1、前言 自动控制是一门理论性很强的科学技术，一般泛称为“自动控制技术”。 机械工程控制基础是本学科的技术基础课，该课程与其它课程的关系，如下图所示：大学物理理论力学机械工程控制基础常微分方程模拟电子技术线性代数高等数学复变函数、拉普拉斯变换电路理论信号与系统教 材 机械工程控制基础 ，杨叔子主编，华中科技大学出版社参考教材 机械控制工程基础 朱骥北主编，机械工业出版社自动控制理论 邹伯敏主编，机械工业出版社 自动控制原理 胡松涛主编，国防工业出版社第一章 绪论 第一节 机械工程控制论的研究对象与任务 第二节 系统及其模型 第三节 反馈 第四节 系统的分类及对控制系统的基本要求 第五节 机械制造的
2、发展与控制理论的应用 第六节 控制理论发展的简单回顾 第七节 本课程的特点与学习方法 在科学和工程技术的发展过程中，自动控制技术起着重要的作用。除了在宇宙飞船、导弹发射和飞机驾驶等系统中，自动控制技术具有特别重要的作用之外，它在现代机器制造和工业生产过程中也是不可缺少的重要组成部分。 随着自动控制理论和技术的不断发展，给人们提供了获得动态系统最佳性能的方法，提高了产品质量，降低了生产成本，提高了劳动生产率，使人们从繁重的体力劳动和重复的手工操作中解放出来。 本章将对本课程的主要内容作一个简介，使同学们对自动控制理论的内容有一个基本了解，以便更好地学习以后各章节。控制控制：对对象施加某种操作，使
3、其产生所预期的行为。：对对象施加某种操作，使其产生所预期的行为。 自动控制自动控制：该操作由控制装置自动完成，无须人直接参与。：该操作由控制装置自动完成，无须人直接参与。即，在人不直接参与的情况下，通过控制器使被控对象（如机器设备、生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定的规律变化（或运行）。引 言一、自动控制技术应用于军事、航天领域火炮、雷达、跟踪系统； 人造卫星； 宇宙飞船。二、自动控制技术应用于工业生产过程轧钢过程； 工业窑炉；石油化工； 水泥建材；玻璃、造纸等三、自动控制技术应用于现代农业生产自动灌溉；农产品质量检测等。 四、自动控制技术应用于其他领域生物：人口控制，药物动
4、力学 金融：货币控制 家庭：电饭煲，洗衣机，空调，冰箱引 言 自动控制技术已成为促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素，是最有发展前途的技术科学之一。 自动控制往往是参考人工控制而建立起来的，以下通过一些简单的、典型例子，来说明控制系统的工作原理。 实例 水箱水位图1-1 水箱水位的人工控制系统原理图1、手动控制： 观测实际水位，将实际水位与要求的水位值相比较，得出两者偏差。 根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。 实例 水箱水位图1-2 水箱水位的自动控制系统原理图2、自动控
5、制： 当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。引 言第一节 机械工程控制论的研究对象与任务具体地说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件作用下，从系统一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性所决定的整个动态历程；换句话说，就是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。第一节 机械工程控制论的研究对象与任务第一节 机械工程控制论的研究对象与任务第一节 机械工程控制论的研究对象与任务对上例，需研究的问题可归纳为以下三类：第一类，系统、
6、输入 输出第二类，系统、输出 输入第三类，输入、输出 系统第一节 机械工程控制论的研究对象与任务第二节 系统及其模型一、系统系统：就是由相互联系、相互作用的若干部分构成，而且有一定的目的或一定运动规律的一个整体。特点：1）整体性：系统由许多要素组成，各个组成部分是不可分割的。2）相关性：系统内部各要素之间相互以一定规律联系着。3）层次性：系统可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构。4）目的性：系统具有某种目的，要达到既定的目的，系统必须具有一定的功能（如控制、调节和管理的功能）。 例3： 孤立的考察这两个对象 考察km系统，分析各元素其动力学方程及系统动力学方程.mY(t)F(t)k二
