河北工業(yè)大學控制工程課件

控制工程基礎主講：高鐵紅機械學院機械系控制工程基礎主講：高鐵紅1控制工程基礎(自編教材）

普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材第一章緒論第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

第三章頻率特性第四章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析第五章

控制系統(tǒng)的時間響應及穩(wěn)態(tài)誤差分析第六章控制系統(tǒng)的根軌跡分析第七章控制系統(tǒng)的綜合與校正第八章離散控制系統(tǒng)分析與校正控制工程基礎(自編教材）

普通高等教育“十一五”國2第一節(jié)概述第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本概念第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本類型第四節(jié)對控制系統(tǒng)的基本要求第五節(jié)

循序漸進學習示例：直流電動機調速系統(tǒng)第一章緒論第一節(jié)概述第一章緒論3第一節(jié)概述一、控制工程研究的主要內容二、控制理論的發(fā)展三、控制理論在工程中的應用四、控制理論的學習方法第一節(jié)概述一、控制工程研究的主要內容4一、控制工程研究的主要內容控制工程主要研究有關自動控制和系統(tǒng)動力學的基礎理論及其在工程中的應用。它是一門新興技術科學，也是一門邊緣科學，它的理論基礎是控制理論。具體的講研究用控制理論的基本原理解決電氣、機械、測控、化工等一切工程系統(tǒng)中的控制技術問題。（圖1-1）一、控制工程研究的主要內容控制工程主要研究有關自動控制和系統(tǒng)5離心調速器原理示意圖(圖1-1)穩(wěn)定、準確、快速離心調速器原理示意圖(圖1-1)穩(wěn)定、準確、快速6M輸入：驅動力輸出：小車位移，擺桿角度問題：如何使系統(tǒng)穩(wěn)定？如何通過控制使系統(tǒng)綜合性能達到期望值？如何通過控制使系統(tǒng)達到最優(yōu)控制性能指標？單倒立擺M輸入：驅動力單倒立擺7輸入：各關節(jié)驅動電機力矩、角度、角速度等輸出：末端位置、各個轉動臂的位置、速度、加速度等問題：如何使系統(tǒng)穩(wěn)定？如何通過控制使系統(tǒng)綜合性能達到期望值？如何通過控制使系統(tǒng)達到最優(yōu)控制性能指標？Robot機器人密歇根大學的機械手裝配模型輸入：各關節(jié)驅動電機力矩、角度、角速度等Robot機器人密8工程控制理論的實質工程控制論實質上是研究工程技術中廣義系統(tǒng)的動力學問題．具體地說，它研究的是工程技術中的廣義系統(tǒng)在一定的外界條件(即輸入或激勵，包括外加控制與外加干擾)作用下，從系統(tǒng)的一定的初始狀態(tài)出發(fā)，所經歷的由其內部的固有特性(即由系統(tǒng)的結構與參數(shù)所決定的特性)決定的系統(tǒng)整個動態(tài)歷程；研究這一系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關系．

系統(tǒng)輸入輸出工程控制理論的實質工程控制論實質上是研究工程技術中廣義系統(tǒng)的9學習控制工程基礎要解決的兩個問題

一是如何分析某個給定控制系統(tǒng)的工作原理、穩(wěn)定性和過渡過程品質；二是如何根據(jù)實際需要來進行控制系統(tǒng)的設計，并用機、電、液、光等設備來實現(xiàn)這一系統(tǒng)。前者主要是分析系統(tǒng)，后者是綜合與設計，無論解決哪類問題，都必須具有豐富的控制理論知識。學習控制工程基礎要解決的兩個問題一是如何分析某個給定控制系10二、控制理論的發(fā)展1、控制理論的產生可以追朔到1788年瓦特(J.Watt)為控制蒸汽機速度而發(fā)明的蒸汽機離心調速器，其原理示意圖如圖1-1所示。2、1868年，英國物理學家馬克斯威爾（J.C.Maxwell）發(fā)表了第一篇關于“論調速器”的文章，首先提出了“反饋控制”的概念。1884年和1895年,勞斯（E.J.Routh）和霍爾維茨(A.Hurwitz)把麥克斯威爾的理論擴展到用高階微分方程描述的更為復雜的系統(tǒng)，并分別提出了兩種著名的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）研制出電子管振蕩器，同時提出了著名的Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)。

二、控制理論的發(fā)展1、控制理論的產生可以追朔到1788年瓦特11二、控制理論的發(fā)展3、1948年美國數(shù)學家維納（N.Wiener）出版了著名的《控制論—關于在動物和機器中控制和通訊的科學》一書，他揭示了無論機器系統(tǒng)、生命系統(tǒng)甚至社會和經濟系統(tǒng)中，都存在一個共同本質的特點，它們都是通過信息的傳遞、處理與反饋這三個要素來進行控制，這就是控制論的中心思想。1950年伊萬斯（W.R.Evans）提出的根軌跡法提供了尋找特征方程根的比較簡易的圖解方法，至此，形成了完整的經典控制理論。二、控制理論的發(fā)展3、1948年美國數(shù)學家維納（N.Wien12二、控制理論的發(fā)展4、我國著名科學家錢學森從控制論這一總題目中，把已被當時科學技術和工程實踐所證明的部分分離出來，創(chuàng)立了“工程控制論”，并于1954年出版了《工程控制論》這一名著，這對控制理論的發(fā)展與應用起到了很大的推動作用。二、控制理論的發(fā)展4、我國著名科學家錢學森從控制論這一總題目13二、控制理論的發(fā)展5、50年代末與60年代初，一方面由于工業(yè)生產、火箭和空間技術的發(fā)展，出現(xiàn)了多變量、非線性和時變參數(shù)系統(tǒng)，經典控制理論已經不能滿足要求；另一方面由于電子計算機技術的發(fā)展與應用，半導體和電子技術、計算技術的發(fā)展，各種傳感器和自動檢測技術的發(fā)展，使控制理論發(fā)展到了一個新階段，從而產生了現(xiàn)代控制理論。隨著科技進步特別是計算機科學的發(fā)展，控制論無論是在三要素的內涵上，還是在其深度與廣度上都在發(fā)展變化著，對促進生產的發(fā)展和社會進步產生著深遠的影響.二、控制理論的發(fā)展5、50年代末與60年代初，一方面由于工業(yè)14控制理論發(fā)展幾個階段

1940——1950經典控制理論發(fā)展階段研究對象：單機自動化，解決單輸入單輸出（SISO-SingleInputSingleOutput）線性定常系統(tǒng)的控制問題；主要數(shù)學工具：微分方程、拉普拉斯變換數(shù)學模型：傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）主要研究方法：時域法、頻域法和根軌跡法；主要解決問題：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準確性。

控制理論發(fā)展幾個階段1940——1950經典控制理論發(fā)15控制理論發(fā)展幾個階段1960——1970現(xiàn)代控制理論發(fā)展階段研究對象：機組自動化和各種動態(tài)系統(tǒng)的多輸入多輸出（MIMO-Multi-InputMulti-Output）系統(tǒng)的控制問題；數(shù)學工具：線性代數(shù)、矩陣論數(shù)學模型：狀態(tài)空間法(可以描述內部行為）主要研究方法：變分法、極大值原理、動態(tài)規(guī)劃理論等；重點解決問題:最優(yōu)控制、隨機控制和自適應控制；最優(yōu)估計和濾波

