《機(jī)械控制基礎(chǔ) 第一章》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《機(jī)械控制基礎(chǔ) 第一章（63頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第一章第一章 緒緒 論論 近代技術(shù)的發(fā)展，使設(shè)備的自動(dòng)化程度大大提高。近代技術(shù)的發(fā)展，使設(shè)備的自動(dòng)化程度大大提高。不僅飛機(jī)、宇宙飛船等高、精、尖的航空設(shè)備的控制，不僅飛機(jī)、宇宙飛船等高、精、尖的航空設(shè)備的控制，而且許多工業(yè)設(shè)備，如數(shù)控機(jī)床、軋鋼機(jī)、卷紙機(jī)等而且許多工業(yè)設(shè)備，如數(shù)控機(jī)床、軋鋼機(jī)、卷紙機(jī)等設(shè)備的控制也不可能直接用手動(dòng)控制，而是通過這些設(shè)備的控制也不可能直接用手動(dòng)控制，而是通過這些裝備中的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行的。裝備中的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行的?！翱刂乒こ炭刂乒こ獭本途褪菍?duì)這些自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的研究分析。是對(duì)這些自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的研究分析。1頁(yè)頁(yè)最最早期的、在工業(yè)中起重要作用的早期的、在工業(yè)中起重要作

2、用的第一個(gè)第一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置是自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置是1788年瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)中的離心調(diào)速器。這是一個(gè)自動(dòng)調(diào)年瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)中的離心調(diào)速器。這是一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的問題，也是一個(gè)典型的機(jī)械動(dòng)力學(xué)問題。調(diào)速器的節(jié)系統(tǒng)的問題，也是一個(gè)典型的機(jī)械動(dòng)力學(xué)問題。調(diào)速器的工作原理是：工作原理是：如果負(fù)載增加，如果負(fù)載增加，(若若P不變不變Mn)蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 下降，則離心振子下降，則離心振子下降?；瑝K下降?；瑝K將通過杠桿將通過杠桿使蒸汽閥門開大，使蒸使蒸汽閥門開大，使蒸汽供給量增加（汽供給量增加（M不變，不變，Pn ），從而使蒸汽），從而使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速上升。機(jī)轉(zhuǎn)速上升。nPM9550 圖圖1-12頁(yè)頁(yè)蒸汽機(jī)蒸

3、汽機(jī)比較機(jī)構(gòu)比較機(jī)構(gòu)離心機(jī)構(gòu)離心機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)蒸汽量蒸汽量Q閥門閥門nPM9550 圖圖1-13頁(yè)頁(yè) 反之若負(fù)載減小，蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速上升則離心調(diào)速器可使反之若負(fù)載減小，蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速上升則離心調(diào)速器可使轉(zhuǎn)速下降。這樣，轉(zhuǎn)速下降。這樣，離心調(diào)速器可自動(dòng)地抵制負(fù)載的變化，離心調(diào)速器可自動(dòng)地抵制負(fù)載的變化，使轉(zhuǎn)速保持在某一給定范圍之內(nèi)。使轉(zhuǎn)速保持在某一給定范圍之內(nèi)?？梢哉f，這是最早的自可以說，這是最早的自動(dòng)反饋控制系統(tǒng)。但是后來發(fā)現(xiàn)，汽閥的速度調(diào)節(jié)并不完動(dòng)反饋控制系統(tǒng)。但是后來發(fā)現(xiàn)，汽閥的速度調(diào)節(jié)并不完善。若使速度恢復(fù)較快，就是加強(qiáng)反饋效果（如，即使速善。若使速度恢復(fù)較快，就是加強(qiáng)反饋效果（如，即使速

4、度有微小變化也使供汽量的變化較大），但這樣一來，就度有微小變化也使供汽量的變化較大），但這樣一來，就會(huì)出現(xiàn)速度反復(fù)變化頻繁的會(huì)出現(xiàn)速度反復(fù)變化頻繁的振蕩振蕩現(xiàn)象，若其參數(shù)處理不好現(xiàn)象，若其參數(shù)處理不好時(shí)，還會(huì)使蒸汽機(jī)產(chǎn)生劇烈的振蕩（在反饋控制系統(tǒng)中，時(shí)，還會(huì)使蒸汽機(jī)產(chǎn)生劇烈的振蕩（在反饋控制系統(tǒng)中，振蕩是經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象）。振蕩是經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象）。4頁(yè)頁(yè) 這就迫使從事該領(lǐng)域研究的科學(xué)家這就迫使從事該領(lǐng)域研究的科學(xué)家(振蕩主要振蕩主要從數(shù)學(xué)領(lǐng)域研究從數(shù)學(xué)領(lǐng)域研究數(shù)學(xué)家數(shù)學(xué)家)思考并解決這些問題：思考并解決這些問題：v 1868年馬克斯威爾年馬克斯威爾(Maxwell)從描述系統(tǒng)的微分從描述系統(tǒng)的微

5、分方程的解中有無增長(zhǎng)指數(shù)函數(shù)項(xiàng)，來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)方程的解中有無增長(zhǎng)指數(shù)函數(shù)項(xiàng)，來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；定性；v 1884年勞斯年勞斯(Routh)提出了系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)；提出了系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)；v 1895年赫爾維茨年赫爾維茨(Hurwitz)也獨(dú)立提出了系統(tǒng)穩(wěn)也獨(dú)立提出了系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)，使自動(dòng)控制技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步。定判據(jù)，使自動(dòng)控制技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步。5頁(yè)頁(yè) 第一次和第二次世界大戰(zhàn)中的武器技術(shù)的發(fā)展，第一次和第二次世界大戰(zhàn)中的武器技術(shù)的發(fā)展，使很多裝備的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置有了飛躍的發(fā)展，這期間使很多裝備的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置有了飛躍的發(fā)展，這期間由于通信的需要，使用了由于通信的需要，使用了負(fù)反饋放大器負(fù)反饋放大

6、器，這時(shí)，這時(shí)勞斯一勞斯一赫爾維茨赫爾維茨(RouthHurwitz)的穩(wěn)定性理論的實(shí)際意義的穩(wěn)定性理論的實(shí)際意義又不大了，因?yàn)槊枋龇糯笃鞯奈⒎址匠屉A次太高，而又不大了，因?yàn)槊枋龇糯笃鞯奈⒎址匠屉A次太高，而用用“頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)”及圖解形式處理更實(shí)際。及圖解形式處理更實(shí)際。奈魁斯特奈魁斯特 (H.Nyquist)于于1932年創(chuàng)立了穩(wěn)定判據(jù)及年創(chuàng)立了穩(wěn)定判據(jù)及“穩(wěn)定裕度穩(wěn)定裕度”的概念的概念 (在后面第五章我們將要學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容在后面第五章我們將要學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容)；6頁(yè)頁(yè) 在此基礎(chǔ)上，在此基礎(chǔ)上，伯德伯德 (H.W.Bode)于于1945年提出用圖解法來年提出用圖解法來分析和綜合線性反饋控制系

