机械控制原理第1章 绪论

1、自动控制原理自动控制原理许许 小小 伟伟Email： Tel:18120560007 QQ： 392572706汽车与交通工程学院汽车与交通工程学院1课程背景简介v由于现代科学技术的迅猛发展，特别是由于微电子技术由于现代科学技术的迅猛发展，特别是由于微电子技术、电子计算机技术的迅猛发展，作为、电子计算机技术的迅猛发展，作为“三论三论”(控制论、控制论、系统论、信息论系统论、信息论)之一的控制论本身也得到了进一步的发之一的控制论本身也得到了进一步的发展。控制论的观点和思维方法向各个学科和专业渗透，展。控制论的观点和思维方法向各个学科和专业渗透，也给机械工程这个古老的专业

2、注入了新的活力。也给机械工程这个古老的专业注入了新的活力。v机械工程控制论不仅能满足今天自动化技术高度发展的机械工程控制论不仅能满足今天自动化技术高度发展的需要，同时它与信息科学和系统科学紧密相关，更重要需要，同时它与信息科学和系统科学紧密相关，更重要的是它提供了辩证的系统分析方法，即不但从局部而且的是它提供了辩证的系统分析方法，即不但从局部而且从整体上认识和分析机械系统，改进和完善系统，以满从整体上认识和分析机械系统，改进和完善系统，以满足科技发展和工业生产的实际需要。足科技发展和工业生产的实际需要。2课程简介课程简介v本课程是针对机械专业本科生开设的技术本课程是针对机械专业本科生开设的技术

3、基础课。该课程侧重原理，其内容密切结基础课。该课程侧重原理，其内容密切结合工程实际，是一门技术基础课。它以控合工程实际，是一门技术基础课。它以控制论为理论基础，以机械工程系统为研究制论为理论基础，以机械工程系统为研究对象的广义系统动力学；同时，它又是一对象的广义系统动力学；同时，它又是一种方法论。种方法论。3学习本课程的目的v以动力学的观点而不是静态观点去看待一个机械以动力学的观点而不是静态观点去看待一个机械工程系统；工程系统；v从整体的而不是分离的角度，从整个系统中的信从整体的而不是分离的角度，从整个系统中的信息传递、转换和反馈等角度来分析系统的动态行息传递、转换和反馈等角度来分析系统的动态

4、行为；为；v能结合工程实际，应用经典控制论中的基本概念能结合工程实际，应用经典控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中的问题。和基本方法来分析、研究和解决其中的问题。v 对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题的本质和有效的解决方维方法进行科学分析，以找出问题的本质和有效的解决方法；法；v 如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。以达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。4主要内容介绍主要内容介绍(一一

5、) 绪论绪论 控制系统基本工作原理，控制系统几种分类，控制系统基本工作原理，控制系统几种分类，控制理论的发展史，对控制系统的基本要求。控制理论的发展史，对控制系统的基本要求。(二二) 控制系统的数学模型及传递函数控制系统的数学模型及传递函数 Laplace变换变换;系统的数学模型系统的数学模型;传递函数传递函数;典型典型环节的传递函数环节的传递函数;系统的方框图及其联接系统的方框图及其联接;系统系统的信号流程图。的信号流程图。(三三) 线性系统的时域分析线性系统的时域分析 典型输入信号典型输入信号;控制系统的时域性能指标控制系统的时域性能指标;一阶一阶系统的时间响应系统的时间响应;二阶系统的时

6、间响应二阶系统的时间响应;系统的系统的稳态误差。稳态误差。5主要内容介绍（续）主要内容介绍（续）(四四) 频率特性分析法频率特性分析法 频率特性的基本概念频率特性的基本概念;典型环节的频率特性典型环节的频率特性;系系统的开环频率特性的绘制统的开环频率特性的绘制;系统闭环频率特性。系统闭环频率特性。(五五) 控制系统的稳定性分析控制系统的稳定性分析 稳定性的基本概念稳定性的基本概念;代数稳定性判据代数稳定性判据;频域稳定频域稳定性判据性判据;系统的相对稳定性。系统的相对稳定性。(六六) 系统的校正方法系统的校正方法(选选) 系统校正的一般概念；串联校正；反馈校正。系统校正的一般概念；串联校正；反