核心控制裝置是電子計算機；控制策略是建立在已知系統(tǒng)的基礎上的控制理論發(fā)展幾個階段1960——1970現(xiàn)代控制理論發(fā)展16控制理論發(fā)展幾個階段1970——1980以后智能控制理論發(fā)展時期

智能自動化智能系統(tǒng)能夠模仿人腦，在沒有人的干預下，能夠進行自我調節(jié)、自我學習和自我組織，以適應外界環(huán)境的變化，并作出相應的決策和控制。采用的方法：自動控制理論、專家系統(tǒng)、模糊數(shù)學、神經網(wǎng)絡和運籌學等研究內容包括：最優(yōu)控制、自適應控制、魯棒控制、神經網(wǎng)絡控制、模糊控制、控制等等。

控制理論發(fā)展幾個階段1970——1980以后智能控制17三、控制理論在工程中的應用1、軍事（飛機方向控制、火炮控制、軍艦航行控制等）2、數(shù)控機床、加工中心3、機器人4、機電一體化系統(tǒng)(打印機、掃描儀、硬盤驅動器、倒立擺等）5、動態(tài)測試6、機械系統(tǒng)動力性能分析7、液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性分析8、生產過程控制三、控制理論在工程中的應用1、軍事（飛機方向控制、火炮控制、18飛機俯仰角控制系統(tǒng)飛機俯仰角控制系統(tǒng)19三、控制理論在工程中的應用三、控制理論在工程中的應用20三、控制理論在工程中的應用三、控制理論在工程中的應用21河北工業(yè)大學控制工程課件22密歇根大學的機械手裝配模型香港理工AGV模型密歇根大學的機械手裝配模型香港理工AGV模型23

倒立擺控制系統(tǒng)倒立擺系統(tǒng)是一個典型的高階次、多變量、嚴重不穩(wěn)定和強耦合的非線性系統(tǒng)。由于它的行為與火箭飛行以及兩足機器人行走等有很大的相似性,因而對其研究具有重大的理論和實踐意義。

AutomaticControl

自動控制倒立擺控制系統(tǒng)倒立擺系統(tǒng)是一個典24四、控制理論特點及學習方法本課程特點：（1）比較抽象（2）起點高（3）系統(tǒng)性強學習本門課程應以新的視角分析和考慮問題。學習本門課程要能以系統(tǒng)的而不是孤立的、動態(tài)的而不是靜態(tài)的觀點和方法來思考和解決問題。掌握控制理論的基本概念、基本理論和基本方法并注意結合實際，為解決工程中的控制問題打下基礎。四、控制理論特點及學習方法本課程特點：25五、本課程參考書楊叔子主編《機械工程控制基礎》華中理工大學出版社朱驥北主編《機械控制工程基礎》機械工業(yè)出版社胡壽松主編《自動控制原理》科學出版社緒方勝彥著、盧伯英等譯《現(xiàn)代控制工程》科學出版社董景新、趙長德編著《控制工程基礎》清華大學出版社王積偉等編著

《控制工程基礎》高等教育出版社五、本課程參考書楊叔子主編《機械工程控制基礎》華26本課程教學安排本課程總學時：48學時課堂教學學時：42學時實驗教學學時：6學時學時分配(含實驗學時）：第一章緒論6學時

(含2學時實驗）第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型8學時

第三章頻率特性10學時

(含2學時實驗）第四章系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析6學時

第五章時間響應及誤差分析6學時

(含2學時實驗）第六章控制系統(tǒng)的根軌跡分析

4學時第六章控制系統(tǒng)的綜合與校正

4學時

第七章離散控制系統(tǒng)分析與校正2學時

總結復習2學時

考試形式：考試一本課程教學安排本課程總學時：48學時27課程學習要求按時上課，認真聽講親筆手書，完成作業(yè)參與實驗，撰寫報告閉卷考試，成績疊加課程學習要求按時上課，認真聽講28第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本概念一、控制系統(tǒng)的基本工作原理二、開環(huán)、閉環(huán)和復合控制系統(tǒng)三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本概念一、控制系統(tǒng)的基本工作原理29一、控制系統(tǒng)的基本工作原理系統(tǒng)：是由相互制約的各個部分組成的具有一定功能的整體。自動控制系統(tǒng)：能夠進行自動控制的一整套設備或裝置。通常由控制器（控制裝置）和被控對象兩大部分組成。被控對象是指系統(tǒng)中需要加以控制的機器、設備或生產過程；控制器是指能夠對被控對象產生控制作用的設備的總體?？刂葡到y(tǒng)的任務就是使被控制對象的物理量按照預先給定的控制規(guī)律變化。一、控制系統(tǒng)的基本工作原理系統(tǒng)：是由相互制約的各個部分組成的30一、控制系統(tǒng)的基本工作原理請同學動腦筋想一想身邊的自動控制系統(tǒng)的例子。被控對象控制器一、控制系統(tǒng)的基本工作原理請同學動腦筋想一想身邊的自動控制系31一、控制系統(tǒng)的基本工作原理實現(xiàn)自動控制的優(yōu)點：1、提高生產率、降低能源消耗。2、減輕體力和腦力勞動。3、生產安全、廢品少、產品質量高。一、控制系統(tǒng)的基本工作原理實現(xiàn)自動控制的優(yōu)點：32溫度人工控制的恒溫箱（圖1-2）被控對象被控制量溫度人工控制的恒溫箱（圖1-2）被控對象被控制量33自動控制的恒溫箱（圖1-3）自動控制的恒溫箱（圖1-3）34實現(xiàn)控制的三個基本步驟不論采用人工控制還是自動控制都具有以下的共同點：一是要檢測被控制量的實際值；二是被控制量的實際值要與給定值進行比較得出偏差值；三是要用偏差值產生控制調節(jié)作用再去消除偏差。

總結：檢測偏差，消除偏差

實現(xiàn)控制的三個基本步驟不論采用人工控制還是自動控制都具有以下35反饋控制原理反饋是指對系統(tǒng)的被控制量進行測量，并加以處理（取其一部分或全部、或其函數(shù)等）后，再返回輸入端與系統(tǒng)的給定量進行比較的過程。如果反饋量對給定量起增強作用，則稱為正反饋；反之，如果反饋量對給定量起減弱作用，則稱為負反饋。通常，控制系統(tǒng)采用負反饋。

基于負反饋基礎上的“檢測偏差并用以消除偏差”的控制原理，稱為反饋控制原理。利用反饋控制原理組成的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)。

反饋控制是自然界中一切物體控制的自身運動的基本規(guī)律之一，可以實現(xiàn)復雜而精確的控制；如人和動物（為尋求目標）的行走、汽車駕駛過程、導彈控制過程等。

反饋控制原理反饋是指對系統(tǒng)的被控制量進行測量，并加36反饋負反饋正反饋。反饋控制原理。反饋控制系統(tǒng)。。

反饋37固有反饋（或內在反饋）固有反饋是指沒有外加的檢測裝置，但是，變量與變量之間相互制約，構成了閉合的因果關系。

例如:機械傳動系統(tǒng)、機械加工系統(tǒng)、直流電機系統(tǒng)等。從控制理論的角度，它們都是一個反饋控制過程，因而都可以用控制理論加以解決。固有反饋（或內在反饋）固有反饋是指沒有外加的檢測38職能方框圖把表示系統(tǒng)的組成、各元件作用關系及信號傳遞（或流通）關系的圖形稱為職能方框圖。圖1-4恒溫箱溫度自動控制系統(tǒng)職能方框圖職能方框圖把表示系統(tǒng)的組成、各元件作用關系及信號39控制系統(tǒng)中常用的概念和術語的含義說明

輸出量（或稱輸出信號、被控制量）：是指控制系統(tǒng)中需要加以控制的物理量。系統(tǒng)的輸出量常用符號xo(t)表示。

輸入量（或稱輸入信號、給定值、給定量）：是指輸入給控制系統(tǒng)用以控制輸出量變化規(guī)律的物理量它作用于系統(tǒng)輸入端，直接地或間接地表示系統(tǒng)輸出量的期望值（給定值）。系統(tǒng)的輸入量常用符號xi(t)表示.