7、統(tǒng)的方法，這就是頻率法。與分析和綜合線性反饋控制系統(tǒng)的方法，這就是頻率法。與此同時(shí)，此同時(shí)，依萬斯依萬斯(WREvans)于于1948年創(chuàng)立了年創(chuàng)立了“根軌跡根軌跡法法”，對(duì)用微分方程模型來研究問題提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而有，對(duì)用微分方程模型來研究問題提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的方法，在某些情況下，它比頻率法更簡(jiǎn)單，更直接。效的方法，在某些情況下，它比頻率法更簡(jiǎn)單，更直接。到此，到此，“古典控制理論古典控制理論”已比較完善，并在各行業(yè)中廣泛已比較完善，并在各行業(yè)中廣泛地應(yīng)用這些理論，促進(jìn)了控制工程的進(jìn)一步發(fā)展。地應(yīng)用這些理論，促進(jìn)了控制工程的進(jìn)一步發(fā)展。1948年，年，美國(guó)數(shù)學(xué)家美國(guó)數(shù)學(xué)家維納維納(NWie

8、ner)發(fā)表發(fā)表)了了篇題為控制論篇題為控制論的著作，首創(chuàng)了控制論的著作，首創(chuàng)了控制論(Cybernetics)這個(gè)名詞，他認(rèn)為，到這個(gè)名詞，他認(rèn)為，到那時(shí)為止，反饋理論已可以解決許多生物控制機(jī)理，經(jīng)濟(jì)那時(shí)為止，反饋理論已可以解決許多生物控制機(jī)理，經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程等問題，這本著作的出版，標(biāo)志著這門學(xué)科的正發(fā)展過程等問題，這本著作的出版，標(biāo)志著這門學(xué)科的正式誕生。式誕生。掌舵人掌舵人7頁(yè)頁(yè) 第二次世界大戰(zhàn)后，控制理論在民用工業(yè)中得到進(jìn)一第二次世界大戰(zhàn)后，控制理論在民用工業(yè)中得到進(jìn)一步應(yīng)用。如化工、石油、冶金等部門，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過程的控步應(yīng)用。如化工、石油、冶金等部門，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過程的控制，解決了壓力、溫度

9、、流量與化學(xué)成分的控制問題。到制，解決了壓力、溫度、流量與化學(xué)成分的控制問題。到50年代中期年代中期，以反饋控制為中心的理論體系基本形成。，以反饋控制為中心的理論體系基本形成。一般把這一時(shí)期以前形成的理論稱為經(jīng)（古）典控制論。一般把這一時(shí)期以前形成的理論稱為經(jīng)（古）典控制論。8頁(yè)頁(yè)經(jīng)典控制論是在復(fù)數(shù)域中以傳遞函數(shù)概念為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制論是在復(fù)數(shù)域中以傳遞函數(shù)概念為基礎(chǔ)的理論體系。主要研究理論體系。主要研究單輸入單輸入-輸出定常系統(tǒng)的分輸出定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)析與設(shè)計(jì)。經(jīng)（古）典控制理論的主要缺點(diǎn)是：經(jīng)（古）典控制理論的主要缺點(diǎn)是：1)所研究的系統(tǒng)限于線性時(shí)不變系統(tǒng)，即其部件可所研究的系統(tǒng)限于線性

10、時(shí)不變系統(tǒng)，即其部件可用常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)；用常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)；2)研究的系統(tǒng)只能是單回路的；研究的系統(tǒng)只能是單回路的；3)只提供分析的方法，然后改進(jìn)系統(tǒng)再進(jìn)行嘗試，只提供分析的方法，然后改進(jìn)系統(tǒng)再進(jìn)行嘗試，不能提供最好的設(shè)計(jì)。這些問題的存在促使現(xiàn)代控不能提供最好的設(shè)計(jì)。這些問題的存在促使現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展。制理論的迅速發(fā)展。9頁(yè)頁(yè) 50年代末，由于導(dǎo)彈制導(dǎo)、航天、航海、航空技術(shù)的年代末，由于導(dǎo)彈制導(dǎo)、航天、航海、航空技術(shù)的發(fā)展需要和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，控制理論發(fā)展到一個(gè)發(fā)展需要和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，控制理論發(fā)展到一個(gè)新的階段，出現(xiàn)了現(xiàn)代控制論。新的階段，出現(xiàn)了現(xiàn)

11、代控制論。1956年前蘇聯(lián)年前蘇聯(lián)特略金特略金提出提出的的最優(yōu)控制最優(yōu)控制，1957年美國(guó)年美國(guó)貝爾曼貝爾曼(Bellman)提出的提出的動(dòng)態(tài)規(guī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論劃理論，和，和1960年美國(guó)年美國(guó)卡爾曼卡爾曼(Kalman)提出的提出的最優(yōu)過濾最優(yōu)過濾理論理論形成了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。狀態(tài)空間概念的引入，形成了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。狀態(tài)空間概念的引入，計(jì)算機(jī)的發(fā)展及對(duì)現(xiàn)代控制理論起了重要的推動(dòng)作用。計(jì)算機(jī)的發(fā)展及對(duì)現(xiàn)代控制理論起了重要的推動(dòng)作用。10頁(yè)頁(yè) 現(xiàn)代控制理論的基本工具是在時(shí)間域中以現(xiàn)代控制理論的基本工具是在時(shí)間域中以狀態(tài)空間狀態(tài)空間變量變量為基礎(chǔ)的理論體系，它是從分析力學(xué)中引用過去的，為基礎(chǔ)

12、的理論體系，它是從分析力學(xué)中引用過去的，而而“分析力學(xué)分析力學(xué)”是十九世紀(jì)初期為研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)而發(fā)展起是十九世紀(jì)初期為研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)而發(fā)展起來的，所以，現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)與發(fā)展也同機(jī)械工程密來的，所以，現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)與發(fā)展也同機(jī)械工程密切相關(guān)的。切相關(guān)的。由上述可知，控制理論系由由上述可知，控制理論系由經(jīng)經(jīng)(古古)典控制論典控制論和和現(xiàn)現(xiàn)代控制論代控制論兩部分組成。兩部分組成。11頁(yè)頁(yè) 現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的主要方向是探求最高的效率、最低現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的主要方向是探求最高的效率、最低的成本、最高產(chǎn)品質(zhì)量、最低能耗及最大可靠性等最佳狀的成本、最高產(chǎn)品質(zhì)量、最低能耗及最大可靠性等最佳狀態(tài)。由于現(xiàn)代科學(xué)技

