控制工程基础课件 第一章 绪论

机械控制工程基础主讲：林海鹏机械电子教研室机械控制工程基础主讲：林海鹏1主要内容第一章绪论第二章控制系统数学模型第三章控制系统时间响应分析第四章控制系统的频率特性第五章控制系统的稳定性分析第六章控制系统的综合与校正主要内容第一章绪论2第一章绪论1.1自动控制系统的工作原理及基本概念1.2控制系统的基本概述第一章绪论1.1自动控制系统的工作原理及基本概31．1自动控制系统的工作原理及基本概念一控制系统的工作原理自动控制系统的分类反馈控制系统的基本组成控制系统的基本要求1．1自动控制系统的工作原理及基本概念一控制系统的4一控制系统的工作原理自动控制：在没有人的直接参与下利用控制器（机械、电子、液压等系统）使生产过程或被控对象（机器、恒温箱）的某一物理量（温度、压力、速度）准确的按预期规律运行。控制系统按控制类型分为人工控制自动控制人工控制：如自行车速度控制（根据交通情况控制车速起停）汽车驾驶控制系统（方向和速度），收音机音量控制，普通洗衣机（根据衣服多少来控制加水量）。一控制系统的工作原理自动控制：在没有人的直接参与下利用51.恒温箱（1）人工控制系统

人工控制的恒温箱原理图1.恒温箱（1）人工控制系统人工控制的恒温箱原理图6人工控制恒温箱调节过程：（1）观测恒温箱内的温度（被控量）（2）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向（3）根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回到要求值人工控制恒温箱调节过程：7人工控制恒温箱系统功能框图总结：人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差人工控制恒温箱系统功能框图总结：8（2）自动控制系统

恒温箱的自动控制系统原理图（2）自动控制系统恒温箱的自动控制系统原理图9恒温箱自动控制系统工作原理：（1）恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压U2（2）恒温箱期望温度由U1给定，并与实际温度U2比较得到温度偏差信号△U＝U1-U2（3）温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之，加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差△U＝0，电机停止转动。恒温箱自动控制系统工作原理：10自动控制恒温箱系统功能框图控制系统功能图包括：（1）输入信号（2）输出信号（3）比较元件（4）控制器（5）控制对象（6）反馈环节自动控制恒温箱系统功能框图控制系统功能图包括：11控制系统的工作原理

（具有反馈回路的）（1）检测输出量（被控制量）的实际值（2）将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较，得出偏差（3）用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出值维持期望的输出。控制系统的工作原理

（具有反馈回路的）（1）检测输出量（被控123.人工控制与自动控制的比较①

测量：前者靠观测者的眼睛，自动控制由元器件实现（热电偶）②比较：前者人的大脑，而后者靠自动控制器③执行：前者靠操纵者的手实现，后者由执行电机完成。总结：人工控制和自动控制的原理是相同的，只是执行机构不同而已，在自动控制过程中，偏差是通过反馈建立起来。3.人工控制与自动控制的比较①测量：前者靠观测者的眼睛，13二自动控制系统分类1.根据控制系统有无反馈来分

闭环控制系统

开环控制系统2.按给定量的特点来分

随动控制系统

恒值控制系统程序控制系统3.按系统反应特性来分

离散控制系统

连续控制系统二自动控制系统分类1.根据控制系统有无反馈来分闭环14①开环控制系统：指系统的输入和输出之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统。

①开环控制系统：指系统的输入和输出之间不存在反馈回路，输出量15②闭环控制系统：反馈控制系统也称为闭环控制系统，是指系统的输入端与输出端之间存在反馈回路，输出量对控制作用有直接影响，其作用应用反馈来减少偏差，但不能消除偏差。

②闭环控制系统：反馈控制系统也称为闭环控制系统，是指系统的输16(1)开环控制系统特点

抗干扰能力差，控制精度低，但结构简单，调整方便，成本低，无自动纠偏能力。(2)闭环控制系统特点

抗干扰能力强，控制精度高，结构复杂，能自动纠偏。缺点：由于引入反馈，存在稳定、振荡和超调等问题，设计分析比较复杂。开环控制系统与闭环控制系统特点（比较）(1)开环控制系统特点(2)闭环控制系统特点开环控制系统与闭17恒值控制系统：输入量是一个给定的恒定值。系统作用是保证在任何扰动作用下，系统维持恒值输出量（恒温、恒压、恒速、恒定水位高度）特点：能克服扰动对输出量的影响程序控制系统：输入量为时间的已知函数，输出量要尽快跟随输入量信号变化的系统（程序控制机床——数控机床）随动控制系统：输入量是时间的未知函数，保证输出量变化紧紧跟随输入量的变化系统（液压仿形刀架、电信号笔式记录仪、雷达跟踪系统）特点：响应较快按给定量的特点来分：