7、、机械系统机械系统：以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。对于机械系统，其输入和输出分别称为“ 激励” 和“ 响应”。第二节 系统及其模型三、系统模型 模型: 就是对系统的一种客观描述，它通常是真实系统的一种简化。实物模型物理模型数学模型静态模型动态模型静态模型：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。（一般用代数方程描述）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。 （一般用微分方程或差分方程描述）(描绘系统的动态历程) 例：第二节 系统及其模型 动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制
8、理论或控制工程中，一般关心的是系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。即，一般所指的系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式。第三节 反馈外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈， 称为外反馈。内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。 内反馈是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。它是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变得异常复杂。对于机械系统中普遍存在的内反馈现象应引起足够的重视。反馈是系统存在动态历程，系统及其输入输出间有动态关系的根本原因。第三节 反馈第三节 反馈第三节 反馈第三节 反馈第四节 系
9、统的分类及对控制系统的基本要求一、系统的几种分类对控制系统，可从不同角度加以分类。1.按反馈情况：开环控制、闭环控制、复合控制2.按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。3.按系统功能：温度、压力、位置、速度4.按系统性能：线性与非线性、定常与时变5.按输入信号变化规律：恒值、随动、程序控制6.按系统内部传输信号的性质：连续与离散7.按输入、输出信号的数目：单输入-单输出系统与多输入-多输出系统1、按反馈情况 自动控制系统有三种基本控制方式：开环控制方式、闭环控制方式（反馈控制方式）和复合控制方式，它们都有其各自的特点和不同的使用场合。其中闭环控制方式是自动控
10、制系统最基本的控制方式,也是应用最广泛的一种控制方式。（1）开环控制方式 开环控制方式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过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。特点：结构简单，容易实现，成本低；但是精度低，抗干扰能力差。（2）闭环控制方式（反馈控制）需要控制的是受控对象的被控量，而测量的是被控量对给定值的偏差。无论是由干扰造成的，还是由结构参数的变化引起的，只要被控量出现偏差，系统自行纠偏。特点：抗干扰能力强，稳态精度高；但是存在稳定性问题，并且结构复杂，实现不易，成本高。开环控制与闭环控制比较如何选用开环控制或闭环
11、控制？应当注意以下几个方面： 当系统的输入量能预先知道，并且不存在任何扰动时，采用开环控制比较合适。 当输出量难于测量，或者要测量输出量在经济上不允许时，采用开环系统比较合适。 从成本、功率的角度出发，为了减少系统所需要的成本、功率，在可能情况下应当采用开环控制。 将开环控制与闭环控制适当地结合在一起，通常比较经济，并且能够获得满意的综合性能。2、按系统性能来分 线性系统线性系统是指组成系统的元器件的静态特性为直线，能用线性常微分方程描述其输出与输入关系的系统。线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性。 本课程研究线性定常系统（或称为线性时不变系统、自治系统），简单涉及非线性系统。 非线性系统非
12、线性系统是指组成系统的元器件中有一个以上具有非直线的静态特性的系统。非线性系统还可分为非线性时变系统与非线性定常系统。 严格地说，实际上不存在线性系统，这是因为各种实际的物理系统总是具有不同程度的非线性，但只要非线性不严重，在一定范围内能用线性系统的理论和方法对待的系统都可视为线性系统。3、按输出信号变化规律来分 恒值控制系统恒值控制系统又称为定值调节系统或自动镇定系统。特点：系统输入量（即给定值）不变，但由于扰动使被控量偏离要求值，该系统能根据偏差产生控制作用，使被控量恢复到要求值，并以一定的准确度保持在要求值附近。 随动系统随动系统又称为伺服系统。特点：给定值是预先未知的、随时间任意变化，