13、術(shù)的迅速發(fā)展，將控制理論應(yīng)用于機(jī)態(tài)。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，將控制理論應(yīng)用于機(jī)械工程的重要性日益明顯，這就導(dǎo)致了械工程的重要性日益明顯，這就導(dǎo)致了“機(jī)械工程控制機(jī)械工程控制理論理論”(Mechanical Engineering Cybernetics)或或(Mechanical Control Engineering)這門學(xué)科的產(chǎn)生這門學(xué)科的產(chǎn)生與發(fā)展，與發(fā)展，因?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)和過程因?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)和過程(如生產(chǎn)過程、切削過程、鍛壓、焊接如生產(chǎn)過程、切削過程、鍛壓、焊接及熱處理過程等及熱處理過程等)要求最佳控制。實(shí)際上，這門學(xué)科既是要求最佳控制。實(shí)際上，這門學(xué)科既是一門廣義的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，又是一種

14、合乎唯物辯證法的方法一門廣義的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，又是一種合乎唯物辯證法的方法論，它對(duì)啟迪與發(fā)展人們的思維與智力有很大的作用。論，它對(duì)啟迪與發(fā)展人們的思維與智力有很大的作用。12頁(yè)頁(yè) 本門課程僅研究專業(yè)技術(shù)問題，但又必須緊密結(jié)合專本門課程僅研究專業(yè)技術(shù)問題，但又必須緊密結(jié)合專業(yè)實(shí)際，與工程實(shí)踐相結(jié)合。以數(shù)學(xué)、物理及有關(guān)科學(xué)為業(yè)實(shí)際，與工程實(shí)踐相結(jié)合。以數(shù)學(xué)、物理及有關(guān)科學(xué)為其理論基礎(chǔ)，以機(jī)械工程中有關(guān)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為其抽象、概其理論基礎(chǔ)，以機(jī)械工程中有關(guān)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為其抽象、概括與研究的對(duì)象，運(yùn)用信息的傳輸、處理與反饋進(jìn)行控制括與研究的對(duì)象，運(yùn)用信息的傳輸、處理與反饋進(jìn)行控制這一正確的思維方法與觀點(diǎn)，在這一

15、正確的思維方法與觀點(diǎn)，在數(shù)理基礎(chǔ)課程數(shù)理基礎(chǔ)課程與與專業(yè)課專業(yè)課程程之間架起一道橋梁，將兩者緊密之間架起一道橋梁，將兩者緊密結(jié)合起來，所以我們說結(jié)合起來，所以我們說它是一門它是一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。13頁(yè)頁(yè)1-1 機(jī)械工程控制理論的研究對(duì)象與任務(wù)機(jī)械工程控制理論的研究對(duì)象與任務(wù) 控制理論的研究對(duì)象是各種控制理論的研究對(duì)象是各種系統(tǒng)系統(tǒng)。系統(tǒng)是將一些系統(tǒng)是將一些裝置或計(jì)劃進(jìn)行組合，使它能達(dá)到某一目的。裝置或計(jì)劃進(jìn)行組合，使它能達(dá)到某一目的。這個(gè)定這個(gè)定義的含義非常之泛，它不僅包括電機(jī)、電氣元件或伺義的含義非常之泛，它不僅包括電機(jī)、電氣元件或伺服閥、液壓缸這樣的元件組成的物理系統(tǒng)，而且

16、包括服閥、液壓缸這樣的元件組成的物理系統(tǒng)，而且包括一些抽象的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，如在經(jīng)濟(jì)學(xué)、人口學(xué)中遇到的一些抽象的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，如在經(jīng)濟(jì)學(xué)、人口學(xué)中遇到的一些現(xiàn)象。也就是說，經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，人口的變遷都各一些現(xiàn)象。也就是說，經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，人口的變遷都各自組成系統(tǒng)。自組成系統(tǒng)。14頁(yè)頁(yè) 機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象就是機(jī)械系統(tǒng)，如圖機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象就是機(jī)械系統(tǒng)，如圖1-2與與1-3，一個(gè)質(zhì)量一個(gè)質(zhì)量-阻尼阻尼-彈簧單自由度系統(tǒng)在不同的輸入時(shí)的情況。彈簧單自由度系統(tǒng)在不同的輸入時(shí)的情況。機(jī)械工程控制論的任務(wù)是研究工程技術(shù)中廣義機(jī)械工程控制論的任務(wù)是研究工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題力學(xué)問題。具體地說，它

17、研究的是工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)在。具體地說，它研究的是工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)在一定的外界條件作用下，從系統(tǒng)的一定的初始狀態(tài)出發(fā)，所一定的外界條件作用下，從系統(tǒng)的一定的初始狀態(tài)出發(fā)，所經(jīng)歷的由其內(nèi)部的固有特性經(jīng)歷的由其內(nèi)部的固有特性(即由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參即由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的數(shù)所決定的特性特性)所決定的整個(gè)動(dòng)態(tài)歷程，研究這一所決定的整個(gè)動(dòng)態(tài)歷程，研究這一系統(tǒng)系統(tǒng)及及輸入、輸出輸入、輸出三者之間的關(guān)系。三者之間的關(guān)系。mckf(t)y(t)圖圖1-2圖圖1-3cky(t)mx(t)15頁(yè)頁(yè)圖圖1-2中，中，m,k,c分別表示質(zhì)量、粘性阻尼、彈簧剛度。假分別表示質(zhì)量、粘性阻尼、彈簧剛度。假設(shè)質(zhì)量受外

18、力設(shè)質(zhì)量受外力f(t)的作用，質(zhì)量發(fā)生的位移為的作用，質(zhì)量發(fā)生的位移為y(t)，現(xiàn)在來，現(xiàn)在來研究研究 f(t),y(t),m,k,c之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。根據(jù)動(dòng)力學(xué)關(guān)系，則有：根據(jù)動(dòng)力學(xué)關(guān)系，則有：由上式有由上式有)()()()(tymtyctkytf )()()()(tftkytyctym mckf(t)y(t)圖圖1-2)(tyc)(tfky(t)m16頁(yè)頁(yè)這是一個(gè)二階微分方程，它的解包含了兩個(gè)積分常數(shù)，可這是一個(gè)二階微分方程，它的解包含了兩個(gè)積分常數(shù)，可根據(jù)初始條件根據(jù)初始條件 求出。求出。002)0()0()()()(yyyytftykcpmp222dtdpdtdp )()

19、()()(tftkytyctym 00)0()0(yyyy 設(shè)設(shè)上式可寫成：上式可寫成：17頁(yè)頁(yè)如果對(duì)圖如果對(duì)圖1-2而言，彈簧受位移而言，彈簧受位移x(t)的作用見圖的作用見圖1-3，質(zhì)量位，質(zhì)量位移為移為y(t)，則系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：，則系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：00)0()0()()()()()(yyyytkxtxctkytyctym 002)0()0()()()()(yyyytxkcptykcpmpmckf(t)y(t)圖圖1-2圖圖1-3cky(t)mx(t)18頁(yè)頁(yè) 002)0()0()()()()(yyyytxkcptykcpmpmckf(t)y(t)圖圖1-2 002)0()0()

