)加热电阻丝加热电阻丝220V调压器调压器热电偶热电偶给定信号给定信号比较比较电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器执行执行电动机电动机减速器减速器u2u1 u u恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统1.1 1.1 机械工程控制论的研究机械工

15、程控制论的研究(ynji)(ynji)对象与任对象与任务务第15页/共165页第十六页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)根据自己的生活和学习经验，列举控制系统的例子根据自己的生活和学习经验，列举控制系统的例子问题：问题：1）普通全自动洗衣机）普通全自动洗衣机 2）全自动照相机的闪光系统、调焦系统）全自动照相机的闪光系统、调焦系统 3）饮水机，微波炉）饮水机，微波炉 4）抽水马桶）抽水马桶(chushumtng)水箱的液面自水箱的液面自动调节器动调节器液面控制液面控制(kngzh)1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第16页/共165

16、页第十七页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)生物、医学生物、医学(yxu)、环境、经济管理等其、环境、经济管理等其它它机器人、导弹制导机器人、导弹制导(zhdo)、核动力等高新、核动力等高新领域领域宇航：火箭、飞船、卫星宇航：火箭、飞船、卫星道路交通：信号灯控制、车牌自动识别道路交通：信号灯控制、车牌自动识别日常：冰箱、洗衣机、空调日常：冰箱、洗衣机、空调农业：恒温大棚、农业自动化机械农业：恒温大棚、农业自动化机械应用范围应用范围工业：数控机床、轧钢机、恒温箱等工业：数控机床、轧钢机、恒温箱等1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第1

17、7页/共165页第十八页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)蒸汽机离心蒸汽机离心(lxn)(lxn)调速器调速器工业工业(gngy)：1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第18页/共165页第十九页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)数控机床数控机床(sh kn j chun)(sh kn j chun)进给系统进给系统模拟图模拟图1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象机械工程控制论的研究对象(duxing)(duxing)与任务与任务第19页/共165页第二十页，共166页。在农业机械领域在农业机械领域(ln

18、y)的应用的应用第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)1.1 1.1 机械工程控制论的研究机械工程控制论的研究(ynji)(ynji)对象与对象与任务任务第20页/共165页第二十一页，共166页。在日常生活中的应用在日常生活中的应用(yngyng)第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)1.1 1.1 机械工程控制论的研究机械工程控制论的研究(ynji)(ynji)对象对象与任务与任务第21页/共165页第二十二页，共166页。道路交通的应用道路交通的应用(yngyng)车车牌自动识别牌自动识别第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象机械工程控

19、制论的研究对象(duxing)(duxing)与任务与任务第22页/共165页第二十三页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)人形人形(rn xn)(rn xn)机器人机器人1.1 1.1 机械工程控制论的研究机械工程控制论的研究(ynji)(ynji)对象与对象与任务任务第23页/共165页第二十四页，共166页。勇气号火星勇气号火星(huxng)(huxng)探测器（美国，探测器（美国，20042004）第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象机械工程控制论的研究对象(duxing)(duxing)与任与任务务第24页/共165页

20、第二十五页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)自动火炮、导弹自动火炮、导弹(dodn)制导等高新领制导等高新领域的应用域的应用1.1 1.1 机械工程控制论的研究机械工程控制论的研究(ynji)(ynji)对象对象与任务与任务第25页/共165页第二十六页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)在雷达在雷达(lid)领域的领域的应用应用1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象机械工程控制论的研究对象(duxing)(duxing)与任务与任务第26页/共165页第二十七页，共166页。海洋海洋(hiyng)(hiyng)探测机器人探测机器人19901990年

21、日本海洋年日本海洋(hiyng)(hiyng)科技中心科技中心 研制的研制的“海沟号海沟号”缆缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右） 第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第27页/共165页第二十八页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)瑞典博福斯公司瑞典博福斯公司(n s)(n s)研制的研制的“双鹰双鹰”水下扫雷机器水下扫雷机器人人 1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象机械工程控制论的研究对象(duxing)(duxing)与

