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1、 2n 控 制 原 理 是 工 科 機 類 專 業(yè) 的 一 門 專 業(yè) 基 礎(chǔ)課 ， 起 著 銜 接 基 礎(chǔ) 理 論 與 專 業(yè) 知 識 ， 溝 通 機 、 電類 相 關(guān) 專 業(yè) 課 程 的 重 要 作 用 。 n 在 現(xiàn) 代 機 電 設(shè) 備 中 ， 控 制 系 統(tǒng) 是 將 構(gòu) 成 設(shè) 備 的 光 、機 、 電 、 液 等 各 個 子 系 統(tǒng) 組 合 成 一 個 有 機 整 體 的核 心 環(huán) 節(jié) 。 控 制 理 論 及 其 技 術(shù) 在 國 民 經(jīng) 濟 的 各 個行 業(yè) 以 及 航 天 航 空 、 軍 工 國 防 等 多 個 領(lǐng) 域 都 有 著廣 泛 和 重 要 的 應(yīng) 用 。n 控 制 原 理

2、 課 程 所 介 紹 的 經(jīng) 典 控 制 理 論 既 是 現(xiàn)代 控 制 技 術(shù) 的 理 論 基 礎(chǔ) ， 也 是 進 行 機 械 工 程 控 制系 統(tǒng) 分 析 與 設(shè) 計 所 依 賴 的 主 要 技 術(shù) 方 法 之 一 。 3中 國 馬 鈞 研 制 出 用齒 輪 傳 動 的 自 動 指示 方 向 的 指 南 車（ 235年 ） 中 國 ,埃 及 和 巴 比 倫出 現(xiàn) 自 動 計 時 漏 壺（ 1400BC - 1100BC） 中 國 李 冰 父 子 率 眾 修造 的 以 無 壩 引 水 為 特征 的 四 川 都 江 堰 水 利工 程 （ 256BC)） 4美 國 MIT Servomechani

3、sm Laboratory 研 制 出 第 一 臺數(shù) 控 機 床 (1952) 美 國 George Devol研制 出 第 一 臺 工 業(yè) 機 器人 樣 機 (1954)英 國 J. Watt用 離 心 式調(diào) 速 器 控 制 蒸 汽 機 的速 度 （ 1788年 ） 5前 蘇 聯(lián) 第 一 座 投 入 使 用的 太 空 空 間 站 (1974) 前 蘇 聯(lián) 第 一 顆人 造 衛(wèi) 星 (1957)美 國 第 一 架 航 天 飛 機原 型 機 企 業(yè) 號 (1977) 6薄板連鑄連軋生產(chǎn)線 機 器 人 搬 運汽 車 焊 接 生 產(chǎn) 線 7 1. 緒 論 1. 典 型 環(huán) 節(jié) 及 其 時 間 響 應(yīng)

4、2. 系 統(tǒng) 的 數(shù) 學(xué) 模 型6. 系 統(tǒng) 的 性 能 指 標 與 校 正5. 穩(wěn) 定 性 分 析4. 頻 率 特 性 分 析3. 時 間 響 應(yīng) 分 析 3. 線 性 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 性 分 析 及其 校 正 2. 頻 域 響 應(yīng) 實 驗 8 n 楊 叔 子 等 . 機 械 工 程 控 制 基 礎(chǔ) ， 華 中 科 技 大 學(xué) 出 版 社 ，2005、 2013， 第 5、 6版n 董 景 新 等 .控 制 工 程 基 礎(chǔ) ,清 華 大 學(xué) 出 版 社 ,2003， 第 2版n 李 友 善 .自 動 控 制 原 理 (上 冊 ),國 防 工 業(yè) 出 版 社 ， 1980n 裴 潤 等 .自