20、()()(yyyytftykcpmp由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)所由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定，反映了與外界無關(guān)決定，反映了與外界無關(guān)的系統(tǒng)本身的固有的特性。的系統(tǒng)本身的固有的特性。反映了系統(tǒng)與外界的關(guān)系。反映了系統(tǒng)與外界的關(guān)系。系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)要系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)要影響這一算子的。影響這一算子的。1圖圖1-3cky(t)mx(t)19頁(yè)頁(yè)y(0)與與y(0)分別為質(zhì)量的初位移和初速度，這是在輸入作用分別為質(zhì)量的初位移和初速度，這是在輸入作用于系統(tǒng)之前系統(tǒng)的初始狀態(tài)。顯然，此系統(tǒng)在任何瞬時(shí)的于系統(tǒng)之前系統(tǒng)的初始狀態(tài)。顯然，此系統(tǒng)在任何瞬時(shí)的狀態(tài)完全可以由質(zhì)量的位移和速度這兩個(gè)變動(dòng)著的狀態(tài)在狀態(tài)完全

21、可以由質(zhì)量的位移和速度這兩個(gè)變動(dòng)著的狀態(tài)在此瞬時(shí)的取值來描述。此瞬時(shí)的取值來描述。.002)0()0()()()(yyyytftykcpmp 002)0()0()()()()(yyyytxkcptykcpmp20頁(yè)頁(yè)在上例中，在上例中，f(t)與與x(t)稱為系統(tǒng)的輸入或激勵(lì)，稱為系統(tǒng)的輸入或激勵(lì)，y(t)稱為系稱為系統(tǒng)的輸出或系統(tǒng)對(duì)輸入的響應(yīng)，由以上分析可知系統(tǒng)及其統(tǒng)的輸出或系統(tǒng)對(duì)輸入的響應(yīng)，由以上分析可知系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的關(guān)系如圖輸入、輸出三者之間的關(guān)系如圖1-4。系統(tǒng)系統(tǒng)輸入輸入輸出輸出圖圖1-4mckf(t)y(t)圖圖1-2圖圖1-3cky(t)mx(t)21頁(yè)頁(yè)就輸入、輸

22、出、系統(tǒng)三者關(guān)系而言，工程控制的內(nèi)容有以就輸入、輸出、系統(tǒng)三者關(guān)系而言，工程控制的內(nèi)容有以下五個(gè)方面：下五個(gè)方面：1、當(dāng)系統(tǒng)一定，輸入已定時(shí)，求系統(tǒng)的輸出、當(dāng)系統(tǒng)一定，輸入已定時(shí)，求系統(tǒng)的輸出(響應(yīng)響應(yīng))，并通，并通過輸出來研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問題，此即過輸出來研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問題，此即系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析問題；問題；2、當(dāng)系統(tǒng)已定時(shí)，確定輸入，且所確定的輸入應(yīng)使得輸出、當(dāng)系統(tǒng)已定時(shí)，確定輸入，且所確定的輸入應(yīng)使得輸出盡可能符合給定的最佳要求，此即盡可能符合給定的最佳要求，此即最優(yōu)控制最優(yōu)控制問題：?jiǎn)栴}：3、當(dāng)輸入已知時(shí)，確定系統(tǒng)，且所確定的系統(tǒng)就使得輸出、當(dāng)輸入已知時(shí)，確定系統(tǒng)，且所確定的系統(tǒng)就

23、使得輸出盡可能符合給定的最佳要求，此即盡可能符合給定的最佳要求，此即最優(yōu)設(shè)計(jì)最優(yōu)設(shè)計(jì)問題；問題；系統(tǒng)系統(tǒng)輸入輸入輸出輸出圖圖1-422頁(yè)頁(yè)4、當(dāng)輸出已知時(shí)，確定系統(tǒng)，以識(shí)別輸入或輸入中的有關(guān)、當(dāng)輸出已知時(shí)，確定系統(tǒng)，以識(shí)別輸入或輸入中的有關(guān)信息，此即信息，此即濾波與預(yù)測(cè)濾波與預(yù)測(cè)問題；問題；5、當(dāng)輸入與輸出均已知時(shí)，求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即建、當(dāng)輸入與輸出均已知時(shí)，求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，此即立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，此即系統(tǒng)識(shí)別或系統(tǒng)辨識(shí)系統(tǒng)識(shí)別或系統(tǒng)辨識(shí)問題。問題。本書主要以經(jīng)典控制理論來研究問題本書主要以經(jīng)典控制理論來研究問題1。系統(tǒng)系統(tǒng)輸入輸入輸出輸出圖圖1-423頁(yè)頁(yè)1-

24、2 1-3 反饋控制原理與反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制原理與反饋控制系統(tǒng)的組成一、反饋控制概念及控制原理一、反饋控制概念及控制原理 反饋控制原理是控制論的基本原理，反饋是控制論反饋控制原理是控制論的基本原理，反饋是控制論中一個(gè)非常重要的概念。中一個(gè)非常重要的概念。反饋：反饋：將系統(tǒng)的輸出，部分或全部地返回到輸入將系統(tǒng)的輸出，部分或全部地返回到輸入稱為系統(tǒng)反饋。其本質(zhì)是系統(tǒng)內(nèi)部元素的相互聯(lián)系，稱為系統(tǒng)反饋。其本質(zhì)是系統(tǒng)內(nèi)部元素的相互聯(lián)系，信息的交換。信息的交換。24頁(yè)頁(yè) 在開車過程中，司機(jī)用眼睛觀察轉(zhuǎn)速表上的實(shí)際車速并在開車過程中，司機(jī)用眼睛觀察轉(zhuǎn)速表上的實(shí)際車速并由大腦將實(shí)際車速與希望車速進(jìn)行比

25、較，大腦根據(jù)比較后的由大腦將實(shí)際車速與希望車速進(jìn)行比較，大腦根據(jù)比較后的偏差偏差對(duì)腳發(fā)出指令，控制油門踏板，從而使實(shí)際車速與希望對(duì)腳發(fā)出指令，控制油門踏板，從而使實(shí)際車速與希望車速一致。在這里人與車構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，眼車速一致。在這里人與車構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，眼睛將實(shí)際車速這一信息送入大腦并與大腦中儲(chǔ)存的車速信息睛將實(shí)際車速這一信息送入大腦并與大腦中儲(chǔ)存的車速信息進(jìn)行比較，這一過程就是進(jìn)行比較，這一過程就是信息反饋信息反饋過程。過程。例例1：司機(jī)駕駛汽車過程。：司機(jī)駕駛汽車過程。希望車速希望車速y(t)大腦大腦偏差偏差腳、油門踏板腳、油門踏板 汽車汽車實(shí)際車速實(shí)際車速x(t)

