機械工程控制基礎(chǔ) 第1章

1、機械工程控制基礎(chǔ)機械工程控制基礎(chǔ) 第一章第一章 自動控制的一般概念自動控制的一般概念 第二章第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 第三章第三章 控制系統(tǒng)的時域分析法控制系統(tǒng)的時域分析法 第四章第四章 頻域分析法頻域分析法 第五章第五章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 第六章第六章 控制系統(tǒng)的校正控制系統(tǒng)的校正第第1 1章章 自動控制的一般概念自動控制的一般概念幾個定義幾個定義本課程的主要內(nèi)容和任務(wù)本課程的主要內(nèi)容和任務(wù)1.1 1.1 控制理論的研究對象與任務(wù)控制理論的研究對象與任務(wù)1.2 1.2 系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)及其模型1.3 1.3 反饋反饋1.4 1.4 系統(tǒng)的幾種分類及對控制系

2、統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的幾種分類及對控制系統(tǒng)的基本要求補充：系統(tǒng)方框圖的繪制補充：系統(tǒng)方框圖的繪制控制：通過對一定對象實施一定的操作，以使其按照預(yù)定的規(guī)律運動或變化的過程。 加熱電阻絲加熱電阻絲220V調(diào)壓器調(diào)壓器人工控制的恒溫箱人工控制的恒溫箱 溫度計溫度計幾個定義幾個定義對象定義對象定義對象對象 是一個設(shè)備，它是由一些機器零件有機地組合是一個設(shè)備，它是由一些機器零件有機地組合在一起的，其作用是完成一個特定的動作我們稱任在一起的，其作用是完成一個特定的動作我們稱任何被控物體何被控物體( (如加熱爐，化學反應(yīng)器或宇宙飛船如加熱爐，化學反應(yīng)器或宇宙飛船) )為對為對象。象。過程定義過程定義過程過程 賓

3、里亞賓里亞- -韋伯斯特韋伯斯特( (Merrriam-Webster)Merrriam-Webster)字典字典對過程的定義是：對過程的定義是：一種自然的逐漸進行地運轉(zhuǎn)或發(fā)一種自然的逐漸進行地運轉(zhuǎn)或發(fā)展，展，其特征是，有一系列逐漸的變化以相對固定的方法其特征是，有一系列逐漸的變化以相對固定的方法相繼發(fā)生在運轉(zhuǎn)或發(fā)展狀態(tài)中，并且最后導致一個相繼發(fā)生在運轉(zhuǎn)或發(fā)展狀態(tài)中，并且最后導致一個特定的結(jié)果或狀態(tài)特定的結(jié)果或狀態(tài)；或者也可以定義為；或者也可以定義為人為的或隨人為的或隨意的連續(xù)運行狀態(tài)意的連續(xù)運行狀態(tài)，這種運行狀態(tài)由一系列被控制，這種運行狀態(tài)由一系列被控制的動作和一直進行到某一特定結(jié)果或狀態(tài)的

4、有規(guī)則的動作和一直進行到某一特定結(jié)果或狀態(tài)的有規(guī)則的運動構(gòu)成的運動構(gòu)成我們稱任何被控制的運行狀態(tài)為過我們稱任何被控制的運行狀態(tài)為過程程其具體例子如化學過程，經(jīng)濟學過程和生物學其具體例子如化學過程，經(jīng)濟學過程和生物學過程過程 溫度計溫度計 加熱電阻絲加熱電阻絲u220Vk爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)爐溫開環(huán)控制系統(tǒng) 開關(guān)閉合后，不開關(guān)閉合后，不同的輸入電壓同的輸入電壓u u對應(yīng)于對應(yīng)于不同的溫度不同的溫度t t。系統(tǒng)定義系統(tǒng)定義 系統(tǒng)系統(tǒng) 是一些部件的組合，這些部件組合在一起，是一些部件的組合，這些部件組合在一起，完成一定的任務(wù)完成一定的任務(wù)系統(tǒng)不限于物理系統(tǒng)系統(tǒng)的概系統(tǒng)不限于物理系統(tǒng)系統(tǒng)的概念可以應(yīng)用于抽