擾動量（或稱擾動信號）：指那些能使輸出量偏離預定要求（期望值）的意外干擾因素。

反饋量（或稱反饋信號）：是指把輸出量取出并直接或經轉換以后送回到輸入端與輸入信號進行比較的物理量?？刂葡到y(tǒng)中常用的概念和術語的含義說明輸出量（或40繪制方框圖舉例1：

繪制方框圖舉例1：41繪制方框圖舉例2：

繪制方框圖舉例2：42二、開環(huán)、閉環(huán)和復合控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)按其有無反饋作用和反饋作用的方式可分為三類：1、開環(huán)控制系統(tǒng)2、閉環(huán)控制系統(tǒng)3、復合控制系統(tǒng)二、開環(huán)、閉環(huán)和復合控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)按其有無反饋作用和反饋作43開環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量和輸入量之間沒有反饋作用，輸出量對系統(tǒng)的控制過程不發(fā)生影響時，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。如手表、交通燈控制、機床的進給運動等。圖1-5是數(shù)控線切割機的進給系統(tǒng).開環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量和輸入量之間沒有反饋作用，輸出量44數(shù)控線切割機的進給系統(tǒng)(圖1-5)數(shù)控線切割機的進給系統(tǒng)(圖1-5)45數(shù)控線切割機的進給系統(tǒng)(圖1-5)上例的控制過程為：（1）根據(jù)圖紙設定x方向位移；（2）把此數(shù)據(jù)輸入機床控制器中；在控制器中把工作臺行程換算成當量脈沖，即總脈沖數(shù)=加工尺寸a/脈沖當量。（3）按計算所得脈沖數(shù)（電壓信號）輸入給步進電機。（4）步進電機輸出轉角通過減速齒輪傳給絲杠。（5）絲杠輸出，通過螺母傳給工作臺，工作臺輸出直線運動。數(shù)控線切割機的進給系統(tǒng)(圖1-5)上例的控制過程為：46

數(shù)控線切割機開環(huán)控制系統(tǒng)職能方框圖控制器被控對象輸入量輸出量圖1-6開環(huán)控制系統(tǒng)的職能方框圖xoxi數(shù)控線切割機開環(huán)控制系統(tǒng)職能方框圖控制器被控對象輸入47開環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點：1、結構簡單，成本低。2、動作快，較穩(wěn)定。3、有了誤差無法自動調整。開環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點：1、結構簡單，成本低。48閉環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間具有反饋聯(lián)系，即輸出量對系統(tǒng)的控制過程有直接影響，這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)是按照反饋控制原理工作的，又稱為反饋控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的信號傳遞路線構成閉合回路（閉環(huán)）。前面介紹的離心調速器控制系統(tǒng)和恒溫箱溫度恒定自動控制系統(tǒng)都是閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間具有反饋聯(lián)系，即輸出49數(shù)控線切割機床工作臺進給閉環(huán)控制系統(tǒng)（圖1-7）請同學自己繪制該閉環(huán)系統(tǒng)的職能方框圖。1—比較環(huán)節(jié)；2—放大器；3—編碼器；4—直流伺服電機；5—滾珠絲杠；6—工作臺；7—直線位移測量裝置；8—放大器數(shù)控線切割機床工作臺進給閉環(huán)控制系統(tǒng)（圖1-7）請同學自己繪50液壓伺服系統(tǒng)（圖1-10）輸出量：液壓缸缸體直線位移輸入量：伺服閥閥芯直線位移液壓伺服系統(tǒng)（圖1-10）輸出量：液壓缸缸體直線位移輸入量：51返回飛機俯仰角控制系統(tǒng)示意圖返回飛機俯仰角控制系統(tǒng)示意圖52給定電位器放大器舵機飛機

反饋電位器

垂直陀螺儀θiθ擾動俯仰角控制系統(tǒng)方框圖飛機俯仰角控制系統(tǒng)方框圖給定電位器放大器舵機飛機反饋電位器垂直陀螺儀θiθ擾動53GIP倒立擺本體(直線)電機基座擺桿角編碼器同步帶帶輪小車限位開關滑桿GIP直線倒立擺本體結構如右圖所示，主要部件有：交流伺服電機，同步帶，增量式光電編碼器，小車，擺桿，滑桿，限位開關等。運動過程：小車由電機通過同步帶驅動在滑桿上來回運動，保持擺桿平衡。電機編碼器和角編碼器向運動卡反饋小車和擺桿位置（線位移和角位移）。倒立擺(直線)本體圖GIP倒立擺本體(直線)電機基座擺桿角編碼器同步帶帶輪小車54

系統(tǒng)包括計算機、運動控制卡、伺服機構、倒立擺本體和光電碼盤幾大部分，組成了一個閉環(huán)系統(tǒng)。光電碼盤1將小車的位移、速度信號反饋給伺服驅動器和運動控制卡，下面一節(jié)擺桿（和小車相連）的角度、角速度信號由光電碼盤2反饋回控制卡和伺服驅動器，上面一節(jié)擺桿的角度和角速度信號則由光電碼盤3反饋。計算機從運動控制卡中讀取實時數(shù)據(jù)，確定控制決策（小車向哪個方向移動、移動速度、加速度等），并由運動控制卡來實現(xiàn)該控制決策，產生相應的控制量，使電機轉動，帶動小車運動，保持兩節(jié)擺桿的平衡。系統(tǒng)包括計算機、運動控制卡、伺服機構、倒立擺55閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)缺點1、可以自動的糾正和補償輸出量誤差，提高控制精度。

2、結構復雜，成本高。3、參數(shù)選擇不適當將會引起閉環(huán)控制系統(tǒng)振蕩，甚至不能工作。閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)缺點1、可以自動的糾正和補償輸出量誤差，提高控制56復合控制系統(tǒng)在輸出和輸入之間同時存在開環(huán)控制和閉環(huán)控制的系統(tǒng)，稱為復合控制系統(tǒng)。它實質上是在閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎上，用開環(huán)通路提供一個補償?shù)妮斎胱饔茫鐖D1-9所示。復合控制系統(tǒng)在輸出和輸入之間同時存在開環(huán)控制和閉環(huán)控制的系統(tǒng)57復合控制系統(tǒng)(圖1-9）這種系統(tǒng)兼有開環(huán)和閉環(huán)兩種系統(tǒng)的優(yōu)點，因而可大大提高系統(tǒng)的性能。圖1-9復合控制系統(tǒng)復合控制系統(tǒng)(圖1-9）這種系統(tǒng)兼有開環(huán)和閉環(huán)58三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成輸入量xi輸出量xo主反饋局部反饋偏差信號e主反饋信號xb給定元件放大元件執(zhí)行元件反饋元件被控對象比較元件+-串聯(lián)校正元件+-并聯(lián)校正元件給定元件