26、眼睛、轉(zhuǎn)速表眼睛、轉(zhuǎn)速表b(t)e(t)輸入量輸入量輸出量輸出量25頁(yè)頁(yè) 通常，把輸出量返回到輸入端并與輸入量比較的過程通常，把輸出量返回到輸入端并與輸入量比較的過程稱為稱為反饋反饋，反饋包括，反饋包括正反饋正反饋和和負(fù)反饋負(fù)反饋。若反饋信號(hào)是與輸。若反饋信號(hào)是與輸入信號(hào)相減而使偏差值愈采愈小，則稱入信號(hào)相減而使偏差值愈采愈小，則稱負(fù)反饋負(fù)反饋；反之，則；反之，則稱稱正反饋正反饋。顯然如圖所示系統(tǒng)中的反饋為負(fù)反饋。該系統(tǒng)。顯然如圖所示系統(tǒng)中的反饋為負(fù)反饋。該系統(tǒng)的控制過程是的控制過程是利用輸出量與輸入量之間的偏差利用輸出量與輸入量之間的偏差進(jìn)行控制并最后消除這一偏差的過程。進(jìn)行控制并最后消除這

27、一偏差的過程。希望車速希望車速y(t)大腦大腦偏差偏差腳、油門踏板腳、油門踏板 汽車汽車實(shí)際車速實(shí)際車速x(t)眼睛、轉(zhuǎn)速表眼睛、轉(zhuǎn)速表b(t)e(t)輸入量輸入量輸出量輸出量26頁(yè)頁(yè) 在上述系統(tǒng)中，人直接參與了反饋控制過程，因此這在上述系統(tǒng)中，人直接參與了反饋控制過程，因此這是一個(gè)人工反饋控制系統(tǒng)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，反饋是用是一個(gè)人工反饋控制系統(tǒng)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，反饋是用自動(dòng)控制元件完成的?，F(xiàn)以自動(dòng)控制元件完成的。現(xiàn)以工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)和和工作臺(tái)工作臺(tái)速度控制系統(tǒng)速度控制系統(tǒng)為例，說明自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制過程。為例，說明自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制過程。希望車速希望車速y(t)大腦大

28、腦偏差偏差腳、油門踏板腳、油門踏板 汽車汽車實(shí)際車速實(shí)際車速x(t)眼睛、轉(zhuǎn)速表眼睛、轉(zhuǎn)速表b(t)e(t)輸入量輸入量輸出量輸出量27頁(yè)頁(yè)例例2：工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)。：工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由指該系統(tǒng)由指令電位器、反饋令電位器、反饋電位器、放大器、電位器、放大器、伺服電機(jī)、齒輪伺服電機(jī)、齒輪減速器、滾珠絲減速器、滾珠絲杠及工作臺(tái)組成，杠及工作臺(tái)組成，其功用是控制工其功用是控制工作臺(tái)位置按指令作臺(tái)位置按指令電位器給出的規(guī)電位器給出的規(guī)律變化。律變化。D Du28頁(yè)頁(yè)工作原理如下：工作原理如下：通過指令電位器的滑動(dòng)觸點(diǎn)通過指令電位器的滑動(dòng)觸點(diǎn)給出工作臺(tái)的位置指令給出工作臺(tái)的位置指令xr，并轉(zhuǎn)

29、換為控制電壓并轉(zhuǎn)換為控制電壓ur。被控。被控制工作臺(tái)的位移制工作臺(tái)的位移xc由反饋電由反饋電位器檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換為反饋電位器檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換為反饋電壓壓uc。兩電位器接成橋式電。兩電位器接成橋式電路。當(dāng)工作臺(tái)位置路。當(dāng)工作臺(tái)位置xc與給定與給定位置位置xr有偏差時(shí)，橋式電路有偏差時(shí)，橋式電路的輸出電壓為的輸出電壓為 D Du=ur uc，設(shè)開始時(shí)指令電位器和反饋設(shè)開始時(shí)指令電位器和反饋電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)都處于左端，電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)都處于左端，即即xr=xc=0，則，則D Du=ur uc=0，此時(shí)，放大器無輸出，直流此時(shí)，放大器無輸出，直流伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)，工作臺(tái)靜止伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)，工作臺(tái)靜止不動(dòng)，系統(tǒng)處于平衡狀

30、態(tài)。不動(dòng)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。D Du29頁(yè)頁(yè)D Du30頁(yè)頁(yè)當(dāng)給出位置指令當(dāng)給出位置指令xr時(shí)，在工作臺(tái)改變位置之前的瞬間，時(shí)，在工作臺(tái)改變位置之前的瞬間，xc=0，uc=0，則電橋的輸出為，則電橋的輸出為D Du=ur uc=ur 0=ur，該偏，該偏差電壓經(jīng)放大器放大后控制直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直流伺服差電壓經(jīng)放大器放大后控制直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直流伺服電機(jī)通過齒輪減速器和滾株絲杠驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)右移。隨著工電機(jī)通過齒輪減速器和滾株絲杠驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)右移。隨著工作臺(tái)的移動(dòng)。工作臺(tái)實(shí)際位置與給定位置之間的偏差逐漸作臺(tái)的移動(dòng)。工作臺(tái)實(shí)際位置與給定位置之間的偏差逐漸減小，即偏差電壓減小，即偏差電壓D Du逐漸減

31、小。當(dāng)反饋電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的逐漸減小。當(dāng)反饋電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置與給定位置一致，即輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入時(shí)，電橋平衡，位置與給定位置一致，即輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入時(shí)，電橋平衡，偏差電壓偏差電壓D Du=0，伺服電機(jī)停轉(zhuǎn)，工作臺(tái)停止在由指令電位，伺服電機(jī)停轉(zhuǎn)，工作臺(tái)停止在由指令電位器給定的位置上，系統(tǒng)進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，當(dāng)給出反向指器給定的位置上，系統(tǒng)進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，當(dāng)給出反向指令時(shí)，偏差電壓極性相反，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，工作臺(tái)左移，令時(shí)，偏差電壓極性相反，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，工作臺(tái)左移，當(dāng)工作臺(tái)移至給定位置時(shí)，系統(tǒng)再次進(jìn)入平衡狀態(tài)。如果當(dāng)工作臺(tái)移至給定位置時(shí)，系統(tǒng)再次進(jìn)入平衡狀態(tài)。如果指令電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置不斷改變，

32、則工作臺(tái)位置也跟指令電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置不斷改變，則工作臺(tái)位置也跟著不斷變化。該系統(tǒng)的控制過程可用下面方塊圖表示：著不斷變化。該系統(tǒng)的控制過程可用下面方塊圖表示：31頁(yè)頁(yè)W1放大器放大器電機(jī)電機(jī)減速器減速器絲杠絲杠工作臺(tái)工作臺(tái)W2xrurucD Duq qmq qcxcD Du32頁(yè)頁(yè) 由系統(tǒng)上述工作過程可知，為了使輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量，由系統(tǒng)上述工作過程可知，為了使輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量，系統(tǒng)通過反饋電位器不斷地對(duì)輸出量進(jìn)行檢測(cè)并返回到輸系統(tǒng)通過反饋電位器不斷地對(duì)輸出量進(jìn)行檢測(cè)并返回到輸入端與輸入量進(jìn)行比較得出偏差信號(hào)，再利用所得偏差信入端與輸入量進(jìn)行比較得出偏差信號(hào)，再利用所得偏差信號(hào)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，

