《機械控制工程基礎》教學課件

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1、控制工程基礎主講人：王曉梅重慶科技學院 機械與動力工程學院參考教材11 楊叔子、楊克沖楊叔子、楊克沖. .機械工程控制基礎機械工程控制基礎（第五版）（第五版）. .武漢：華中科技大學出版社，武漢：華中科技大學出版社，20052005年年7 7月月22熊良才、楊克沖熊良才、楊克沖. .機械工程控制基礎學習輔導與題機械工程控制基礎學習輔導與題解解. .武漢：華中科技大學出版社，武漢：華中科技大學出版社，20022002年年4 4月月33朱驥北朱驥北. .機械控制工程基礎機械控制工程基礎 ( (第第1515版）版）. .北京：機北京：機械工業(yè)出版社，械工業(yè)出版社，20052005年年44董景新、趙長

2、德董景新、趙長德. .控制工程基礎控制工程基礎( (第第3 3版）版）. .北京：北京：清華大學出版社，清華大學出版社，20092009年年6 6月月55劉叔軍、樊京劉叔軍、樊京. . MATLABMATLAB控制系統(tǒng)應用與實例控制系統(tǒng)應用與實例. .北北京：清華大學出版社，京：清華大學出版社，20082008年年5 5月月 授課方式與考核方式授課方式授課方式 以華中科技大學出版社出版、楊叔子編寫的以華中科技大學出版社出版、楊叔子編寫的機械機械工程控制基礎工程控制基礎（第五版）為指導，利用多媒體課件（第五版）為指導，利用多媒體課件為主、板書為輔進行理論教學；為主、板書為輔進行理論教學；考核方式

3、考核方式 平時作業(yè)平時作業(yè)5 5次，占總評成績的次，占總評成績的20%20%； 期末閉卷考試，占總評成績的期末閉卷考試，占總評成績的80%80%。課程性質控制論控制論經典控制理論經典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論本課程的主要內容“機械控制工程基礎機械控制工程基礎”是控制論是控制論(Cybernetics)(Cybernetics)與機械工與機械工程技術理論之間的邊緣學科，側重介紹機械工程的控制程技術理論之間的邊緣學科，側重介紹機械工程的控制原理，同時密切結合工程實際，是一門原理，同時密切結合工程實際，是一門技術基礎課程技術基礎課程。 機械制造技術發(fā)展的一個明顯而重要的趨勢機械制造技術發(fā)展的一

4、個明顯而重要的趨勢越來越來越廣泛而深入地引入了控制理論。越廣泛而深入地引入了控制理論。 數(shù)控機床、工業(yè)機器人、機床動態(tài)分析與測試、電氣液壓伺服系統(tǒng)是是科學方法論科學方法論之一，強調用之一，強調用系統(tǒng)的、反饋的、控制的系統(tǒng)的、反饋的、控制的方法來分析研究工程實際問題。方法來分析研究工程實際問題。課程任務與學習要求課程任務課程任務 通過課程教學，使學生掌握經典控制理論的基本原通過課程教學，使學生掌握經典控制理論的基本原理和思想方法，初步培養(yǎng)進行系統(tǒng)分析與校正的能力，理和思想方法，初步培養(yǎng)進行系統(tǒng)分析與校正的能力，結合后續(xù)專業(yè)課程的學習，為將來在機械電子工程中結合后續(xù)專業(yè)課程的學習，為將來在機械電子

5、工程中解決一些實際問題打下一定的基礎。解決一些實際問題打下一定的基礎。學習要求學習要求 需要大家具備一定的數(shù)學、力學、電學方面的基礎需要大家具備一定的數(shù)學、力學、電學方面的基礎知識，還要有一定的機械工程方面的專業(yè)知識。需要知識，還要有一定的機械工程方面的專業(yè)知識。需要大家認真對待每次的課后練習環(huán)節(jié)。大家認真對待每次的課后練習環(huán)節(jié)。主要教學內容機械控制工程基礎機械控制工程基礎基礎知識基礎知識工程應用工程應用分析方法分析方法基本概念基本概念控制系統(tǒng)結構體系控制系統(tǒng)結構體系控制系統(tǒng)數(shù)學模型控制系統(tǒng)數(shù)學模型時域分析時域分析頻域分析頻域分析系統(tǒng)穩(wěn)定性判據系統(tǒng)穩(wěn)定性判據系統(tǒng)性能指標系統(tǒng)性能指標系統(tǒng)校正系統(tǒng)

6、校正緒論緒論 （4學時學時）系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)的數(shù)學模型 （9學時學時）系統(tǒng)的時間響應分析系統(tǒng)的時間響應分析 （10學時學時）系統(tǒng)的頻率特性分析系統(tǒng)的頻率特性分析 （9學時學時）系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性 （6學時學時）系統(tǒng)的性能指標與校正（系統(tǒng)的性能指標與校正（1學時學時）復習復習 （1學時學時）課程章節(jié)第一章 緒 論1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務 1.2 1.2 系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)及其模型 1.3 1.3 反饋反饋 1.4 1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求 本章教學大綱本章教學大綱1. 1. 了解機械工程控制

7、論的基本概念、研究對象與任務；了解機械工程控制論的基本概念、研究對象與任務；2. 2. 掌握系統(tǒng)、模型、反饋、偏差等基本概念；掌握系統(tǒng)、模型、反饋、偏差等基本概念；3. 3. 掌握反饋控制系統(tǒng)工作原理的分析；掌握反饋控制系統(tǒng)工作原理的分析；4. 4. 掌握控制系統(tǒng)的組成、分類及基本性能要求。掌握控制系統(tǒng)的組成、分類及基本性能要求。u教學重點：反饋的基本概念、控制系統(tǒng)工作原理分析、教學重點：反饋的基本概念、控制系統(tǒng)工作原理分析、控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類第一章第一章 緒論緒論本章教學大綱本章教學大綱第一章第一章 緒論緒論1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任

8、務一、控制論概述一、控制論概述 控制論是關于控制原理與控制方法的學科，它研究控制論是關于控制原理與控制方法的學科，它研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律。事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律。“控制論控制論”的兩個核心是信息論和反饋控制。的兩個核心是信息論和反饋控制。 首先創(chuàng)立控制論學科的是美國的數(shù)學家、信息理論首先創(chuàng)立控制論學科的是美國的數(shù)學家、信息理論家家( (Norbert WienerNorbert Wiener) )諾伯特諾伯特維納，他于維納，他于19481948年發(fā)表了年發(fā)表了“控制論控制論”。1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論控制論控制

9、論經濟學經濟學社會學社會學生物學生物學工程技術工程技術經濟控制論經濟控制論社會控制論社會控制論生物控制論生物控制論工程控制論工程控制論機械工程機械工程機械工程控制論機械工程控制論控制論與其它學科結合，形成眾多的分支學科?？刂普撆c其它學科結合，形成眾多的分支學科。 控制論的中心思想控制論的中心思想通過信息的傳遞、加工處理通過信息的傳遞、加工處理并利用反饋來進行控制。并利用反饋來進行控制。1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論 19541954年我國科學家年我國科學家錢學森錢學森出版專著出版專著工程控制論工程控制論( (英文版英文版) )