5、動 控 制 原 理 (上 冊 ),哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) 出 版 社 , 2006n 楊 前 明 等 .機 械 工 程 控 制 基 礎(chǔ) ， 華 中 科 技 大 學(xué) 出 版 社 ，2010 9 本 章 教 學(xué) 內(nèi) 容1.1 機 械 工 程 控 制 論 的 研 究 對 象 與 任 務(wù) 1.2 系 統(tǒng) 及 其 模 型1.4 系 統(tǒng) 的 分 類 及 對 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 要 求1.3 反 饋 本 章 教 學(xué) 目 的 本 章 的 教 學(xué) 旨 在 使 同 學(xué) 們 對 本 課 程 的 教 學(xué) 內(nèi) 容 有 個 大 致 了 解 ， 對 控 制 理 論 、 控 制 系 統(tǒng) 的 有 關(guān) 概 念 有 個

6、 基 本 認 識 ， 對 機 械 系 統(tǒng) 動 力 學(xué) 分 析 方 法 能 有 初 步 的 體 會 。 10 1.1 機 械 工 程 控 制 論 的 研 究 對 象 及 任 務(wù)n 控 制 指 一 事 物 對 另 一 事 物 所 施 加 的 強 制 性 約 束 ， 對 控 制 系 統(tǒng)而 言 ， 這 種 約 束 是 讓 某 個 物 理 量 按 一 定 規(guī) 律 變 化 。 具 有 以 下 特 點 ：p 具 有 某 種 不 確 定 性 ；p 這 種 不 確 定 性 的 變 化 可 借 助 信 息 來 表 示 ；p 控 制 的 過 程 就 是 不 斷 減 少 這 種 不 確 定 性 的 過 程 。n 控

7、制 論 （ Cybernetics） 關(guān) 于 在 動 物 和 機 器 中 控 制 和 通 訊 的 科學(xué) ， 研 究 的 是 更 為 廣 泛 的 系 統(tǒng) 里 更 為 一 般 的 控 制 規(guī) 律 。n 工 程 控 制 論 控 制 論 在 工 程 技 術(shù) 領(lǐng) 域 中 的 應(yīng) 用 ， 是 以 一 般 工 程系 統(tǒng) 為 研 究 對 象 ， 研 究 系 統(tǒng) 及 其 輸 入 、 輸 出 三 者 之 間 的 動 態(tài) 關(guān) 系 。n 機 械 工 程 控 制 論 控 制 論 在 機 械 工 程 中 的 應(yīng) 用 ， 主 要 以 機 械 系統(tǒng) 為 研 究 對 象 。 本 課 程 主 要 是 應(yīng) 用 古 典 控 制 理

8、論 研 究 單 輸 入 單 輸 出 線 性 系 統(tǒng) 中 系 統(tǒng) 與 其 輸 入 、 輸 出 之 間 的 動 態(tài) 關(guān) 系 。 11 1.1 機 械 工 程 控 制 論 的 研 究 對 象 及 任 務(wù) ： 舉 例作 用 著 不同 輸 入 的同 一 個 機械 系 統(tǒng) 00 )0()0( )()()()( yyyy tftkytyctym 00 )0()0( )()()()()( yyyy tkxtxctkytyctym )()()( 2 tftykcpmp )()()()( 2 txkcptykcpmp dtdp系 統(tǒng) 動 力學(xué) 方 程 或數(shù) 學(xué) 模 型 12 1.2 系 統(tǒng) 及 其 模 型n 系

9、統(tǒng) 由 相 互 聯(lián) 系 、 相 互 作 用 的 若 干 部 分 或 元 素 ， 以 一 定 的 結(jié)構(gòu) 組 成 的 具 有 特 定 功 能 的 整 體 ， 即 具 有 以 下 特 性1.2.1 系 統(tǒng) 具 有 整 體 性 具 有 相 對 獨 立 性 具 有 特 定 的 結(jié) 構(gòu) 具 有 一 定 的 功 能 ， 或 一 定 的 目 的 性 要 點 ：(1) 系 統(tǒng) 整 體 特 性 不 是 組 成 系 統(tǒng) 的 各 元 件 特 性 的 簡 單 迭 加 ；(2) 系 統(tǒng) 性 能 除 了 與 組 成 系 統(tǒng) 的 元 件 的 性 能 有 關(guān) 還 與 元 件 間 相 互結(jié) 合 的 形 式 有 關(guān) 。 13 n