5、象的動態(tài)現(xiàn)象，如在經(jīng)濟學中遇到念可以應(yīng)用于抽象的動態(tài)現(xiàn)象，如在經(jīng)濟學中遇到的一些現(xiàn)象因此，的一些現(xiàn)象因此，“系統(tǒng)系統(tǒng)”這個詞應(yīng)當理解為包這個詞應(yīng)當理解為包含了物理學，生物學和經(jīng)濟學等現(xiàn)象的系統(tǒng)含了物理學，生物學和經(jīng)濟學等現(xiàn)象的系統(tǒng)廣義廣義系統(tǒng)系統(tǒng)可大可小，可繁可簡，甚至可實可虛，完全由可大可小，可繁可簡，甚至可實可虛，完全由研究的需要而定。研究的需要而定。系統(tǒng)的特性系統(tǒng)的特性:系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關(guān)，而且還與系統(tǒng)的系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關(guān)，而且還與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)；結(jié)構(gòu)有關(guān)；系統(tǒng)的內(nèi)容比組成系統(tǒng)各元素的內(nèi)容豐富得多；系統(tǒng)的內(nèi)容比組成系統(tǒng)各元素的內(nèi)容豐富得多；系統(tǒng)往往表現(xiàn)出在時域、頻

6、域或空域等域內(nèi)的動態(tài)特系統(tǒng)往往表現(xiàn)出在時域、頻域或空域等域內(nèi)的動態(tài)特性。性。H H注注入入控控制制器器（比比較較、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理圖圖氣氣動動閥閥門門物理學系統(tǒng)物理學系統(tǒng)食物網(wǎng)：食物鏈相互交錯成網(wǎng)狀的形式食物網(wǎng)：食物鏈相互交錯成網(wǎng)狀的形式草草上圖中總共多少條食物鏈上圖中總共多少條食物鏈生物學系統(tǒng)生物學系統(tǒng)擾動定義擾動定義 擾動擾動 是一種對系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生相反作用的信是一種對系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生相反作用的信號號如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)的內(nèi)部，稱為內(nèi)擾；擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)外部則稱為外擾外擾是系統(tǒng)的輸入量 工業(yè)干擾工業(yè)干擾通常是由各種電氣裝置（例如電動機、電

7、焊機、電療機、電氣開關(guān)等）中發(fā)生的電流（或電壓）的急劇變化所形成的電磁波輻射，并作用在接收機天線上所產(chǎn)生的干擾。也有的電氣設(shè)備正常工作，也產(chǎn)生電磁波輻射，對接收機產(chǎn)生干擾。 1. 1.1 1 控制論的研究對象與任務(wù)控制論的研究對象與任務(wù)機械工程控制論實質(zhì)上是研究機械工程技術(shù)中機械工程控制論實質(zhì)上是研究機械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動廣義系統(tǒng)的動力學問題力學問題。具體地說，它研究的是機械工程廣義系統(tǒng)在一定。具體地說，它研究的是機械工程廣義系統(tǒng)在一定的外界條件（即輸入或激勵、干擾）作用下，從系統(tǒng)的一定的外界條件（即輸入或激勵、干擾）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)部的的初始狀態(tài)出發(fā)，所

8、經(jīng)歷的由其內(nèi)部的固有特性固有特性（即由（即由系統(tǒng)系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)與參數(shù)結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的特性所決定的特性）所決定的整個）所決定的整個動態(tài)歷程動態(tài)歷程；研究；研究這一這一系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系。廣義系統(tǒng)動力學問題系統(tǒng)輸入輸出外界作用系統(tǒng)內(nèi)部的信息 傳遞與交互系統(tǒng)的響應(yīng)例例1. 1. 設(shè)有一彈簧設(shè)有一彈簧 質(zhì)量質(zhì)量 阻尼動力系統(tǒng)如圖所示阻尼動力系統(tǒng)如圖所示，當外力，當外力f(t)作用于系統(tǒng)作用于系統(tǒng)時，系統(tǒng)將產(chǎn)生運動，時，系統(tǒng)將產(chǎn)生運動，試寫出外力試寫出外力f(t)與質(zhì)量塊與質(zhì)量塊的位移的位移y(t)之間的動態(tài)方之間的動態(tài)方程。其中彈簧的彈性系程。其中

9、彈簧的彈性系數(shù)為數(shù)為k，阻尼器的阻尼系，阻尼器的阻尼系數(shù)為數(shù)為c，質(zhì)量塊的質(zhì)量為，質(zhì)量塊的質(zhì)量為m。解：分析質(zhì)量塊解：分析質(zhì)量塊m受力，有外力受力，有外力f(t), ,彈簧恢復力彈簧恢復力阻尼力阻尼力慣性力慣性力由于由于m受力平衡，所以受力平衡，所以0iF ( )dy tcdt22d ymdt 式中：式中：Fi是作用于質(zhì)量塊上的是作用于質(zhì)量塊上的f(t)、彈簧力、阻、彈簧力、阻尼尼力和慣性力。力和慣性力。 將各力代入上等式，則得將各力代入上等式，則得( )ky t22( )( )( )( )d y tdy tmcky tf tdtdt式中：y質(zhì)量塊的位移（m）； c阻尼系數(shù)（Ns/m); k