反饋元件(檢測元件)比較元件

放大變換元件

執(zhí)行元件（驅動元件）被控對象

校正元件（校正裝置）圖1-10典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的職能方框圖三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成輸入量xi輸出量xo主反饋局部反饋59給定元件用來產生控制信號或輸入信號（輸入量）的元件。例如數(shù)控機床進給系統(tǒng)的輸入裝置、恒溫箱控制系統(tǒng)的給定電位器就是給定元件。給定元件用來產生控制信號或輸入信號（輸入量）的元件。60反饋元件(檢測元件)用來測量（輸出量）被控制量的實際值，并經過處理，轉換為與輸出量有一定函數(shù)關系的反饋量的元件。檢測元件大多是將非電量轉換為電量的元件。反饋元件(檢測元件)用來測量（輸出量）被控制量的實際值，并經61它是用來對輸入信號和反饋信號進行比較，得出偏差信號的元件。比較元件實際上是信號綜合環(huán)節(jié)（可以相減或相加），它往往不是一個專門的物理元件，有時也叫比較環(huán)節(jié)。例如：離心調速器的套筒比較機構、恒溫箱自動控制系統(tǒng)中的比較電路等。比較元件它是用來對輸入信號和反饋信號進行比較，得出偏差信號的元件。比62它是對偏差信號進行信號放大和功率放大的元件。如電壓、電流、功率放大器、晶閘管整流調壓裝置和電液伺服閥等。放大變換元件它是對偏差信號進行信號放大和功率放大的元件。放大變換元件63它接收放大變換元件發(fā)出的控制信號，直接驅動被控對象工作，使輸出量按照預期的規(guī)律運行。例如前述例子中的調壓器、直流電機等均為此類元件。執(zhí)行元件（驅動元件）它接收放大變換元件發(fā)出的控制信號，直接驅動被控對象工作，使輸64它是控制系統(tǒng)需要進行控制的裝置、設備或過程等。被控對象中要進行控制的物理量或參數(shù)稱為被控制量（輸出量）。例如前述例子中的蒸汽機、恒溫箱等均為被控對象

。被控對象（控制對象）它是控制系統(tǒng)需要進行控制的裝置、設備或過程等。被控對象中要進65它是為改善系統(tǒng)的性能而加入系統(tǒng)中的輔助元件（裝置），而不是閉環(huán)控制系統(tǒng)必須具有的元件（裝置）。串聯(lián)在系統(tǒng)前向通道內的校正元件稱為串聯(lián)校正裝置；接成反饋形式的校正元件稱為并聯(lián)校正裝置。常用的電子調節(jié)器、測速發(fā)電機等均可作為此類元件。校正元件（校正裝置）它是為改善系統(tǒng)的性能而加入系統(tǒng)中的輔助元件（裝置），而不是閉66第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本類型一、按輸入量輸出量的運動規(guī)律可分為三種；二、按系統(tǒng)傳遞信號性質可分為兩種。第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本類型一、按輸入量輸出量的運動規(guī)律可分為67按輸入量輸出量的運動規(guī)律可分為三種恒值控制系統(tǒng)（自動調節(jié)系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)按輸入量輸出量的運動規(guī)律可分為三種恒值控制系統(tǒng)（自動調節(jié)系統(tǒng)68恒值控制系統(tǒng)（自動調節(jié)系統(tǒng)）這類系統(tǒng)的輸入量是一個不變的恒值，系統(tǒng)的基本任務是排除各種干擾因素的影響，使被控制量（輸出量）以一定精度等于系統(tǒng)的輸入量。例如蒸汽機離心調速器系統(tǒng)、恒溫箱溫度控制系統(tǒng)等。同學自己舉例恒值控制系統(tǒng)（自動調節(jié)系統(tǒng)）這類系統(tǒng)的輸入量是一個不變的恒值69程序控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)的輸入量是變化的，且變化規(guī)律是預先確定了的已知的時間函數(shù)。系統(tǒng)的任務是使輸出量按預先給定的規(guī)律（程序）變化。例如，數(shù)控線切割機床進給系統(tǒng)、熱處理爐溫控制系統(tǒng)等都屬于此類。程序控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)的輸入量是變化的，且變化規(guī)律是預先確定了70隨動系統(tǒng)這類系統(tǒng)的輸入量是變化規(guī)律預先不能確定的任意時間函數(shù)，系統(tǒng)的任務是保證輸出量以一定精度跟隨輸入量的變化，并能克服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，即輸入量是隨機的，而輸出量是隨動的（隨動系統(tǒng)在工業(yè)領域又稱為伺服系統(tǒng)）。隨動系統(tǒng)這類系統(tǒng)的輸入量是變化規(guī)律預先不能確定的任意時間函數(shù)71河北工業(yè)大學控制工程課件72按系統(tǒng)傳遞信號性質可分為兩種連續(xù)控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)按系統(tǒng)傳遞信號性質可分為兩種連續(xù)控制系統(tǒng)73連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中的運動狀態(tài)和各個部分所傳輸?shù)男盘柖际沁B續(xù)變化的模擬量的系統(tǒng)稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。前述的離心調速器、恒溫箱溫度控制系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)等大多數(shù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)都屬于此類。連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中的運動狀態(tài)和各個部分所傳輸?shù)男盘柖际沁B續(xù)變74離散控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或數(shù)處信號是以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞的系統(tǒng)稱為離散控制系統(tǒng)。若用采樣開關（采樣器）將連續(xù)信號轉換為脈沖形式的系統(tǒng)，稱為脈沖控制系統(tǒng)；用模數(shù)（A/D）轉換器將連續(xù)信號轉換為數(shù)字信號并用數(shù)字控制器或數(shù)字計算機進行控制和信號處理的系統(tǒng)，稱為數(shù)字控制系統(tǒng)或稱計算機控制系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或數(shù)處信號是以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳75離散控制系統(tǒng)若用采樣開關（采樣器）將連續(xù)信號轉換為脈沖形式的系統(tǒng)，稱為脈沖控制系統(tǒng)；離散控制系統(tǒng)若用采樣開關（采樣器）將連續(xù)信號轉換為脈沖形式的76離散控制系統(tǒng)用模數(shù)（A/D）轉換器將連續(xù)信號轉換為數(shù)字信號并用數(shù)字控制器或數(shù)字計算機進行控制和信號處理的系統(tǒng)，稱為數(shù)字控制系統(tǒng)或稱計算機控制系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)用模數(shù)（A/D）轉換器將連續(xù)信號轉換為數(shù)字信號并77離散控制系統(tǒng)離散系統(tǒng)在分析問題的方法上與連續(xù)系統(tǒng)有明顯不同；連續(xù)系統(tǒng)用微分方程來描述系統(tǒng)的運動狀態(tài)，可采用拉普拉斯變換方法研究系統(tǒng)的特性；而離散系統(tǒng)用差分方程來描述系統(tǒng)的運動狀態(tài)，可采用Z變換方法研究系統(tǒng)的動態(tài)特性。離散控制系統(tǒng)離散系統(tǒng)在分析問題的方法上與連續(xù)系統(tǒng)有明顯不同；78第四節(jié)對控制系統(tǒng)的基本要求快速性穩(wěn)定性準確性基本要求第四節(jié)對控制系統(tǒng)的基本要求快速性穩(wěn)定性準確性基本要求79穩(wěn)定性控制系統(tǒng)能夠正常工作的首要條件是系統(tǒng)必須穩(wěn)定，這是對控制系統(tǒng)提出的最基本的要求。系統(tǒng)穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，由系統(tǒng)的結構及組成元件的參數(shù)所決定。

