机械控制工程基础课件

1第1页，共61页，2023年，2月20日，星期五第一章绪论1.1概述11.2基本概念21.3控制系统分类31.4控制系统的基本要求41.5控制系统的应用52第2页，共61页，2023年，2月20日，星期五随着生产的发展和科学技术的进步，自动控制技术已广泛地应用于工农业生产、交通运输和国防、宇航等领域，并成为当今被受重视的高技术之一。

现代生活之中同样享受自动化技术。

现代自动化技术的科学基础是工程控制论的理论和方法，各种自动化元部件和计算机则是它的物质基础。

掌握和了解工程控制论的基本理论和方法，对各专业的科学技术人员都是十分必要的。

1.1概述引言3第3页，共61页，2023年，2月20日，星期五当前机械制造一个新的发展方向，是运用控制理论、微电子、计算机技术和机械工程等学科方面的理论和技术来提高生产效能、质量并推出新产品。

“机械控制工程”是一门控制理论和机械工程结合的新兴的技术科学，是一门边缘学科，它是研究用控制理论的基本原理解决机械工程中的实际技术问题。

1.1概述研究对象和任务4第4页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.1概述研究对象和任务发动机

高压供油路

喷油泵

离心式飞球调速器

5第5页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.1概述研究对象和任务

可见，控制工程实质是研究工程技术中广义系统的动力学问题:研究系统在外界条件作用下，从系统的一定初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性所决定的整个动态历程。研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。本课程主要研究当系统已定，输入已知时，求出系统的输出，并通过输出来研究系统本身的有关问题，即系统分析。

6第6页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.1概述研究对象和任务例：水钟（如右图所示）7第7页，共61页，2023年，2月20日，星期五控制理论在工程技术领域中体现为工程控制论。

-----《工程控制论》，钱学森，1954.学科背景：老“三论”（SCI论）

系统论控制论信息论

1.1概述工程控制论的学科背景8第8页，共61页，2023年，2月20日，星期五系统论的创始人美籍奥地利生物学家贝塔朗菲。

系统论定义系统论要求把事物当作一个整体或系统来研究，并用数字模型去描述和确定系统的结构和行为。所谓系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的、具有特定功能的有机整体；而系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。

1.1概述“系统论”简介（1）9第9页，共61页，2023年，2月20日，星期五贝塔朗菲的系统论观点认为复杂事物功能远大于某组成因果链中各环节的简单总和.一切生命都处于积极运动状态,有机体作为一个系统,保持动态稳定是系统向环境充分开放，获得物质、信息、能量交换的结果。系统论三大基本特征系统论强调整体与局部、局部与局部、系统本身与外部环境之间互为依存、相互影响和制约的关系，具有目的性、动态性、有序性三大基本特征。系统论核心思想是寻找建立一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体。

1.1概述“系统论”简介（2）10第10页，共61页，2023年，2月20日，星期五控制论的诞生1948年，美国数学家诺伯特.维纳（NorbertWiener）发表了专著《控制论（或关于在动物和机器中控制和通讯的科学）》，标志着控制论这一学科的诞生。

控制论的基点就是把控制系统当作一种信息系统。

“控制论”简介（1）

1.1概述11第11页，共61页，2023年，2月20日，星期五维纳定义“控制论”是关于动物和机器中控制和通信的科学。普通定义控制论是研究系统的状态、功能、行为方式及变动趋势，控制系统的稳定，揭示包括机器、生物、社会在内的各种不同系统的共同的控制规律，使系统按预定目标运行的技术科学。“控制论”简介（2）

1.1概述12第12页，共61页，2023年，2月20日，星期五来源于社会实践活动，有它产生的实践和理论基础人类很早就有“风磨漏斗”、“蒸汽机的调节器”。19世纪以来，出现了以电信号传递信息为主的控制过程，如：数控机床、控制炼钢等等。第二次世界大战以前，在美国，一些不同学科的科学家自发地建立组织讨论会，研究各学科之间的交叉资料问题。维纳参加了这样的讨论，得到了启迪，形成了控制论的思想基础。控制技术与人类进步