10、，首先把控制論推廣到工程技術領域。，首先把控制論推廣到工程技術領域。 機械工程控制論機械工程控制論 研究研究機械工程技術中廣義系統(tǒng)的動力學問題機械工程技術中廣義系統(tǒng)的動力學問題研究的研究的對象對象：系統(tǒng)（廣義系統(tǒng)）：系統(tǒng)（廣義系統(tǒng)）研究的研究的任務任務：動力學問題：動力學問題研究的研究的領域領域：機械工程領域：機械工程領域P:2二、機械工程控制論的研究對象二、機械工程控制論的研究對象1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論 系統(tǒng)系統(tǒng)按一定規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合按一定規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合系統(tǒng)的要素系統(tǒng)的要素元素元素元素之間的聯(lián)系

11、元素之間的聯(lián)系系統(tǒng)與外界的交互作用系統(tǒng)與外界的交互作用外界對系統(tǒng)的作用外界對系統(tǒng)的作用系統(tǒng)對外界的作用系統(tǒng)對外界的作用輸入輸入(激勵激勵)干擾干擾(擾動擾動)輸出輸出( (響應響應) )系統(tǒng)的框圖系統(tǒng)的框圖1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論 機械工程中的廣義機械工程中的廣義系統(tǒng)系統(tǒng): : 元件、部件、儀器、設備元件、部件、儀器、設備; ; 加工過程、操作設備、測量加工過程、操作設備、測量; ; 車間、部門、工廠、企業(yè)、車間、部門、工廠、企業(yè)、 企業(yè)集團、全球制造行業(yè)等企業(yè)集團、全球制造行業(yè)等 如如:機器系統(tǒng)機器系統(tǒng)生命系統(tǒng)生命系統(tǒng)

12、社會經濟系統(tǒng)社會經濟系統(tǒng)生產系統(tǒng)生產系統(tǒng)思維、學習、工作思維、學習、工作 廣義廣義系統(tǒng)系統(tǒng)具備系統(tǒng)要素的一切事物或對象具備系統(tǒng)要素的一切事物或對象1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論系統(tǒng)系統(tǒng)非控制系統(tǒng)非控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)人工控制系統(tǒng)人工控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) 非控制系統(tǒng)非控制系統(tǒng)僅具有由人工開、關兩種狀態(tài)的系統(tǒng)僅具有由人工開、關兩種狀態(tài)的系統(tǒng)如：攪拌機如：攪拌機 （視頻鏈接視頻鏈接） 教室里的照明系統(tǒng)教室里的照明系統(tǒng) 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的可變輸出，能按照要求由參考輸系統(tǒng)的可變輸出，能按照要求由參考輸入或控制輸入進行

13、調節(jié)的系統(tǒng)入或控制輸入進行調節(jié)的系統(tǒng)1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論如如: : 空調空調加熱電阻絲加熱電阻絲220V調壓器調壓器人工控制的恒溫箱人工控制的恒溫箱 溫度計溫度計自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)教室中的風扇教室中的風扇人工控制系統(tǒng)人工控制系統(tǒng)1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論加熱電阻絲加熱電阻絲220V調壓器調壓器熱電偶熱電偶給定信號給定信號比較比較電壓電壓放大器放大器功率功率放大器放大器執(zhí)行執(zhí)行電動機電動機減速器減速器u2u1 u u恒溫箱自動控制系統(tǒng)恒溫箱自

14、動控制系統(tǒng)1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論根據自己的生活和學習經驗，列舉控制系統(tǒng)的例子根據自己的生活和學習經驗，列舉控制系統(tǒng)的例子問題：問題：1）普通全自動洗衣機）普通全自動洗衣機 2）全自動照相機的閃光系統(tǒng)、調焦系統(tǒng)）全自動照相機的閃光系統(tǒng)、調焦系統(tǒng) 3）飲水機，微波爐）飲水機，微波爐 4）抽水馬桶水箱的液面自動調節(jié)器）抽水馬桶水箱的液面自動調節(jié)器液面控制液面控制1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論生物、醫(yī)學、環(huán)境、經濟管理等其它生物、醫(yī)學、環(huán)境、經濟管理等其它機器

15、人、導彈制導、核動力等高新領域機器人、導彈制導、核動力等高新領域宇航：火箭、飛船、衛(wèi)星宇航：火箭、飛船、衛(wèi)星道路交通：信號燈控制、車牌自動識別道路交通：信號燈控制、車牌自動識別日常：冰箱、洗衣機、空調日常：冰箱、洗衣機、空調農業(yè)：恒溫大棚、農業(yè)自動化機械農業(yè)：恒溫大棚、農業(yè)自動化機械應用范圍應用范圍工業(yè)：數(shù)控機床、軋鋼機、恒溫箱等工業(yè)：數(shù)控機床、軋鋼機、恒溫箱等1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論蒸汽機離心調速器蒸汽機離心調速器工業(yè)：工業(yè)：1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務觀看視頻觀看視頻第

16、一章第一章 緒論緒論數(shù)控機床進給系統(tǒng)模擬圖數(shù)控機床進給系統(tǒng)模擬圖1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務在農業(yè)機械領域的應用在農業(yè)機械領域的應用第一章第一章 緒論緒論1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務在日常生活中的應用在日常生活中的應用第一章第一章 緒論緒論1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務道路交通的應用道路交通的應用車牌自動識別車牌自動識別第一章第一章 緒論緒論1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論人形機器人人形機

17、器人1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務勇氣號火星探測器（美國，勇氣號火星探測器（美國，20042004）第一章第一章 緒論緒論1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論自動火炮、導彈制導等高新領域的應用自動火炮、導彈制導等高新領域的應用1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論在雷達領域的應用在雷達領域的應用1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務海洋探測機器人海洋探測機器人19901990年日本海洋科技中

18、心年日本海洋科技中心 研制的研制的“海溝號海溝號”纜控式纜控式無人潛水器（左）及其在大海中工作時的情況（右）無人潛水器（左）及其在大海中工作時的情況（右） 第一章第一章 緒論緒論1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論瑞典博福斯公司研制的瑞典博福斯公司研制的“雙鷹雙鷹”水下掃雷機器人水下掃雷機器人 1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論 恒溫恒濕試驗箱又名環(huán)境試驗箱，實驗各種材料的耐熱、耐寒恒溫恒濕試驗箱又名環(huán)境試驗箱，實驗各種材料的耐熱、耐寒、耐干、耐濕性能。適合電子、電器、

19、食品、車輛、金屬、化、耐干、耐濕性能。適合電子、電器、食品、車輛、金屬、化學、建材等實驗學、建材等實驗1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務三、機械工程控制論的研究任務三、機械工程控制論的研究任務第一章第一章 緒論緒論 動力學問題動力學問題 機械工程技術中的廣義系統(tǒng)在一定的機械工程技術中的廣義系統(tǒng)在一定的外外界條件作用界條件作用下，從一定的初始狀態(tài)出發(fā)，經歷由其內下，從一定的初始狀態(tài)出發(fā)，經歷由其內部的部的固有特性固有特性所決定的整個動態(tài)歷程；所決定的整個動態(tài)歷程；研究這一過程中，系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動研究這一過程中，系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動

