1、控制工程基础,大连理工大学机械工程学院,主讲教师：孙伟联系电话：84707510Email:,教材：控制工程基础机械工业出版社 祝守新 主编 参考教材：控制工程基础浙江大学出版社 张尚才 主编,一、控制理论的发展史,三、学习控制理论基础要解决两个问题,第一章 绪论,二、自动控制理论的组成,前言,自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性的工作。自动化技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。自动化也即现代化。,1.控制理论的发展史 -自动控制技术与
2、人类进步 Automatic Control & Human Civilization,I. 前期控制(1400B.C. 1900A.D.) 工业机器II. 经典控制前期 (1900年-1935年)III. 经典控制(1935年-1950年) 空间技术. 现代控制 (1950年- ) 控制理论,控制理论的发展史,I.前期控制(Early Control)(1400B.C. 1900A.D.),(0)具有反馈控制原理的控制装置在古代就有了。这方面最有代表性的例子当属古代的计时器 “水钟”( 在中国叫作“刻漏”，也叫“漏壶” )。据古代锲形文字记载和从埃及古墓出土的实物可以看到，巴比伦和埃及在公元
3、前1500年以前便已有很长的水钟使用历史了。,(1)战国秦昭王时期，蜀郡守李冰于公元前227年创建的都江堰，是中国最古老的水利工程，体现了控制系统的观念。,西汉漏壶,都江堰,(3)公元132年中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪,(2) 公元100年亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置，把硬币投入储钱箱，大门就会自动开启。在装置中投入一个硬币，就会有圣水从洞中喷出。,(4)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,(5) 1637年中国明代宋应星所著天工开物记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图,提花织机结构图,指南车模型图,指南车结构图,(6
4、)英国瓦特（J. Watt）1765年发明了蒸汽机，1788年发明了离心式飞球调速器，通过调速器调节蒸汽量，从而保证蒸汽机在不同的工作负荷时，保持一定的转速。,(7) 1868年英国麦克斯威尔（J. C. Maxwell）发表“论调速器” (On Governors)文章；从理论上加以提高，并首先提出了“反馈控制”的概念”,(8) 1875年英国劳斯（E.J. Routh ）建立Routh判据(Routh-Hurwitz Stability Criteria),(9) 1892年俄国李雅普诺夫（A.M. Lyapunov）在博士论文“论运动稳定性的一般问题”中提出了稳定性理论,(10) 186
5、6年英国格雷（J. M. Gray）设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(Great Eastern),格雷的蒸气操纵引擎,全自动蒸汽轮船“东方”号,(11) 1866年由中国近代化学的先驱者徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄”号(L20m, W25T, 10km/hr)在安庆内军械所下水。次年，中国第一艘木质明轮蒸汽舰船“恬古”号在江南造船厂下水。,II.经典控制前期(The Pre-classical Period) (1900年-1935年),(1) 1913年美国福特(Ford Motor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线,(2) 1922年美国米罗斯基( N. Minorsky)研制
6、出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法,(3) 1928年美国MIT的万尼瓦尔.布什 (Vannevar Bush)研制成第一台大型模拟计算机(Differential Analyzer),V. Bush,大型模拟计算机,汽车装配流水线,(4) 1927年美国布雷克 (H.S. Black)提出放大器性能的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier),H. S. Black,(5)闭环控制(反馈）-自动控制的基础。控制论的奠基人维纳 (N.Wiener) 1948年对此给出的定义为：“Feedback is a method of controlling a sy