7、馈校正。6学时分配学时分配v理论课时理论课时:32学时学时 实验课时：实验课时：8学时学时v课程成绩课程成绩:闭卷考试（闭卷考试（70%）+作业（作业（20%）+出勤（出勤（10%）7教材：教材： 杨叔子，杨克冲等杨叔子，杨克冲等, ,机械工程控制基础机械工程控制基础 华中科技大学出版社华中科技大学出版社,(,(第六版第六版),2011),2011 6:8080/jxgckzjc/kcxx.php参考文献：参考文献：1.1.胡寿松等胡寿松等, ,自动控制原理自动控制原理, ,国防工业出版社国防工业出版社,(,(第三版第三版),1994.),1994.2.2.

8、李友善李友善. .自动控制原理自动控制原理, ,国防工业出版社国防工业出版社,1980,19803.3.陈康宁陈康宁. .机械工程控制基础机械工程控制基础. .西安交通大学出版社西安交通大学出版社.1997.1997.4.Matlab4.Matlab使用手册使用手册8先修课程先修课程v本课程先修课程本课程先修课程高等数学高等数学、 复变复变函数函数、线性代数线性代数、理论力学理论力学、机械原理机械原理、电工电子学电工电子学等。等。v本课程所分析的系统，涉及机械、电气本课程所分析的系统，涉及机械、电气，所以在建立数学模型时，需运用到理，所以在建立数学模型时，需运用到理论力学、电工、机械原理等多门

9、课程的论力学、电工、机械原理等多门课程的知识。知识。910为什么要学控制论？为什么要学控制论？ 1.1.机电一体化产品的出现与逐渐普及机电一体化产品的出现与逐渐普及 “ “机机”+“+“电电”? ?“信息传递与交换信息传递与交换” 控制论、系统论、控制论、系统论、 信息论、微信息论、微电子技术（计算机技术）相结合电子技术（计算机技术）相结合的产品的产品 112.2.机械系统朝高速、高负载、超精密、超大型或超微型等方向机械系统朝高速、高负载、超精密、超大型或超微型等方向发展。（设计、制造、使用、维护）发展。（设计、制造、使用、维护）“动态动态”设计设计: : 动态设计动态设计 制造制造: : 关

10、注制造过程关注制造过程 的动态特性的动态特性. .使用使用: :系统的动态特系统的动态特性性( (安全、性能安全、性能) )维护：监测与故障预维护：监测与故障预测、诊断测、诊断123.3.动态测试、信号处理（信号与系统）动态测试、信号处理（信号与系统） 传感器的选择、信号预处理器的设计、数字信号的处理、特征提取传感器的选择、信号预处理器的设计、数字信号的处理、特征提取4.4.生产组织管理（过程的优化）生产组织管理（过程的优化）加工状态监控加工状态监控 喷气发动机性能监控喷气发动机性能监控135.5.其他工程应用其他工程应用 军事、航天领域军事、航天领域 火炮、雷达、跟踪系统、人造卫星、宇宙飞船

11、等火炮、雷达、跟踪系统、人造卫星、宇宙飞船等 流程工业流程工业 轧钢过程、工业窑炉、石油化工、水泥建材、玻璃、造纸等轧钢过程、工业窑炉、石油化工、水泥建材、玻璃、造纸等 现代农业生产现代农业生产 自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测等。自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测等。 其他领域其他领域 通信、交通、医学、环境保护、经济管理等通信、交通、医学、环境保护、经济管理等6.6.个人日常生活和工作个人日常生活和工作电冰箱、电饭煲、空调器、电冰箱、电饭煲、空调器、音响、收音机音响、收音机等等等等 7. 方法论方法论 “反馈控制的思想反馈控制的思想”14控制：施加某种操作于对象，使其产生所期望的行为。控

12、制：施加某种操作于对象，使其产生所期望的行为。EngineValveSteamBoilerMetalsphereGovernorOutput shaftMeasured speed图图1.1 1.1 蒸汽机离心调速器蒸汽机离心调速器一、概述一、概述1516自动控制：由控制装置自动完成，无需人的参与。自动控制：由控制装置自动完成，无需人的参与。图图1.2 1.2 液位人工控制液位人工控制图图1.3 1.3 液位自动控制液位自动控制检测偏差检测偏差实施控制实施控制消除偏差消除偏差171819热力系统：20直流电机速度控制系统21控制的三要素控制的三要素控制对象、控制目标、控制手段（装置、算法等）控

