控制工程1绪论课件

控制工程基础机械与动力工程学院杨叔子、杨克冲.《机械工程控制基础》（第五版）.武汉：华中科技大学出版社，2005年7月。熊良才、杨克冲.《机械工程控制基础学习辅导与题解》.武汉：华中科技大学出版社，2002年4月。朱骥北.《机械控制工程基础》(第15版）.北京：机械工业出版社，2005年。韩利竹、王华.《MATLAB电子仿真与应用》（第一版）.北京：国防工业出版社，2001年。参考教材机械与动力工程学院授课方法与考核方式采用国家级精品课程资源——华中科技大学《机械控制工程基础》多媒体课件与老师补充课件相结合方式进行理论教学。实验课程教学共有2次，利用MATLAB软件来完成。平时作业5次，占总评成绩20％；实验2次，占总评成绩10％；期末考试占总评成绩70％。机械与动力工程学院学习目的和学习方法学会运用控制理论的基本原理和思想方法，初步学会分析和研究机、电、液系统中信号的传递、反馈与控制，以及机、电、液系统的动态特性，并结合后续专业课的学习，为将来在机械工程中解决一些实际问题打下一定的基础。需要大家具备良好的数学、力学、电学方面的基础知识，还要有一定的机械工程方面的专业知识。需要大家认真对待每次的课后练习环节，认真对待实验。机械与动力工程学院主要内容绪论系统的数学模型系统的时间响应分析系统的频率特性分析系统的稳定性机械与动力工程学院第一章绪论机械与动力工程学院二、机械工程控制论的研究对象机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广义系统的动力学问题。1.系统与广义系统系统——按一定规律联系在一起的元素的集合。广义系统——具备系统要素的一切事物或对象。1绪论机械与动力工程学院系统有控制系统与非控制系统两大类非控制系统：那些仅仅具有开、关两种状态的系统。如，搅拌机；教室里的照明系统。控制系统：就是指系统的可变输出，能按照要求由参考输入或控制输入进行调节的系统。如，数控机床进给系统；空调；1绪论全自动照相机的闪光系统；液面自动调节器。自动控制系统人工控制系统机械与动力工程学院2.动力学问题系统在外界作用（输入或激励，包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由系统内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即为系统的动力学问题。

机械工程技术中广义系统及其输入、输出三者之间的动态关系。

例1-1：弹簧－质量－阻尼单自由度系统（华中课件）1绪论机械与动力工程学院1.2系统及其模型一、系统系统具有如下特性：系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的结构有关；系统的内容比组成系统的各元素的内容要丰富很多；系统往往具有表现出在时间域、频率域或空间域等域内的动态特性。1绪论机械与动力工程学院二、机械系统

机械系统——以实现一定的机械运动，承受一定的机械载荷为目的，由机械元件组成的系统。

输入——激励（外界对系统的作用，如载荷等）输出——响应（系统对外界的作用，如变形、位移）控制输入——人为地、有意识地加上去；激励扰动——偶然因素产生而一般无法完全人为控制的。（干扰）1绪论机械与动力工程学院三、系统的模型定义——是研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种工具。种类——实物模型、物理模型和数学模型等。数学模型——定量地描述系统的动态性能，揭示系统的结构、参数与动态性能之间关系的数学表达式。静态模型：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；数学模型动态模型：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。在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。1绪论机械与动力工程学院1.3反馈一、反馈的定义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。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。二、反馈的种类

1.内反馈与外反馈（华中课件）例1-2：发动机离心调速系统例1-3：质量－弹簧－阻尼系统1绪论机械与动力工程学院在这两个例子，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加的反馈控制装置，其目的在于抵抗由于负载变化这一干扰引起的输出轴转速的变化。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。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性。1绪论机械与动力工程学院内反馈：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，是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因。外反馈：在控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈。2.负反馈与正反馈负反馈：输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离程度减小，并力图达到设定值。（求偏与纠偏）正反馈：输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离程度加剧。1绪论机械与动力工程学院

2.反馈控制和自动控制的关系

自动控制系统一定具有反馈控制;

而具有反馈控制的系统不一定是自动控制系统，它可以是人工控制系统。3.反馈控制系统的组成（华中课件）1绪论机械与动力工程学院闭环系统与开环系统的比较闭环系统——抗干扰能力强，有自动纠偏的能力；较开环系统的精度高；设计时要着重考虑稳定性问题，结构相对复杂，设计与制造较困难。主要用于精度要求高的系统中。精度和稳定性之间的矛盾是闭环系统存在的主要矛盾。开环系统——无抗干扰能力，不能自动纠偏；精度较低；结构较简单，容易实现。主要用于精度要求不太高的场合。1.4控制系统的分类（华中课件）1绪论机械与动力工程学院

稳、快、准（华中课件）稳定性的要求是控制系统正常工作的首要条件，而且是最重要的条件。任何一个控制系统，要想完成令人满意的工作，首先应该是稳定的，也就是说应该具有这样的性质：输出量对给定输入量的偏离应该随着时间的增长逐渐趋近于恒定值。可以说，稳定的系统才是有意义的系统。1.5对控制系统的基本要求1绪论机械与动力工程学院1.6控制理论发展的简单回顾

我国很早就发明了自动定向指南车及各种天文仪器等自动装置；1.1788年，瓦特（J·Watt）发明了蒸气机自动调速器；2.1868年，麦克斯韦尔（J·C·Maxwell）在“论调速器”一文中，首先提出了反馈控制的概念；3.1895年，劳斯(Routh)和胡尔维茨(Hurwitz)导出了著名的稳定性判据，用代数方法定量的描述系统的稳定性；4.1932年，奈奎斯特(H·Nyquist)创立了稳定性判据及“稳定裕量”的概念；5.1945年，波德(H·W·Bode)创立了“频率法”；6.1948年，依万斯(W·R·Evans)创立了“根轨迹法”;到此，“经典控制理论”已经比较完善，并在各行业中广泛地应用这些理论，促进了控制工程的发展。1绪论机械与动力工程学院1948年，美国数学家、信息理论家诺伯特·维纳(NorbertWiener)首创了控制论(Cybernetics)这个名词，他认为，到那时为止，反馈理论已可以解决许多生物控制机理、经济发展过程等问题。事实证明，从那以后控制理论又有了新的发展，跨入了“现代控制理论”的阶段。7.1954年，钱学森发表了著名的《工