10、彈簧剛度（N/m)。將上式的微分方程標準化22( )( )1( )( )m d y tc dy ty tf tkdtkdtk( )( )( )( )my tcy tky tf t外界作用外界作用: :輸入輸入f(t)初始狀態(tài)初始狀態(tài)外界作用外界作用: :輸入輸入x(t)初始狀態(tài)初始狀態(tài)( )( )( )( )my tcy tky tf t( )( )( )( )( )my tcy tky tcx tkx t00(0)(0)yyyy00(0)(0)yyyy(1.1.1)(1.1.2)(0)(0)yy 與分別為質(zhì)量塊的分別為質(zhì)量塊的初位移與初速度初位移與初速度，這就是，這就是在輸入作用于系統(tǒng)之前在

11、輸入作用于系統(tǒng)之前系統(tǒng)的初始狀態(tài)系統(tǒng)的初始狀態(tài)。令 ,則方程（1.1.1）和方程（1.1.2）分別化為/pd dt2() ( )( )mpcpk y tf t2() ( )() ( )mpcpk y tcpk x t和2mpcpk 為方程（1.1.1）和方程（1.1.2）左邊的算子，它由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定，反映了與外界無關(guān)的系統(tǒng)本身的固有特性。對上例，需要研究的問題可歸納為以下三類：第一類，當系統(tǒng)（即m、c、k）與輸入f(t)、x(t)已知時，求輸出y(t),這個問題屬理論力學中動力學的研究范疇；第二類，當系統(tǒng)（即m、c、k）與輸出y(t)，求輸入f(t)、x(t)；第三類，當系統(tǒng)的輸

12、入f(t)、x(t)與輸出y(t)已知，求系統(tǒng)的m、c、k。 機械系統(tǒng)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)。概念說明激勵：外界對系統(tǒng)的作用。響應(yīng)：系統(tǒng)的變形或位移。 機械系統(tǒng)中的機械系統(tǒng)中的“激勵激勵”與與“響應(yīng)響應(yīng)”分別代表著分別代表著系統(tǒng)的輸入和輸出。系統(tǒng)的輸入和輸出。系統(tǒng)控制：激勵由人為有意識的添加。1.2 1.2 系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)模型系統(tǒng)的模型包括系統(tǒng)的模型包括物理模型和數(shù)學模型物理模型和數(shù)學模型等等。等等。數(shù)學模型：數(shù)學模型：一種用數(shù)學方法所描述的抽象的理一種用數(shù)學方法所描述的抽象的理論模型，用來表達一個系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間，論模型

13、，用來表達一個系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間，或系統(tǒng)與其他外部環(huán)境之間的關(guān)系?；蛳到y(tǒng)與其他外部環(huán)境之間的關(guān)系。數(shù)學模型又包括數(shù)學模型又包括靜態(tài)模型靜態(tài)模型和和動態(tài)模型動態(tài)模型 模型模型是研究系統(tǒng)、認識系統(tǒng)、描述系統(tǒng)以及是研究系統(tǒng)、認識系統(tǒng)、描述系統(tǒng)以及分析系統(tǒng)的分析系統(tǒng)的工具工具。動態(tài)模型：用于研究系統(tǒng)在迅變載荷作用下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性，表現(xiàn)為微分方程或差分方程。靜態(tài)模型靜態(tài)模型現(xiàn)時輸出決定于現(xiàn)時輸入；現(xiàn)時輸出決定于現(xiàn)時輸入； 動態(tài)模型動態(tài)模型現(xiàn)時輸出決定于以前輸入的歷史?，F(xiàn)時輸出決定于以前輸入的歷史。靜態(tài)模型：反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性，表現(xiàn)為代數(shù)方程。如彈簧模型

14、。動態(tài)模型在一定的條件下可以轉(zhuǎn)換成靜態(tài)模型。靜態(tài)模型和動態(tài)模型分析示例機器隔振系統(tǒng)F(t)：外力，即激勵N(t)：隔振墊對機器的支反力 y(t)：地基的位移，亦可作激勵x(t)：機器的位移，即響應(yīng) 若以機器m為隔離體，以F(t) 為激勵(不考慮y(t)，以位移x(t)為響應(yīng)，應(yīng)用牛頓第二定律列出該系統(tǒng)的動力學方程為：若仍以機器m為隔離體，以 y(t) 為激勵(不考慮F(t) ，以位移x(t)為響應(yīng)，應(yīng)用牛頓第二定律列出該系統(tǒng)的動力學方程為： (a) (b)方程方程(a),(b)即為該系統(tǒng)的動態(tài)模型。即為該系統(tǒng)的動態(tài)模型。( )( )( )( )mx tcx tkx tF t( )( )( )(