7、stem by inserting into it the result of its past performance” “反馈是一种控制系统的方法，该方法将系统的输出作用于系统的输入。”,闭环控制系统的结构框图：,(6) 1925年美国斯佩雷（E. Sperry）研制出火炮控制器，1929年梅森（C. Mason）研制出气压反馈控制器,火炮控制器,气压反馈控制器,III. 经典控制(Classical Control)(1935年-1950年),N.B. Nichols,N. Wiener,(1) 1938年美国贝尔实验室的波德（H. Bode）， 1940年奈奎斯特（Nyquist）提出
8、频率响应法,(2) 1942年美国泰勒（Taylor）仪器公司的齐格勒 （J. G. Ziegler）和尼科尔斯（N. B. Nichols）提出PID参数的最佳调整法,(3) 美国麻省理工学院（MIT）的维纳（N. Wiener）研究随机过程的预测， 1942年提出Wiener滤波理论，1948年发表控制论（Cybernetics）一书，标志着控制论学科的诞生。,(4) 1934年美国的哈仁（H.L.Hazen）发表了“关于伺服结构理论” (Theory of Servome-chanism)，并于1939年在MIT建立伺服机构实验室(Servomechanism Laboratory),H
9、. Hazen,伺服机构实验室,(5) 1937年英国图灵（A. M. Turine）提出图灵计算机的设想,(6) 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的申龙（C. Shannon） 1938年提出继电器逻辑自动化理论，1948年发表专著通信的数字理论(The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础,C. E. Shannon,两士兵在用装载有火炮控制系统的装置追踪发射炮弹轨迹,(7) MIT辐射实验室（Radiation Laboratory）在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了尼科尔斯图解设计方法（Nicho
10、ls Chart Design Method），菲利普（R. S. Philips）的噪音伺服系统（On Noise in Servomechanisms），以及霍尔维兹（Hurewicz ）(1947)的数字控制系统(Sampled Data System),(8) 1948年美国尹文思（W. Evans）提出根轨迹法(Root Locus Method) ，完成了以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作。,(9) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括1942年史密斯（Ed. S. Smith）的自动控制工程学（Automatic Control Engineering ）， 1945年
11、H. Bode的回路分析和反馈放大器（ Network Analysis and Feedback Amplifier ）， 1945年麦科尔（L.A. MacColl）的伺服系统基本原理（Fundamental Theory of Servomechanisms），以及1954年钱学森的工程控制论(Engineering Cybernetics),现代控制(Modern Control) (1950年- ),二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，
12、并随着计算机技术的快速发展，使得现代控制理论发展很快。,导弹,卫星,航天器,(2) 1957年美国贝尔曼（R. Bellman）发表著名的动态规划（Dynamic Programming），建立最优控制的基础,(3) 1957年国际自动控制联合会(IFAC)成立，中国为发起国之一，第一届学术会议于1960年在莫斯科召开,(1) 1956年苏联庞特里亚金（L.S. Pontryagin）发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(Maximum Principle),L.S. Pontryagin,地对空导弹,F4 幻影飞机,(4) 1952年美国麻省理工学院的伺服机构实验室（Servomecha
13、nism Laboratory）研制出第一台数控机床,(5) 1957年世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功,1957. Laika. Sputnik 二号,Sputnik一号为第一个向太空发射的人造卫星,1957年10月4日，火箭将第一颗人造卫星Sputnik送往太空。升空照片至今没有向世人公开。右面的这张照片是从1967年的一部苏联记录片中剪辑出来的。,科罗廖夫（S. Korolev） (1906-1966),俄国太空船设计者，东方号飞船和上升号飞船的总设计师,(6) 1954年美国德沃（George Devol）研制出第一台工业机器人样机，两年后，被称为机器人之父的恩格