20、態(tài)關系。態(tài)關系。即輸入或激勵，包括外加控制與外界干擾即輸入或激勵，包括外加控制與外界干擾即由系統(tǒng)的結構與參數(shù)所決定的特性即由系統(tǒng)的結構與參數(shù)所決定的特性P:2P:2 下面，我們通過一個簡單的例子，讓大家更深刻的理解下面，我們通過一個簡單的例子，讓大家更深刻的理解“機械工程控制論的研究任務機械工程控制論的研究任務”這一問題。這一問題。1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論同一同一系統(tǒng)系統(tǒng)，不同的不同的輸入輸入例例1-1 1-1 彈簧彈簧- -質量質量- -阻尼單自由度系統(tǒng)阻尼單自由度系統(tǒng) 系統(tǒng)（系統(tǒng)（a a） 系統(tǒng)（系統(tǒng)（b b） m-

21、c-km-c-k單自由度系統(tǒng)單自由度系統(tǒng)1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論（a）（b）整理得：整理得：)()()()(tftkytyctym (a)(a)解：解：)()()()(tymtyctkytf (b)(b)解：解：)()()()()(tkxtxctkytyctym 動力學方程：動力學方程： y(t)即微分方程的解，它是由即微分方程的解，它是由系統(tǒng)的初始條件、系統(tǒng)的初始條件、系統(tǒng)的系統(tǒng)的固有特性、固有特性、系統(tǒng)的輸入系統(tǒng)的輸入及及系統(tǒng)與輸入之間的關系系統(tǒng)與輸入之間的關系所決定。所決定。系統(tǒng)的系統(tǒng)的固有特性固有特性: : mp

22、 + cp + k2系統(tǒng)系統(tǒng)與外界之間的關系與外界之間的關系: : 1， cp+k系統(tǒng)對輸入的系統(tǒng)對輸入的響應響應（系統(tǒng)的輸出）：（系統(tǒng)的輸出）：y(t)系統(tǒng)的系統(tǒng)的輸入或激勵輸入或激勵: : f(t)， x(t)代表了系統(tǒng)在一定外界條件下的動態(tài)歷程代表了系統(tǒng)在一定外界條件下的動態(tài)歷程1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務設系統(tǒng)的設系統(tǒng)的初始狀態(tài)初始狀態(tài)： y(0)=y0， 0)0( yy令令 p=d/dt （微分算子）（微分算子）系統(tǒng)系統(tǒng)(a) (a) (mp + cp + k) )y(t)=f(t)系統(tǒng)系統(tǒng)(b) (b) (mp + cp + k)y(

23、t)=(cp + k)x(t)22第一章第一章 緒論緒論問題：問題：1. 1. 系統(tǒng)的輸入與系統(tǒng)的固有特性如何影響系統(tǒng)的輸入與系統(tǒng)的固有特性如何影響y(t)？ 三者之間表現(xiàn)為何種關系？三者之間表現(xiàn)為何種關系？2. 2. 系統(tǒng)確定并已知時，對系統(tǒng)施加何種輸入，系統(tǒng)確定并已知時，對系統(tǒng)施加何種輸入， 能使系統(tǒng)實現(xiàn)預期的響應（即能使系統(tǒng)實現(xiàn)預期的響應（即y(t)）？）？3. 3. 對于確定的輸入，系統(tǒng)應具有什么特性，對于確定的輸入，系統(tǒng)應具有什么特性， 才能使系統(tǒng)實現(xiàn)預期的響應？才能使系統(tǒng)實現(xiàn)預期的響應？求輸出求輸出求輸入求輸入求系統(tǒng)求系統(tǒng)(結構參數(shù)結構參數(shù))基本的動力學問題基本的動力學問題1.1

24、1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論研究任務研究任務: :(1)(1)系統(tǒng)分析問題系統(tǒng)分析問題(2)(2)最優(yōu)控制問題最優(yōu)控制問題(3)(3)最優(yōu)設計問題最優(yōu)設計問題(4)(4)濾波與預測問題濾波與預測問題(5)(5)系統(tǒng)辨識問題系統(tǒng)辨識問題已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的響應已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的響應(或輸出或輸出)，并通過響應來研究系統(tǒng)本身的問題并通過響應來研究系統(tǒng)本身的問題已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，設計輸入已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，設計輸入已知輸入和理想輸出時，設計系統(tǒng)已知輸入和理想輸出時，設計系統(tǒng)輸出已知，確定系統(tǒng)，以識別輸出已知，確定系

25、統(tǒng)，以識別輸入或輸入中的的有關信息輸入或輸入中的的有關信息已知系統(tǒng)的輸入與輸出，求系統(tǒng)的結構已知系統(tǒng)的輸入與輸出，求系統(tǒng)的結構與參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學模型與參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學模型1.1 1.1 機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象與任務第一章第一章 緒論緒論1.2 1.2 系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)及其模型一、系統(tǒng)一、系統(tǒng) 系統(tǒng)具有如下特性：系統(tǒng)具有如下特性：(1)(1)系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關，而且還與系統(tǒng)的系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關，而且還與系統(tǒng)的結構有關；結構有關；(2)(2) 系統(tǒng)的內容比組成系統(tǒng)的各元素的內容要豐富很多系統(tǒng)的內容比組成系統(tǒng)的各元素的內容要豐富很多

26、; ;(3)(3) 系統(tǒng)往往具有表現(xiàn)在時間域、頻率域或空間域等領系統(tǒng)往往具有表現(xiàn)在時間域、頻率域或空間域等領域內的動態(tài)特性。域內的動態(tài)特性。1.2 1.2 系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)及其模型1.2 1.2 系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)及其模型第一章第一章 緒論緒論二、機械系統(tǒng)二、機械系統(tǒng) 定義定義以實現(xiàn)一定的機械運動，承受一定的機械載以實現(xiàn)一定的機械運動，承受一定的機械載荷為目的，由機械元件組成的系統(tǒng)。荷為目的，由機械元件組成的系統(tǒng)。 如：如：切削加工過程切削加工過程工件工件操作者操作者當研究某臺機床當研究某臺機床切削加工過程切削加工過程中的動力學問題時；中的動力學問題時；當研究此臺機床加工的當研究此臺機床加工的工

27、件工件的某些質量指標時；的某些質量指標時；當研究此臺機床的當研究此臺機床的操作者操作者在加工過程中的作用時；在加工過程中的作用時；輸入輸入激勵（外界對系統(tǒng)的作用，如載荷等）激勵（外界對系統(tǒng)的作用，如載荷等）輸出輸出響應（系統(tǒng)對外界的作用，如變形、位移）響應（系統(tǒng)對外界的作用，如變形、位移）1.2 1.2 系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)及其模型第一章第一章 緒論緒論激勵激勵控制輸入控制輸入人為地、有意識地加上去；人為地、有意識地加上去；擾動擾動偶然因素產生而一般無法完全人為偶然因素產生而一般無法完全人為 控制的（干擾）；控制的（干擾）；三、數(shù)學模型三、數(shù)學模型 模型的定義模型的定義研究系統(tǒng)、認識系統(tǒng)、描述系統(tǒng)