33、以便隨時(shí)消除偏差。從而實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)號(hào)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，以便隨時(shí)消除偏差。從而實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)位置按指令電位器給定規(guī)律變化的目的。位置按指令電位器給定規(guī)律變化的目的。D Du33頁(yè)頁(yè)例例3：工作臺(tái)速度控制系統(tǒng)。：工作臺(tái)速度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成：系統(tǒng)構(gòu)成：該系統(tǒng)由指令電位器、放大器、電該系統(tǒng)由指令電位器、放大器、電液伺服液伺服閥、液壓缸、工作臺(tái)、齒條齒輪副、測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，其閥、液壓缸、工作臺(tái)、齒條齒輪副、測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，其功能是控制工作臺(tái)速度為某一恒定值。功能是控制工作臺(tái)速度為某一恒定值。P034頁(yè)頁(yè) 系統(tǒng)中，電系統(tǒng)中，電液伺服閥輸出油液流量的大小和液流方液伺服閥輸出油液流量的大小和液流方向分別由電向分別

34、由電液伺服閥的輸入電流大小和方向決定。改變液伺服閥的輸入電流大小和方向決定。改變電電液伺服閥輸入電流的大小和方向，便可改變工作臺(tái)運(yùn)液伺服閥輸入電流的大小和方向，便可改變工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度和方向。工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度由測(cè)速裝置動(dòng)速度和方向。工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度由測(cè)速裝置(該裝置由齒條、該裝置由齒條、齒輪和測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與輸入轉(zhuǎn)齒輪和測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與輸入轉(zhuǎn)速成正比速成正比)檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為電壓，與給定電壓比較，其偏差電檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為電壓，與給定電壓比較，其偏差電壓為壓為D Du。P035頁(yè)頁(yè)36頁(yè)頁(yè)當(dāng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為給定速度當(dāng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為給定速度V0時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓

35、時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓為為uc0，此時(shí)偏差電壓為，此時(shí)偏差電壓為D Du=ur uc0，放大器輸出電流為，放大器輸出電流為i0，電電液伺服閥輸出流量為液伺服閥輸出流量為Q0，該流量是保持工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速，該流量是保持工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度度V0所必需的。此時(shí)系統(tǒng)的工作狀態(tài)為平衡工作狀態(tài)，在所必需的。此時(shí)系統(tǒng)的工作狀態(tài)為平衡工作狀態(tài)，在系統(tǒng)工作過程中，如果由于負(fù)載、油溫或其他因素變化引系統(tǒng)工作過程中，如果由于負(fù)載、油溫或其他因素變化引起速度波動(dòng)，則起速度波動(dòng)，則ucuc0。若工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度。若工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度V大于給定速度大于給定速度V0，則，則ucuc0,因而因而D Du=ur uc0 D Du0，于是放大

36、器輸出電，于是放大器輸出電流減流減i小，從而使電小，從而使電液伺服閥輸出油液流量減小，工作臺(tái)液伺服閥輸出油液流量減小，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)速度V下降，當(dāng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度下降，當(dāng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度V等于給定速度等于給定速度V0時(shí)，時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)平衡工作狀態(tài)；反之，如果某因素使工作臺(tái)速度系統(tǒng)恢復(fù)平衡工作狀態(tài)；反之，如果某因素使工作臺(tái)速度下降小于給定速度下降小于給定速度V0時(shí)，則時(shí)，則ur D Du0，于是放大器輸出電流加大，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度上升，直到達(dá)于是放大器輸出電流加大，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度上升，直到達(dá)到到V0，系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)。，系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)。37頁(yè)頁(yè)該系統(tǒng)的方塊圖如下圖所示：該系統(tǒng)的方塊圖如下圖所示：電

37、位器電位器放大器放大器伺服閥伺服閥液壓缸液壓缸工作臺(tái)工作臺(tái)xrurucQxc(V)齒輪、齒條齒輪、齒條測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)in圖圖1-938頁(yè)頁(yè)例：恒溫箱控制系統(tǒng)例：恒溫箱控制系統(tǒng) TRuP2 t恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖39頁(yè)頁(yè)T恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖40頁(yè)頁(yè)例：機(jī)床工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)例：機(jī)床工作臺(tái)位置控制系統(tǒng) 41頁(yè)頁(yè) 由以上各例可知，雖然構(gòu)成各反饋控制系統(tǒng)的元件由以上各例可知，雖然構(gòu)成各反饋控制系統(tǒng)的元件不同，系統(tǒng)的功用也各不相同，但反饋控制系統(tǒng)的工作不同，系統(tǒng)的功用也各不相同，但反饋控制系統(tǒng)

38、的工作原理都是相同的，即都是按原理都是相同的，即都是按負(fù)反饋負(fù)反饋控制原理進(jìn)行工作控制原理進(jìn)行工作的。負(fù)反饋是一個(gè)利用偏差進(jìn)行控制并最后消除偏差的的。負(fù)反饋是一個(gè)利用偏差進(jìn)行控制并最后消除偏差的控制過程?？刂七^程。42頁(yè)頁(yè)1-4 系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 q 對(duì)廣義系統(tǒng)可按反饋情況分：對(duì)廣義系統(tǒng)可按反饋情況分：一、一、系統(tǒng)的幾種分類系統(tǒng)的幾種分類1、開環(huán)系統(tǒng)、開環(huán)系統(tǒng)2、閉環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)q 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)還可按輸出變化規(guī)律分對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)還可按輸出變化規(guī)律分1、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)2、隨動(dòng)系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)3、程序控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)43頁(yè)頁(yè)1、開

39、環(huán)系統(tǒng)、開環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制沒有影響的系統(tǒng)。其方框系統(tǒng)輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制沒有影響的系統(tǒng)。其方框圖表現(xiàn)為圖表現(xiàn)為無反饋回路無反饋回路。例：數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。例：數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。q 對(duì)廣義系統(tǒng)可按反饋情況分：對(duì)廣義系統(tǒng)可按反饋情況分：圖圖1-11控制裝置控制裝置伺伺 服服驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置工作臺(tái)工作臺(tái)指令指令工作臺(tái)工作臺(tái)位置位置輸入裝置輸入裝置(系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸入)(系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出)44頁(yè)頁(yè)2、閉環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)輸出量部分或全部地對(duì)系統(tǒng)控制作用有實(shí)際影響的系統(tǒng)。輸出量部分或全部地對(duì)系統(tǒng)控制作用有實(shí)際影響的系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作穩(wěn)定，但不能修正被控開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低