15、 )( )mx tcx tkx tcy tky t若系統(tǒng)運動很慢，即有：則上式（a），（b）可化為：此即系統(tǒng)的此即系統(tǒng)的靜態(tài)模型靜態(tài)模型，實際上，實際上x(t)與與y(t)之間是一種代之間是一種代數(shù)關(guān)系，即數(shù)關(guān)系，即代數(shù)方程式代數(shù)方程式。( )( )0; ( )0 x tcx ty t( )( ); ( )( )F tx tx ty tkcccd uduLcRcuVdtdt22基本電學問題模型RLC網(wǎng)絡(luò)diLRiidtVdtc1cidtuc1d ididVLRidtdtcdt221i()ii()i0000LCRicuVcccd ud ududVLcRcdtdtdtdt3232機電系統(tǒng)微分方程：

16、電樞電壓控制直流電動機機電系統(tǒng)微分方程：電樞電壓控制直流電動機電樞回路電壓平衡方程電樞回路電壓平衡方程( )( )( )( )aaa aaadi tLR i tE tu tdtSM負載mJaEaRmauaLmfaiCM直流電動機模型直流電動機模型Jm:電動機和負載折合到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量；電動機和負載折合到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量；fm：電動機和負載折合到電動機軸上的粘性摩擦系數(shù)；：電動機和負載折合到電動機軸上的粘性摩擦系數(shù)；Mc: 折合到電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩。折合到電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩方程電磁轉(zhuǎn)矩方程)(tiCMamm電動機軸上轉(zhuǎn)矩平衡方程電動機軸上轉(zhuǎn)矩平衡方程)()()(tMM

17、tfdttdJCmmmmm電動機轉(zhuǎn)矩系數(shù)電樞電流Mm：電樞電流i(t)與激磁磁通相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩；1. 1.3 3 反饋反饋數(shù)控機床的工作臺的驅(qū)動系統(tǒng)反饋控制裝置 反饋反饋 一個系統(tǒng)的輸出一個系統(tǒng)的輸出, ,部分或全部地反過來用于控制部分或全部地反過來用于控制系統(tǒng)的輸入系統(tǒng)的輸入發(fā)電機離心調(diào)速系統(tǒng)發(fā)電機離心調(diào)速系統(tǒng) 發(fā)電機離心調(diào)速系統(tǒng)框圖發(fā)電機離心調(diào)速系統(tǒng)框圖 反饋控制反饋控制 反饋控制反饋控制 是指將系統(tǒng)的輸出信息返送到輸入端，與輸入信息進行比較，并利用二者的偏差進行控制的過程。反饋控制其實是用過去的情況來指導現(xiàn)在和將來。 在這里，反饋控制僅僅是對無法預(yù)計的擾動(即那些預(yù)先無法知道的擾

18、動)而設(shè)計的，因為對于可以預(yù)計的或者是已知的擾動來說，總是可以在系統(tǒng)中加以校正的.反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)是基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)。所謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 應(yīng)該指出，反饋控制系統(tǒng)應(yīng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如經(jīng)濟學和生物學；也存在著反饋控制系統(tǒng)。事實上，人的機體是一個極其復雜的反饋控制系統(tǒng)。

19、內(nèi)反饋內(nèi)反饋：在系統(tǒng)或過程中存在的自然形成的反饋，成為內(nèi)反饋；它是系統(tǒng)內(nèi)部各個元素之間相互耦合的結(jié)果。 內(nèi)反饋內(nèi)反饋是形成機械系統(tǒng)動態(tài)特性的根本原因，紛繁復雜的內(nèi)在反饋的存在使得機械系統(tǒng)變得異常復雜。對于機械系統(tǒng)中普遍存在的內(nèi)在反饋現(xiàn)象應(yīng)引起足夠的重視。外反饋外反饋：在自動控制系統(tǒng)中，為達到某種控制目的而人為加入的反饋，稱為外反饋。 分析內(nèi)在反饋分析內(nèi)在反饋系統(tǒng)系統(tǒng)本身信息的傳輸與交換本身信息的傳輸與交換初始狀態(tài)初始狀態(tài)( )( )( )( )my tcy tky tf t00(0)(0)yyyy將m-c-k系統(tǒng)的微分方程轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程表示：取有：y1和和y2之間具有信息交互作用，之間具有信息