28、與分研究系統(tǒng)、認識系統(tǒng)、描述系統(tǒng)與分析系統(tǒng)的一種工具。析系統(tǒng)的一種工具。 模型的種類模型的種類實物模型、物理模型和數(shù)學模型等。實物模型、物理模型和數(shù)學模型等。1.2 1.2 系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)及其模型第一章第一章 緒論緒論 數(shù)學模型數(shù)學模型定量地描述系統(tǒng)的動態(tài)性能，揭示系定量地描述系統(tǒng)的動態(tài)性能，揭示系統(tǒng)的結構、參數(shù)與動態(tài)性能之間關系的數(shù)學表達式。統(tǒng)的結構、參數(shù)與動態(tài)性能之間關系的數(shù)學表達式。數(shù)學模型數(shù)學模型靜態(tài)模型靜態(tài)模型動態(tài)模型動態(tài)模型 反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性；荷作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性； 用于研究系統(tǒng)在迅變載荷作用用于研究

29、系統(tǒng)在迅變載荷作用下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性；下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性；在一定條件下，動態(tài)模型可以轉換為靜態(tài)模型。在一定條件下，動態(tài)模型可以轉換為靜態(tài)模型。代數(shù)公式描述代數(shù)公式描述微分方程或差分方程來描述微分方程或差分方程來描述 動態(tài)模型是描述系統(tǒng)的動態(tài)歷程的，機械工程控制動態(tài)模型是描述系統(tǒng)的動態(tài)歷程的，機械工程控制論研究的是機械工程技術中廣義系統(tǒng)的動力學問題，論研究的是機械工程技術中廣義系統(tǒng)的動力學問題，所以往往需要采用動態(tài)數(shù)學模型，即需要建立微分方所以往往需要采用動態(tài)數(shù)學模型，即需要建立微分方程或差分方程來描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。程或差分方程來描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。1.2 1.2 系統(tǒng)及其

30、模型系統(tǒng)及其模型第一章第一章 緒論緒論1.3 1.3 反饋反饋一、反饋的定義一、反饋的定義反饋是機械工程控制論中一個最基本、最重要的概念反饋是機械工程控制論中一個最基本、最重要的概念 系統(tǒng)的輸出不斷直接或經過中間變換后全部或部分系統(tǒng)的輸出不斷直接或經過中間變換后全部或部分地返回到輸入端，并與輸入共同作用于系統(tǒng)的過程。地返回到輸入端，并與輸入共同作用于系統(tǒng)的過程。 系統(tǒng)之所以有動態(tài)歷程，系統(tǒng)及其輸入、輸出之間之所系統(tǒng)之所以有動態(tài)歷程，系統(tǒng)及其輸入、輸出之間之所以有動態(tài)關系，就是由于系統(tǒng)本身存在著信息的反饋。以有動態(tài)關系，就是由于系統(tǒng)本身存在著信息的反饋。二、反饋的種類二、反饋的種類1. 1. 內

31、反饋與外反饋內反饋與外反饋例例1-2 1-2 發(fā)動機離心調速系統(tǒng)發(fā)動機離心調速系統(tǒng) 例例1-3 1-3 質量質量- -彈簧彈簧- -阻尼單自由度系統(tǒng)阻尼單自由度系統(tǒng)1.3 1.3 反饋反饋第一章第一章 緒論緒論例例1-2 1-2 發(fā)動機離心調速系統(tǒng)發(fā)動機離心調速系統(tǒng) 控制原理：控制原理：如果負載變化使如果負載變化使增大，增大， 離心機構滑套上移離心機構滑套上移 液壓滑閥上移，動力液壓滑閥上移，動力活塞下移，油門關小，活塞下移，油門關小， 減減小小 直到滑閥回復到中位，直到滑閥回復到中位，回到設定值回到設定值 通過離心機構檢測系統(tǒng)的實通過離心機構檢測系統(tǒng)的實際輸出值，并與設定值進行比際輸出值，并

32、與設定值進行比較，反過來作用于系統(tǒng)，形成較，反過來作用于系統(tǒng)，形成反饋，進而調節(jié)系統(tǒng)的輸出。反饋，進而調節(jié)系統(tǒng)的輸出。發(fā)動機離心調速系統(tǒng)結構原理簡圖發(fā)動機離心調速系統(tǒng)結構原理簡圖1.3 1.3 反饋反饋第一章第一章 緒論緒論例例1-3 1-3 質量質量- -彈簧彈簧- -阻尼單自由度系統(tǒng)阻尼單自由度系統(tǒng) m-c-k 單自由度系統(tǒng)結構原理圖單自由度系統(tǒng)結構原理圖動力學方程：動力學方程：)()()()(22tkydttdyctfdttydm)()()()(22tftkydttdycdttydm或或dttkydttdyctfmty)()()(1)(即即m-c-k 單自由度系統(tǒng)方框圖單自由度系統(tǒng)方框圖

33、信息交互（反饋）信息交互（反饋）1.3 1.3 反饋反饋第一章第一章 緒論緒論 在這兩個例子，反饋在本質上都是在這兩個例子，反饋在本質上都是信息的傳遞與信息的傳遞與交互交互。但從具體形式上看，則有所不同。但從具體形式上看，則有所不同。對于發(fā)動機離心調速系統(tǒng)來說，離心調速器是對于發(fā)動機離心調速系統(tǒng)來說，離心調速器是人為人為附加附加的反饋控制裝置，其目的在于抵抗由于負載變的反饋控制裝置，其目的在于抵抗由于負載變化這一干擾引起的輸出軸轉速的變化。這種反饋稱化這一干擾引起的輸出軸轉速的變化。這種反饋稱為為外反饋外反饋。而質量彈簧阻尼系統(tǒng)中存在的反饋則為而質量彈簧阻尼系統(tǒng)中存在的反饋則為內反饋內反饋。這

34、種反饋是這種反饋是系統(tǒng)內部系統(tǒng)內部的信息交互，反映了系統(tǒng)內部的信息交互，反映了系統(tǒng)內部各元素之間互為因果的聯(lián)接關系，反映了系統(tǒng)的動各元素之間互為因果的聯(lián)接關系，反映了系統(tǒng)的動態(tài)特性。態(tài)特性。1.3 1.3 反饋反饋第一章第一章 緒論緒論(1)(1)內反饋內反饋 在系統(tǒng)或過程中存在的各種自然形成的反饋。是系在系統(tǒng)或過程中存在的各種自然形成的反饋。是系統(tǒng)內部各個元素之間相互耦合的結果，是造成機械系統(tǒng)內部各個元素之間相互耦合的結果，是造成機械系統(tǒng)存在一定動態(tài)特性的根本原因。統(tǒng)存在一定動態(tài)特性的根本原因。(2)(2)外反饋外反饋 在控制系統(tǒng)中，為達到某種控制目的而人為加入的在控制系統(tǒng)中，為達到某種控制