10、機 械 系 統(tǒng) 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) （ 包 括 液 壓 系 統(tǒng) ） ， 如 軋機 、 機 床 、 交 通 工 具 等 。1.2.2 機 械 系 統(tǒng) 機 械 系 統(tǒng) 的 激 勵 ： 外 界 對 系 統(tǒng) 的 作 用 ， 也 稱 為 系 統(tǒng) 輸 入 ， 通常 表 現(xiàn) 為 力 /扭 矩 （ 載 荷 ） 。 該 作 用 如 果 是 有 意 施 加 的 通 常 可稱 之 為 “ 控 制 ” ， 否 則 就 被 視 為 “ 擾 動 ” 。 機 械 系 統(tǒng) 的 響 應(yīng) ： 系 統(tǒng) 在 輸 入 作

11、用 下 所 產(chǎn) 生 的 輸 出 ， 通 常 表現(xiàn) 為 位 移 （ 角 位 移 ） 或 變 形 。1.2 系 統(tǒng) 及 其 模 型 14 1.2.3 靜 態(tài) 模 型 與 動 態(tài) 模 型n 數(shù) 學(xué) 模 型 用 數(shù) 學(xué) 方 法 并 依 據(jù) 物 理 或 專 業(yè) 定 律 描 述 一 個 系 統(tǒng)內(nèi) 部 各 部 分 之 間 、 系 統(tǒng) 與 其 外 部 環(huán) 境 之 間 相 互 關(guān) 系 的 理 論 模 型 。n 靜 態(tài) 模 型 反 映 系 統(tǒng) 在 恒 定 或 緩 變 載荷 作 用 下 ， 或 在 平 衡 狀 態(tài) 下 的 系 統(tǒng) 特 性 的數(shù) 學(xué) 模 型 。 靜 態(tài) 模 型 一 般 用 代 數(shù) 方 程 描 述 。n

12、 動 態(tài) 模 型 反 映 系 統(tǒng) 在 迅 變 載 荷 作 用下 ， 或 在 系 統(tǒng) 不 平 衡 狀 態(tài) 下 的 系 統(tǒng) 特 性 的數(shù) 學(xué) 模 型 。 動 態(tài) 模 型 一 般 用 微 分 方 程 或 差分 方 程 描 述 。 靜 態(tài) 模 型動 態(tài) 模 型)()( )()()()( tFtkx tFtkxtxctxm 靜 態(tài) 模 型 的 輸 出 取 決 于 當 前 輸 入 ， 動 態(tài) 模 型 的 輸 出 則 還 與 歷 史 的輸 入 有 關(guān) ， 且 動 態(tài) 模 型 通 常 包 含 靜 態(tài) 模 型 。 15ymF kkyymF 疲 勞 試 驗 機 在 一 定 條 件 下 可 以 簡 化成 一 個 質(zhì)

13、 量 -彈 簧 系 統(tǒng) ,系 統(tǒng) 輸 入 (激振 力 ) 和 系 統(tǒng) 輸 出 (材 料 的 變 形 )之間 的 關(guān) 系 ,可 借 助 于 牛 頓 定 律 建 立 該系 統(tǒng) 的 動 態(tài) 模 型 ：如 果 是 一 個 恒 定 載 荷 ,則 當 系 統(tǒng) 處 于 平 衡 狀 態(tài)時 ， 可 得 到 系 統(tǒng) 的 靜 態(tài)模 型 ： kyF 1.2.3 靜 態(tài) 模 型 與 動 態(tài) 模 型 ： 舉 例1.2 系 統(tǒng) 及 其 模 型 16 n 反 饋 指 系 統(tǒng) 或 部 件 的 輸 出 會 反 過 來 作 用 于 其 輸 入 的 現(xiàn) 象 。它 是 系 統(tǒng) 得 以 產(chǎn) 生 動 態(tài) 響 應(yīng) 過 程 的 根 本 原 因