13、要求系统被控量以尽可能小的误差跟随给定值变化。 程序控制系统程序控制系统。特点：系统输入量按预定程序变化。4、按系统内部传输信号的性质来分 连续系统连续系统，各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟量，可用微分方程来描述各部分输入-输出关系的系统。 离散系统离散系统，某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。 离散系统也有线性离散系统和非线性离散系统、定常离散系统和时变离散系统之分。单输入单输出系统单输入单输出系统（SISO, Single Input Single Output)：只有一个输入量和一个输出量的控制系统，也称为单变量系统。如前述的水箱水位控制系统。 多输入多输出系统多输
14、入多输出系统（MIMO, Multiple Inputs Multiple Outputs): 有多个输入量和多个输出量的控制系统，也称为多变量系统。如后述的火力发电厂综合控制系统 。5、按输入、输出信号的数目来分 系统方框图系统方框图 为了使控制系统的表示既简单又明了，在控制工程中一般采用方框图来表示系统的组成及各组成部分之间信号的传输关系。 系统方框图由许多对信号（ 量） 进行单向传递的元件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。它包括三个基本的单元， 即 元件方框 比较点（ 相加点） 引出点（ 分支点） 系统方框图系统方框图 元件方框：方框中写入元、部
15、件的名称，进入箭头表示其输入信号； 引出箭头表示其输出信号。 系统方框图系统方框图 比较点（ 相加点）： 表示两个或两个以上的信号进行相加或相减运算。“ +”表示信号相加；“ -”表示信号相减。 系统方框图系统方框图 引出点（ 分支点）： 表示信号的引出或信号的分支， 箭头表示信号的传递方向， 线上标记信号的名称。自动控制系统的一般组成形式被控对象r(t)u(t)c(t)反馈环节e(t)给定环节b(t)放大元件执行元件串联校正并联校正比较环节扰动控制器被控对象r(t)u(t)c(t)反馈环节e(t)给定环节b(t)比较环节扰动名词术语 输入信号 输出信号 反馈信号 偏差信号 误差信号 扰动信号
16、自动控制系统被控对象给定环节比较环节反馈环节控制器校正环节执行环节放大环节并联校正串联校正 输入信号: （输入量、控制量、给定量）是指控制输出量 变化规律的信号； 输出信号： （输出量、被控制量、被调节量）输出是输入 的结果，它的变化规律通过控制应与输入信号 之间保持有确定的关系； 反馈信号：输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号称 反馈信号； 偏差信号：输入信号与主反馈信号之差； 误差信号：输出量实际值与希望值之差； 扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号； 自动控制系统方框图的绘制步骤自动控制系统方框图的绘制步骤（ 1） 分析控制系统的工作原理， 找出被控对象。（ 2） 分清系统的输入量
17、、输出量。（ 3） 按照控制系统各环节的定义， 找出相应的各个环节。（ 4） 按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连接起来。图1-3 恒温箱控制系统原理图 例题 恒温箱控制系统图1-5 恒温箱控制系统方框图例1.1设电热水器如下图所示。为了保持希望的温度，由温控开关接通或断开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明该系统工作原理并画出系统的方框图。解：在电热水器系统中，水箱内的水温需要控制，即水箱为被控对象。水的实际温度是被控制量，或称为系统的输出量，设为；输入量为用户希望的温度（给定值），设为；由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使水箱内水温下降成为该系统的主
18、要干扰。自动控制系统举例当To=Ti时，水箱的实际水温经测温元件检测，并将实际水温转化成相应的电信号，与温控开关预先设定的信号进行比较而得到的偏差为零，此时电加热器不工作，水箱中的水温保持在希望的温度上。当使用热水并注入冷水时，水温下降，此时Tou2，电位器桥式测量电路产生偏差电压，经放大器放大后，驱动电机带动绞盘转动，使大门向上提起。与此同时，与大门连在一起的电位器滑动触头上移，直至桥路达到平衡（ u1u2），电机停止转动，大门开启。反之，合上关门开关时，电机反向转动，带动绞盘使大门关闭；开、关门位置电位器放大器电动机绞盘大门实际位置第四节 系统的分类及对控制系统的基本要求二、对控制系统的基
