1、控 制 工 程 基 础,重庆科技学院 机械与动力工程学院,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，
2、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,课程简要内容及学习的意义,控制理论经典控制理论和现代控制理论 “机械工程控制基础”是控制论(Cybernetics)与机械工程技术理论之间的边缘学科，侧重介绍机械工程的控制原理，同时密切结合工程实际，是一门技术基础课程。 机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势是越来越广泛而深入地引入了控制理论。 控制理论是一门非常重要的学科，而且也是科学方法论之一，控制工程理论强调用系统的、反馈的、控制的方法来分析研究工程实际问题。,机械与动力工程学院,学习目的和学习方法,学会运
3、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,一、控制论概述,1.1 机械工程控制论的研究对象与任务,控制论是关于控制原理与控制方法的学科，它研究事物变
4、化和发展的一般规律。 首先创立控制论学科的是美国的数学家、信息理论家(Norbert Wiener)诺伯特维纳，他于1948年发表了“控制论”。 控制论的中心思想通过信息的传递、加工处理并利用反馈来进行控制。,1 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
5、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,三、机械工程控制论的研究任
6、务 从系统、输入、输出三者之间的动态关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械工程控制论的研究任务可以分为以下五种：,(1)系统分析问题：已知系统和输入，求系统的响应（或输出），并通过响应来研究系统本身的问题； (2) 最优控制问题：已知系统和系统的理想输出，设计输入； (3) 最优设计问题：已知输入和理想输出时，设计系统； (4) 滤波与预测问题：输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息； (5) 系统辨识问题：已知系统的输入与输出，求系统的结构与参数，即建立系统的数学模型。,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
7、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
8、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,静态模型代数公式描述； 动态模型微分方程或差分方程来描述。,动态模型是描述系统的动态历程的。机械工程控制论研究的是机械工程技术中广义系统的动力学问题，所以往往需要采用动态数学模型，即需要建立微分方程或差分方程来描述系统的动态特性。,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
9、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
10、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,三、反馈控制系统及其组成,在工程技术领域中，越来越多地采用了自动控制系统。在这种系统中，往往有着“反馈控制”。这里所说
11、的反馈是指外反馈与负反馈的过程。1. 定义一般在自动控制系统中，偏差是基于反馈建立起来的 。自动控制的过程就是“测偏与纠偏”的过程，这一原理又称为反馈控制原理。利用此原理组成的系统称为反馈控制系统。反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。,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
12、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,如果用输出响应
13、曲线来表示，系统自由响应曲线收敛的系统为稳定的系统，反之，自由响应呈等幅振荡或发散的系统则是非稳定系统。,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（JWatt）发明了蒸气机自动调速器；2. 1868年，麦克斯韦尔（JCMaxwell）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(HNyquist)创立了稳定性判据及“稳定裕量”的概念；5. 194
14、5年，波德(HWBode)创立了“频率法” ；6. 1948年，依万斯(WREvans)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(Norbert Wiener)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程控制论（英文版），首先奠定了“工程控制论”的基础；8. 在“古典控制理论”的基础上，“现代控制理论”于20世纪50年代末到60年代初发展起来。现代控制理论主要是在时域内，利用状态空间来分析与研究多输入多输出系统的最优控制问题。 Engineering Cybernetics 工程控制论,1 绪论,