14、尔伯格 （Joseph Engelberger）创立了第一家机器人公司通用机器人（Unimation）,(7) 1960年美籍匈牙利人卡尔曼（R. E. Kalman）发表“控制系统全面理论”（“On the General Theory of Control Systems”）等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础,R.E. Kalman,(8) 1961年苏联东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，开始了人类宇航时代,宇宙哥伦布-加加林,苏联发行的一枚专门纪念加加林的邮票,第一个绕预定轨道飞行的载人太空舱,1
15、961年，苏联的东方一号载着人类历史上第一名宇航员加加林飞向太空,1961年，27岁的加加林离开了地球，飞向太空。那是4月12日，莫斯科时间9点零7分。108分钟以后，加加林重返地球。飞行的最大高度是327000米。最大时速为28260公里。,(9) 1963年, 美国的扎德（Lofti Zadeh）与戴森（C. Desoer）发表“线性系统状态矢量空间方法”（Linear Systems - A State Space Approach ） 。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念,(10) 1958年美国的朱利（E.I. Jury） 发表“数字控制系统” (Sampled-Dat
16、a Control System) ，建立了数字控制及数字信号处理的基础,C. Desoer,Zadeh,(11) 1966年苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功，三年后(1969年)，美国“阿波罗”11号把宇航员阿姆斯特朗（N. A. Armstrong）送上月球。,N.A. Armstrong,(12) 1967年瑞典奥斯特隆姆（Karl J. Astrom）提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法，六年后，提出了自启调节器，建立自适应控制的基础。Astrom于1993年获得IEEE荣誉奖章（IEEE Medal of Honor）。,K. J. Astrom
17、,(13) 1970年英国罗森布拉克（H.H Rosenbrock ）发表“状态矢量空间与多变量理论”（State Space and Multivariable Theory）。 1974年加拿大旺纳姆（W.M Wonham）发表“线性多变量控制：一种几何方法”（Linear Multivariable Control: A Geometric Approach） 。,W.M Wonham,(14) 1969年美国的麦钱特（M. E. Merchant）提出计算机集成制造的概念,(15) 1971年美国ARPA（美国国防部高级研究计划局）计算机网络初步建成,(16) 1976年日本Fanuc
18、公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元,(17) 1976年美国布罗克特（R. Brockett）提出用微分几何研究非线性控制系统， 1985年意大利伊西多尔（A. Isidori）出版“非线性控制系统”(Nonlinear Control Systems) 。,A. Isidori,R. Brockett,(18) 1981年加拿大詹姆斯 G. Zames提出H 鲁棒控制设计方法,(19) 1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功,Gorge Zames,(20) 1969年美国布莱森（A. Bryson）和Y.C Ho 发表“实用最佳控制”（Applied Optima
19、l Control）。 1983年Y.C Ho 和X.R Cao等提出离散事件系统理论,(21) 1986年中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题,A. Bryson,Yu C. Ho,(22) IEEE 控制系统奖（IEEE Control Systems Award ）获得者名单,(23) 1996年美国第一台火星探测器旅居者（Sojourner）在火星表面软着陆,(24) 1981年美国旅行者（Voyager ）一号，二号开始走出太阳系， 对茫茫太空进行探索,2. 自动控制理论的组成,自动控制理论主要由经典控制理论、现代控制论和智能控制论组成的。