19、本要求稳、快、准稳、快、准 1、稳稳（稳定性）稳是指动态过程的震荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能力。 稳定性是对控制系统最基本的要求。 对于稳定的恒值系统，被控量因扰动而偏离期望值后，经过一个过渡过程时间，被控量应恢复到原来的期望值状态；对于稳定的随动系统，被控量应能始终跟随输入量的变化。2、快快（快速性） 指动态过程（过渡过程）进行的时间长短。过程时间持续很长，将使系统长久的出现大偏差，同时也说明系统响应很迟钝，难以复现快速变化的指令信号。稳和快反映了系统在控制过程中的性能。点击右图查看Flash动画3、准准（准确性） 指系统过渡到新的平衡工作状态以后，或系统受扰动重新恢复平衡之后，最终
20、保持的精度，反映了动态过程后期的性能。准通常用系统的稳态误差来表示。点击右图查看Flash动画几点说明：w “稳”与“快”是说明系统动态过程（过渡过程）品质。w “准”是说明系统的稳态（静态）品质w 稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件。w 线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。w 系统的过渡过程产生的原因 ： 系统中存在着一些不同性质的储能元件，这些储能元件的能量不可能突变； 系统具有的能源功率有限，因而运动加速度有限。由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、快、准的要求是有所侧重的。例如随动系统对快要求较高，而恒值控制系统则对稳限制严格。在同一个系统中，
21、上述三方面的性能要求通常是相互制约的。第五节 机械制造的发展与控制理论的应用 机电工业是我国最重要的支柱产业之一 ，而传统的机电产品正在向机电一体化（Mechatronics）方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化。机电控制型产品技术含量高，附加值大，在国内外市场上具有很强的竞争优势，形成机电一体化产品发展的主流。当前国内外机电结合型产品，诸如典型的工业机器人，数控机床，自动导引车等都广泛地应用了控制理论。图1-10三坐标数控机床机器手图1-13柔性制造系统柔性制造系统目前，控制理论在机械制造领域中应用最为活跃的有下面几个主要方面：（1）在机械制造过程自动化方面；（2）在加工过程
22、的研究方面；（3）在产品与设备的设计方面；（4）在动态过程或参数的测试方面； 公元前14001100年，中国、埃及和巴比伦相继出现自动计时漏壶，人类产生了最早期的控制思想。第六节 控制理论发展的简单回顾一、古代自动控制系统方面的成就 公元前300年秦昭王时，由李冰父子主持设计修筑的著名水利工程都江堰，是一种液面控制，是“系统”观念的杰出体现。 公元100年，亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水的自动计时装置。公元132年，中国科学家张衡（公元78139）研制出自动测量地震的地动仪。公元235年，中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(司南车）。公元1788年，英国人J.Watt用离心式
23、调速器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。 维纳，MIT教授。早期进行模拟计算机研究，二战期间参与火炮控制研究，提炼出负反馈概念。 1948年，维纳所著控制论的出版，标志着这门学科的正式诞生。控制论的奠基人美国科学家维纳（Wiener,N.，18941964） 1954年，我国科学家钱学森在美国运用控制论思想和方法，用英文出版工程控制论，首先把控制论推广到工程技术领域。 接着短短的几十年里，在各国科学家和科学技术人员的努力下，又相继出现了生物控制论，经济控制论和社会控制论等，控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着其它科学技术的发展，极大地改变了整个世界。控制理论自身也在创造人类文明中不断