13、制对象、控制目标、控制手段（装置、算法等）可控性可控性与与能控性能控性控制对象有多种运动状态的可能性；控制对象有多种运动状态的可能性；能够通过控制手段使控制对象的状态达到控制目标能够通过控制手段使控制对象的状态达到控制目标控制论的方法论控制论的方法论明确事物发展的多种可能性明确事物发展的多种可能性确定其中一种可能性为控制目标确定其中一种可能性为控制目标实施控制实现控制目标实施控制实现控制目标22机械工程控制论研究机械工程技术中的机械工程控制论研究机械工程技术中的广义系统动力学广义系统动力学问题。问题。二、机械工程控制论研究对象与任务二、机械工程控制论研究对象与任务1. 1.系统系统：元素按一定

14、规律组合起来的能完成一定：元素按一定规律组合起来的能完成一定 功能的集合。功能的集合。要素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：输入、干扰外界对系统的作用：输入、干扰系统对外界响应：输出系统对外界响应：输出外界的作用外界的作用信息的传递信息的传递与交互与交互系统的响应系统的响应23控制论：技术学科、技术哲学、科学方法论控制论：技术学科、技术哲学、科学方法论控制论强调：控制论强调： 对象是一个对象是一个“系统系统”； 系统不断系统不断“运动运动” ” ( (经历动态历程，包括内部状态和经历动态历程，包括内部状态和 外部行为外部行为) )

15、 “ “外因外因” ” ( (输入、干扰输入、干扰) )是运动的条件是运动的条件 “ “内因内因”( (系统的固有特性系统的固有特性) )是运动的根据是运动的根据系统普遍存在信息的传递、交互与反馈是系统普遍存在信息的传递、交互与反馈是控制论的中心思想控制论的中心思想二、机械工程控制论研究对象与任务二、机械工程控制论研究对象与任务24二、机械工程控制论研究对象与任务二、机械工程控制论研究对象与任务控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科经济学经济学生物学生物学社会学社会学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控制论经济控制论经济控制论社会控制论

16、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共同的本质特点：通过信息传递，处理与反馈进行控制共同的本质特点：通过信息传递，处理与反馈进行控制工程技术工程技术25二、机械工程控制论研究对象与任务二、机械工程控制论研究对象与任务系统的组成元素可以是子系统；系统的组成元素可以是子系统；又可是更上一层系统的组成元素。又可是更上一层系统的组成元素。系统的层次性与相对性：系统的层次性与相对性：汽车系统汽车系统发动机系统发动机系统底盘系统底盘系统电控系统电控系统。 。 。机电系统层次性与相对性举例机电系统层次性与相对性举例26广义系统：广义系统： 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

17、象机械工程中的广义系统：机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加工过程、操作设备、测量、车元件、部件、仪器、设备、加工过程、操作设备、测量、车间、部门、工厂、企业、企业集团、全球制造业间、部门、工厂、企业、企业集团、全球制造业如：机器系统、生产系统、生命系统、如：机器系统、生产系统、生命系统、 思维、学习、工作，思维、学习、工作，社会、经济系统等社会、经济系统等27v系统具有如下特性系统具有如下特性v （1 1）系统的性能不仅与系统的元素有关，）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而且还与系统的结构有关. .v例：对例：对R RC CL L电网络，当元件的位置发生电网

18、络，当元件的位置发生改变时：改变时：v CRLUiUoUoiCRLUii28v（2 2）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；v孤立的考察这两个对象：孤立的考察这两个对象：v考察考察km系统，分析各元素其动力学方程及系统动力学方系统，分析各元素其动力学方程及系统动力学方程程.v（3 3）系统往往表现出在时域、频域等域内的动态特性。）系统往往表现出在时域、频域等域内的动态特性。第三章第四章mY(t)F(t)k29机械系统:v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。例如：机床、动力设备、工程机械.