22、任务与任务第28页/共165页第二十九页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln) 恒温恒湿试验箱又名环境试验箱，实验(shyn)各种材料的耐热、耐寒、耐干、耐湿性能。适合电子、电器、食品、车辆、金属、化学、建材等实验(shyn)1.1 1.1 机械工程控制论的研究机械工程控制论的研究(ynji)(ynji)对象对象与任务与任务第29页/共165页第三十页，共166页。三、机械工程控制论的研究三、机械工程控制论的研究(ynji)(ynji)任务任务第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln) 动力学问题动力学问题(wnt) 机械工程技术中的广义系统在一定的外界条机械工程技术中的广义

23、系统在一定的外界条件作用下，从一定的初始状态出发，经历由其内部的固有件作用下，从一定的初始状态出发，经历由其内部的固有特性所决定的整个动态历程；特性所决定的整个动态历程；研究这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关研究这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系。系。即输入或激励，包括外加控制与外界干扰即输入或激励，包括外加控制与外界干扰即由系统的结构与参数所决定的特性即由系统的结构与参数所决定的特性P:2P:2 下面，我们通过一个简单的例子，让大家更深刻的理解下面，我们通过一个简单的例子，让大家更深刻的理解“机械工程控制论的研究任务机械工程控制论的研究任务”这一问题。这一问题。1.

24、1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第30页/共165页第三十一页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)同一同一(tngy)系统，不同的输系统，不同的输入入例例1-1 1-1 弹簧弹簧- -质量质量(zhling)-(zhling)-阻尼单自由度系阻尼单自由度系统统 系统（系统（a a） 系统（系统（b b） m-c-km-c-k单自由度系统单自由度系统1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第31页/共165页第三十二页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)（a）（b）整理整理(zhn

25、gl)得：得：)()()()(tftkytyctym （a a）解解：)()()()(tymtyctkytf （b b）解解：)()()()()(tkxtxctkytyctym 动力学方程动力学方程(fngchng)： y(t)即微分方程的解，它是由即微分方程的解，它是由系统的初始条件、系统的初始条件、系统的固系统的固有特性、有特性、系统的输入系统的输入及及系统与输入之间的关系系统与输入之间的关系所决定。所决定。系统的固有特性系统的固有特性: : mp + cp + k2系统与外界之间的关系系统与外界之间的关系: : 1， cp+k系统对输入的响应（系统的输出）：系统对输入的响应（系统的输出）

26、：y(t)系统的输入或激励系统的输入或激励: : f(t)， x(t)代表了系统在一定外界条件下的动态历程代表了系统在一定外界条件下的动态历程令令 p=d/dt （微分算子）（微分算子）系统系统(a) (a) (mp + cp + k) )y(t)=f(t)系统系统(b) (b) (mp + cp + k)y(t)=(cp + k)x(t)221.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第32页/共165页第三十三页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)问题问题(wnt)：1. 1. 系统的输入与系统的固有特性系统的输入与系统的固有特性(txn

27、g)(txng)如何影响如何影响y(t)y(t)？2. 2. 三者之间表现为何种关系？三者之间表现为何种关系？3. 3. 2. 2. 系统确定并已知时，对系统施加何种输入，系统确定并已知时，对系统施加何种输入，4. 4. 能使系统实现预期的响应（即能使系统实现预期的响应（即y(t)y(t)）？）？5. 5. 3. 3. 对于确定的输入，系统应具有什么特性对于确定的输入，系统应具有什么特性(txng)(txng)，6. 6. 才能使系统实现预期的响应？才能使系统实现预期的响应？求输出求输出求输入求输入求系统求系统(结构参数结构参数)基本的动力学问题基本的动力学问题1.1 1.1 机械工程控制论的

28、研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第33页/共165页第三十四页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)研究任务研究任务: :系统分析问题系统分析问题(wnt)(wnt)最优控制问题最优控制问题(wnt)(wnt)最优设计问题最优设计问题(wnt)(wnt)滤波与预测问题滤波与预测问题(wnt)(wnt)系统辨识问题系统辨识问题(wnt)(wnt)已知系统和输入，求系统的响应已知系统和输入，求系统的响应(或输出或输出)，并，并通过通过(tnggu)响应来研究系统本身的问题响应来研究系统本身的问题已知系统和系统的理想输出，设计输入已知系统和系统的理想输出，设计输入已知输