20、 经典控制理论是在复数域中以传递函数概念为基础的理论体系。主要研究单输入、单输出、线性定常系统的分析与设计。 现代控制理论是在时间域中以状态变量方程概念为基础的理论体系。主要研究具有高性能、高精度的多输入多输出系统的分析与设计。系统可以是线性的或非线性的、定常的或时变的、连续的或离散的、确定型的或随机型的。经典控制理论是自动控制理论的基础，又称为控制理论基础。,3.学习控制理论基础要解决两个问题,如何分析某个给定控制系统的工作原理、稳定性和过渡过程品质；是如何根据实际需要来设计控制系统。前者主要是分析系统，后者是综合与设计。,第一节 控制工程研究的对象与任务,控制工程实质上是研究工程中系统动态
21、特性的一门科学。 所谓系统，就其物理形态来说可为机械、电气、液压及光学等工程的系统，也有可能为社会上的、生物学上的系统。但无论如何，它们的动态行为都可以用微分方程描述。这种系统在外界条件作用下所表现出来的动态历程，说明了系统输入、模型与输出的内在关系。下面就以大家熟悉的质量阻尼弹簧的机械系统为例加以说明，,图1-1 质量-阻尼-弹簧系统,m、k及B分别代表系统的质量、弹簧刚度系数及粘性阻尼系数。如果输入x(t)代表系统的外力，而输出y(t)代表系统的位移响应，那么系统的数学模型可由微分方程描述。其关系为,1.已知系统的参数m、k、B及输入x(t)，确定输出y(t)；,2.已知输入x(t)及输出
22、y(t)，确定系统的参数m、k及B；,3.已知系统的参数m、k及B，给定输出y(t)时，确定输入x(t)。,所谓系统的动态性能，主要分如下三类,1)系统已定，并且输入已知时，求出系统的输出（响应），并通过输出来研究系统本身的有关问题，即系统分析；,2)系统已定，且系统的输出也已给定，要确定系统的输入，使输出尽可能符合给定的最佳要求，即系统的最优控制。,3)输入已知，且输出也是给定时，确定系统，使输出尽可能符合给定的最佳要求，即最优设计。,就系统及其输入、输出三者之间的动态关系而言，控制工程主要研究并解决如下几个方面的问题：,4)当输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，
23、此即系统的识别或系统辨识。5)当系统已定时，识别输入或输入中的有关信息，此即为系统的预测。 从本质上看： 问题1) 已知系统与输入求输出， 问题2） 已知系统和输出求输入； 问题3）、4)已知输入与输出求系统； 问题5) 已知系统求输入和输出。 本课程主要是以经典控制理论来研究问题1)，同时也以适当篇幅来研究其它问题。,第二节 系统的基本概念,一、系统的概念 系统是由相互联系、相互作用的若干部分构成且具有一定运动规律的一个有机整体。 系统与外界之间的关系如下图所示，其中， 输入：外界对系统的作用； 输出：系统对外界的作用。,人骑自行车信息流动与反馈的过程,例如人骑自行车时，总是希望自行车具有一
24、定的理想状态（比如速度、方向、安全等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预定的状态运动（运动系统），此时，路面的状况等（干扰）因素会对自行车的实际状态产生影响，使得自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉车子的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈的过程可以用下图进行表示。,二、自动控制系统工作原理在各种生产过程和生产设备中，常常需要使其中某些物理量（如温度、压力、位置、速度等）保持恒定，或者让它们按照一定的规律变化，要满足这种需要，就应该对生产机械或设备进行及时的控制和调整，以抵消外界的扰动和影响。下面介绍自动控制系统
25、如何对这些物理量实现自动控制。,首先研究恒温系统这个例子。实现恒温控制有两种方法：人工控制和自动控制,1.人工控制图1-2所示为人工控制的恒温箱。恒温箱的温度是靠通过改变调压器的电压来达到控制温度的目的。箱内温度是由温 度计测量的。人工控制恒温的过程可归结如下：,图1-2 人工控制的恒温箱,观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱（被控制元件）的温度； 与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏差的大小和方向；根据偏差大小和方向再进行比较控制：当温度高于所要求的给定温度值时，就调节调压器动触头使电压减小，温度降低；若温度低于给定的值，则调节调压器动触头，使电压增加，温度升高；如温度还达不到要求时，要
