第1-控制系统的基本概念1

第1章控制系统的基本概念§1-1控制系统的工作原理及其组成§1-2控制系统的基本类型§1-3对控制系统的基本要求§1-4控制工程发展概况控制系统

(ControlSystem)万物都在控制之中本章教案目的、要求讲课思路重点、难点课堂小结习题课后检查掌握传递函数的概念、特点，典型环节传递函数的特点，及闭环系统相关概念。基本按教材内容顺序进行，强调典型环节传递函数、闭环传函、开环传函及其相互关系。重点是微分方程的列写，传函的概念、特点及求法，典型环节的传函，方框图的绘制及简化。难点方程列写及方框图绘制。同学反映学起来比较吃力，应进一步注重概念，简化数学推证。习题2.2(b)、(e)，2.5，2.7，2.8。部分同学对本章基本要求尚未完全掌握。控制系统的概念广义系统：完成一定任务的一些部件的组合。

控制系统：

系统的可变输出能按照参考输入（或控制输入）进行调节的系统。控制过程是一个动态过程系统状态随时间变化控制论：研究控制系统对指令（输入）的动态响应

属于“动力学”范畴，NorbertWiener(维纳),1948控制论三要素（中心思想）：

维纳经过比较研究发现，机器系统、生命系统，甚至社会系统、经济系统都具有一个共同特点：即通过信息的传递、加工处理并利用反馈来进行控制§1-0引言相对论、量子论、控制论(ControlTheory)

20世纪上半叶三大科学革命信息：一切能表达一定含义的信号、密码、情报和消息信息：继能量、质量之后的又一重要科学概念信息的传递、反馈及利用反馈进行的控制工件尺寸是信息，经过工艺过程的转换，加工前后工件尺寸的分散情况有所变化。毛坯尺寸工件尺寸工艺过程控制过程即对信息的加工处理过程。机械工程中的信息：应力、变形、温升、几何尺寸与形状精度、表面粗糙度以及压力、流量等机械工程控制论是现代制造技术的支撑学科之一学习目的：

①为后续课程学习打好基础；

②为将来工作做好准备

③培养能力

1954,钱学森首创《工程控制论》§1-0引言§1-1控制系统的工作原理

及其组成1.1.1工作原理1.1.2开环控制和闭环控制1.1.3闭环控制系统的组成1.1.1工作原理§1-1控制系统的工作原理及其组成目标：保持孵化箱温度恒定人工调节过程：观测由测量元件（温度计）测出的箱内温度（被控制量）与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏差（大小和方向）根据偏差进行控制测量→求偏差→控制纠正偏差检测偏差再纠正偏差输入量：给定值；输出量：被控量§1-1控制系统的工作原理及其组成测量装置←→人眼控制器（比较器）←→人脑执行机构←→人手检测偏差再纠正偏差反馈系统输入输出干扰偏差偏差(ActuatingSignal)恒温箱的自动控制自动控制系统的设计§1-1控制系统的工作原理及其组成基于反馈原理，通过“检测偏差再纠正偏差”达到控制目的的系统反馈(Feedback)控制系统（闭环控制系统）：反馈系统输入输出干扰偏差控制系统的职能框图1.1.2开环控制和闭环控制§1-1控制系统的工作原理及其组成洗衣机：按洗涤、清洗、脱水、烘干的顺序进行工作，无需对系统的输出信号（即衣服的清洁程度）进行测量。开环(Open-loop)控制系统：输入输出间不存在反馈回路，输出量对系统无控制作用。§1-1控制系统的工作原理及其组成控制器控制对象输入输出开环控制：输入指令通过控制装置和驱动装置推动工作台到指定位置，该位置信号不再反馈。简易数控机床的进给控制系统开环控制系统的特点无自动纠偏能力，控制精度低系统简单，可靠性高适合组成系统的各部件稳定性高，外界干扰小、对控制精度要求不高的系统§1-1控制系统的工作原理及其组成输入输出间存在反馈回路，输出量对系统有控制作用。反馈系统输入输出偏差干扰

闭环(Closed-loop)控制系统

反馈(Feedback)控制系统闭环控制系统的特点控制精度高易振荡，存在稳定性问题控制精度和系统稳定性始终是闭环控制的一对矛盾靠自动检测偏差来纠正偏差§1-1控制系统的工作原理及其组成半闭环控制系统

控制系统的反馈信号不是取自输出端，而是取自中间环节。

目前大多数数控机床均采用半闭环进给伺服控制系统：将位置传感器装在传动丝杠的端部，间接测量工作台的实际位移检测装置1.1.3闭环控制系统的组成§1-1控制系统的工作原理及其组成§1-2控制系统的基本类型一、按输入量的特征分类生产中温度、压力、流量、液面控制；原动机速度控制、机床位置控制；电力系统电网电压、频率控制2.程序控制系统1.恒值控制系统瓦特调速器液位控制系统§1-2控制系统的基本类型2.程序控制系统（数字控制、计算机控制）计算机绘图仪、过程控制系统变化规律预知§1-2控制系统的基本类型3.随动系统（伺服系统）

ServoSystem仿形加工5—工件6—刀具7—样件8—触销火炮瞄准、导弹目标跟踪二、按系统中传递信号的性质分类§1-2控制系统的基本类型1.连续控制：信号均为连续时间变量2.离散控制：信号为脉冲序列或数字量离散控制系统中，给定、测量、比较、放大均由计算机完成，①经D/A给伺服放大器，或，②计算机直接输出数字信号，经数字放大后驱动数字式执行机构按物理属性：机械、电气、液压、气动、机电、热力运动方程为微分方程(Differentialequations)分类法小结开环与闭环(Open-loop/Closed-loop)系统线性与非线性(Linear/Nonlinear)系统集中参数与分布参数

(Lumped/DistributedParameter)系统时变与时不变

(Time-variant/Time-invariantor

Stationary/Non-stationary)系统确定性与随机(Deterministic/Random)系统单变量与多变量

(Singlevariable/Multivariableor

SISO/MIMO)系统连续与离散(Continuous/Discrete)系统经典控制论的适用范围Closed-loop,Linear,LumpedParameter,Stationary,Deterministic,SingleVariableandContinuousVariable.

闭环、线性、集中参数、时不变、确定性、单变量、连续时间系统。§1-2控制系统的基本类型另外，还有如下提法：优化(Optimal/Optimum)控制系统适应(Adaptive)控制系统，时变的自适应(Self-adaptive)控制系统，时变的过程(Process)控制系统不连续系统

(DiscontinuousVariableSystem)Occurin“on-off”or“bang-bang”controlsystem离散系统(DiscreteVariableSystem)Theequationsaredifferenceequations运动方程为差分方程§1-