19、v对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。30系统模型:模型静态模型实物模型物理模型数学模型动态模型31v例：机器隔振系统模型例：机器隔振系统模型实物模型实物模型 物理模型物理模型（mp2+cp+k)x(t)=F+(cp+k)y(t)数学模型数学模型32332. 系统的动力学问题系统的动力学问题研究的是机械工程广义系统在一定的研究的是机械工程广义系统在一定的外界条件外界条件（即输入或激（即输入或激励、干扰）作用下，从系统的一定的励、干扰）作用下，从系统的一定的初始状态初始状态出发，所经历出发，所经历的由其内部的的由其内部的固有特性固有特性（即由系统的结构与参数所决定的特（即由系统

20、的结构与参数所决定的特性）所决定的整个性）所决定的整个动态历程。动态历程。研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。3435例：弹簧例：弹簧- -质量质量- -阻尼单自由度系统阻尼单自由度系统2() ( )( )mppyctkf t2mpcpk2( )()()( )y tcpmpcpkxkt(a)(b)0(0),yy0.(0)yy初始状态：初始状态：系统固有特性：系统固有特性：外界作用：外界作用：( ) ,( )f tx t与外界的关系：与外界的关系：1 , cp k系统的输出：系统的输出：( )y t初始状态、系统初始状态、系统固有特性、外界固有特性

21、、外界作用、与外界的作用、与外界的关系等四大因素关系等四大因素决定系统响应决定系统响应36对一般的线性系统而言，其结论可推广到对一般的线性系统而言，其结论可推广到n阶阶线性微分方程线性微分方程3738系统分析问题系统分析问题：已知系统和输入，求输出（或响应），并已知系统和输入，求输出（或响应），并通过响应来研究系统本身的问题。通过响应来研究系统本身的问题。最优控制问题最优控制问题：已知系统和理想输出，求最优输入，使实已知系统和理想输出，求最优输入，使实际输出满足要求。际输出满足要求。最优设计问题最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。已知输入，设计系统，使输出满足要求。滤波与预测问题

22、滤波与预测问题：设计或选择合适的系统，以便由输出识设计或选择合适的系统，以便由输出识别输入或输入中的有关信息。别输入或输入中的有关信息。系统辨识问题系统辨识问题：已知输入和输出，要识别系统的结构和参已知输入和输出，要识别系统的结构和参 数，建立系统的数学模型。数，建立系统的数学模型。研究任务研究任务39401. 1.信息信息 定义定义1 1：一切能表达一定意义的信号、符号和密码等。：一切能表达一定意义的信号、符号和密码等。 如：报纸，烽火，电报，记号、手势等等如：报纸，烽火，电报，记号、手势等等 定义定义2 2：能够用来消除不确定性的东西。如：能够用来消除不确定性的东西。如： 报纸（过时、适时

23、），情报（过时，适时），足球比赛报纸（过时、适时），情报（过时，适时），足球比赛（势均力敌，势力悬殊），书籍（好，差）等（势均力敌，势力悬殊），书籍（好，差）等 定义定义3 3：事物运动的状态和方式。如：事物运动的状态和方式。如： 体温体温人体状态；人体状态； 设备的振动、噪声、温度等设备的振动、噪声、温度等设备的状态设备的状态 设计图纸设计图纸产品状态（产品信息）产品状态（产品信息） 工艺卡工艺卡制造过程状态（工艺信息）制造过程状态（工艺信息） 三、反馈三、反馈41例例1. 控制原理控制原理：负载减小，使负载减小，使w w增加增加反馈：系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分地返回，反馈：

24、系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统。并作用于系统。离心机构滑套上移离心机构滑套上移液压滑阀上移，液压滑阀上移，动力活塞下移，动力活塞下移，离心滑套下移离心滑套下移滑阀回复中位，滑阀回复中位，w w回到设定值回到设定值油门关小，油门关小，w w减小减小w w反过来对系统产生作用反过来对系统产生作用42例例2. 加工过程加工过程刀具刀架系统刀具刀架系统r切削运动切削运动s-a切削切削+力力y+理想零件理想零件加工过程示意图加工过程示意图零件零件4344)()()()()()()()()()()()(tkytyctftymtkytymtftyctyctymtftky 45