35、目的而人為加入的反饋。反饋。 生活小實例：生病生活小實例：生病 生病生病看病看病吃藥、打針、手術吃藥、打針、手術恢復健康恢復健康 生病生病自身調節(jié)恢復健康自身調節(jié)恢復健康外反饋外反饋內反饋內反饋1.3 1.3 反饋反饋第一章第一章 緒論緒論2. 2. 負反饋與正反饋負反饋與正反饋(1)(1)負反饋負反饋 輸出輸出偏離偏離設定值設定值時，反饋作用使輸出偏離程度減小，時，反饋作用使輸出偏離程度減小，并力圖達到設定值。并力圖達到設定值。 被控量被控量目標值目標值如：發(fā)動機離心調速系統(tǒng)如：發(fā)動機離心調速系統(tǒng) 液面自動調節(jié)器液面自動調節(jié)器 數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng) 動物捕食動物捕食 火炮

36、自動瞄準火炮自動瞄準 學習和工作中的負反饋學習和工作中的負反饋1.3 1.3 反饋反饋第一章第一章 緒論緒論(2)(2)正反饋正反饋 輸出偏離設定值時，反饋作用使輸出偏離程度加劇。輸出偏離設定值時，反饋作用使輸出偏離程度加劇。如：如： 疾病疾病 自激振蕩器自激振蕩器 機器疲勞破壞機器疲勞破壞 火藥爆炸、熱核反應火藥爆炸、熱核反應 學習和工作中的正反饋學習和工作中的正反饋1.3 1.3 反饋反饋第一章第一章 緒論緒論三、反饋控制系統(tǒng)及其組成三、反饋控制系統(tǒng)及其組成 在工程技術領域中，越來越多地采用了自動控制系在工程技術領域中，越來越多地采用了自動控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，往往有著統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，

37、往往有著“反饋控制反饋控制”。 1. 1. 定義定義 一般在自動控制系統(tǒng)中，偏差是基于反饋建立起一般在自動控制系統(tǒng)中，偏差是基于反饋建立起來的來的 。自動控制的過程就是。自動控制的過程就是“測偏與糾偏測偏與糾偏”的過程，的過程，這一原理又稱為這一原理又稱為反饋控制原理反饋控制原理。利用此原理組成的系。利用此原理組成的系統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)。它具備測量、比較和執(zhí)行三個。它具備測量、比較和執(zhí)行三個基本功能。基本功能。 反饋控制是實現(xiàn)自動控制的最基本的方法。反饋控制是實現(xiàn)自動控制的最基本的方法。沒有反饋就無法測量偏差，就無法根據偏差自動控制沒有反饋就無法測量偏差，就無法根據偏差自動控

38、制系統(tǒng)糾正偏差系統(tǒng)糾正偏差1.3 1.3 反饋反饋第一章第一章 緒論緒論例：發(fā)動機離心調速系統(tǒng)例：發(fā)動機離心調速系統(tǒng)發(fā)動機離心調速系統(tǒng)結構原理簡圖發(fā)動機離心調速系統(tǒng)結構原理簡圖被控對象：被控對象：發(fā)動機發(fā)動機被控量：被控量：轉速轉速被控量的目標值設定：被控量的目標值設定：預緊彈簧設定預緊彈簧設定控制信息傳遞與反饋：控制信息傳遞與反饋：轉速轉速離心機構離心機構( (檢測或感知）檢測或感知）偏差偏差杠桿杠桿液壓比例控制器液壓比例控制器油門油門1.3 1.3 反饋反饋第一章第一章 緒論緒論表示系統(tǒng)結構與工作原理的物理框圖：表示系統(tǒng)結構與工作原理的物理框圖：離心調速系統(tǒng)控制方框圖離心調速系統(tǒng)控制方框圖

39、比較比較控制器控制器檢測檢測被控對象被控對象執(zhí)行執(zhí)行運算放大運算放大控制部分控制部分被控部分被控部分1.3 1.3 反饋反饋第一章第一章 緒論緒論2. 2. 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成 典型的反饋控制系統(tǒng)包括給定環(huán)節(jié)、測量環(huán)節(jié)、比較典型的反饋控制系統(tǒng)包括給定環(huán)節(jié)、測量環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大運算環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)、被控對象等。環(huán)節(jié)、放大運算環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)、被控對象等。 每個組成部分的含義見教材每個組成部分的含義見教材P:14-15P:14-15。 盡管不同的反饋控制系統(tǒng)是由許多起著不同作用的環(huán)盡管不同的反饋控制系統(tǒng)是由許多起著不同作用的環(huán)節(jié)組成，但都可以看成是由節(jié)組成，但都可以看成是由控制部

40、分控制部分和和被控部分被控部分組成。組成。反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成1.3 1.3 反饋反饋第一章第一章 緒論緒論1.4 1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求一、控制系統(tǒng)的幾種分類一、控制系統(tǒng)的幾種分類 1. 1. 按反饋情況按反饋情況 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng): :系統(tǒng)沒有反饋回路系統(tǒng)沒有反饋回路 系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)沒有控制作用系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)沒有控制作用: :系統(tǒng)有反饋回路系統(tǒng)有反饋回路 系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)有控制作用系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)有控制作用1.4 1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求第

41、一章第一章 緒論緒論如：步進電機驅動的數(shù)控機如：步進電機驅動的數(shù)控機床床開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)、普通洗衣機、普通洗衣機、家用電烤箱、微波爐、家用電烤箱、微波爐步進電機驅動的數(shù)控機床原理圖步進電機驅動的數(shù)控機床原理圖步進電機驅動的數(shù)控機床開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖步進電機驅動的數(shù)控機床開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖1.4 1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求第一章第一章 緒論緒論閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)如：伺服電機驅動的數(shù)控機如：伺服電機驅動的數(shù)控機床床、離心調速系統(tǒng)、離心調速系統(tǒng)、恒溫箱、恒溫箱( (冰箱、空調冰箱、空調) )伺服電機驅動的數(shù)控機床原理圖伺服電機驅動的數(shù)控機床

42、原理圖伺服驅動的數(shù)控機床閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖伺服驅動的數(shù)控機床閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖1.4 1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求按按有有無無反反饋饋無無有有開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)優(yōu)點：構造簡單，成本低。優(yōu)點：構造簡單，成本低。缺點：無抗干擾能力，不能自缺點：無抗干擾能力，不能自 動糾偏，控制精度較低。動糾偏，控制精度較低。優(yōu)點：抗干擾能力強，穩(wěn)態(tài)優(yōu)點：抗干擾能力強，穩(wěn)態(tài) 精度高，動態(tài)精度好精度高，動態(tài)精度好。缺點：構造復雜，設計與制造缺點：構造復雜，設計與制造 較困難，成本較高。較困難，成本較高。第一章第一章 緒論緒論1.4 1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系