20、交互作用，本質(zhì)上是彈簧的位能與質(zhì)量的本質(zhì)上是彈簧的位能與質(zhì)量的動能之間的轉(zhuǎn)換動能之間的轉(zhuǎn)換狀態(tài)方程的矩陣表達了系統(tǒng)的狀態(tài)方程的矩陣表達了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，表達了系統(tǒng)的固結(jié)構(gòu)與參數(shù)，表達了系統(tǒng)的固有特性，對角元素表達了狀態(tài)有特性，對角元素表達了狀態(tài)變量之間的交互作用情況，非變量之間的交互作用情況，非對角元素表達了狀態(tài)變量本身對角元素表達了狀態(tài)變量本身的交互作用情況作用情況。的交互作用情況作用情況。系統(tǒng)狀態(tài)的方程方框圖負反饋負反饋：使系統(tǒng)的輸出值與目標值的偏差愈來愈?。菏瓜到y(tǒng)的輸出值與目標值的偏差愈來愈小正反饋正反饋：使系統(tǒng)的輸出值與目標值的偏差愈來愈大：使系統(tǒng)的輸出值與目標值的偏差愈來愈大正反饋

21、并不都是不好的，有的系統(tǒng)需要正反饋正反饋并不都是不好的，有的系統(tǒng)需要正反饋的作用。如原子彈引爆裝置中要用到的裂變鏈式反的作用。如原子彈引爆裝置中要用到的裂變鏈式反應(yīng)。又如在植物保護中，為了消滅有害的昆蟲，大應(yīng)。又如在植物保護中，為了消滅有害的昆蟲，大量繁殖這種害蟲的天敵。量繁殖這種害蟲的天敵。正反饋和負反饋正反饋和負反饋1 1、根據(jù)有無反饋作用可分為兩類：、根據(jù)有無反饋作用可分為兩類：開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)1. 1.4 4 系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 若系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，則叫若系統(tǒng)的輸出

22、量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，則叫做開壞控制系統(tǒng)做開壞控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)控制器對象或過程輸出量輸入量系統(tǒng)輸出量輸入量輸入輸入裝置裝置指令指令系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸入控制控制裝置裝置伺服伺服驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置工作臺工作臺工作臺工作臺位置位置系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出數(shù)控機床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖數(shù)控機床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖優(yōu)點：優(yōu)點：簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件 特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較 小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力精度通常較低、無自動糾偏能力閉環(huán)控制

23、系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 凡是系統(tǒng)輸出信號對控制作用能有直接影響的系統(tǒng)，都叫做閉環(huán)系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器對象或過程測量元件輸出量輸入量閉環(huán)系統(tǒng)的組成閉環(huán)系統(tǒng)的組成閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成為：閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成為：(1)(1)給定環(huán)節(jié)；給定環(huán)節(jié)；(2)(2)測量環(huán)測量環(huán)節(jié)；（節(jié)；（3 3）比較元件；（）比較元件；（4 4）放大運算元件；）放大運算元件；(5)(5)執(zhí)執(zhí)行環(huán)節(jié)。行環(huán)節(jié)。給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)放大運算放大運算環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)執(zhí)行執(zhí)行環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)被控被控對象對象 +_測量環(huán)節(jié)測量環(huán)節(jié)控制部分控制部分擾動信號擾動信號輸出輸出xo比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)輸入輸入xi閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)特點特點：輸出端和輸入端之間存在反饋回

24、路，輸輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸 出量對控制過程有直接影響。出量對控制過程有直接影響。 閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。 優(yōu)點優(yōu)點：精度高，對外部擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化不精度高，對外部擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化不 敏感敏感 缺點缺點：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系統(tǒng)性存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系統(tǒng)性 能分析和設(shè)計麻煩。能分析和設(shè)計麻煩。 相對復雜的閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成給定給定元件元件 +串聯(lián)校正串聯(lián)校正元件元件放大變換放大變換元件元件執(zhí)行執(zhí)行元件元件控制控制對象對象_ +_并聯(lián)校正并聯(lián)校正元件元件局部局部反饋反饋反饋元件反饋元件主反饋主反饋控制部分控制部分比較比較元

25、件元件比較比較元件元件輸入信號輸入信號xi偏差信號偏差信號e主反饋信號主反饋信號xb擾動信號擾動信號輸出輸出xo閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成給定元件給定元件 產(chǎn)生給定信號或輸入信號。產(chǎn)生給定信號或輸入信號。反饋元件反饋元件 測量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號。測量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號。 為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。 比較元件比較元件 對給定信號和反饋信號進行比較，產(chǎn)生偏差對給定信號和反饋信號進行比較，產(chǎn)生偏差 信號；信號； 放大元件放大元件 對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅(qū)對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅(qū) 動執(zhí)行元件實現(xiàn)