控制论产生的基础

1.1概述13第13页，共61页，2023年，2月20日，星期五以维纳的《控制论》为标志，1948年正式形成。三个时期：第一个时期：经典控制理论时期40年代末到50年代

单机自动化局部自动化单变量控制自动调节器伺服系统

第二个时期：现代控制理论时期60年代

多变量控制最优控制多种变化因素航天系统导弹系统人造卫星

第三个时期：大系统理论时期70年代

规模庞大结构复杂变量参数多目标不单一生物系统社会系统机器人

1.1概述控制论的发展及现状（1）14第14页，共61页，2023年，2月20日，星期五发展前景：向大系统理论发展:规模庞大、结构复杂、功能综合、因数众多……向智能控制系统发展：自组织、自学习、自修复、自繁殖……以理论控制论为中心的四大分支（也有不同分法）：工程控制论（技术系统、工程系统）生物控制论（生物系统）社会控制论（社会系统）智能控制论（思维系统）

1.1概述控制论的发展及现状（2）15第15页，共61页，2023年，2月20日，星期五定义作为一种研究方法，就是运用信息论观点，把系统看作是借助于信息的获取、加工、处理、传递而实现其目的的运动过程。1948年申农发表的代表作<<通信的数学理论>>被视为信息论的奠基之作。

研究范围主要研究一切与信息有关的概念、理论及信息传播的各种要素与效果问题。

1.1概述“信息论”简介（1）16第16页，共61页，2023年，2月20日，星期五信息要素在信息论中，信息被视为客观世界的第三大要素。它与第一大要素物质，第二大要素能量相并列。就是说，世界由物质,能量和信息三者构成。

1.1概述“信息论”简介（2）17第17页，共61页，2023年，2月20日，星期五古典控制理论

用频域法、时域法解决单输入、单输出线性定常系统的问题。

时域法→在时间域内解决问题频域法→在频率域内解决问题现代控制理论

用时域法（状态空间法）解决多输入、多输出的线性及非线性时变系统的问题及最优控制问题。

1.1概述控制理论分类18第18页，共61页，2023年，2月20日，星期五课程范围课程以反馈控制理论为核心，突出基本概念和基本方法，介绍控制系统建模方法，线性系统的时域、频域和根轨迹的分析与设计方法，介绍基于MATLAB的控制系统分析、设计和仿真。课程意义《控制工程基础》讲授各类控制系统共性的技术基础科学知识，具有科学方法论的鲜明特点，研究的问题带有普遍性，对工程实践具有重要的指导意义，为培养学生运用控制原理的方法，分析和解决各种工程问题奠定扎实的理论基础。

课程简介

1.1概述19第19页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念工程控制论研究工程技术中的广义系统的控制规律。

图1离心调速器的工作原理

方框1为原动机；方框2为工作机；框5内是由两个对称的摇杆滑块机构组成的调速器本体

20第20页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念离心调速动画21第21页，共61页，2023年，2月20日，星期五系统

1.2基本概念指相互作用的两个或两个以上的元素构成的整体。系统是相互作用的多个要素的整体abcdn1.整体的性质不是要素具备的2.要素的性质影响整体3.要素性质之间相互影响。22第22页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念系统任何事物都是一个整体，大至宇宙、世界、国家、复杂的工业过程，小至一个单位、人、一个器件。结构是多个联系的形式。总体来看，系统内部的基本联系可以分为两种基本类型：一类是由“单向作用”联系形成的简单系统，一类是由“相互作用”联系形成的复杂系统。ABAB单向作用相互作用23第23页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念系统ABAB由单向作用构成的系统其行为表现出机械性（简单性、被动性和线性作用）。

由相互作用构成的系统其行为表现出有机性和自组织性（复杂性、非线性作用、自动性、自调节、自复制、自创生）。24第24页，共61页，2023年，2月20日，星期五系统框图输入：外界对系统的激励/作用，包括外加控制与外加干扰。输出：系统对输入的响应。固有特性：由系统的结构与参数所决定的系统特性，决定信息在系统内部的传递与交互。输入系统输出图2系统的框图