14、 。1.3 反 饋1.3.1 機 械 工 程 中 的 反 饋 控 制圖 1.3.2為 靜 壓 軸 承 工 作 原 理 ， 它 是 利 用 反 饋 的 原 理 進 行 工 作 的 。 17 n 反 饋 控 制 有 意 地 利 用 系 統(tǒng) 輸 出 來 改 變 系 統(tǒng) 的 輸 入 ， 進 而 影 響系 統(tǒng) 輸 出 的 控 制 方 法 ， 也 稱 之 為 閉 環(huán) 控 制 ； 又 因 它 是 用 系 統(tǒng) 希 望輸 出 與 實 際 輸 出 比 較 后 所 得 到 的 偏 差 進 行 控 制 故 也 稱 為 偏 差 控 制 。1.3 反 饋1.3.1 機 械 工 程 中 的 反 饋 控 制無 外 反 饋 （

15、 開 環(huán) 系 統(tǒng) ） 反 饋 控 制 （ 閉 環(huán) 系 統(tǒng) ） 18 1.3.2 機 械 系 統(tǒng) 的 內(nèi) 在 反 饋機 械 系 統(tǒng) 的 內(nèi) 反 饋 是 構(gòu) 成 系 統(tǒng) 的 各 個 要 素 之 間 自 然 而 然 的 相 互 作 用 ，其 決 定 了 系 統(tǒng) 的 動 態(tài) 響 應(yīng) 過 程 ymF k (a)kyymF 例 如 圖 (a)所 示 系 統(tǒng) ， 似 乎 沒 有 明 顯的 反 饋 通 道 ， 其 力 平 衡 方 程 為 ： m1 kF - y(b) dtkyFmy 1以 其 質(zhì) 量 m 的 位 移 y為 系 統(tǒng) 的 輸 出 ，則 上 式 可 改 寫 為 ：該 式 可 用 圖 (b)表 示 ，

16、 顯 然 該 系 統(tǒng) 還 是 存 在 著 反 饋 通 道 。1.3 反 饋 19 n 按 反 饋 的 有 無 分 類 開 環(huán) 系 統(tǒng) 、 閉 環(huán) 系 統(tǒng)1.4 系 統(tǒng) 的 分 類 及 對 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 要 求1.4.1 系 統(tǒng) 的 幾 種 分 類開 環(huán) 系 統(tǒng) 系 統(tǒng) 中 沒 有 任 何 一 個 環(huán) 節(jié)受 到 系 統(tǒng) 輸 出 反 饋 作 用 ， 也 稱 為 開 環(huán)控 制 系 統(tǒng) 。 其 優(yōu) 點 是 簡 單 、 穩(wěn) 定 、 可靠 ， 缺 點 是 精 度 不 高 、 抗 擾 動 性 能 差 。閉 環(huán) 系 統(tǒng) 指 系 統(tǒng) 的 輸 入 裝 置 受 到 系統(tǒng) 輸 出 反 饋 作 用 的 系

17、 統(tǒng) 。 其 優(yōu) 點 是 精度 高 、 抗 擾 動 性 好 ， 缺 點 是 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 、控 制 難 度 大 。半 閉 環(huán) 系 統(tǒng) 系 統(tǒng) 中 某 個 環(huán) 節(jié) （ 非 輸 入 裝 置 ） 受 到 系 統(tǒng) 輸 出 反 饋 作 用 ， 或輸 入 裝 置 受 到 系 統(tǒng) 某 個 環(huán) 節(jié) （ 非 輸 出 量 ） 的 反 饋 作 用 。 20 1.4 系 統(tǒng) 的 分 類 及 對 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 要 求1.4.1 系 統(tǒng) 的 幾 種 分 類 自 動 調(diào) 節(jié) 系 統(tǒng) 在 外 界 干 擾 作 用 下 ， 系 統(tǒng)輸 出 仍 能 基 本 保 持 為 常 量 的 系 統(tǒng) （ 如 恒 溫 控制 、 液