恒值控制系统：输入量是一个给定的恒定值。系统作用是保证在任何18（1）连续控制系统：系统的各环节输入量与输出量是信号连续的系统称为～按系统反应特性来分

（2）离散控制系统：系统的各环节输入量、输出量信号是离散的系统称为～（如采样信号）（1）连续控制系统：系统的各环节输入量与输出量是信号连续的系19三反馈控制系统的基本组成1.组成：给定元件、比较元件、反馈元件、放大元件、执行元件、控制对象及校正元件。三反馈控制系统的基本组成1.组成：给定元件、比较元件、20①给定元件：用于产生输入信号或给定信号如：电位计②比较元件：用来比较输入信号与反馈信号所产生偏差的元件。③反馈元件：置于主反馈通道中的元件，用于产生主反馈信号单位反馈：系统的输出不经过任何变化（即主反馈元件不存在）直接加入到系统输入的反馈称为单位反馈.④放大元件：对偏差信号放大以推动执行元件动作2.各元件功能

①给定元件：用于产生输入信号或给定信号2.各元件功能21⑤执行元件：直接对控制对象进行操作的元件（调压器、电动机）⑥控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的被控量（恒温箱、机床工作台）⑦校正元件：用以改善系统控制性能的元件（该元件可有可无）⑤执行元件：直接对控制对象进行操作的元件（调压器、电动机）22输入信号：控制系统所有输入信号（给定信号和扰动信号），也叫输入量、控制量或给定量。输出信号：也叫输出量、被控制量或被调节量。输出信号是输入信号作用的结果，它的变化规律与输入信号之间保持确定的关系。反馈信号：指输出信号经过反馈元件变换后加到输入端的信号（有正负）。偏差信号：输入信号与主反馈信号之差。误差信号：指实际输出值与希望值之差。通常希望值是系统的输入量。

注意：只有在单位反馈系统中，即反馈信号等于输出信号的情况下，偏差与误差相同，否则不等。扰动信号：系统中偶然的、无法加以人为控制的信号称为扰动信号。通常对系统的输出产生不利影响。3．名词述语输入信号：控制系统所有输入信号（给定信号和扰动信号），也叫输23四控制系统的基本要求控制系统的共同要求（稳、准、快）①稳定性：是指动态过程的振荡倾向和系统能否恢复平衡状态的能力。保证控制系统能正常工作，是控制系统的首要条件。②准确性：是指在调整过程结束后输出量和给定量之间的偏差，即指的是控制系统的控制精度。③快速性：是指当系统输出量与给定量产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。应用领域：恒温控制系统要求准确性较好随动系统（雷达跟踪，液压仿形）要求快速性好调速系统要求稳定性较好。四控制系统的基本要求控制系统的共同要求（稳、准、快）应用24一．学习控制工程的意义二．控制论的发展三．控制理论的组成1．2概述一．学习控制工程的意义1．2概述25一学习控制工程的意义控制工程是研究控制论在工程中应用的科学，控制工程基础是自动控制技术的基础理论，即控制工程基础又称为自动控制理论（或自动控制原理）。自动控制技术应用范围：(1)日常生活：如声控灯，电饭煲，自动洗衣机(2)工业生产：自动棉纺厂，工厂的自动化(3)军事领域：火炮射击的雷达跟踪系统(4)航空航天领域：卫星定位系统一学习控制工程的意义控制工程是研究控制论在工程中应用的科学26二．控制论的发展18世纪，JamesWatt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。二．控制论的发展18世纪，JamesWatt为控制蒸汽机2719世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。从1960年到1980，确定线性系统、随机系统的最佳控制及复杂系统的自适应和智能控制，都得到充分的研究。从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法28三．控制理论的组成根据控制论对生产的发展和社会进步的影响分为经典控制论和现代控制论.1．经典控制论：以传递函数为基础，对单输入单输出的控制系统进行分析和设计。2．现代控制论：以状态空间法为基础，对多输入和多输出变系数非线性等控制系统进行分析和设计。