29、入和理想输出时，设计系统已知输入和理想输出时，设计系统输出已知，确定系统，以识别输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的的有关信息输入或输入中的的有关信息已知系统的输入与输出，求系统的结构与参已知系统的输入与输出，求系统的结构与参数，即建立系统的数学模型数，即建立系统的数学模型1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务第34页/共165页第三十五页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)1.2 1.2 系统系统(xtng)(xtng)及其模型及其模型一、系统一、系统 系统具有如下特性：系统具有如下特性：系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系

30、统的结系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的结构有关；构有关； 系统的内容比组成系统的各元素的内容要丰富很多系统的内容比组成系统的各元素的内容要丰富很多; 系统往往具有表现在时间域、频率系统往往具有表现在时间域、频率(pnl)域或空间域域或空间域等领域内的动态特性。等领域内的动态特性。1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型第35页/共165页第三十六页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)二、机械系统二、机械系统 定义定义以实现一定的机械运动，承受一定的机械载荷以实现一定的机械运动，承受一定的机械载荷为目的为目的(md)，由机

31、械元件组成的系统。，由机械元件组成的系统。 如：如：切削切削(qixio)加加工过程工过程工件工件操作者操作者当研究某台机床当研究某台机床切削加工过程切削加工过程中的动力学问题时；中的动力学问题时；当研究此台机床加工的当研究此台机床加工的工件工件的某些质量指标时；的某些质量指标时；当研究此台机床的当研究此台机床的操作者操作者在加工过程中的作用时；在加工过程中的作用时；输入输入激励（外界对系统的作用，如载荷等）激励（外界对系统的作用，如载荷等）输出输出响应（系统对外界的作用，如变形、位移）响应（系统对外界的作用，如变形、位移）1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型第36页/共165页第三十七页

32、，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)激励激励(jl)控制控制(kngzh)输入输入人为地、有意识地加人为地、有意识地加上去；上去；扰动扰动偶然因素产生而一般无法完全人为偶然因素产生而一般无法完全人为 控制的（干扰）；控制的（干扰）；三、数学模型三、数学模型 模型的定义模型的定义研究系统、认识系统、描述系统与分析研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种工具。系统的一种工具。 模型的种类模型的种类实物模型、物理模型和数学模型等。实物模型、物理模型和数学模型等。1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型第37页/共165页第三十八页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)

33、(xln) 数学模型数学模型定量地描述系统的动态性能，揭示系统的定量地描述系统的动态性能，揭示系统的结构、参数结构、参数(cnsh)与动态性能之间关系的数学表达式。与动态性能之间关系的数学表达式。数学模型数学模型静态静态(jngti)模型模型动态模型动态模型 反映系统在恒定载荷或缓变载荷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；作用下或在系统平衡状态下的特性； 用于研究系统在迅变载荷作用下或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；在系统不平衡状态下的特性；在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。代数公式描述代数公式描

34、述微分方程或差分方程来描述微分方程或差分方程来描述 动态模型是描述系统的动态历程的，机械工程控制论研动态模型是描述系统的动态历程的，机械工程控制论研究的是机械工程技术中广义系统的动力学问题，所以往往需究的是机械工程技术中广义系统的动力学问题，所以往往需要采用动态数学模型，即需要建立微分方程或差分方程来描要采用动态数学模型，即需要建立微分方程或差分方程来描述系统的动态特性。述系统的动态特性。1.2 1.2 系统及其模型系统及其模型第38页/共165页第三十九页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)1.3 1.3 反馈反馈(fnku)(fnku)一、反馈一、反馈(fnku)的定义