43、統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求第一章第一章 緒論緒論 2. 2. 按輸出量的變化規(guī)律按輸出量的變化規(guī)律 自動調節(jié)系統(tǒng)（恒值系統(tǒng)）自動調節(jié)系統(tǒng)（恒值系統(tǒng)）：系統(tǒng)的輸出保持常量：系統(tǒng)的輸出保持常量 隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）：系統(tǒng)的輸出相應于輸入按：系統(tǒng)的輸出相應于輸入按 任意規(guī)律變化任意規(guī)律變化 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出按預定程序變化：系統(tǒng)的輸出按預定程序變化此類系統(tǒng)同時也是閉環(huán)系統(tǒng)此類系統(tǒng)同時也是閉環(huán)系統(tǒng)此類系統(tǒng)同時也是閉環(huán)系統(tǒng)此類系統(tǒng)同時也是閉環(huán)系統(tǒng)此類系統(tǒng)可以是開環(huán)系統(tǒng)，也可以是閉環(huán)系統(tǒng)此類系統(tǒng)可以是開環(huán)系統(tǒng)，也可以是閉環(huán)系統(tǒng)1.4 1.4 系統(tǒng)的分

44、類及對控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求第一章第一章 緒論緒論 自動調節(jié)系統(tǒng)自動調節(jié)系統(tǒng)如：前例中的離心調速系統(tǒng)；如：前例中的離心調速系統(tǒng)； 恒溫箱；恒溫箱； 液面自動調節(jié)器。液面自動調節(jié)器。工業(yè)生產中工業(yè)生產中溫度溫度、壓力壓力、流量流量、液面液面、速度速度等參數(shù)等參數(shù)的控制，均屬此類。的控制，均屬此類。1.4 1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求第一章第一章 緒論緒論 隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)如：炮瞄雷達系統(tǒng)；如：炮瞄雷達系統(tǒng)； 導彈目標自動跟蹤系統(tǒng)；導彈目標自動跟蹤系統(tǒng)； 仿形機床；仿形機床； 全自動照相機的全自動照相機的 調焦系統(tǒng)、閃光系統(tǒng)。

45、調焦系統(tǒng)、閃光系統(tǒng)。1.4 1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求第一章第一章 緒論緒論 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)如：數(shù)控機床進給系統(tǒng)；如：數(shù)控機床進給系統(tǒng)； 全自動洗衣機；全自動洗衣機； 微波爐。微波爐。1.4 1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求第一章第一章 緒論緒論3. 3.按信號類型按信號類型4. 4.按系統(tǒng)的性質按系統(tǒng)的性質5. 5.按參數(shù)的變化情況按參數(shù)的變化情況6. 6.按控制量按控制量連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)時

46、變系統(tǒng)位移控制系統(tǒng)位移控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)速度控制系統(tǒng)速度控制系統(tǒng)1.4 1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求第一章第一章 緒論緒論二、對控制系統(tǒng)的基本要求二、對控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)、快、準穩(wěn)、快、準控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的性性能能評評價價指指標標系統(tǒng)的穩(wěn)定性：系統(tǒng)的穩(wěn)定性：系統(tǒng)的快速性：系統(tǒng)的快速性：系統(tǒng)的準確性：系統(tǒng)的準確性：指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復平衡狀態(tài)的能力。這指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復平衡狀態(tài)的能力。這是系統(tǒng)正常工作的首要條件。是系統(tǒng)正常工作的首要條件。在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，當系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量之間在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提

47、下，當系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量之間產生偏差時，消除這種偏差的快速程度。產生偏差時，消除這種偏差的快速程度。調整過程結束后，輸出量與給定的輸入量之間的偏差。調整過程結束后，輸出量與給定的輸入量之間的偏差。1.4 1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求以坐車的感受為例簡單說明以坐車的感受為例簡單說明 不同性質的控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定性、快速性和準確性不同性質的控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定性、快速性和準確性的要求各有側重。的要求各有側重。 在同一個控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定性、快速性、準確性相在同一個控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定性、快速性、準確性相互制約，應根據實際需求合理選擇?；ブ萍s，應根據實際需求合

48、理選擇。如自動調節(jié)系統(tǒng)對穩(wěn)定性要求較高。如自動調節(jié)系統(tǒng)對穩(wěn)定性要求較高。如隨動系統(tǒng)對響應快速性要求較高。如隨動系統(tǒng)對響應快速性要求較高。如數(shù)控機床對定位精度要求高。如數(shù)控機床對定位精度要求高。注意：注意：1.4 1.4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求第一章第一章 緒論緒論第一章第一章 緒論緒論n 本章小結：本章小結： 1. 1.重點掌握機械工程控制論研究的對象與任務；重點掌握機械工程控制論研究的對象與任務； 2. 2.掌握利用反饋控制原理分析系統(tǒng)工作過程；掌握利用反饋控制原理分析系統(tǒng)工作過程； 3. 3.掌握對控制系統(tǒng)的分類以及閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成；掌握對控制系

49、統(tǒng)的分類以及閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成； 4. 4.了解對控制系統(tǒng)的基本要求。了解對控制系統(tǒng)的基本要求。n 作業(yè)：作業(yè)：課后習題課后習題1.61.6、1.141.14、1.151.15本章小結本章小結例例1.11.1設電熱水器如下圖所示。為了保持希望的溫度，由溫控開設電熱水器如下圖所示。為了保持希望的溫度，由溫控開關接通或斷開電加熱器的電源。在使用熱水時，水箱中流出熱關接通或斷開電加熱器的電源。在使用熱水時，水箱中流出熱水并補充冷水。試說明該系統(tǒng)工作原理并畫出系統(tǒng)的方框圖。水并補充冷水。試說明該系統(tǒng)工作原理并畫出系統(tǒng)的方框圖。解：在電熱水器系統(tǒng)中，解：在電熱水器系統(tǒng)中，水箱內的水溫需要控制，水箱內的水

50、溫需要控制，即水箱為被控對象。即水箱為被控對象。水的實際溫度是被控制量，水的實際溫度是被控制量，或稱為系統(tǒng)的輸出量，輸或稱為系統(tǒng)的輸出量，輸入量為用戶希望的入量為用戶希望的溫度（給定值），由于放出熱水并注入冷水或水箱散熱等原溫度（給定值），由于放出熱水并注入冷水或水箱散熱等原因而使水箱內水溫下降成為該系統(tǒng)的主要干擾。因而使水箱內水溫下降成為該系統(tǒng)的主要干擾。第一章第一章 緒論緒論補充習題補充習題第一章第一章 緒論緒論補充習題補充習題當當To=Ti時時，水箱的實際水溫經測溫元件檢測，并將實際水溫，水箱的實際水溫經測溫元件檢測，并將實際水溫轉化成相應的電信號，與溫控開關預先設定的信號進行比較轉化成

51、相應的電信號，與溫控開關預先設定的信號進行比較而得到的偏差為零，此時電加熱器不工作，水箱中的水溫保而得到的偏差為零，此時電加熱器不工作，水箱中的水溫保持在希望的溫度上。持在希望的溫度上。當使用熱水并注入冷水時，水溫下降，此時當使用熱水并注入冷水時，水溫下降，此時Tou2，電位器橋式測量電，電位器橋式測量電路產生偏差電壓，經放大器放大后，驅動電機帶動絞路產生偏差電壓，經放大器放大后，驅動電機帶動絞盤轉動，使大門向上提起。與此同時，與大門連在一盤轉動，使大門向上提起。與此同時，與大門連在一起的電位器滑動觸頭上移，直至橋路達到平衡（起的電位器滑動觸頭上移，直至橋路達到平衡（ u1u2），電機停止轉動