三．控制理论的组成根据控制论对生产的发展和社会进步的影响分为29

下图（a）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。图（b）是该控制系统的方框图。试画出相应的人工操纵液位控制系统方块图。例题1-1下图（a）是一个液位控制系统原理图。在这里30（a）液位控制系统原理图（a）液位控制系统原理图31控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件Q2为系统的干扰量气动阀门：执行机构被控对象：水箱（b）控制系统方框图控制器：比较、放大的作用（b）控制系统方框图32相对应的人工操纵系统方框图眼睛－测量装置（浮子）手－气动阀门头脑－控制器，比较、计算相对应的人工操纵系统方框图眼睛－测量装置（浮子）33（1）人工控制水箱水位高度控制H0期望水位高度H1实际水位高度1——水位计Q1流入量Q2流出量

图1－1人工控制水箱水位高度（1）人工控制水箱水位高度控制H0期望水位高度图1－134（2）自动控制H0期望水位高度H1实际水位高度1——水位计Q1流入量Q2流出量

水箱水位高度控制图1－2水箱水位高度的自动控制（2）自动控制H0期望水位高度水箱水位高度控制图1－235机械控制工程基础主讲：林海鹏机械电子教研室机械控制工程基础主讲：林海鹏36主要内容第一章绪论第二章控制系统数学模型第三章控制系统时间响应分析第四章控制系统的频率特性第五章控制系统的稳定性分析第六章控制系统的综合与校正主要内容第一章绪论37第一章绪论1.1自动控制系统的工作原理及基本概念1.2控制系统的基本概述第一章绪论1.1自动控制系统的工作原理及基本概381．1自动控制系统的工作原理及基本概念一控制系统的工作原理自动控制系统的分类反馈控制系统的基本组成控制系统的基本要求1．1自动控制系统的工作原理及基本概念一控制系统的39一控制系统的工作原理自动控制：在没有人的直接参与下利用控制器（机械、电子、液压等系统）使生产过程或被控对象（机器、恒温箱）的某一物理量（温度、压力、速度）准确的按预期规律运行。控制系统按控制类型分为人工控制自动控制人工控制：如自行车速度控制（根据交通情况控制车速起停）汽车驾驶控制系统（方向和速度），收音机音量控制，普通洗衣机（根据衣服多少来控制加水量）。一控制系统的工作原理自动控制：在没有人的直接参与下利用401.恒温箱（1）人工控制系统

人工控制的恒温箱原理图1.恒温箱（1）人工控制系统人工控制的恒温箱原理图41人工控制恒温箱调节过程：（1）观测恒温箱内的温度（被控量）（2）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向（3）根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回到要求值人工控制恒温箱调节过程：42人工控制恒温箱系统功能框图总结：人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差人工控制恒温箱系统功能框图总结：43（2）自动控制系统

恒温箱的自动控制系统原理图（2）自动控制系统恒温箱的自动控制系统原理图44恒温箱自动控制系统工作原理：（1）恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压U2（2）恒温箱期望温度由U1给定，并与实际温度U2比较得到温度偏差信号△U＝U1-U2（3）温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之，加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差△U＝0，电机停止转动。恒温箱自动控制系统工作原理：45自动控制恒温箱系统功能框图控制系统功能图包括：（1）输入信号（2）输出信号（3）比较元件（4）控制器（5）控制对象（6）反馈环节自动控制恒温箱系统功能框图控制系统功能图包括：46控制系统的工作原理

（具有反馈回路的）（1）检测输出量（被控制量）的实际值（2）将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较，得出偏差（3）用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出值维持期望的输出。控制系统的工作原理

（具有反馈回路的）（1）检测输出量（被控473.人工控制与自动控制的比较①

测量：前者靠观测者的眼睛，自动控制由元器件实现（热电偶）②比较：前者人的大脑，而后者靠自动控制器③执行：前者靠操纵者的手实现，后者由执行电机完成。总结：人工控制和自动控制的原理是相同的，只是执行机构不同而已，在自动控制过程中，偏差是通过反馈建立起来。3.人工控制与自动控制的比较①测量：前者靠观测者的眼睛，48二自动控制系统分类1.根据控制系统有无反馈来分

闭环控制系统

开环控制系统2.按给定量的特点来分

随动控制系统

恒值控制系统程序控制系统3.按系统反应特性来分

离散控制系统

连续控制系统二自动控制系统分类1.根据控制系统有无反馈来分闭环49①开环控制系统：指系统的输入和输出之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统。

①开环控制系统：指系统的输入和输出之间不存在反馈回路，输出量50②闭环控制系统：反馈控制系统也称为闭环控制系统，是指系统的输入端与输出端之间存在反馈回路，输出量对控制作用有直接影响，其作用应用反馈来减少偏差，但不能消除偏差。