穩(wěn)定性控制系統(tǒng)能夠正常工作的首要條件是系統(tǒng)必須穩(wěn)定，這是80穩(wěn)定性穩(wěn)定性81穩(wěn)定性如果在輸入量的作用下系統(tǒng)的輸出量能夠達到一個新的平衡狀態(tài)或擾動量去掉以后系統(tǒng)的輸出量能夠恢復到原來的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定性如果在輸入量的作用下系統(tǒng)的輸出量能夠達到一個新的平82穩(wěn)定系統(tǒng)的時間響應曲線（圖1-11）穩(wěn)定系統(tǒng)的時間響應曲線（圖1-11）83不穩(wěn)定系統(tǒng)的時間響應曲線（圖1-11）不穩(wěn)定系統(tǒng)的時間響應曲線（圖1-11）84不穩(wěn)定系統(tǒng)的時間響應曲線（圖1-11）不穩(wěn)定系統(tǒng)的時間響應曲線（圖1-11）85穩(wěn)定性系統(tǒng)穩(wěn)定性包括兩方面的含義：一是系統(tǒng)是穩(wěn)定的，這就是系統(tǒng)的絕對穩(wěn)定性，前面定義的穩(wěn)定性就是這個含義；二是系統(tǒng)穩(wěn)定性的程度，即相對穩(wěn)定性。穩(wěn)定性系統(tǒng)穩(wěn)定性包括兩方面的含義：一是系統(tǒng)是穩(wěn)86快速性控制系統(tǒng)的快速性是指當系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量（或輸出量的期望值）之間產生偏差時，消除這種偏差的快慢程度?？焖傩杂袃煞矫娴暮x：一是系統(tǒng)對輸入量的響應速度，它表現(xiàn)為當輸入量施加以后，系統(tǒng)輸出量跟隨輸入量變化的迅速程度；二是振蕩衰減的快慢程度，它表現(xiàn)為系統(tǒng)輸出量跟隨輸入量變化的瞬態(tài)響應過程（過渡過程）結束的迅速程度?？焖傩钥刂葡到y(tǒng)的快速性是指當系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量（87準確性控制系統(tǒng)的準確性是用系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來衡量的。穩(wěn)態(tài)誤差是指輸入量作用系統(tǒng)以后，當過渡過程結束時，輸出量的實際值與輸出量的期望值之間的差值。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標，其值越小，控制系統(tǒng)的準確性越好，控制精度越高。準確性控制系統(tǒng)的準確性是用系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來衡量的。88第五節(jié)循序漸進學習示例：直流電動機調速系統(tǒng)在本教材的各章節(jié)中將對直流電動機調速系統(tǒng)這個學習示例循序漸進地加以討論。在本章中，主要介紹該學習示例的工作原理，繪制其職能方框圖。第五節(jié)循序漸進學習示例：直流電動機調速系統(tǒng)在本教材的各章節(jié)89給定電位器圖1-12具有速度負反饋的直流電動機調速系統(tǒng)原理示意圖運算放大器及電路晶閘管觸發(fā)整流器直流電動機測速發(fā)電機給定圖1-12具有速度負反饋的直流電動機調速系統(tǒng)原理示意圖90這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由給定元件——給定電位器，比較放大元件——運算放大器及電路，功率放大元件——晶閘管觸發(fā)、整流器，被控對象——直流電動機，反饋元件——測速發(fā)電機等組成，它的職能方框圖如圖1-13所示。這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由給定元件——給定電位器，比較放91小結不同的控制系統(tǒng)對穩(wěn)、準、快這三方面的要求是有所側重的。對于同一個控制系統(tǒng)的穩(wěn)、準、快這三方面的要求是相互制約的。分析和解決控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性，并解決它們之間的矛盾，正是本書所要討論的主要內容。小結不同的控制系統(tǒng)對穩(wěn)、準、快這三方面的要求92控制工程基礎主講：高鐵紅機械學院機械系控制工程基礎主講：高鐵紅93控制工程基礎(自編教材）

普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材第一章緒論第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

第三章頻率特性第四章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析第五章

控制系統(tǒng)的時間響應及穩(wěn)態(tài)誤差分析第六章控制系統(tǒng)的根軌跡分析第七章控制系統(tǒng)的綜合與校正第八章離散控制系統(tǒng)分析與校正控制工程基礎(自編教材）

普通高等教育“十一五”國94第一節(jié)概述第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本概念第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本類型第四節(jié)對控制系統(tǒng)的基本要求第五節(jié)

循序漸進學習示例：直流電動機調速系統(tǒng)第一章緒論第一節(jié)概述第一章緒論95第一節(jié)概述一、控制工程研究的主要內容二、控制理論的發(fā)展三、控制理論在工程中的應用四、控制理論的學習方法第一節(jié)概述一、控制工程研究的主要內容96一、控制工程研究的主要內容控制工程主要研究有關自動控制和系統(tǒng)動力學的基礎理論及其在工程中的應用。它是一門新興技術科學，也是一門邊緣科學，它的理論基礎是控制理論。具體的講研究用控制理論的基本原理解決電氣、機械、測控、化工等一切工程系統(tǒng)中的控制技術問題。（圖1-1）一、控制工程研究的主要內容控制工程主要研究有關自動控制和系統(tǒng)97離心調速器原理示意圖(圖1-1)穩(wěn)定、準確、快速離心調速器原理示意圖(圖1-1)穩(wěn)定、準確、快速98M輸入：驅動力輸出：小車位移，擺桿角度問題：如何使系統(tǒng)穩(wěn)定？如何通過控制使系統(tǒng)綜合性能達到期望值？如何通過控制使系統(tǒng)達到最優(yōu)控制性能指標？單倒立擺M輸入：驅動力單倒立擺99輸入：各關節(jié)驅動電機力矩、角度、角速度等輸出：末端位置、各個轉動臂的位置、速度、加速度等問題：如何使系統(tǒng)穩(wěn)定？如何通過控制使系統(tǒng)綜合性能達到期望值？如何通過控制使系統(tǒng)達到最優(yōu)控制性能指標？Robot機器人密歇根大學的機械手裝配模型輸入：各關節(jié)驅動電機力矩、角度、角速度等Robot機器人密100工程控制理論的實質工程控制論實質上是研究工程技術中廣義系統(tǒng)的動力學問題．具體地說，它研究的是工程技術中的廣義系統(tǒng)在一定的外界條件(即輸入或激勵，包括外加控制與外加干擾)作用下，從系統(tǒng)的一定的初始狀態(tài)出發(fā)，所經歷的由其內部的固有特性(即由系統(tǒng)的結構與參數(shù)所決定的特性)決定的系統(tǒng)整個動態(tài)歷程；研究這一系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關系．

系統(tǒng)輸入輸出工程控制理論的實質工程控制論實質上是研究工程技術中廣義系統(tǒng)的101學習控制工程基礎要解決的兩個問題

一是如何分析某個給定控制系統(tǒng)的工作原理、穩(wěn)定性和過渡過程品質；二是如何根據(jù)實際需要來進行控制系統(tǒng)的設計，并用機、電、液、光等設備來實現(xiàn)這一系統(tǒng)。前者主要是分析系統(tǒng)，后者是綜合與設計，無論解決哪類問題，都必須具有豐富的控制理論知識。學習控制工程基礎要解決的兩個問題一是如何分析某個給定控制系102二、控制理論的發(fā)展1、控制理論的產生可以追朔到1788年瓦特(J.Watt)為控制蒸汽機速度而發(fā)明的蒸汽機離心調速器，其原理示意圖如圖1-1所示。2、1868年，英國物理學家馬克斯威爾（J.C.Maxwell）發(fā)表了第一篇關于“論調速器”的文章，首先提出了“反饋控制”的概念。1884年和1895年,勞斯（E.J.Routh）和霍爾維茨(A.Hurwitz)把麥克斯威爾的理論擴展到用高階微分方程描述的更為復雜的系統(tǒng)，并分別提出了兩種著名的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）研制出電子管振蕩器，同時提出了著名的Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)。