52、，大門開啟。反之，合上關門），電機停止轉動，大門開啟。反之，合上關門開關時，電機反向轉動，帶動絞盤使大門關閉。開關時，電機反向轉動，帶動絞盤使大門關閉。開、關開、關門位置門位置電位器電位器放大器放大器電動機電動機絞盤絞盤大門大門實際實際位置位置第一章第一章 緒論緒論補充習題補充習題例例1.41.4 分析圖示鋼板厚度控制系統(tǒng)工作原理并繪制系分析圖示鋼板厚度控制系統(tǒng)工作原理并繪制系統(tǒng)功能框圖。統(tǒng)功能框圖。放大器放大器1 1放大器放大器2 2厚度厚度檢測器檢測器減速器直減速器直線執(zhí)行器線執(zhí)行器u ua a u uu u1 1u u3 3u u2 2v vb bd da鋼板鋼板第一章第一章 緒論緒論補

53、充習題補充習題解：解： 1 1）穩(wěn)態(tài)給定）穩(wěn)態(tài)給定電壓電壓u1比例于被軋鋼板要求的厚度；厚比例于被軋鋼板要求的厚度；厚度檢測器輸出度檢測器輸出u2比例于軋制后鋼板的厚度，比例于軋制后鋼板的厚度，u2放大后得到放大后得到u3并與并與u1比較得到偏差信號；比較得到偏差信號； 2 2）若系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)后由于擾動致厚度加大，則偏差小于）若系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)后由于擾動致厚度加大，則偏差小于零，偏差放大后控制電機通過減速器直線執(zhí)行器減小軋棍間距零，偏差放大后控制電機通過減速器直線執(zhí)行器減小軋棍間距離；反之，加大軋棍間離；反之，加大軋棍間距離，實現(xiàn)厚度的閉環(huán)調節(jié)。由于系統(tǒng)距離，實現(xiàn)厚度的閉環(huán)調節(jié)。由于系統(tǒng)不是直接測

54、量軋輥處厚度，而是相距不是直接測量軋輥處厚度，而是相距 d 處的厚度，因此系統(tǒng)存處的厚度，因此系統(tǒng)存在測量延遲，延遲時間在測量延遲，延遲時間 =d/v。給定給定厚度厚度厚度厚度檢測器檢測器放大器放大器1電動機電動機減速器減速器直線執(zhí)行器直線執(zhí)行器軋輥軋輥鋼板鋼板實際實際厚度厚度延時器延時器放大器放大器2第一章第一章 緒論緒論補充習題補充習題例例1.51.5 所示為函數(shù)記錄儀的示意圖，它通過記錄筆所示為函數(shù)記錄儀的示意圖，它通過記錄筆記錄緩變電壓信號的波形。試說明其工作原理，并記錄緩變電壓信號的波形。試說明其工作原理，并繪制其控制方框圖。繪制其控制方框圖。第一章第一章 緒論緒論補充習題補充習題解

55、：為了記錄電壓信號，記錄筆的位移需要進行控解：為了記錄電壓信號，記錄筆的位移需要進行控制，因此，記錄筆為控制對象。制，因此，記錄筆為控制對象。 記錄筆的實際位移記錄筆的實際位移Lo為輸出，與電壓信號為輸出，與電壓信號Ui對應的對應的理想位移理想位移Li=Kui為輸入。通過設定比例系數(shù)為輸入。通過設定比例系數(shù)K，將輸入，將輸入信號信號Li與需要記錄的電壓與需要記錄的電壓ui對應起來。對應起來。 記錄筆的實際位移記錄筆的實際位移Lo通過帶動電位器通過帶動電位器R2的滑塊，的滑塊，使橋式電路輸出電壓使橋式電路輸出電壓Ub進行測量，于是在放大器兩端進行測量，于是在放大器兩端形成偏差電壓信號形成偏差電壓

56、信號ue=ui-ub，利用的大小和正負對記，利用的大小和正負對記錄筆的位置進行控制。錄筆的位置進行控制。第一章第一章 緒論緒論補充習題補充習題 反之，當反之，當uiub時，偏差時，偏差ue為正，該信號經放大，驅動電為正，該信號經放大，驅動電機，帶動齒輪機構，進而使記錄筆及滑塊正向移動，機，帶動齒輪機構，進而使記錄筆及滑塊正向移動，此時偏差此時偏差ue逐漸減小，直至為逐漸減小，直至為0；電位器放大器電位器電 機傳動裝置筆L0ui-Liub+ue第一章第一章 緒論緒論補充習題補充習題1.6 試列舉日常生活中的開環(huán)控制系統(tǒng)、人工控試列舉日常生活中的開環(huán)控制系統(tǒng)、人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)，說明其工作

57、原理。制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)，說明其工作原理。1.7 開環(huán)控制和閉環(huán)控制各自的優(yōu)缺點。開環(huán)控制和閉環(huán)控制各自的優(yōu)缺點。1.8 什么是反饋，反饋控制的本質是什么？什么是反饋，反饋控制的本質是什么？1.9 自動控制系統(tǒng)按輸入信號隨時間的變化情況自動控制系統(tǒng)按輸入信號隨時間的變化情況分為哪幾種？各舉一例分為哪幾種？各舉一例,并說明其工作原理。并說明其工作原理。第一章第一章 緒論緒論維納簡介維納簡介諾伯特諾伯特維納維納(Norbert Wiener(Norbert Wiener，1894-1964)1894-1964)維納是美國數(shù)學家，控制論的創(chuàng)始人。維納維納是美國數(shù)學家，控制論的創(chuàng)始人。維納18941

58、894年年1111月月2626日生于密蘇里州的哥倫比亞，日生于密蘇里州的哥倫比亞，19641964年年3 3月月1818日日卒于斯德哥爾摩。卒于斯德哥爾摩。 維納在其維納在其5050年的科學生涯中，先后涉足哲學、數(shù)學、物理學年的科學生涯中，先后涉足哲學、數(shù)學、物理學和工程學，最后轉向生物學，在各個領域中都取得了豐碩成果和工程學，最后轉向生物學，在各個領域中都取得了豐碩成果，稱得上是恩格斯頌揚過的、本世紀多才多藝和學識淵博的科，稱得上是恩格斯頌揚過的、本世紀多才多藝和學識淵博的科學巨人。他一生發(fā)表論文學巨人。他一生發(fā)表論文240240多篇，著作多篇，著作1414本。他的主要著作有本。他的主要著作