26、反复进行上面的步骤操作。 因此，人工控制的过程就是测量、求偏差、再控制以纠正偏差的过程。也就是“检测偏差用以纠正偏差”的过程。,2. 自动控制,图1-3 恒温箱的自动控制系统,对于这样简单的控制形式，如果能找到一个控制器来代替人的职能，这样人工控制系统就变成自动控制系统了。图1-3所示的就是恒温箱自动控制系统。,u2,u1,热电偶,给定信号,加热电阻丝,电压放大器,功率放大器,减速器,调压器,u,220V,比较,+,+,执行电动机,u1 给定信号电压，控制恒温箱的温度。 u2 测得的电压信号，由作为测量元件的热电偶， 把温度转换成对应的电压信号。 u 偏差信号，测得的电压信号u2反馈回去与给定
27、信号u1 相比较，所得结果即为温度的偏差信号u = u-u。经过电压、功率放大后，用以改变电动机的转速和方向，并通过传动装置带动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向着减小电压的方向运动，反之加大电压，直到温度达到给定值为止，即只有在偏差信号u 时，电动机才停转。这样就完成了所要求的控制任务。而所有这些装置便组成了一个自动控制系统。,图1-4所示为发动机的瓦特式速度调节器的基本原理。允许进入到发动机内的燃料数量，根据希望的发动机速度与实际的发动机速度之差进行调整。,另一方面，如果发动机的速度增大，以至于超过了希望的速度值，则速度调节器的离心力增大，从而导致控制阀向上移动。这样就会减少燃料供应，导
28、致发动机的速度减小，直至达到希望的速度时为止。,该系统的工作过程如下：速度调节器的调节原理是当工作于希望的速度时，高压油将不进入动力油缸的任何一侧。如果由于扰动，使得实际速度下降到低于希望值，则速度调节器的离心力下降，导致控制阀向下移动，从而对发动机的燃料供应增多，发动机的速度增大，直到达到希望的速度时为止。,给定量也叫控制系统的输入量。被控制量称为系统的输出量。,反馈就是指输出量通过适当的测量装置将信号全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。,比较的结果叫偏差。,基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的原理又称为反馈控制原理。利用反馈控制原理组成的系统称为反馈控制系统。,上述例子有一
29、个共同的特点，就是都要检测偏差，并用检测到的偏差去纠正偏差，可见没有偏差便没有调节过程。在自动控制系统中，这一偏差是通过反馈建立起来的。,二 系统的分类,1.按输入输出的关系分类,工业上用的控制系统，根据有无反馈作用，又可分为两类：开环控制系统与闭环控制系统。,(1)开环控制系统 当构成系统每一环节的输入不受系统的输出影响时，这样的系统称为开环控制系统。如图1-5所示的数控机床进给系统采用步进电机直接驱动时，其系统就属于开环控制系统。这一系统中，系统的输出不对系统的输入有任何影响。,图1-5 数控机床开环进给系统,(2)闭环控制系统当构成系统的任一环节的输入受到系统的输出影响时，这样的系统称为
30、闭环控制系统。如图1-6所示数控机床进给系统采用检测装置控制时，其系统就属于闭环控制系统,图1-6所示数控机床闭环进给系统,这一系统中，由于工作台位移（输出）经检测装置测出实际的位移后与给定的位移指令比较，从而产生控制作用，达到控制工作台位移的目的。因此，如果实际的位移没达到指令要求时，这种控制作用始终作用于工作台，直到工作台达到所要求的位置。,开环控制系统的优点：结构简单、调试方便，且造价低廉。缺点是精度较低。,闭环控制系统突出的优点：精度高，不管出现什么干扰，只要被控制量的实际值偏离给定值时，闭环控制就会产生控制作用来减小这一偏差。,闭环系统的缺点：这类系统是检测偏差用以纠正偏差，或者说是
31、靠偏差进行控制。在工作过程中系统总会存在偏差，由于元件的惯性（如负载的惯性），很容易引起振荡，使系统不稳定。因此精度和稳定性是闭环系统存在的一对矛盾。,图1-3、1-4的恒温箱的自动控制系统和速度控制系统都是闭环控制系统。它们的输出都通过反馈作用到输入端。,2.按输出的变化规律分类,(1)恒值系统 在外界作用下，系统的输出能基本保持为常值的系统称为恒值系统。如恒温、恒压及恒速系统。,(2)随动系统 系统的输出能相应于输入在广阔范围里按任意规律变化的系统称为随动系统。如仿形车床的液压仿形刀架，靠模为给定的系统输入，刀架仿形运动为系统的输出。,(3)程序控制系统 在外界作用下，系统的输出按预定程序
32、变化的系统称为程序控制系统。如前面曾介绍过的数控机床的进给系统，都属于程序控制系统。,3.连续系统与采样系统,如果系统每个环节之间所传递的信息都是时间的连续信号，这样的系统称为连续系统。如果在系统中，计算机参与工作时，环节之间所传递的信息除了有连续信号外，还有离散信号，这样的系统称为采样系统或离散系统。,4.定常系统与时变系统,描述系统微分方程的系数不随时间而变化的系统称为定常系统。其系数随时间变化的系统，称为时变系统。,三 反馈控制系统的基本组成,图1-7就是一个典型的反馈控制系统，该图表示了这些元件在系统中的位置及其相互间的关系。由图可以看出，作为一个典型的反馈控制系统应该包括反馈元件、给