35、的定义反馈是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念反馈是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念 系统的输出不断直接或经过中间变换后全部或部分系统的输出不断直接或经过中间变换后全部或部分地返回到输入端，并与输入共同作用于系统的过程。地返回到输入端，并与输入共同作用于系统的过程。 系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间之所以系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间之所以有动态关系，就是由于系统本身存在着信息的反馈。有动态关系，就是由于系统本身存在着信息的反馈。二、反馈的种类二、反馈的种类1. 1. 内反馈与外反馈内反馈与外反馈例例1-2 1-2 发动机离心调速系统发动机离心调速系统

36、例例1-3 1-3 质量质量- -弹簧弹簧- -阻尼单自由度系统阻尼单自由度系统1.3 1.3 反馈反馈2. 2. 正反馈与负反馈正反馈与负反馈第39页/共165页第四十页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)例例1-2 1-2 发动机离心发动机离心(lxn)(lxn)调速调速系统系统 控制原理：控制原理：如果负载变化使如果负载变化使增大，增大， 离心机构滑套上移离心机构滑套上移 液压滑阀上移，动力活塞液压滑阀上移，动力活塞下移，油门下移，油门(yumn)关小，关小， 减小减小 直到滑阀回复到中位，直到滑阀回复到中位，回到设定值回到设定值 通过离心机构检测系统的实际通过离心机

37、构检测系统的实际输出值，并与设定值进行比较，输出值，并与设定值进行比较，反过来作用于系统，形成反馈，反过来作用于系统，形成反馈，进而调节系统的输出。进而调节系统的输出。发动机离心调速系统结构原理简图发动机离心调速系统结构原理简图1.3 1.3 反馈反馈第40页/共165页第四十一页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)例例1-3 1-3 质量质量- -弹簧弹簧- -阻尼阻尼(zn)(zn)单自由度系单自由度系统统 m-c-k 单自由度系统结构原理图单自由度系统结构原理图动力学方程动力学方程(fngchng)：)()()()(22tkydttdyctfdttydm)()()()

38、(22tftkydttdycdttydm或或dttkydttdyctfmty)()()(1)(即即m-c-k 单自由度系统方框图单自由度系统方框图信息交互（反馈）信息交互（反馈）1.3 1.3 反馈反馈第41页/共165页第四十二页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln) 在这两个例子，反馈在本质上都是信息的传递与交互。在这两个例子，反馈在本质上都是信息的传递与交互。但从具体但从具体(jt)形式上看，则有所不同。形式上看，则有所不同。对于发动机离心调速系统来说，离心调速器是人为附对于发动机离心调速系统来说，离心调速器是人为附加的反馈控制装置，其目的在于抵抗由于负载变化加的反馈控

39、制装置，其目的在于抵抗由于负载变化(binhu)这一干扰引起的输出轴转速的变化这一干扰引起的输出轴转速的变化(binhu)。这种反馈称为外反馈。这种反馈称为外反馈。而质量弹簧阻尼系统中存在的反馈则为内反馈。而质量弹簧阻尼系统中存在的反馈则为内反馈。这种反馈是系统内部的信息交互，反映了系统内部各这种反馈是系统内部的信息交互，反映了系统内部各元素之间互为因果的联系关系，反映了系统的动态特元素之间互为因果的联系关系，反映了系统的动态特性。性。1.3 1.3 反馈反馈第42页/共165页第四十三页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)(1)(1)内反馈内反馈 在系统或过程中存在的各种

40、自然形成的反馈。是系统在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈。是系统内部各个元素之间相互耦合的结果，是造成机械系统存内部各个元素之间相互耦合的结果，是造成机械系统存在一定动态特性的根本原因。在一定动态特性的根本原因。(2)(2)外反馈外反馈 在控制系统中，为达到在控制系统中，为达到(d do)(d do)某种控制目的而人为加某种控制目的而人为加入的反馈。入的反馈。 生活小实例：生病生活小实例：生病 生病生病看病看病吃药、打针、手术吃药、打针、手术恢复健康恢复健康 生病生病自身自身(zshn)调节恢复健康调节恢复健康外反馈外反馈内反馈内反馈1.3 1.3 反馈反馈第43页/共165页第四十四页，