二、控制理論的發(fā)展1、控制理論的產生可以追朔到1788年瓦特103二、控制理論的發(fā)展3、1948年美國數(shù)學家維納（N.Wiener）出版了著名的《控制論—關于在動物和機器中控制和通訊的科學》一書，他揭示了無論機器系統(tǒng)、生命系統(tǒng)甚至社會和經濟系統(tǒng)中，都存在一個共同本質的特點，它們都是通過信息的傳遞、處理與反饋這三個要素來進行控制，這就是控制論的中心思想。1950年伊萬斯（W.R.Evans）提出的根軌跡法提供了尋找特征方程根的比較簡易的圖解方法，至此，形成了完整的經典控制理論。二、控制理論的發(fā)展3、1948年美國數(shù)學家維納（N.Wien104二、控制理論的發(fā)展4、我國著名科學家錢學森從控制論這一總題目中，把已被當時科學技術和工程實踐所證明的部分分離出來，創(chuàng)立了“工程控制論”，并于1954年出版了《工程控制論》這一名著，這對控制理論的發(fā)展與應用起到了很大的推動作用。二、控制理論的發(fā)展4、我國著名科學家錢學森從控制論這一總題目105二、控制理論的發(fā)展5、50年代末與60年代初，一方面由于工業(yè)生產、火箭和空間技術的發(fā)展，出現(xiàn)了多變量、非線性和時變參數(shù)系統(tǒng)，經典控制理論已經不能滿足要求；另一方面由于電子計算機技術的發(fā)展與應用，半導體和電子技術、計算技術的發(fā)展，各種傳感器和自動檢測技術的發(fā)展，使控制理論發(fā)展到了一個新階段，從而產生了現(xiàn)代控制理論。隨著科技進步特別是計算機科學的發(fā)展，控制論無論是在三要素的內涵上，還是在其深度與廣度上都在發(fā)展變化著，對促進生產的發(fā)展和社會進步產生著深遠的影響.二、控制理論的發(fā)展5、50年代末與60年代初，一方面由于工業(yè)106控制理論發(fā)展幾個階段

1940——1950經典控制理論發(fā)展階段研究對象：單機自動化，解決單輸入單輸出（SISO-SingleInputSingleOutput）線性定常系統(tǒng)的控制問題；主要數(shù)學工具：微分方程、拉普拉斯變換數(shù)學模型：傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）主要研究方法：時域法、頻域法和根軌跡法；主要解決問題：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準確性。

控制理論發(fā)展幾個階段1940——1950經典控制理論發(fā)107控制理論發(fā)展幾個階段1960——1970現(xiàn)代控制理論發(fā)展階段研究對象：機組自動化和各種動態(tài)系統(tǒng)的多輸入多輸出（MIMO-Multi-InputMulti-Output）系統(tǒng)的控制問題；數(shù)學工具：線性代數(shù)、矩陣論數(shù)學模型：狀態(tài)空間法(可以描述內部行為）主要研究方法：變分法、極大值原理、動態(tài)規(guī)劃理論等；重點解決問題:最優(yōu)控制、隨機控制和自適應控制；最優(yōu)估計和濾波

核心控制裝置是電子計算機；控制策略是建立在已知系統(tǒng)的基礎上的控制理論發(fā)展幾個階段1960——1970現(xiàn)代控制理論發(fā)展108控制理論發(fā)展幾個階段1970——1980以后智能控制理論發(fā)展時期

智能自動化智能系統(tǒng)能夠模仿人腦，在沒有人的干預下，能夠進行自我調節(jié)、自我學習和自我組織，以適應外界環(huán)境的變化，并作出相應的決策和控制。采用的方法：自動控制理論、專家系統(tǒng)、模糊數(shù)學、神經網(wǎng)絡和運籌學等研究內容包括：最優(yōu)控制、自適應控制、魯棒控制、神經網(wǎng)絡控制、模糊控制、控制等等。

控制理論發(fā)展幾個階段1970——1980以后智能控制109三、控制理論在工程中的應用1、軍事（飛機方向控制、火炮控制、軍艦航行控制等）2、數(shù)控機床、加工中心3、機器人4、機電一體化系統(tǒng)(打印機、掃描儀、硬盤驅動器、倒立擺等）5、動態(tài)測試6、機械系統(tǒng)動力性能分析7、液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性分析8、生產過程控制三、控制理論在工程中的應用1、軍事（飛機方向控制、火炮控制、110飛機俯仰角控制系統(tǒng)飛機俯仰角控制系統(tǒng)111三、控制理論在工程中的應用三、控制理論在工程中的應用112三、控制理論在工程中的應用三、控制理論在工程中的應用113河北工業(yè)大學控制工程課件114密歇根大學的機械手裝配模型香港理工AGV模型密歇根大學的機械手裝配模型香港理工AGV模型115

倒立擺控制系統(tǒng)倒立擺系統(tǒng)是一個典型的高階次、多變量、嚴重不穩(wěn)定和強耦合的非線性系統(tǒng)。由于它的行為與火箭飛行以及兩足機器人行走等有很大的相似性,因而對其研究具有重大的理論和實踐意義。

AutomaticControl

自動控制倒立擺控制系統(tǒng)倒立擺系統(tǒng)是一個典116四、控制理論特點及學習方法本課程特點：（1）比較抽象（2）起點高（3）系統(tǒng)性強學習本門課程應以新的視角分析和考慮問題。學習本門課程要能以系統(tǒng)的而不是孤立的、動態(tài)的而不是靜態(tài)的觀點和方法來思考和解決問題。掌握控制理論的基本概念、基本理論和基本方法并注意結合實際，為解決工程中的控制問題打下基礎。四、控制理論特點及學習方法本課程特點：117五、本課程參考書楊叔子主編《機械工程控制基礎》華中理工大學出版社朱驥北主編《機械控制工程基礎》機械工業(yè)出版社胡壽松主編《自動控制原理》科學出版社緒方勝彥著、盧伯英等譯《現(xiàn)代控制工程》科學出版社董景新、趙長德編著《控制工程基礎》清華大學出版社王積偉等編著

《控制工程基礎》高等教育出版社五、本課程參考書楊叔子主編《機械工程控制基礎》華118本課程教學安排本課程總學時：48學時課堂教學學時：42學時實驗教學學時：6學時學時分配(含實驗學時）：第一章緒論6學時