33、定元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正元件等。,图1-7 典型的反馈控制系统框图,1.给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号例如，调速系统的给定电位计。2.反馈元件：它测量被控量或输出量，产生主反馈信号，该信号与输出量存在着确定的函数关系（通常为比例关系）。例如，调速系统用于测速的测速发电机。 3.比较元件：用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差。可以是一个差接的电路，它往往不是一个专门的物理元件，有时也叫比较环节；自整角机、旋转变压器、机械式差动装置都是物理的比较元件。,4.放大元件：对偏差信号进行放大和功率放大的元件。例如，伺服功率放大器、电液伺服阀等。5.执行元件：直接对控制对象进行
34、操作的元件。例如，执行电动机、液压马达等。 6.控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的控制量，例如，机床工作台等。 7.校正元件：或称校正装置，用以提高控制系统动态性能。有反馈校正和串联校正等形式,四名词术语,1.输入信号（又称输入量、控制量或给定量）：它是控制输出量变化规律的信号。而输入量则又广义地泛指输入到控制系统中的信号，如扰动信号，也包括给定信号。,2.输出信号（又称输出量、被控制量或被调整量）：它的变化规律是要加以控制的，应保持与输入信号之间有一定的函数关系。,3.反馈信号（或称反馈）：从系统（或元件）输出端取出信号，经过变换后加到系统（或元件）输入端，这就是反馈信号
35、。当它与输入信号符号相同，即反馈结果有利于加强输入信号的作用时叫正反馈。反之，符号相反抵消输入信号作用时叫负反馈。直接取自系统最终输出端的反馈叫主反馈。主反馈一定是负反馈，否则偏差越来越大，直至使系统失去控制。除主反馈外，有的系统还有局部反馈，这主要是用来对系统进行校正、补偿或线性化而加入的。 在系统内存在着的各种自然形成的反馈叫内反馈。人们为了达到一定的目的，有意加入的反馈叫外反馈。,5.误差信号（或称误差）：它是指系统输出量的实际值与希望值之差。在很多情况下，希望值就是系统的输入量。,这里要注意，误差和偏差不是同一概念。只有在单位反馈系统中，误差才等于偏差。,6 .扰动信号（又称扰动或干扰
36、）：除控制信号以外，对系统输出量产生影响的因素都叫扰动。如果扰动产生在系统内部，称为内扰；产生在系统外部，则称外扰。外扰动也是系统的一种输入量。,4.偏差信号（或称偏差）：它是控制信号与主反馈信号之差。有时也称为作用误差。,第三节 对控制系统的基本要求,工作在不同场合下的自动控制系统，对它有不同的性能要求。图示为在阶跃输入信号下，几种系统的被控量的变化过程。图中x(t)表示输入，y(t)表示输出。,控制系统的阶跃输入输出,不是所有系统都能正常地工作。控制系统要能正常地工作，必须满足稳定、准确、快速三方面的要求。,1. 稳定性：由于系统存在着惯性，当系统的各个参数匹配不妥时，将会引起系统的振荡而
37、失去工作能力。稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统能否恢复平衡状态的能力。稳定性的要求是系统工作的首要条件。,2. 准确性：是指在调整过程结束后输出量与给定量之间的偏差，或称为静态精度，这也是衡量系统工作性能的重要指标。例如数控机床精度越高，则加工精度也越高。而一般恒温和恒速系统的精度都可在给定值的1%以内。,3. 快速性：这是在系统稳定的前提下提出的。快速性是指当系统输出量与给定量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。,综上所述，对控制系统的基本要求是在稳定的前提下，系统要求稳、准、快。由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、准、快的要求各有侧重，例如，随动系统对快速性要求较高，而调
38、速系统则对稳定性提出较严格的要求。同一系统稳、准、快是相互制约的。快速性好，可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制过程可能又过于迟缓，精度也可能变坏。分析和解决这些矛盾，也是本学科讨论的重要内容。对于机械动力学系统的要求，首要的也是稳定性，因为过大的振荡将会使部件过载而损坏，此外还要降低噪音、增加刚度等，这些都是控制理论研究的主要问题。,总结,本章作为第一章要求学生对控制工程有初步了解。（1）了解控制工程的基本含义和研究对象。（2）了解系统的特性。（3）了解正反馈、负反馈、内反馈、外反馈的概念。（4）了解控制工程中基本名词和基本变量。,本章重点,（1）学会分析系统的动态特性、信息流，理解信息反馈的含义及其作用。,（2）掌握控制系统的基本概念、基本变量、基本组成和工作原理。,