26、控制功能。動執(zhí)行元件實現(xiàn)控制功能。執(zhí)行元件執(zhí)行元件 直接對受控對象進行操縱的元件；如電動機、直接對受控對象進行操縱的元件；如電動機、 液壓馬達等；液壓馬達等； 校正元件校正元件 用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。 校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。2 2、根據(jù)輸出量的特征分類：、根據(jù)輸出量的特征分類：(1)(1)恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)(2)(2)隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)(3)(3)程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)(1)(1)恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)（自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)）（自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)）恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿?wù)是保

27、證在任何擾系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿?wù)是保證在任何擾動作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。動作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。 如：恒溫箱控制、壓力、溫度、流量、速度、電如：恒溫箱控制、壓力、溫度、流量、速度、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。網(wǎng)電壓、頻率控制等。 自動補水裝置自動補水裝置離心調(diào)速器離心調(diào)速器液面控制液面控制壓力控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)H H注注入入控控制制器器（比比較較、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理圖圖氣氣動動閥閥門門 希望液位實實際際液液位位放放大大元元件件氣氣動動閥閥門門水水 箱箱浮浮 子子控制器 注入（II） 控制系統(tǒng)方塊圖53 控制器：比較、放大的作用控制器：

28、比較、放大的作用 浮子：液面高度的反饋元件浮子：液面高度的反饋元件氣動閥門：執(zhí)行機構(gòu)氣動閥門：執(zhí)行機構(gòu)被控對象：水箱被控對象：水箱精餾塔工藝操作工藝要求精餾塔工藝操作工藝要求1)1)質(zhì)量指標塔頂或塔底產(chǎn)品之一應(yīng)保證合乎規(guī)定質(zhì)量指標塔頂或塔底產(chǎn)品之一應(yīng)保證合乎規(guī)定的純度的純度, , 另一產(chǎn)品成分亦應(yīng)維持在規(guī)定范圍內(nèi)。另一產(chǎn)品成分亦應(yīng)維持在規(guī)定范圍內(nèi)。2)2)物料平衡物料平衡, , 能量平衡以保證塔的平穩(wěn)操作，當能量平衡以保證塔的平穩(wěn)操作，當然塔壓是否恒定，對塔的平穩(wěn)操作有很大影響。然塔壓是否恒定，對塔的平穩(wěn)操作有很大影響。 3)3)約束條件為了使塔正常操作，必須滿足一些約約束條件為了使塔正常操作

29、，必須滿足一些約束條件。例如：塔內(nèi)部氣相速度限。束條件。例如：塔內(nèi)部氣相速度限。 太低會使氣液接觸不好太低會使氣液接觸不好, , 塔板效率降低，太高會產(chǎn)生塔板效率降低，太高會產(chǎn)生液泛現(xiàn)象，將完全破壞塔的操作。塔本身還有最高壓液泛現(xiàn)象，將完全破壞塔的操作。塔本身還有最高壓力限，越過這個壓力，容器的安全就沒有保障。力限，越過這個壓力，容器的安全就沒有保障。精餾塔的控制精餾塔的控制精餾塔精餾塔1)1)進料量波動的影響進料量波動的影響 2)2)進料成分波動的影響進料成分波動的影響 3)3)進料溫度波動的影響進料溫度波動的影響 4)4)塔的蒸氣速度和加熱量波動的影響塔的蒸氣速度和加熱量波動的影響 5)5

30、)回流量及冷劑量波動的影響回流量及冷劑量波動的影響 6)6)塔頂（或塔底）產(chǎn)品量的影響塔頂（或塔底）產(chǎn)品量的影響精餾塔的干擾因素精餾塔的干擾因素(2)(2)隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)( (伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)) ) 輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準確地復現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律。確地復現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律。 在現(xiàn)代工業(yè)中，廣泛地采用著隨動系統(tǒng)。例如仿在現(xiàn)代工業(yè)中，廣泛地采用著隨動系統(tǒng)。例如仿形加工系統(tǒng)、火炮自動瞄

31、準系統(tǒng)形加工系統(tǒng)、火炮自動瞄準系統(tǒng) 。 典型的位置隨動系統(tǒng)的組成典型的位置隨動系統(tǒng)的組成(3)(3)程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運動。如數(shù)控對象按照指令程序的要求而運動。如數(shù)控加工系統(tǒng)。 3、按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類、按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類連續(xù)連續(xù)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號為隨時間連續(xù)變化的系統(tǒng)中各部分傳遞的信號為隨時間連續(xù)變化的信號。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。信號。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。 離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)系統(tǒng)中