41、共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)2. 2. 负反馈与正反馈负反馈与正反馈(1)(1)负反馈负反馈 输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离程度输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离程度(chngd)(chngd)减小，并力图达到设定值。减小，并力图达到设定值。 被控被控(bi kn)量量目标值目标值如：发动机离心调速系统如：发动机离心调速系统 液面自动调节器液面自动调节器 数控机床进给伺服系统数控机床进给伺服系统 动物捕食动物捕食 火炮自动瞄准火炮自动瞄准 学习和工作中的负反馈学习和工作中的负反馈1.3 1.3 反馈反馈第44页/共165页第四十五页，共166页。第一章第一章

42、绪论绪论(xln)(xln)(2)(2)正反馈正反馈 输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离程度输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离程度(chngd)(chngd)加剧加剧。如：如： 疾病疾病 自激振荡器自激振荡器 机器疲劳破坏机器疲劳破坏 火药爆炸、热核反应火药爆炸、热核反应(rh(rhfnyng)fnyng) 学习和工作中的正反馈学习和工作中的正反馈1.3 1.3 反馈反馈第45页/共165页第四十六页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)三、反馈控制系统三、反馈控制系统(kn zh x tn)及其组成及其组成 在工程技术领域中，越来越多地采用了自动控制系统在工程技术领域中

43、，越来越多地采用了自动控制系统(kn zh x tn)。在这种系统中，往往有着。在这种系统中，往往有着“反馈控制反馈控制”。 1. 定义定义 一般在自动控制系统一般在自动控制系统(kn zh x tn)中，偏差是基中，偏差是基于反馈建立起来的于反馈建立起来的 。自动控制的过程就是。自动控制的过程就是“测偏与纠偏测偏与纠偏”的过程，这一原理又称为反馈控制原理。利用此原理组的过程，这一原理又称为反馈控制原理。利用此原理组成的系统称为反馈控制系统成的系统称为反馈控制系统(kn zh x tn)。它具备测。它具备测量、比较和执行三个基本功能。量、比较和执行三个基本功能。 反馈控制是实现自动控制的最基本

44、的方法。反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。没有反馈就无法测量偏差，就无法根据偏差自动控制系没有反馈就无法测量偏差，就无法根据偏差自动控制系统纠正偏差统纠正偏差1.3 1.3 反馈反馈第46页/共165页第四十七页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)例：发动机离心例：发动机离心(lxn)调速系统调速系统发动机离心发动机离心(lxn)调速系统结构原理简图调速系统结构原理简图被控对象：被控对象：发动机发动机被控量：被控量：转速转速被控量的目标值设定：被控量的目标值设定：预紧弹簧设定预紧弹簧设定控制信息传递与反馈：控制信息传递与反馈：转速转速离心机构离心机构( (检测或感知）检

45、测或感知）偏差偏差杠杆杠杆液压比例控制器液压比例控制器油门油门1.3 1.3 反馈反馈第47页/共165页第四十八页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)表示系统结构与工作原理表示系统结构与工作原理(yunl)的物理框图：的物理框图：离心离心(lxn)调速系统控制方框图调速系统控制方框图比较比较控制器控制器检测检测被控对象被控对象执行执行运算放大运算放大控制部分控制部分被控部分被控部分1.3 1.3 反馈反馈第48页/共165页第四十九页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)2. 2. 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成(z chn)(z chn) 典型的

46、反馈控制系统包括给定环节、测量环节、比较环节典型的反馈控制系统包括给定环节、测量环节、比较环节、放大运算环节、执行环节、被控对象等。、放大运算环节、执行环节、被控对象等。 每个组成每个组成(z chn)(z chn)部分的含义见教材部分的含义见教材P:14-15P:14-15。 尽管不同的反馈控制系统是由许多起着不同作用的环节组尽管不同的反馈控制系统是由许多起着不同作用的环节组成成(z chn)(z chn)，但都可以看成是由控制部分和被控部分组成，但都可以看成是由控制部分和被控部分组成(z (z chn)chn)。反馈反馈(fnku)控制系统的组成控制系统的组成1.3 1.3 反馈反馈第49