24、向前发展。控制理论的中心思想是通过信息的传递、加工处理并加以反馈来进行控制，控制理论是信息学科的重要组成方面。自动控制理论是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为经典控制理论经典控制理论和现代控制理论现代控制理论两大部分。人们普遍认为最早工业应用的自动装置是1788年Watt发明的离心式蒸汽机调速器。 经典控制理论经典控制理论v 形成时间：二十世纪40年代到50年代形成的一门独立学科。v 研究对象：以单输入单输出单输入单输出线性定常系统为主要研究对象。v 研究方法：以传递函数传递函数作为系统的基本数学描述，以频率法和根轨迹法作
25、为分析和设计系统的两种方法。二、控制理论的形成及其发展 现代控制理论现代控制理论v 形成时间：始于二十世纪50年代末60年代初。v 研究对象：适于研究多输入多输出系统多输入多输出系统，这些系统可以是线性的、非线性的、定常的或时变的。v 研究方法：以状态空间表达式状态空间表达式作为系统的基本数学描述，以状态空间法作为主要研究方法。v最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的研究课题，近年来计算机技术和现代应用数学的结合，又使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大发展。“作为技术科学的控制论，对工程技术、生物和生命现象的研究和经济科学，以及
26、对社会研究都有深刻的意义，比起相对论和量子论对社会的作用有过之无不及我们可以毫不含糊地说从科学理论的角度来看，二十世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和二十世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论控制论，也许可以称它们为三项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞跃。”钱学森本课程的特点 本课程是一门非常重要的技术基础课，是机电学院平台课程。它是针对机械对象的控制，结合经典控制理论形成的一门课程。本门课程主要介绍经典控制理论，研究怎样将其与机械相结合，并应用于机械。 本课程在高等数学、理论力学、电工电子学等知识的基础上，使学生掌握机械控制系统的基本原理及必要的实用知识。值得指出的是，尽管经典控
27、制理论在六十年代已完全发展成熟，但它并不过时，经典控制理论是整个自动控制理论（包括现代控制理论）的基础。用一个不十分贴切的比喻，尽管微积分的基本理论在几百年前已经发展成熟，但在高等数学中至今仍然起着重大作用。 第七节 本课程的特点与学习方法本课程的任务 本课程要研究的 有如下两个方面，即一、控制系统的分析 1稳定性分析 给出判断系统稳定性的基本方法，并阐述系统的稳定性与系统结构（或称控制规律）及系统参数间的关系。 2稳态特性分析 系统稳态特性表征了系统实际稳态值与希望稳态值之间的差值，即稳态误差，表征了控制系统的控制精度。给出计算系统稳态误差的方法，指出系统结构和参数对稳态特性的影响。 3动态
28、特性分析（ 特性或瞬特性） 系统的输入一定时，一般将由初始稳态向终止稳态过渡。初始稳态与终止稳态之间的过渡过程称为系统的动态过程（或瞬态过程、暂态过程）。分析系统结构、参数与动态特性的关系，并给出计算系统动态性能指标的方法和讨论改善系统动态性能的途径。二、控制系统设计与综合 设计一个系统比分析一个系统要复杂得多，要有控制理论的知识，并对控制元件、控制规律都要十分熟悉，还要将理论与实际问题结合起来。 本课程的一个重要内容是讨论当控制系统的主要元器件和结构形式确定以后，为满足动态性能指标和稳态性能指标的要求，需要改变系统的某些参数或附加某种装置的方法。这种方法称为控制系统的校正。改变系统参数或附加
29、校正装置的过程称为系统的综合。本课程的主要分析方法 自动控制理论在阐述自动控制与自动控制系统相关基本概念的基础上，从控制系统的数学模型数学模型入手，分别介绍时域分析法时域分析法、根轨迹分析法根轨迹分析法、和频率特性分析法频率特性分析法。 上述三种分析方法虽然不同，但都围绕着系统稳定性、稳态特性和动态特性的分析这条主线来进行的，各种分析方法之间具有内在的联系。 掌握上述基本分析方法后，将进行系统校正与综合系统校正与综合的讨论，这是比系统分析更深层次的内容，主要介绍频率特性法校正与系统综合的原理与思路。 本课程的学习方法 要注意复习巩固 要学会看参考书，加深理解 重视习题，独立完成作业1、理解控制系统中的各个物理量的含义 2、理解开环控制和闭环控制的含义 3、掌握基本控制系统的组成 4、掌握根据工作原理图绘制系统方框图的方法本章重点与难点本章重点与难点本本 章章 作作 业业 1.6 1.14