②闭环控制系统：反馈控制系统也称为闭环控制系统，是指系统的输51(1)开环控制系统特点

抗干扰能力差，控制精度低，但结构简单，调整方便，成本低，无自动纠偏能力。(2)闭环控制系统特点

抗干扰能力强，控制精度高，结构复杂，能自动纠偏。缺点：由于引入反馈，存在稳定、振荡和超调等问题，设计分析比较复杂。开环控制系统与闭环控制系统特点（比较）(1)开环控制系统特点(2)闭环控制系统特点开环控制系统与闭52恒值控制系统：输入量是一个给定的恒定值。系统作用是保证在任何扰动作用下，系统维持恒值输出量（恒温、恒压、恒速、恒定水位高度）特点：能克服扰动对输出量的影响程序控制系统：输入量为时间的已知函数，输出量要尽快跟随输入量信号变化的系统（程序控制机床——数控机床）随动控制系统：输入量是时间的未知函数，保证输出量变化紧紧跟随输入量的变化系统（液压仿形刀架、电信号笔式记录仪、雷达跟踪系统）特点：响应较快按给定量的特点来分：

恒值控制系统：输入量是一个给定的恒定值。系统作用是保证在任何53（1）连续控制系统：系统的各环节输入量与输出量是信号连续的系统称为～按系统反应特性来分

（2）离散控制系统：系统的各环节输入量、输出量信号是离散的系统称为～（如采样信号）（1）连续控制系统：系统的各环节输入量与输出量是信号连续的系54三反馈控制系统的基本组成1.组成：给定元件、比较元件、反馈元件、放大元件、执行元件、控制对象及校正元件。三反馈控制系统的基本组成1.组成：给定元件、比较元件、55①给定元件：用于产生输入信号或给定信号如：电位计②比较元件：用来比较输入信号与反馈信号所产生偏差的元件。③反馈元件：置于主反馈通道中的元件，用于产生主反馈信号单位反馈：系统的输出不经过任何变化（即主反馈元件不存在）直接加入到系统输入的反馈称为单位反馈.④放大元件：对偏差信号放大以推动执行元件动作2.各元件功能

①给定元件：用于产生输入信号或给定信号2.各元件功能56⑤执行元件：直接对控制对象进行操作的元件（调压器、电动机）⑥控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的被控量（恒温箱、机床工作台）⑦校正元件：用以改善系统控制性能的元件（该元件可有可无）⑤执行元件：直接对控制对象进行操作的元件（调压器、电动机）57输入信号：控制系统所有输入信号（给定信号和扰动信号），也叫输入量、控制量或给定量。输出信号：也叫输出量、被控制量或被调节量。输出信号是输入信号作用的结果，它的变化规律与输入信号之间保持确定的关系。反馈信号：指输出信号经过反馈元件变换后加到输入端的信号（有正负）。偏差信号：输入信号与主反馈信号之差。误差信号：指实际输出值与希望值之差。通常希望值是系统的输入量。

注意：只有在单位反馈系统中，即反馈信号等于输出信号的情况下，偏差与误差相同，否则不等。扰动信号：系统中偶然的、无法加以人为控制的信号称为扰动信号。通常对系统的输出产生不利影响。3．名词述语输入信号：控制系统所有输入信号（给定信号和扰动信号），也叫输58四控制系统的基本要求控制系统的共同要求（稳、准、快）①稳定性：是指动态过程的振荡倾向和系统能否恢复平衡状态的能力。保证控制系统能正常工作，是控制系统的首要条件。②准确性：是指在调整过程结束后输出量和给定量之间的偏差，即指的是控制系统的控制精度。③快速性：是指当系统输出量与给定量产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。应用领域：恒温控制系统要求准确性较好随动系统（雷达跟踪，液压仿形）要求快速性好调速系统要求稳定性较好。四控制系统的基本要求控制系统的共同要求（稳、准、快）应用59一．学习控制工程的意义二．控制论的发展三．控制理论的组成1．2概述一．学习控制工程的意义1．2概述60一学习控制工程的意义控制工程是研究控制论在工程中应用的科学，控制工程基础是自动控制技术的基础理论，即控制工程基础又称为自动控制理论（或自动控制原理）。自动控制技术应用范围：(1)日常生活：如声控灯，电饭煲，自动洗衣机(2)工业生产：自动棉纺厂，工厂的自动化(3)军事领域：火炮射击的雷达跟踪系统(4)航空航天领域：卫星定位系统一学习控制工程的意义控制工程是研究控制论在工程中应用的科学61二．控制论的发展18世纪，JamesWatt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。二．控制论的发展18世纪，JamesWatt为控制蒸汽机6219世纪40年代，频率