32、某一處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)字系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。程描述。 4、其它分類方法、其它分類方法線性系統(tǒng)、線性定常系統(tǒng)（或稱線性時不變線性系統(tǒng)、線性定常系統(tǒng)（或稱線性時不變系統(tǒng)）和非線性系統(tǒng)系統(tǒng)）和非線性系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等控機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等控制系統(tǒng)制系統(tǒng)溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)當系統(tǒng)的當系統(tǒng)的數(shù)學模型能用線性微分方程數(shù)學模型能用線性微分方程描述時，該系統(tǒng)稱為描述時，該系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。

33、線性系統(tǒng)。如果微分方程的系數(shù)為常數(shù)如果微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱該系統(tǒng)為線，則稱該系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)。線性系統(tǒng)可以運用疊加原理，當有幾個輸入性定常系統(tǒng)。線性系統(tǒng)可以運用疊加原理，當有幾個輸入量同時作用于系統(tǒng)時，可以逐個輸入求出對應(yīng)的輸出，然量同時作用于系統(tǒng)時，可以逐個輸入求出對應(yīng)的輸出，然后把各個輸出進行疊加，即為系統(tǒng)的總輸出。后把各個輸出進行疊加，即為系統(tǒng)的總輸出。 線性系統(tǒng)是一數(shù)學模型，是指用線性系統(tǒng)是一數(shù)學模型，是指用線性運算線性運算子組成的系統(tǒng)。子組成的系統(tǒng)。相較于非線性系統(tǒng)，線性系統(tǒng)的特性比較簡單。線性系統(tǒng)需相較于非線性系統(tǒng)，線性系統(tǒng)的特性比較簡單。線性系統(tǒng)需滿足線性的特性，若線性系

34、統(tǒng)還滿足非時變性（即系統(tǒng)的輸滿足線性的特性，若線性系統(tǒng)還滿足非時變性（即系統(tǒng)的輸入信號若延遲入信號若延遲秒，那么得到的輸出除了這秒，那么得到的輸出除了這秒延時以外是秒延時以外是完全相同的），則稱為完全相同的），則稱為線性時不變系統(tǒng)線性時不變系統(tǒng)。 (1) (1)線性系統(tǒng)的運算子滿足線性系統(tǒng)的運算子滿足疊加原理疊加原理及及齊次性齊次性; ; (2) (2)對于對于線性時不變系統(tǒng)線性時不變系統(tǒng)，疊加原理也是，疊加原理也是脈沖響應(yīng)脈沖響應(yīng)或或頻率頻率響應(yīng)響應(yīng)等分析方式的基礎(chǔ)。若是連續(xù)、線性時不變系統(tǒng)的等分析方式的基礎(chǔ)。若是連續(xù)、線性時不變系統(tǒng)的微分微分方程方程，可以利用，可以利用拉普拉斯轉(zhuǎn)換拉普拉斯

35、轉(zhuǎn)換來求解；而離散系統(tǒng)中，可以來求解；而離散系統(tǒng)中，可以利用利用Z Z轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換來求解。來求解。線性定常系統(tǒng)（線性定常系統(tǒng)（LinearTime-invariantSystems）又稱之）又稱之為線性時不變系統(tǒng)，是指特性不隨時間改變的線性系統(tǒng)。它是定為線性時不變系統(tǒng)，是指特性不隨時間改變的線性系統(tǒng)。它是定常系統(tǒng)的特例，但只要在所考察的范圍內(nèi)定常系統(tǒng)的非線性對系常系統(tǒng)的特例，但只要在所考察的范圍內(nèi)定常系統(tǒng)的非線性對系統(tǒng)運動的變化過程影響不大，那么這個定常系統(tǒng)就可看作是線性統(tǒng)運動的變化過程影響不大，那么這個定常系統(tǒng)就可看作是線性定常系統(tǒng)。定常系統(tǒng)。對于線性定常系統(tǒng)，不管輸入在哪一時刻加入，只要對于線

36、性定常系統(tǒng)，不管輸入在哪一時刻加入，只要輸入的波形是一樣的，則系統(tǒng)輸出響應(yīng)的波形也總是同樣的。輸入的波形是一樣的，則系統(tǒng)輸出響應(yīng)的波形也總是同樣的。線性定常系統(tǒng)時間響應(yīng)的性質(zhì)線性定常系統(tǒng)時間響應(yīng)的性質(zhì):系統(tǒng)對輸入信號導數(shù)的響應(yīng)，可以通過系統(tǒng)對該輸入信號的導數(shù)系統(tǒng)對輸入信號導數(shù)的響應(yīng)，可以通過系統(tǒng)對該輸入信號的導數(shù)來求得；來求得；而系統(tǒng)對輸入信號積分的響應(yīng)，可以通過系統(tǒng)對該輸入而系統(tǒng)對輸入信號積分的響應(yīng)，可以通過系統(tǒng)對該輸入信號響應(yīng)的積分來求取，其積分常數(shù)有初始條件確定。信號響應(yīng)的積分來求取，其積分常數(shù)有初始條件確定。如：單位如：單位脈沖、單位階躍和單位速度輸入信號存在微分和積分的關(guān)系，其脈沖、