(含2學時實驗）第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型8學時

第三章頻率特性10學時

(含2學時實驗）第四章系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析6學時

第五章時間響應及誤差分析6學時

(含2學時實驗）第六章控制系統(tǒng)的根軌跡分析

4學時第六章控制系統(tǒng)的綜合與校正

4學時

第七章離散控制系統(tǒng)分析與校正2學時

總結復習2學時

考試形式：考試一本課程教學安排本課程總學時：48學時119課程學習要求按時上課，認真聽講親筆手書，完成作業(yè)參與實驗，撰寫報告閉卷考試，成績疊加課程學習要求按時上課，認真聽講120第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本概念一、控制系統(tǒng)的基本工作原理二、開環(huán)、閉環(huán)和復合控制系統(tǒng)三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本概念一、控制系統(tǒng)的基本工作原理121一、控制系統(tǒng)的基本工作原理系統(tǒng)：是由相互制約的各個部分組成的具有一定功能的整體。自動控制系統(tǒng)：能夠進行自動控制的一整套設備或裝置。通常由控制器（控制裝置）和被控對象兩大部分組成。被控對象是指系統(tǒng)中需要加以控制的機器、設備或生產過程；控制器是指能夠對被控對象產生控制作用的設備的總體。控制系統(tǒng)的任務就是使被控制對象的物理量按照預先給定的控制規(guī)律變化。一、控制系統(tǒng)的基本工作原理系統(tǒng)：是由相互制約的各個部分組成的122一、控制系統(tǒng)的基本工作原理請同學動腦筋想一想身邊的自動控制系統(tǒng)的例子。被控對象控制器一、控制系統(tǒng)的基本工作原理請同學動腦筋想一想身邊的自動控制系123一、控制系統(tǒng)的基本工作原理實現(xiàn)自動控制的優(yōu)點：1、提高生產率、降低能源消耗。2、減輕體力和腦力勞動。3、生產安全、廢品少、產品質量高。一、控制系統(tǒng)的基本工作原理實現(xiàn)自動控制的優(yōu)點：124溫度人工控制的恒溫箱（圖1-2）被控對象被控制量溫度人工控制的恒溫箱（圖1-2）被控對象被控制量125自動控制的恒溫箱（圖1-3）自動控制的恒溫箱（圖1-3）126實現(xiàn)控制的三個基本步驟不論采用人工控制還是自動控制都具有以下的共同點：一是要檢測被控制量的實際值；二是被控制量的實際值要與給定值進行比較得出偏差值；三是要用偏差值產生控制調節(jié)作用再去消除偏差。

總結：檢測偏差，消除偏差

實現(xiàn)控制的三個基本步驟不論采用人工控制還是自動控制都具有以下127反饋控制原理反饋是指對系統(tǒng)的被控制量進行測量，并加以處理（取其一部分或全部、或其函數(shù)等）后，再返回輸入端與系統(tǒng)的給定量進行比較的過程。如果反饋量對給定量起增強作用，則稱為正反饋；反之，如果反饋量對給定量起減弱作用，則稱為負反饋。通常，控制系統(tǒng)采用負反饋。

基于負反饋基礎上的“檢測偏差并用以消除偏差”的控制原理，稱為反饋控制原理。利用反饋控制原理組成的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)。

反饋控制是自然界中一切物體控制的自身運動的基本規(guī)律之一，可以實現(xiàn)復雜而精確的控制；如人和動物（為尋求目標）的行走、汽車駕駛過程、導彈控制過程等。

反饋控制原理反饋是指對系統(tǒng)的被控制量進行測量，并加128反饋負反饋正反饋。反饋控制原理。反饋控制系統(tǒng)。。

反饋129固有反饋（或內在反饋）固有反饋是指沒有外加的檢測裝置，但是，變量與變量之間相互制約，構成了閉合的因果關系。

例如:機械傳動系統(tǒng)、機械加工系統(tǒng)、直流電機系統(tǒng)等。從控制理論的角度，它們都是一個反饋控制過程，因而都可以用控制理論加以解決。固有反饋（或內在反饋）固有反饋是指沒有外加的檢測130職能方框圖把表示系統(tǒng)的組成、各元件作用關系及信號傳遞（或流通）關系的圖形稱為職能方框圖。圖1-4恒溫箱溫度自動控制系統(tǒng)職能方框圖職能方框圖把表示系統(tǒng)的組成、各元件作用關系及信號131控制系統(tǒng)中常用的概念和術語的含義說明

輸出量（或稱輸出信號、被控制量）：是指控制系統(tǒng)中需要加以控制的物理量。系統(tǒng)的輸出量常用符號xo(t)表示。

輸入量（或稱輸入信號、給定值、給定量）：是指輸入給控制系統(tǒng)用以控制輸出量變化規(guī)律的物理量它作用于系統(tǒng)輸入端，直接地或間接地表示系統(tǒng)輸出量的期望值（給定值）。系統(tǒng)的輸入量常用符號xi(t)表示.

擾動量（或稱擾動信號）：指那些能使輸出量偏離預定要求（期望值）的意外干擾因素。

反饋量（或稱反饋信號）：是指把輸出量取出并直接或經轉換以后送回到輸入端與輸入信號進行比較的物理量。控制系統(tǒng)中常用的概念和術語的含義說明輸出量（或132繪制方框圖舉例1：

繪制方框圖舉例1：133繪制方框圖舉例2：

繪制方框圖舉例2：134二、開環(huán)、閉環(huán)和復合控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)按其有無反饋作用和反饋作用的方式可分為三類：1、開環(huán)控制系統(tǒng)2、閉環(huán)控制系統(tǒng)3、復合控制系統(tǒng)二、開環(huán)、閉環(huán)和復合控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)按其有無反饋作用和反饋作135開環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量和輸入量之間沒有反饋作用，輸出量對系統(tǒng)的控制過程不發(fā)生影響時，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。如手表、交通燈控制、機床的進給運動等。圖1-5是數(shù)控線切割機的進給系統(tǒng).開環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量和輸入量之間沒有反饋作用，輸出量136數(shù)控線切割機的進給系統(tǒng)(圖1-5)數(shù)控線切割機的進給系統(tǒng)(圖1-5)137數(shù)控線切割機的進給系統(tǒng)(圖1-5)上例的控制過程為：（1）根據(jù)圖紙設定x方向位移；（2）把此數(shù)據(jù)輸入機床控制器中；在控制器中把工作臺行程換算成當量脈沖，即總脈沖數(shù)=加工尺寸a/脈沖當量。（3）按計算所得脈沖數(shù)（電壓信號）輸入給步進電機。（4）步進電機輸出轉角通過減速齒輪傳給絲杠。（5）絲杠輸出，通過螺母傳給工作臺，工作臺輸出直線運動。數(shù)控線切割機的進給系統(tǒng)(圖1-5)上例的控制過程為：138

數(shù)控線切割機開環(huán)控制系統(tǒng)職能方框圖控制器被控對象輸入量輸出量圖1-6開環(huán)控制系統(tǒng)的職能方框圖xoxi數(shù)控線切割機開環(huán)控制系統(tǒng)職能方框圖控制器被控對象輸入139開環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點：1、結構簡單，成本低。2、動作快，較穩(wěn)定。3、有了誤差無法自動調整。開環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點：1、結構簡單，成本低。140閉環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間具有反饋聯(lián)系，即輸出量對系統(tǒng)的控制過程有直接影響，這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)是按照反饋控制原理工作的，又稱為反饋控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的信號傳遞路線構成閉合回路（閉環(huán)）。前面介紹的離心調速器控制系統(tǒng)和恒溫箱溫度恒定自動控制系統(tǒng)都是閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間具有反饋聯(lián)系，即輸出141數(shù)控線切割機床工作臺進給閉環(huán)控制系統(tǒng)（圖1-7）請同學自己繪制該閉環(huán)系統(tǒng)的職能方框圖。1—比較環(huán)節(jié)；2—放大器；3—編碼器；4—直流伺服電機；5—滾珠絲杠；6—工作臺；7—直線位移測量裝置；8—放大器數(shù)控線切割機床工作臺進給閉環(huán)控制系統(tǒng)（圖1-7）請同學自己繪142液壓伺服系統(tǒng)（圖1-10）輸出量：液壓缸缸體直線位移輸入量：伺服閥閥芯直線位移液壓伺服系統(tǒng)（圖1-10）輸出量：液壓缸缸體直線位移輸入量：143返回飛機俯仰角控制系統(tǒng)示意圖返回飛機俯仰角控制系統(tǒng)示意圖144給定電位器放大器舵機飛機

反饋電位器

垂直陀螺儀θiθ擾動俯仰角控制系統(tǒng)方框圖飛機俯仰角控制系統(tǒng)方框圖給定電位器放大器舵機飛機反饋電位器垂直陀螺儀θiθ擾動145GIP倒立擺本體(直線)電機基座擺桿角編碼器同步帶帶輪小車限位開關滑桿GIP直線倒立擺本體結構如右圖所示，主要部件有：交流伺服電機，同步帶，增量式光電編碼器，小車，擺桿，滑桿，限位開關等。運動過程：小車由電機通過同步帶驅動在滑桿上來回運動，保持擺桿平衡。電機編碼器和角編碼器向運動卡反饋小車和擺桿位置（線位移和角位移）。倒立擺(直線)本體圖GIP倒立擺本體(直線)電機基座擺桿角編碼器同步帶帶輪小車146

系統(tǒng)包括計算機、運動控制卡、伺服機構、倒立擺本體和光電碼盤幾大部分，組成了一個閉環(huán)系統(tǒng)。光電碼盤1將小車的位移、速度信號反饋給伺服驅動器和運動控制卡，下面一節(jié)擺桿（和小車相連）的角度、角速度信號由光電碼盤2反饋回控制卡和伺服驅動器，上面一節(jié)擺桿的角度和角速度信號則由光電碼盤3反饋。計算機從運動控制卡中讀取實時數(shù)據(jù)，確定控制決策（小車向哪個方向移動、移動速度、加速度等），并由運動控制卡來實現(xiàn)該控制決策，產生相應的控制量，使電機轉動，帶動小車運動，保持兩節(jié)擺桿的平衡。系統(tǒng)包括計算機、運動控制卡、伺服機構、倒立擺147閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)缺點1、可以自動的糾正和補償輸出量誤差，提高控制精度。

2、結構復雜，成本高。3、參數(shù)選擇不適當將會引起閉環(huán)控制系統(tǒng)振蕩，甚至不能工作。閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)缺點1、可以自動的糾正和補償輸出量誤差，提高控制148復合控制系統(tǒng)在輸出和輸入之間同時存在開環(huán)控制和閉環(huán)控制的系統(tǒng)，稱為復合控制系統(tǒng)。它實質上是在閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎上，用開環(huán)通路提供一個補償?shù)妮斎胱饔茫鐖D1-9所示。復合控制系統(tǒng)在輸出和輸入之間同時存在開環(huán)控制和閉環(huán)控制的系統(tǒng)149復合控制系統(tǒng)(圖1-9）這種系統(tǒng)兼有開環(huán)和閉環(huán)兩種系統(tǒng)的優(yōu)點，因而可大大提高系統(tǒng)的性能。圖1-9復合控制系統(tǒng)復合控制系統(tǒng)(圖1-9）這種系統(tǒng)兼有開環(huán)和閉環(huán)150三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成輸入量xi輸出量xo主反饋局部反饋偏差信號e主反饋信號xb給定元件放大元件執(zhí)行元件反饋元件被控對象比較元件+-串聯(lián)校正元件+-并聯(lián)校正元件給定元件

反饋元件(檢測元件)比較元件

放大變換元件

執(zhí)行元件（驅動元件）被控對象

校正元件（校正裝置）圖1-10典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的職能方框圖三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成輸入量xi輸出量xo主反饋局部反饋151給定元件用來產生控制信號或輸入信號（輸入量）的元件。例如數(shù)控機床進給系統(tǒng)的輸入裝置、恒溫箱控制系統(tǒng)的給定電位器就是給定元件。給定元件用來產生控制信號或輸入信號（輸入量）的元件。152反饋元件(檢測元件)用來測量（輸出量）被控制量的實際值，并經過處理，轉換為與輸出量有一定函數(shù)關系的反饋量的元件。檢測元件大多是將非電量轉換為電量的元件。反饋元件(檢測元件)用來測量（輸出量）被控制量的實際值，并經153它是用來對輸入信號和反饋信號進行比較，得出偏差信號的元件。比較元件實際上是信號綜合環(huán)節(jié)（可以相減或相加），它往往不是一個專門的物理元件，有時也叫比較環(huán)節(jié)。例如：離心調速器的套筒比較機構、恒溫箱自動控制系統(tǒng)中的比較電路等。比較元件它是用來對輸入信號和反饋信號進行比較，得出偏差信號的元件。比154它是對偏差信號進行信號放大和功率放大的元件。如電壓、電流、功率放大器、晶閘管整流調壓裝置和電液伺服閥等。放大變換元件它是對偏差信號進行信號放大和功率放大的元件。放大變換元件155它接收放大變換元件發(fā)出的控制信號，直接驅動被控對象工作，使輸出量按照預期的規(guī)律運行。例如前述例子中的調壓器、直流電機等均為此類元件。執(zhí)行元件（驅動元件）它接收放大變換元件發(fā)出的控制信號，直接驅動被控對象工作，使輸156它是控制系統(tǒng)需要進行控制的裝置、設備或過程等。被控對象中要進行控制的物理量或參數(shù)稱為被控制量（輸出量）。例如前述例子中的蒸汽機、恒溫箱等均為被控對象

。被控對象（控制對象）它是控制系統(tǒng)需要進行控制的裝置、設備或過程等。被控對象中要進157它是為改善系統(tǒng)的性能而加入系統(tǒng)中的輔助元件（裝置），而不是閉環(huán)控制系統(tǒng)必須具有的元件（裝置）。串聯(lián)在系統(tǒng)前向通道內的校正元件稱為串聯(lián)校正裝置；接成反饋形式的校正元件稱為并聯(lián)校正裝置。常用的電子調節(jié)器、測速發(fā)電機等均可作為此類元件。校正元件（校正裝置）它是為改善系統(tǒng)的性能而加入系統(tǒng)中的輔助元件（裝置），而不是閉158第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本類型一、按輸入量輸出量的運動規(guī)律可分為三種；二、按系統(tǒng)傳遞信號性質可分為兩種。第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本類型一、按輸入量輸出量的運動規(guī)律可分為159按輸入量輸出量的運動規(guī)律可分為三種恒值控制系統(tǒng)（自動調節(jié)系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)按輸入量輸出量的運動規(guī)律可分為三種恒值控制系統(tǒng)（自動調節(jié)系統(tǒng)160恒值控制系統(tǒng)（自動調節(jié)系統(tǒng)）這類系統(tǒng)的輸入量是一個不變的恒值，系統(tǒng)的基本任務是排除各種干擾因素的影響，使被控制量（輸出量）以一定精度等于系統(tǒng)的輸入量。例如蒸汽機離心調速器系統(tǒng)、恒溫箱溫度控制系統(tǒng)等。同學自己舉例恒值控制系統(tǒng)（自動調節(jié)系統(tǒng)）這類系統(tǒng)的輸入量是一個不變的恒值161程序控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)的輸入量是變化的，且變化規(guī)律是