25、 内反馈：系统内部各参数之间互为因果的内在联系内反馈：系统内部各参数之间互为因果的内在联系外反馈外反馈(反馈控制反馈控制)：附加附加反馈控制装置引起信息交互反馈控制装置引起信息交互46 负反馈：负反馈：输出输出( (被控量被控量) )偏离设定值偏离设定值( (目标值目标值) )时，反馈作用使输时，反馈作用使输出偏离程度减小，并力图达到设定值。出偏离程度减小，并力图达到设定值。如：离心调速系统如：离心调速系统 液面控制液面控制 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 。检测偏差检测偏差实施控制实施控制纠正偏差纠正偏差 正反馈：正反馈： 输出偏离初始值

26、（或稳定值）时，反馈作用使输输出偏离初始值（或稳定值）时，反馈作用使输出偏离程度加剧出偏离程度加剧如：三极管如：三极管 倒立摆倒立摆 疾病、火药爆炸、热核反应疾病、火药爆炸、热核反应 学习和工作中的正反馈学习和工作中的正反馈 。反馈的作用：反馈的作用：加剧偏离加剧偏离反馈的作用：消除偏离反馈的作用：消除偏离47以发动机离心调速系统为例以发动机离心调速系统为例被控对象被控对象：发动机发动机被控量被控量： 转速转速w w被控量的目标值设定：被控量的目标值设定：预紧弹簧预紧弹簧四、反馈控制系统的组成四、反馈控制系统的组成控制信息传递与反馈：控制信息传递与反馈：控制方框图：控制方框图：给定给定比较比较

27、放大放大执行执行测量测量控制对象控制对象控制部分控制部分被控部分被控部分48反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成特点：特点：利用偏差控制系统的输出利用偏差控制系统的输出基本物理量：基本物理量：被控量被控量 、给定量、给定量、控制量、控制量、扰动量、扰动量被控量：被控量： ( (即系统的输出量即系统的输出量), ),表征被控对象运动规律表征被控对象运动规律 xb给定量给定量系统的输入量或被控对象理想状态系统的输入量或被控对象理想状态( (控制目标控制目标) ) xi控制量：控制量：直接作用于被控对象的物理量，即被控对象的输入量直接作用于被控对象的物理量，即被控对象的输入量扰动量：扰动量： 所有使

28、被控对象状态偏离给定值的量所有使被控对象状态偏离给定值的量 49对控制系统，可从不同的角度分类对控制系统，可从不同的角度分类1. 1.按反馈情况按反馈情况开环控制系统开环控制系统：系统没有反馈回路，输出对系统无控制作用。系统没有反馈回路，输出对系统无控制作用。如：步进驱动的数控机床、普通洗衣机如：步进驱动的数控机床、普通洗衣机 家用电烤箱、微波炉、普通电风扇家用电烤箱、微波炉、普通电风扇五、控制系统的分类五、控制系统的分类50闭环控制系统：闭环控制系统： 有反馈回路，输出对系统有控制作用。有反馈回路，输出对系统有控制作用。如：前例中的离心调速系统如：前例中的离心调速系统 伺服驱动的数控机床伺服

29、驱动的数控机床 恒温箱恒温箱( (冰箱、空调冰箱、空调) ) 人骑自行车人骑自行车1. 1.按反馈情况按反馈情况51自动调节系统自动调节系统( (恒值系统恒值系统) )：系统的输出保持常量。系统的输出保持常量。如：离心调速系统、恒温箱、液面控制等如：离心调速系统、恒温箱、液面控制等 为闭环系统为闭环系统随动系统：随动系统： 系统的输出相应于输入按任意规律变化。系统的输出相应于输入按任意规律变化。如：炮瞄雷达系统、仿形加工、动物捕食等如：炮瞄雷达系统、仿形加工、动物捕食等多为闭环系统多为闭环系统程序控制系统程序控制系统： 系统的输出按预定程序变化。系统的输出按预定程序变化。如：数控机床、全自动洗衣机等如：数控机床、全自动洗衣机等开环开环或闭环或闭环系统系统2. 2. 按输出量的变化规律分按输出量的变化规律分52连续控制系统连续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3. 3. 按信号类型分按信号类型分4. 4. 按线性性质分按线性性质分5. 5. 按时变情况分按时变情况分6. 6. 按被控量分按被控量分53系统的稳定性系统的稳定性系统正常工作的