47、页/共165页第五十页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)1.4 1.4 系统的分类系统的分类(fn li)(fn li)及对控制系统的基本要及对控制系统的基本要求求一、控制系统的几种分类一、控制系统的几种分类 1. 按反馈情况按反馈情况(qngkung) 开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统: :系统没有反馈回路系统没有反馈回路 系统的输出对系统没有控制作用系统的输出对系统没有控制作用: :系统有反馈回路系统有反馈回路 系统的输出对系统有控制作用系统的输出对系统有控制作用1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第50页

48、/共165页第五十一页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)如：步进电机如：步进电机(dinj)(dinj)驱动的数驱动的数控机床控机床开环控制系统开环控制系统(kn zh x tn)、普通洗衣机、普通洗衣机、家用电烤箱、微波炉、家用电烤箱、微波炉步进电机驱动的数控机床原理图步进电机驱动的数控机床原理图步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第51页/共165页第五十二页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)闭环控制系统闭环控制系统(xtn

49、g)如：伺服电机驱动如：伺服电机驱动(q dn)(q dn)的的数控机床数控机床、离心调速系统、离心调速系统、恒温箱、恒温箱( (冰箱、空调冰箱、空调) )伺服电机驱动的数控机床原理图伺服电机驱动的数控机床原理图伺服驱动的数控机床闭环控制系统方框图伺服驱动的数控机床闭环控制系统方框图1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第52页/共165页第五十三页，共166页。按按有有无无(yu w)反反馈馈无无有有开环系统开环系统(xtng)闭环系统闭环系统(xtng)优点：构造简单，成本低。优点：构造简单，成本低。缺点：无抗干扰能力，不能自缺点：无抗干扰能力，不

50、能自 动纠偏，控制精度较低。动纠偏，控制精度较低。优点：抗干扰能力强，稳态优点：抗干扰能力强，稳态 精度高，动态精度好精度高，动态精度好。缺点：构造复杂，设计与制造缺点：构造复杂，设计与制造 较困难，成本较高。较困难，成本较高。第一章第一章 绪论绪论1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第53页/共165页第五十四页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln) 2. 2. 按输出量的变化规律按输出量的变化规律 自动调节系统自动调节系统(xtng)(xtng)（恒值系统（恒值系统(xtng)(xtng)）：系统）：系统(xtng)(xtng)

51、的输出保持常量的输出保持常量 随动系统随动系统(xtng)(xtng)（伺服系统（伺服系统(xtng)(xtng)）：系统）：系统(xtng)(xtng)的输出相应于输入按的输出相应于输入按 任意规律变化任意规律变化 程序控制系统程序控制系统(xtng)(xtng)：系统：系统(xtng)(xtng)的输出按预定程的输出按预定程序变化序变化此类系统此类系统(xtng)同时也是闭环系同时也是闭环系统统(xtng)此类系统同时也是闭环系统此类系统同时也是闭环系统此类系统可以是开环系统，也可以是闭环系统此类系统可以是开环系统，也可以是闭环系统1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类

52、及对控制系统的基本要求第54页/共165页第五十五页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln) 自动调节自动调节(tioji)(tioji)系统系统如：前例如：前例(qinl)中的离心调速系统；中的离心调速系统； 恒温箱；恒温箱； 液面自动调节器。液面自动调节器。工业工业生产中生产中温度温度、压力压力、流量流量、液面液面、速度速度等参数的控等参数的控制，均属此类。制，均属此类。1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第55页/共165页第五十六页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln) 随动系统随动系统(xtng)(xtng

53、)如：炮瞄雷达如：炮瞄雷达(lid)系统；系统； 导弹目标自动跟踪系统；导弹目标自动跟踪系统； 仿形机床；仿形机床； 全自动照相机的全自动照相机的 调焦系统、闪光系统。调焦系统、闪光系统。1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第56页/共165页第五十七页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln) 程序程序(chngx)(chngx)控制系统控制系统如：数控机床如：数控机床(sh kn j chun)进给系统；进给系统； 全自动洗衣机；全自动洗衣机； 微波炉。微波炉。1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的