40、、工作穩(wěn)定，但不能修正被控制量的偏差。制量的偏差。閉環(huán)系統(tǒng)能自動(dòng)修正被控量的偏差，控制精度高，但系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)能自動(dòng)修正被控量的偏差，控制精度高，但系統(tǒng)容易產(chǎn)生振蕩。容易產(chǎn)生振蕩。控制裝置控制裝置驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置工作臺(tái)工作臺(tái)指令指令工作臺(tái)工作臺(tái)位置位置輸入裝置輸入裝置(系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸入)(系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出)檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置(被控對(duì)象被控對(duì)象)控制部分控制部分45頁(yè)頁(yè) 例如：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)例如：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng) 給定電壓給定電壓ug經(jīng)放大后產(chǎn)生電樞電壓經(jīng)放大后產(chǎn)生電樞電壓ua，當(dāng)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電壓，當(dāng)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電壓uf恒恒定時(shí)，改變定時(shí)，改變ua可得到不同的轉(zhuǎn)速可得到不同的轉(zhuǎn)速n

41、。n與與ua具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。例具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。例如當(dāng)如當(dāng)u=ua1時(shí)，時(shí)，n=n1；該系統(tǒng)的信號(hào)通路不閉合，所以是；該系統(tǒng)的信號(hào)通路不閉合，所以是開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)有擾動(dòng)引起轉(zhuǎn)速變化時(shí)，無法克服擾動(dòng)造成的影響，因此當(dāng)有擾動(dòng)引起轉(zhuǎn)速變化時(shí)，無法克服擾動(dòng)造成的影響，因此ua與與n之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是不準(zhǔn)確的。要進(jìn)行補(bǔ)償就必須借助人工改變輸入之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是不準(zhǔn)確的。要進(jìn)行補(bǔ)償就必須借助人工改變輸入電壓電壓ua。ug電位器電位器電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)載負(fù)載功率功率放大器放大器uaufn46頁(yè)頁(yè)例：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。例：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。在直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制開環(huán)控制系

42、統(tǒng)中系統(tǒng)中引引入測(cè)速發(fā)電機(jī)入測(cè)速發(fā)電機(jī)，構(gòu)成一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，構(gòu)成一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖所示。，如圖所示。ug電位器電位器電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)載負(fù)載功功放放ua47頁(yè)頁(yè)二、對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)還可按輸出變化規(guī)律分二、對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)還可按輸出變化規(guī)律分1、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 在外界干擾作用下，系統(tǒng)的輸出仍能基本保持在外界干擾作用下，系統(tǒng)的輸出仍能基本保持為常量的系統(tǒng)。如前所述蒸汽機(jī)離心調(diào)速機(jī)構(gòu)及工為常量的系統(tǒng)。如前所述蒸汽機(jī)離心調(diào)速機(jī)構(gòu)及工作臺(tái)速度控制系統(tǒng)。作臺(tái)速度控制系統(tǒng)。2、隨動(dòng)系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng) 在外界條件作用下，系統(tǒng)的輸出能相應(yīng)于輸入在外界條件作用下，系統(tǒng)的輸出能相應(yīng)

43、于輸入在廣闊范圍內(nèi)按任意規(guī)律變化的系統(tǒng)。例如炮瞄雷在廣闊范圍內(nèi)按任意規(guī)律變化的系統(tǒng)。例如炮瞄雷達(dá)系統(tǒng)、液壓仿形刀架。達(dá)系統(tǒng)、液壓仿形刀架。48頁(yè)頁(yè)3、程序控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng) 在外界作用下，系統(tǒng)的輸出按預(yù)定程序變化的在外界作用下，系統(tǒng)的輸出按預(yù)定程序變化的系統(tǒng)?？梢允情_環(huán)也可以是閉環(huán)的。系統(tǒng)?？梢允情_環(huán)也可以是閉環(huán)的。如：工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)。如：工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)。49頁(yè)頁(yè)三、閉環(huán)系統(tǒng)的組成三、閉環(huán)系統(tǒng)的組成如圖：如圖：執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)放大運(yùn)放大運(yùn)算環(huán)節(jié)算環(huán)節(jié)被控對(duì)象被控對(duì)象xixb測(cè)量環(huán)節(jié)測(cè)量環(huán)節(jié)e e圖圖1-14xo+-控制部分控制部分50頁(yè)頁(yè)給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行

44、環(huán)節(jié)放大運(yùn)放大運(yùn)算環(huán)節(jié)算環(huán)節(jié)被控對(duì)象被控對(duì)象xixb測(cè)量環(huán)節(jié)測(cè)量環(huán)節(jié)e exo+-控制部分控制部分1、給定環(huán)節(jié)：給出輸入信號(hào)的環(huán)節(jié)，用于確定被、給定環(huán)節(jié)：給出輸入信號(hào)的環(huán)節(jié)，用于確定被控對(duì)象的控對(duì)象的“目標(biāo)值目標(biāo)值”，給定環(huán)節(jié)可以用各種形式發(fā)，給定環(huán)節(jié)可以用各種形式發(fā)出信號(hào)；出信號(hào)；如：電位器、大腦中理想車速值如：電位器、大腦中理想車速值給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)圖圖1-1451頁(yè)頁(yè)給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)放大運(yùn)放大運(yùn)算環(huán)節(jié)算環(huán)節(jié)被控對(duì)象被控對(duì)象xixb測(cè)量環(huán)節(jié)測(cè)量環(huán)節(jié)e exo+-控制部分控制部分2、測(cè)量環(huán)節(jié)：它用于測(cè)量被控變量，并將被控變、測(cè)量環(huán)節(jié)：它用于測(cè)量被控變量，并將被控變量轉(zhuǎn)換為便于

45、傳送的另一物理量；量轉(zhuǎn)換為便于傳送的另一物理量；各種傳感器及變送器各種傳感器及變送器測(cè)量環(huán)節(jié)測(cè)量環(huán)節(jié)圖圖1-1452頁(yè)頁(yè)給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)放大運(yùn)放大運(yùn)算環(huán)節(jié)算環(huán)節(jié)被控對(duì)象被控對(duì)象xixb測(cè)量環(huán)節(jié)測(cè)量環(huán)節(jié)exo+-控制部分控制部分3、比較環(huán)節(jié)：將輸入信號(hào)、比較環(huán)節(jié)：將輸入信號(hào)xi和反饋量和反饋量xb相比較，相比較，輸出一偏差信號(hào)輸出一偏差信號(hào)e=xi-xb，如，如e=0，則后續(xù)部分不再，則后續(xù)部分不再動(dòng)作。動(dòng)作。圖圖1-1453頁(yè)頁(yè)執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)放大運(yùn)放大運(yùn)算環(huán)節(jié)算環(huán)節(jié)被控對(duì)象被控對(duì)象xixb測(cè)量環(huán)節(jié)測(cè)量環(huán)節(jié)e exo+-控制部分控制部分執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)4、放大及