系统模型：数学模型动力学方程

1.2基本概念系统25第25页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念控制控制：按照主体的意愿使事物向期望的目标发展。控制----是一种普遍现象，存在与一切事物之中。一个国家有法律、行政、经济、舆论等手段人有大脑自动机有内部控制系统。如：离心调速器。

控制部分+受控部分=控制系统控制部分以某种方式给予受控部分以影响受控部分就按照影响变化自己的行为。26第26页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念简单的“控制”的意义和“控制论”中“控制”的概念是有区别的。

控制发展时期人类初期第一次解放（体力劳动的解放）第二次解放（脑力劳动的解放）系统人∽工具人∽机器自动化控制实现（系统之间的联系形式）物质能量信息27第27页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念控制加热电阻丝

温度计

调压器

～220V

恒温箱人工控制系统

28第28页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念控制u2

u1

电热偶

加热电阻丝

给定信号

电压放大器

功率放大器

执行电动机 减速器

调压器

⊿u

～220V

比较

恒温箱自动控制系统

29第29页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念控制输入信号：电流i(t)（时间的函数）输出信号：炉温T被控对象：炉子检测元件：热电偶执行元件：电机齿轮装置比较环节：由电路实现（热电偶---可将温度信号变为电信号，由些金属冷端和热端之间有压差，不同的金属压差不同）控制过程：检测比较调整（热电偶）（电路）（电机齿轮、调压器）30第30页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念控制不管是人工控制还是自动控制，控制具有以下三个步骤：检测被控制量，将所测得的被控制量与给定值比较，得出偏差，用偏差产生的调节作用来消除偏差。“检测偏差，消除偏差”，前四个字是手段，后四个字是目的。这一过程周而复始。31第31页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念信息什么是信息？唐朝《李中碧云集》中，有“梦断美人沉信息，日穿长路倚楼台”之句。其中“信息”可理解为“消息”。哲学家：信息是人类认识论的基础，是物质的基本属性之一。物理学家：信息是负熵。控制论学者：信息是系统之间普遍联系的一种普遍的特殊形式。借助信息，可以了解和改变系统的状态。信息并非事物本身，而是表征事物，并由事物发出的消息、情报、指令、数据和信号中所包含的内容。32第32页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念信息的流通、交换（控制论的三大要素之二）信息在控制中的作用要使控制行为得以实现，就要求控制部分以某种方式给予受控部分以影响，受控部分就按照影响变化自己的行为，这种联系和影响是什么？如：电、力、风、生物电脉冲等。共同点：控制内容的消息----信息，正是控制部分和受控部分之间发生了这种信息的联系、信息的运动，控制过程才得以实现。控制过程就是系统中信息运动的过程。控制的过程就是借助不同形式、不同载体的信息运动去指挥各种物质运动和能量转换。

33第33页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念控制机工作，实际上就是以某种方式向机器发出信号，机器接受信息的地方叫输入端。机器接受到控制信息产生一系列动作，去完成指定工作，产生这些运动的地方叫执行机构或控制机构。机器完成了指定的工作，产生出工作效果的地方叫输出端。如：信息的流通、交换（控制论的三大要素之二）开汽车用手取物

方向盘手臂神经输入端转动机构手臂、肌肉、大脑执行机构（控制机构）车轮手指输出端力生物电信息34第34页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念反馈控制理论中称信息的双向运动为“反馈联系”。联系的实质是信息的传输与交换。“反馈”是指：控制系统把信息传输出去后，又将信息的作用返回到控制系统，并对控制系统的再输出产生影响。如：司机开汽车，GPS导航系统，电冰箱的自动调节35第35页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念电冰箱实例工作系统