59、有控制論控制論(1948)(1948)、維納選集維納選集(1964)(1964)和和維納數(shù)學論文集維納數(shù)學論文集(1980)(1980)。維納還有兩本自傳。維納還有兩本自傳昔日神童昔日神童和和我是一個數(shù)學家我是一個數(shù)學家。他的主要成果有如下八個方面：。他的主要成果有如下八個方面： 第一章第一章 緒論緒論維納簡介維納簡介 建立維納測度建立維納測度 引進巴拿赫引進巴拿赫維納空間維納空間 闡述位勢理論闡述位勢理論 發(fā)展調和分析發(fā)展調和分析 發(fā)現(xiàn)維納發(fā)現(xiàn)維納霍普夫方法霍普夫方法 提出維納濾波理論提出維納濾波理論 開創(chuàng)維納信息論開創(chuàng)維納信息論 創(chuàng)立控制論創(chuàng)立控制論 返回第一章第一章 緒論緒論錢學森簡介錢

60、學森簡介錢學森（錢學森（1911191120092009）中國著名物理學家，世界著名）中國著名物理學家，世界著名火箭專家。浙江杭州人，生于上海?；鸺龑＜摇Ｕ憬贾萑?，生于上海。錢學森長期擔任中國火箭和航天計劃的技術領導人，錢學森長期擔任中國火箭和航天計劃的技術領導人，對航天技術、系統(tǒng)科學和系統(tǒng)工程做出了巨大的和開拓性的貢對航天技術、系統(tǒng)科學和系統(tǒng)工程做出了巨大的和開拓性的貢獻。錢學森共發(fā)表專著獻。錢學森共發(fā)表專著7 7部，論文部，論文300300多篇。主要貢獻表現(xiàn)在以多篇。主要貢獻表現(xiàn)在以下幾方面：下幾方面： 應用力學應用力學 噴氣推進與噴氣推進與航天航天技術技術 工程控制論工程控制論 物理力

61、學物理力學 系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程與科學與科學 思維科學思維科學 人體科學人體科學 科學技術體系科學技術體系 馬克思主義哲學馬克思主義哲學 系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程 與科學與科學第二章 系統(tǒng)的數(shù)學模型2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 系統(tǒng)的微分方程系統(tǒng)的微分方程 2.3 2.3 拉普拉斯變換與拉普拉斯反變換拉普拉斯變換與拉普拉斯反變換 2.4 2.4 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 2.5 2.5 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖及其簡化系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖及其簡化 2.6 2.6 考慮擾動的反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)考慮擾動的反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 本章教學大綱本章教學大綱u教學重點：微分方程建立、傳遞函數(shù)概念與求

62、法、典教學重點：微分方程建立、傳遞函數(shù)概念與求法、典 型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)、方框圖等效變換型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)、方框圖等效變換1. 1. 掌握機械、電氣系統(tǒng)微分方程的建立方法；掌握機械、電氣系統(tǒng)微分方程的建立方法；2. 2. 了解非線性方程的線性化；了解非線性方程的線性化；3. 3. 熟悉拉氏變換及反變換、線性定常微分方程的解法；熟悉拉氏變換及反變換、線性定常微分方程的解法；4. 4. 掌握傳遞函數(shù)基本概念及典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)；掌握傳遞函數(shù)基本概念及典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)；5. 5. 掌握系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖的化簡。掌握系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖的化簡。第二章第二章 系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)的數(shù)學模型本章教學大綱本章教學大綱第二

63、章第二章 系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)的數(shù)學模型2.1 2.1 概概 述述一、數(shù)學模型一、數(shù)學模型 1. 1. 定義定義 2. 2. 種類種類 3. 3. 研究領域研究領域 定量地描述系統(tǒng)的動態(tài)性能，揭示系統(tǒng)的結構、參定量地描述系統(tǒng)的動態(tài)性能，揭示系統(tǒng)的結構、參數(shù)與動態(tài)性能之間關系的數(shù)學表達式。數(shù)與動態(tài)性能之間關系的數(shù)學表達式。 微分方程、差分方程、統(tǒng)計學方程、傳遞函數(shù)、頻微分方程、差分方程、統(tǒng)計學方程、傳遞函數(shù)、頻率特性、各種響應式等。率特性、各種響應式等。 時間域時間域微分方程、差分方程、狀態(tài)方程；微分方程、差分方程、狀態(tài)方程； 復數(shù)域復數(shù)域傳遞函數(shù)、脈沖傳遞函數(shù)；傳遞函數(shù)、脈沖傳遞函數(shù)； 頻率域頻

64、率域頻率特性。頻率特性。離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)2.1 2.1 概概 述述連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)二、建立數(shù)學模型（建模）的方法二、建立數(shù)學模型（建模）的方法 一個一個“合理合理”的數(shù)學模型應該以最簡化的形式、準的數(shù)學模型應該以最簡化的形式、準確地描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。確地描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。第二章第二章 系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)的數(shù)學模型2. 2. 實驗法實驗法建建模模方方法法1. 1. 分析法（解析法）分析法（解析法） 根據系統(tǒng)或元件所遵循的有關定律來建立數(shù)學根據系統(tǒng)或元件所遵循的有關定律來建立數(shù)學模型的方法（列寫數(shù)學表達式）。模型的方法（列寫數(shù)學表達式）。 根據實驗數(shù)據進行整理，

65、并擬合出比較接近實根據實驗數(shù)據進行整理，并擬合出比較接近實際的數(shù)學模型。際的數(shù)學模型。2.1 2.1 概概 述述第二章第二章 系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)的數(shù)學模型三、線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)三、線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng) 1. 1. 定義定義 能用線性微分方程描述的系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，否則為能用線性微分方程描述的系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，否則為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)。2. 2. 分類分類2.1 2.1 概概 述述線性定常系統(tǒng)：線性定常系統(tǒng)：)(5)(4)(7)(3)(000txtxtxtxtxii線性時變系統(tǒng)：線性時變系統(tǒng)：)(5)(4)(7)(3)(2000txtxttxtxtxii非線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)：)(5)(4)(

66、7)(3)(20000txtxttxtxxtxii第二章第二章 系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)的數(shù)學模型 3. 3. 特性特性 線性系統(tǒng)滿足疊加原理，即具有疊加性；非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)滿足疊加原理，即具有疊加性；非線性系統(tǒng)不滿足疊加原理。不滿足疊加原理。 疊加原理：疊加原理：線性系統(tǒng)在多個輸入的作用下，其總輸出線性系統(tǒng)在多個輸入的作用下，其總輸出等于各個輸入單獨作用而產生的輸出之和。等于各個輸入單獨作用而產生的輸出之和。 和的響應等于響應之和。和的響應等于響應之和。2.1 2.1 概概 述述第二章第二章 系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)的數(shù)學模型2.2 2.2 系統(tǒng)的微分方程系統(tǒng)的微分方程微分方程微分方程 在時域中描述系統(tǒng)（或元件）動態(tài)特性的在時域中描述系統(tǒng)（或元件）動態(tài)特性的數(shù)學模型，或稱為運動方程。利用微分方程數(shù)學模型，或稱為運動方程。利用微分方程可得到描述系統(tǒng)（或元件）動態(tài)特性的其他可得到描述系統(tǒng)（或元件）動態(tài)特性的其他形式的數(shù)學模型。形式的數(shù)學模型。如：如：)()()()(txtkytyctym )()()(00tututuRCi2.2 2.2 系統(tǒng)的微分方程系統(tǒng)的微分方程第二章第二章 系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)