54、基本要求第57页/共165页第五十八页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)3. 3.按信号类型按信号类型4. 4.按系统的性质按系统的性质5. 5.按参数的变化按参数的变化(binhu)(binhu)情况情况6. 6.按控制量按控制量连续连续(linx)控制系统控制系统离散控制系统离散控制系统线性控制系统线性控制系统非线性控制系统非线性控制系统定常系统定常系统时变系统时变系统位移控制系统位移控制系统温度控制系统温度控制系统速度控制系统速度控制系统1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第58页/共165页第五十九页，共166页。第一章

55、第一章 绪论绪论(xln)(xln)二、对控制系统二、对控制系统(kn zh x tn)的基本要求的基本要求稳、快、准稳、快、准控控制制系系统统(kn zh x tn)的的性性能能评评价价指指标标系统的稳定性：系统的稳定性：系统的快速性：系统的快速性：系统的准确性：系统的准确性：指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。这指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。这是系统正常工作的首要条件。是系统正常工作的首要条件。在系统稳定的前提下，当系统的输出量与给定的输入量之间产生在系统稳定的前提下，当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。偏差时，消除这种偏差

56、的快速程度。调整过程结束后，输出量与给定的输入量之间的偏差。调整过程结束后，输出量与给定的输入量之间的偏差。1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求以坐车的感受为例简单说明以坐车的感受为例简单说明第59页/共165页第六十页，共166页。 不同性质的控制系统，对稳定性、快速性和准确性不同性质的控制系统，对稳定性、快速性和准确性的要求的要求(yoqi)(yoqi)各有侧重。各有侧重。 在同一个控制系统中，稳定性、快速性、准确性相互制约，应根据实际(shj)需求合理选择。如自动调节如自动调节(tioji)系统对稳定性要求较高。系统对稳定性要求较高。如随动系统

57、对响应快速性要求较高。如随动系统对响应快速性要求较高。如数控机床对定位精度要求高。如数控机床对定位精度要求高。注意：注意：1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求第一章第一章 绪论绪论第60页/共165页第六十一页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln) 本章小结：机械工程控制论研究的对象与任务；系统（本章小结：机械工程控制论研究的对象与任务；系统（广义系统、机械系统）、动力学问题、模型（静态模型广义系统、机械系统）、动力学问题、模型（静态模型、动态模型）；反馈（正、负反馈，内、外反馈）；控、动态模型）；反馈（正、负反馈，内、外反馈）；控

58、制系统制系统(kn zh x tn)(kn zh x tn)的分类，闭环控制系统的分类，闭环控制系统(kn zh (kn zh x tn)x tn)的组成；对控制系统的组成；对控制系统(kn zh x tn)(kn zh x tn)的基本要求的基本要求。 作业：课后习题作业：课后习题1.61.6、1.141.14、1.151.15本章本章(bn zhn)小小结结第61页/共165页第六十二页，共166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，水箱中流出热水并接通或断开电加热

59、器的电源。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明该系统工作补充冷水。试说明该系统工作(gngzu)(gngzu)原理并画出系统的方框图。原理并画出系统的方框图。解：在电热水器系统中，水解：在电热水器系统中，水箱箱(shuxing)(shuxing)内的水温需要内的水温需要控制，即水箱控制，即水箱(shuxing)(shuxing)为为被控对象。被控对象。水的实际温度是被控制量，水的实际温度是被控制量，或称为系统的输出量，输入或称为系统的输出量，输入量为用户希望的量为用户希望的温度（给定值），由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使温度（给定值），由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因

60、而使水箱内水温下降水箱内水温下降(xijing)(xijing)成为该系统的主要干扰。成为该系统的主要干扰。第一章第一章 绪论绪论补充习题补充习题第62页/共165页第六十三页，共166页。第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)补充补充(bchng)习题习题当当To=TiTo=Ti时，水箱的实际时，水箱的实际(shj)(shj)水温经测温元件检测，并将实际水温经测温元件检测，并将实际(shj)(shj)水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，水箱中的水温保持在希望的温度的偏差