输入(电源)信息反馈

输出(降温)+－-18°C36第36页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念反馈的两种方式正反馈凡是后输出的信息与原输出的信息起着相同的作用，使总的输出增大的反馈调节。负反馈凡是后输出的信息与原输出的信息起着相反的作用，使总的输出减小的反馈调节。37第37页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念正反馈与负反馈的结构正反馈基本结构负反馈基本结构38第38页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念正反馈是一种‘自推动性’循环口碑良好顾客满意销售企业士气＋＋＋＋Ｘｔ正反馈机制能够自主地推动系统加速度地离开原初状态，自动地走向新的状态，其速度是出人意料的。39第39页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念敌军首级自由土地40第40页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念负反馈是一种‘自稳定性’循环高低调控系统偏差初态自动恢复初态负反馈机制能够抗拒干扰，减弱偏差，使系统自动恢复原初状态，表现出有目的的行为。温度差距出汗打战＋＋期望温度41第41页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念控制的反馈机制（控制论的三大要素之三）反馈是如何调节控制行为的呢？反馈调节完全可以看成是一种原因与结果不断相互作用的关系。反馈的两种作用方式是控制论中要研究的主要问题。信息在这种循环往返的过程中，不断改变内容，实现控制，这就是控制论所揭示的反馈机制。42第42页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念系统的延滞、波动与控制决策实际问题调整行动－＋波动:波动因子水波、股市波动、经济涨落、初学汽车“画龙”系统波动的原因是一个有延滞的负反馈43第43页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.2基本概念学习驾驶偏差右调整右左－＋左延滞44第44页，共61页，2023年，2月20日，星期五反馈控制和反馈控制系统反馈控制基于反馈基础上的“检测偏差、纠正偏差”的控制原理。反馈控制系统利用反馈原理组成的系统，也称为闭环控制系统。

1.2基本概念45第45页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.3自动控制系统及控制方式自动控制系统自动控制自动控制指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如：机器、设备或生产过程）的某一物理量（或工作状态）自动地按照预定的规律运行（或变化）。自动控制系统自动控制系统是指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。46第46页，共61页，2023年，2月20日，星期五自动控制系统的组成基本组成①被控对象：要求实现自动控制的机器、设备和生产过程②控制装置：对被控对象起控制作用的设备的总体。

图1.3反馈控制系统组成

1.3自动控制系统及控制方式47第47页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.3自动控制系统及控制方式自动控制系统的基本控制方式两种：开环控制、闭环控制开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。特点：信号流动的单向性、无反馈。开环系统是指具有开环控制方式的控制系统。开环系统的输出量不对系统的控制发生作用。输入信号控制装置被控对象输出信号

图1.4开环系统48第48页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.3自动控制系统及控制方式开环控制实例例1：电加热炉输入信号：电流i(t)被控对象：炉子控制装置：开关k，电阻丝输出信号：炉温T图1.5电加热炉49第49页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.3自动控制系统及控制方式自动控制系统的基本控制方式闭环控制闭环控制是指控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的控制。特点：信号流动的双向性、有反馈。闭环系统是指具有闭环控制方式的控制系统。闭环系统的输出量对系统的控制发生作用，它可以实现复杂而又准确的控制。输入信号输出信号检测装置控制装置被控对象图1.6闭环系统50第50页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.3自动控制系统及控制方式自动控制系统的分类常用的分类：①按时间概念分定常系统时变系统②按信号的性质分连续系统离散系统③按数学模型分线性系统非线性系统④按控制方式分开环控制系统闭环控制系统⑤按输入输出信号的数量分单输入单输出系统多输入系多输出系统⑥按系统功用分类温度控制系统位置控制统…⑦按系统参数分布特征分集中参数系统分布参数统⑧按元件类型分类机电系统气动系统液压系统生物系统…51第51页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.3自动控制系统及控制方式自动控制系统注意事项在工程控制系统中以下几点要注意：严格地讲，任何的实际系统都是非线性的，只是形式不同、程度不同。非线性系统分为：本质非线性不能线性化处理，用特殊的研究方法非本质非线性线性化处理后，用线性系统的理论研究严格地讲，任何实际系统都是时变的，系统的参数总会随时间的变化。

严格地讲，任何实际系统都存在随机性。一般地，为了全面的反映自动控制系统的特点，常常将上述各类分类方法组合应用。52第52页，共61页，2023年，2月20日，星期五

1.4基本要求对控制系统的基本要求系统能正常工作，满足“稳、准、快”：稳→稳定