37、單位階躍和單位速度輸入信號存在微分和積分的關(guān)系，其一階慣性環(huán)節(jié)的單位脈沖響應(yīng)、單位階躍響應(yīng)和單位速度響應(yīng)之一階慣性環(huán)節(jié)的單位脈沖響應(yīng)、單位階躍響應(yīng)和單位速度響應(yīng)之間也存在著同樣的微分和積分關(guān)系。間也存在著同樣的微分和積分關(guān)系。線性定常系統(tǒng)頻率響應(yīng)的性質(zhì)：線性定常系統(tǒng)頻率響應(yīng)的性質(zhì)：系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出和輸入的頻率相同，但輸出和輸入的振幅比（幅頻系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出和輸入的頻率相同，但輸出和輸入的振幅比（幅頻特性特性）、相位差（相頻特性）、相位差（相頻特性）都是頻率）都是頻率的函數(shù)。換言之，的函數(shù)。換言之，在波形圖上輸出與輸入和橫軸交點間距一致，但波形高度不同且在波形圖上輸出與輸入和橫軸交點間距一致，但波形高度

38、不同且波形有平移。波形有平移。( )A( ) 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 被控制信號能跟蹤已變化的輸入信號，從一種狀態(tài)到另一被控制信號能跟蹤已變化的輸入信號，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)，如果能做到，我們就認為該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，這是對反種狀態(tài)，如果能做到，我們就認為該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，這是對反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求。饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求。 快速性快速性對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標，但穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標，但如果目標變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標。如果目標變動

39、迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標。準確性準確性用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號作用下，當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出在參考輸入信號作用下，當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。對自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求對自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求. .穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。. .快速性：快速性：動態(tài)性能，有指標。動態(tài)性能，有指標。. .

40、準確性：準確性：穩(wěn)態(tài)（過度結(jié)束后的）值應(yīng)盡量與期望值一致。穩(wěn)態(tài)（過度結(jié)束后的）值應(yīng)盡量與期望值一致。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)加熱電阻絲加熱電阻絲220V調(diào)壓器調(diào)壓器溫度計溫度計補充：系統(tǒng)方框圖的繪制被控對象：被控對象：恒溫箱恒溫箱 控制器：控制器： 除恒溫箱以外的所有裝置，統(tǒng)稱為控制器。除恒溫箱以外的所有裝置，統(tǒng)稱為控制器。 被控制量：被控制量：恒溫箱的實際溫度為被控制量（系統(tǒng)的輸出量）恒溫箱的實際溫度為被控制量（系統(tǒng)的輸出量） 希望值：希望值： 希望的恒溫箱的溫度希望的恒溫箱的溫度。控制量：控制量： 加熱電阻絲的輸出功率

41、加熱電阻絲的輸出功率。擾動量（干擾）：擾動量（干擾）：恒溫箱散熱量恒溫箱散熱量 人人工工控控制制的的恒恒溫溫箱箱 l 手動控制手動控制人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過程：人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過程： 觀測恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）觀測恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）與要求的溫度（給定值）進行比較，得到溫度與要求的溫度（給定值）進行比較，得到溫度偏差的大小和方向偏差的大小和方向根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復到要求值。阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復到要求值。人工控制過程的實質(zhì)：人工控制過程的實質(zhì)：檢測偏差再糾正偏差。檢測偏差再糾正偏差。系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)方

42、框圖系統(tǒng)方框圖由許多對信號（量）進行單向傳遞的元件方框和一些連線組成，系統(tǒng)方框圖由許多對信號（量）進行單向傳遞的元件方框和一些連線組成，表征了系統(tǒng)各元件之間及系統(tǒng)與外界之間進行信息交換的過程。表征了系統(tǒng)各元件之間及系統(tǒng)與外界之間進行信息交換的過程。包括三個基本的單元包括三個基本的單元: :引出點引出點, ,比較點比較點, ,元件方框元件方框大腦大腦手手調(diào)壓器調(diào)壓器恒溫箱恒溫箱眼睛眼睛實際實際溫度溫度期望期望溫度溫度人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖溫度計溫度計 -在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為備或裝置（稱為控制裝置控制裝置或或控制器控制器），使機），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（通稱器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（通稱