18、 面 控 制 系 統(tǒng) 等 )。 這 種 系 統(tǒng) 的 輸 入 多 為常 值 ， 對 穩(wěn) 定 性 有 較 高 要 求 。 隨 動 系 統(tǒng) （ 伺 服 系 統(tǒng) ） 系 統(tǒng) 輸 出 能 相 應(yīng)于 輸 入 在 廣 闊 范 圍 內(nèi) 按 任 意 規(guī) 律 變 化 的 系 統(tǒng)(如 雷 達 跟 蹤 、 電 液 伺 服 系 統(tǒng) 等 )。 這 種 系 統(tǒng) 對響 應(yīng) 速 度 有 較 高 要 求 。 程 序 控 制 系 統(tǒng) 系 統(tǒng) 輸 出 按 預(yù) 定 程 序 變 化的 系 統(tǒng) (如 數(shù) 控 加 工 系 統(tǒng) 等 )。 這 類 系 統(tǒng) 可 以 是 閉 環(huán) 控 制 ， 也 可 以 是 開 環(huán) 控 制 。 對 于 閉 環(huán) 程序

19、控 制 系 統(tǒng) ， 其 性 能 界 于 以 上 兩 類 系 統(tǒng) 之 間 。n 按 輸 出 變 化 規(guī) 律 分 類 調(diào) 節(jié) 系 統(tǒng) 、 隨 動 系 統(tǒng) 、 程 序 控 制 系 統(tǒng) 21 1.4 系 統(tǒng) 的 分 類 及 對 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 要 求1.4.1 系 統(tǒng) 的 幾 種 分 類n 按 描 述 系 統(tǒng) 的 數(shù) 學(xué) 模 型 分 類 線 性 控 制 系 統(tǒng) 指 可 用 線 性 微 分 方 程 來 描 述 的 系 統(tǒng) 。 非 線 性 控 制 系 統(tǒng) 指 不 能 用 線 性 微 分 方 程 來 描 述 的 系 統(tǒng) ， 此 種 系 統(tǒng) 包 含 著 變 量 中 具 有 非 線 性 關(guān) 系 的

20、元 器 件 。n 按 系 統(tǒng) 中 傳 遞 信 號 的 性 質(zhì) 分 類 連 續(xù) 控 制 系 統(tǒng) 系 統(tǒng) 中 傳 遞 的 信 號 都 是 模 擬 信 號 ， 控 制 規(guī) 律 是用 硬 件 組 成 的 控 制 器 實 現(xiàn) 的 。 描 述 此 種 系 統(tǒng) 的 數(shù) 學(xué) 工 具 是 微 分方 程 和 拉 氏 變 換 。 離 散 控 制 系 統(tǒng) 系 統(tǒng) 中 傳 遞 的 信 號 有 數(shù) 字 信 號 ， 控 制 規(guī) 律 是 用軟 件 實 現(xiàn) 的 ， 計 算 機 作 為 系 統(tǒng) 的 控 制 器 。 描 述 此 種 系 統(tǒng) 的 數(shù) 學(xué)工 具 是 差 分 方 程 和 Z變 換 。 22 1.4 系 統(tǒng) 的 分 類 及

21、 對 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 要 求1.4.1 系 統(tǒng) 的 幾 種 分 類 ： 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 的 構(gòu) 成n 給 定 環(huán) 節(jié) 產(chǎn) 生 給 定 信 號 (輸 入 信 號 、指 令 信 號 ),用 于 確 定 被 控 對 象 的 目 標值 (期 望 值 )。n 測 量 環(huán) 節(jié) 檢 測 被 控 變 量 (含 輸 出 ),并 轉(zhuǎn)換 成 可 用 于 比 較 、 運 算 的 電 量 或 數(shù) 字量 。n 比 較 環(huán) 節(jié) 將 指 令 信 號 (系 統(tǒng) 響 應(yīng) 的 期望 值 )與 檢 測 反 饋 值 進 行 比 較 ,產(chǎn) 生 可用 于 控 制 器 運 算 的 偏 差 信 號 。n 放 大 及 運 算

22、 環(huán) 節(jié) 該 環(huán) 節(jié) 就 是 系 統(tǒng) 的 控制 器 ,其 根 據(jù) 偏 差 信 號 產(chǎn) 生 對 系 統(tǒng) 輸 出進 行 調(diào) 整 的 控 制 信 號 。 n 執(zhí) 行 環(huán) 節(jié) 將 控 制 器 產(chǎn) 生 的 控 制 信 號 進 行 功 率 放 大 和 能 量 形 式 的 轉(zhuǎn) 換 , 以 驅(qū) 動 被 控 對 象 按 所 要 求 的 規(guī) 律 運 動 。 23 1.4 系 統(tǒng) 的 分 類 及 對 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 要 求n 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 性 系 統(tǒng) 抵 抗 擾 動 恢 復(fù) 平 衡 狀態(tài) 的 能 力 。p 穩(wěn) 定 的 系 統(tǒng) 當 輸 出 受 擾 偏 離 平 衡 狀 態(tài) 時 ，其 輸 出 能 隨 時 間

23、 的 增 長 收 斂 并 回 到 初 始平 衡 狀 態(tài) 。p 穩(wěn) 定 性 是 系 統(tǒng) 正 常 工 作 的 先 決 條 件 。 不 穩(wěn) 定 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 系 統(tǒng)1.4.2 對 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 要 求 ： 穩(wěn) 定 性 、 快 速 性 和 準 確 性 負 反 饋 ： 誤 差 不 斷 減 小 l1 Q1H Q2 l2 Q1 Q2l2 H l1正 反 饋 ： 誤 差 不 斷 增 加 正 反 饋 系 統(tǒng) 屬 于 結(jié)構(gòu) 不 穩(wěn) 定 系 統(tǒng) ， 對于 這 類 系 統(tǒng) ， 不 論如 何 調(diào) 整 系 統(tǒng) 參 數(shù)都 不 可 能 使 系 統(tǒng) 穩(wěn)定 下 來 。 24 1.4 系 統(tǒng) 的 分 類 及 對 控

24、 制 系 統(tǒng) 的 基 本 要 求1.4.2 對 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 要 求 ： 穩(wěn) 定 性 、 快 速 性 和 準 確 性n 系 統(tǒng) 快 速 性 在 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 的 前 提 下 ， 當 系 統(tǒng) 輸 出 量 和 輸 入量 之 間 產(chǎn) 生 偏 差 時 ， 系 統(tǒng) 消 除 這 種 偏 差 的 快 慢 程 度 。 它 表 征 系統(tǒng) 的 動 態(tài) 性 能 。n 系 統(tǒng) 準 確 性 在 調(diào) 整 過 程 結(jié) 束 后 ， 系 統(tǒng) 輸 出 量 與 目 標 值 之間 的 偏 差 程 度 ， 常 用 穩(wěn) 態(tài) 偏 差 或 靜 態(tài) 精 度 表 示 。 它 反 映 系 統(tǒng) 的穩(wěn) 態(tài) 性 能 。n 說 明 ： 不 同 性 質(zhì) 的 控 制 系 統(tǒng) ， 對 穩(wěn) 定 性 、 快 速 性 和 準 確 性 的 要 求各 有 側(cè) 重 ； 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 、 快 速 性 、 準 確 性 相 互 制 約 ， 應(yīng) 根 據(jù) 實 際 需 求 合 理 選 擇 。 25 課 后 作 業(yè)第 五 版 教 材 23 25 頁 : 1.6 ， 1.7 ， 1.13第 六 版 教 材 26 28 頁 : 1.6 ， 1.7 ， 1.13