46、運(yùn)算環(huán)節(jié)：將偏差信號(hào)做必要的校正，、放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)：將偏差信號(hào)做必要的校正，然后進(jìn)行功率放大，以便推動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)；然后進(jìn)行功率放大，以便推動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)；5、執(zhí)行環(huán)節(jié)：接收放大環(huán)節(jié)來的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行環(huán)節(jié)：接收放大環(huán)節(jié)來的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象按照預(yù)期的規(guī)律進(jìn)行。被控對(duì)象按照預(yù)期的規(guī)律進(jìn)行。圖圖1-14放大運(yùn)放大運(yùn)算環(huán)節(jié)算環(huán)節(jié)54頁(yè)頁(yè)二、二、控制系統(tǒng)的基本要求控制系統(tǒng)的基本要求 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求 評(píng)價(jià)一個(gè)控制系統(tǒng)的好壞，指標(biāo)是多種多樣的，各系統(tǒng)依評(píng)價(jià)一個(gè)控制系統(tǒng)的好壞，指標(biāo)是多種多樣的，各系統(tǒng)依其使用目的的不同，對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求不同。但對(duì)控制系其使用目的的不同，對(duì)各項(xiàng)

47、性能指標(biāo)的要求不同。但對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求一般可歸納為以下幾個(gè)方面（性能評(píng)價(jià)指標(biāo)）：統(tǒng)的基本要求一般可歸納為以下幾個(gè)方面（性能評(píng)價(jià)指標(biāo)）：1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性 輸出量對(duì)給定的輸入量的偏離應(yīng)該隨著時(shí)間增長(zhǎng)逐漸趨輸出量對(duì)給定的輸入量的偏離應(yīng)該隨著時(shí)間增長(zhǎng)逐漸趨近于零（特征方程的根均具有負(fù)實(shí)部），這樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定系近于零（特征方程的根均具有負(fù)實(shí)部），這樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定系統(tǒng)。穩(wěn)定性要求是控制系統(tǒng)正常工作的統(tǒng)。穩(wěn)定性要求是控制系統(tǒng)正常工作的首要首要條件，且是條件，且是最重要最重要的條件。實(shí)際控制系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)均留有一定的的條件。實(shí)際控制系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)均留有一定的穩(wěn)定裕度穩(wěn)定裕度，系統(tǒng)工作時(shí)參

48、數(shù)可能發(fā)生變化時(shí)，如果未留穩(wěn)定裕度或裕度值系統(tǒng)工作時(shí)參數(shù)可能發(fā)生變化時(shí)，如果未留穩(wěn)定裕度或裕度值不夠時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是不能工作的。不夠時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是不能工作的。55頁(yè)頁(yè)2、響應(yīng)的快速性、響應(yīng)的快速性 快速性指當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差快速性指當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快慢程度。它是衡量系統(tǒng)性能的一個(gè)很時(shí)，消除這種偏差的快慢程度。它是衡量系統(tǒng)性能的一個(gè)很重要的指標(biāo)。重要的指標(biāo)。56頁(yè)頁(yè)ts2%(5%)ox txomaxx二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)57頁(yè)頁(yè)3、響應(yīng)的準(zhǔn)確性、響應(yīng)的準(zhǔn)確性 是指在過渡過

49、程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量的偏是指在過渡過程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量的偏差，它又稱為靜態(tài)精度，它也是衡量系統(tǒng)工作性能的重差，它又稱為靜態(tài)精度，它也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。要指標(biāo)。對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求可以用三個(gè)字來表示：對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求可以用三個(gè)字來表示：“穩(wěn)、快、準(zhǔn)穩(wěn)、快、準(zhǔn)”本課程所要講解的內(nèi)容都是圍繞本課程所要講解的內(nèi)容都是圍繞“穩(wěn)、快、準(zhǔn)穩(wěn)、快、準(zhǔn)”這三項(xiàng)要求來進(jìn)行的。這三項(xiàng)要求來進(jìn)行的。58頁(yè)頁(yè) 本課程的任務(wù)本課程的任務(wù) 不同的控制系統(tǒng)，由于其控制要求不同，對(duì)于不同的控制系統(tǒng)，由于其控制要求不同，對(duì)于穩(wěn)定穩(wěn)定性、響應(yīng)速度以及穩(wěn)態(tài)精度性、響應(yīng)速度以及穩(wěn)態(tài)精度的要求也是不相同

50、的。如隨動(dòng)的要求也是不相同的。如隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)速度的要求是很高的。系統(tǒng)的三個(gè)方面的要求系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)速度的要求是很高的。系統(tǒng)的三個(gè)方面的要求往往是相互制約相互矛盾的。從后面的講解中同學(xué)們會(huì)了往往是相互制約相互矛盾的。從后面的講解中同學(xué)們會(huì)了解到，要想使系統(tǒng)的響應(yīng)速度解到，要想使系統(tǒng)的響應(yīng)速度（快）（快）與穩(wěn)態(tài)精度與穩(wěn)態(tài)精度（準(zhǔn)）（準(zhǔn)）的的提高，就要求系統(tǒng)具有較大的增益值（放大能力），而增提高，就要求系統(tǒng)具有較大的增益值（放大能力），而增益的增大，總是使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度降低甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)益的增大，總是使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度降低甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)由穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定由穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定（穩(wěn)）（穩(wěn)）。這也就是說：。這也

51、就是說：系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性、高精度與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性之間是永系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性、高精度與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性之間是永恒的矛盾！恒的矛盾！59頁(yè)頁(yè)那么本課程的任務(wù)也就很明確了：那么本課程的任務(wù)也就很明確了：解決上面的矛盾解決上面的矛盾1、對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)（一定首先保證它是穩(wěn)定的），、對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)（一定首先保證它是穩(wěn)定的），如何從理論上對(duì)它的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)度定性的分析如何從理論上對(duì)它的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)度定性的分析和定量的計(jì)算；和定量的計(jì)算；2、根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能要求，如何合理地、根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能要求，如何合理地設(shè)計(jì)校正裝置設(shè)計(jì)校正裝置，使系，使系統(tǒng)的性能能全面地滿足技術(shù)上要求。統(tǒng)的性能能全

52、面地滿足技術(shù)上要求。60頁(yè)頁(yè)對(duì)大家的幾點(diǎn)要求對(duì)大家的幾點(diǎn)要求1、按時(shí)上課，勿曠課、遲到、早退；、按時(shí)上課，勿曠課、遲到、早退；2、按時(shí)交作業(yè)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并要求獨(dú)立完成；、按時(shí)交作業(yè)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并要求獨(dú)立完成；3、上課認(rèn)真聽講，勿影響他人；、上課認(rèn)真聽講，勿影響他人；4、按時(shí)做實(shí)驗(yàn)，認(rèn)真預(yù)習(xí)，更不允許讓同學(xué)替代。、按時(shí)做實(shí)驗(yàn)，認(rèn)真預(yù)習(xí)，更不允許讓同學(xué)替代。5、請(qǐng)將手機(jī)關(guān)閉（至少也要打振動(dòng)吧）！、請(qǐng)將手機(jī)關(guān)閉（至少也要打振動(dòng)吧）！本門課程綜合性強(qiáng)，涉及的知識(shí)面廣，希望本門課程綜合性強(qiáng)，涉及的知識(shí)面廣，希望大家能認(rèn)真學(xué)習(xí)。大家能認(rèn)真學(xué)習(xí)。必修課必修課?任選課？任選課？61頁(yè)頁(yè)謝謝觀看/歡迎下載BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH