機械工程控制基礎緒論

機械工程控制基礎

主講人:鐘金豹內蒙古科技大學機械工程學院

專業(yè)技術基礎課(選修）課程性質:服務對象:大學機電類專業(yè)課程特點：內容豐富，技術更新快，緊密聯系實際，應用非常廣泛。

本課程是非電專業(yè)的機電技術專業(yè)基礎課，應用廣泛，學時少、內容多，不能輕視。否則，對以后的工作、學習將會造成影響。前導課程：復變函數、電路理論、機械制造技術基礎后續(xù)課程：機電控制，機電控制系統(tǒng)設計

主要教學環(huán)節(jié)習題獨立完成作業(yè)，按時交作業(yè)。緊跟老師講課思路，搞清基本概念，注意解題方法和技巧。課堂教學課外補充復習：復變函數Laplace變換自學：Matlab編程。主要教學內容基礎知識分析方法基本概念控制系統(tǒng)結構體系控制系統(tǒng)數學模型工程控制技術時域分析頻域分析系統(tǒng)穩(wěn)定性判據工程應用系統(tǒng)性能指標系統(tǒng)校正課程成績確定方法：

本課程將注重過程，采用過程評價體系。成績主要由平時成績、作業(yè)成績和考試成績三部分組成。每項說明如下：1.平時成績：到課率、遲到早退情況、回答問題情況、上課情況等。2.作業(yè)成績：4-6次作業(yè)，當堂交作業(yè)。3.隨堂考試：閉卷，卷面考試成績。最終成績的給定大約按如下公式得到：平時成績+作業(yè)成績+考試成績三者比重大約分別為：20%、20%、60%逃課、早退、未交作業(yè)累計五次，不允許參加考試《工程控制基礎》課程教材及參考書教材：《機械工程控制基礎》（第五版），楊叔子、楊克沖等編著，華中科技大學出版社，20051.韓致信等編．《機械自動控制工程》．科學出版社2.梅曉榕主編．《自動控制原理》．科學出版社3.柳洪義編著．《機械控制工程》．科學出版社4.陳康寧等編．

《機械控制工程》．西安交通大學出版社5.陳麗蘭等編．

《自動控制原理教程》．電子工業(yè)出版社參考書：希望和要求:教學形式:

課堂上，多媒體授課為主，板書為輔；學習模式：預習－>聽課－>復習(作業(yè)等形式)意見要求及時反饋新生事物大家支持教師嚴謹治學學生積極配合師生共同創(chuàng)造佳績建議希望踴躍發(fā)言控制技術

應用舉例(1)工業(yè)控制電機控制機床控制生產過程自動化控制機器人控制......控制技術的應用

海洋探測機器人1990年日本海洋科技中心研制的“海溝號”纜控式無人潛水器（左）及其在大海中工作時的情況（右）

CR-01型6000米水下無纜機器人1995年8月我國沈陽自動化所機器人中心研制的CR-01型6000米水下無纜機器人（上）和正在下水的情況（右）瑞典博福斯公司研制的“雙鷹”水下掃雷機器人

一個典型的運動控制系統(tǒng)

船用火力發(fā)電綜合控制系統(tǒng)

家用電器冰箱、洗衣機家庭影院微波爐......控制技術

應用舉例(2)消費類產品U盤、MP3手機應用產品......控制技術

應用舉例(3)32、64等合弦音MCU芯片智能樓宇的控制控制技術

應用舉例(4)可視對講、室內報警、遠程家電控制…….樓宇電梯的控制信號檢測供電系統(tǒng)電機(執(zhí)行機構)可編程序控制器ProgrammableLogicController電機控制器汽車電子汽車電子電源發(fā)動機控制行駛裝置報警與安全裝置旅居性儀表娛樂通訊收音機、汽車電話、業(yè)余電臺點火裝置、燃油噴射控制、發(fā)動機電子控制車速控制、間歇刮水、除霧裝置、車門緊鎖….安全帶、車燈未關報警、速度報警、安全氣囊….空調控制、動力窗控制里程表、數字式速度表、出租車用儀表….控制技術

應用舉例(5)21世紀綠色環(huán)保汽車EV安全、舒適、可靠無廢氣排放(零排放)高效率EV?機電機電一體愧化EV充電系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)汽車照明、電動轉向、空調、音響、雨刷、安全報警、電動門窗…….電耕子機械驅動控制系統(tǒng)電機驅動系統(tǒng)控制控制基于CAN總線的欠汽車內憲部控制距示意圖口語汽裳車導航模系統(tǒng)使謙用情景覽示意圖汽車GPS定位，GIS導航，GSM通信單片機控制器應用由行程淹開關控核制的自生動往返幟起動線冷路典型應用一、引厘言1、控制系腔統(tǒng)簡介自動控近制成為桃一門科搬學是從194號5發(fā)展起艇來的。開始多矛用于工值業(yè)：壓延力、溫邀度、流荷量、位斥移、濕覺度、粘餐度自動助控制。后來進入湊軍事領域哭：飛機自批動駕駛、焰火炮自動賠跟蹤、導氏彈、衛(wèi)星陷、宇宙飛志船自動控送制。目前滲透阿到更多領慮域：大系曉統(tǒng)、交通帳管理、圖雄書管理等注。所謂自動圾控制指的廚是在沒有漸人直接參什與的情況殖下，利用含控制器自策動調節(jié)和歷控制機器克設備或生擇產過程的替工作狀態(tài)災，使之保壟持不變或盲按預定的肯規(guī)律變化標這樣一種流現象，叫量做自動控累制。補充知識自動控制縣理論的發(fā)煉展自動控傅制理論風是研究傲自動控念制共同廣規(guī)律的槍技術科敘學。既蒼是一門著古老的蘆、已臻施成熟的緒學科，癥又是一稿門正在征發(fā)展的遍、具有贏強大生黑命力的彎新興學服科。從1868年馬克雪斯威爾疊（J.C極.Ma睛xwe蠅ll）提出侮低階系演統(tǒng)穩(wěn)定育性判據估至今一乳百多年莊里，自甘動控制允理論的授發(fā)展可夠分為四慣個主要秧階段：第一階段遇：經典控制照理論（或毒古典控制伶理論）的欄產生、發(fā)叮展和成熟列；第二階段推：現代控辭制理論擊的興起嗽和發(fā)展說；第三階慰段：大系統(tǒng)控章制興起和說發(fā)展階段閃；第四階段：智能控先制發(fā)展階脆段。經典控制單理論控制理論亂的發(fā)展初況期，是以訂反饋理論繁為基礎的別自動調節(jié)擱原理，主帶要用于工裙業(yè)控制。母第二次世黎界大戰(zhàn)期斃間，為了淹設計和制灣造飛機及脖船用自動賴駕駛儀、炎火炮定位貝系統(tǒng)、雷省達跟蹤系愉統(tǒng)等基于住反饋原理拐的軍用裝府備，進一選步促進和年完善了自甚動控制理她論的發(fā)展廈。1868年，馬克怨斯威爾（J.C.失Maxw于ell）提出了利低階系統(tǒng)言的穩(wěn)定性康代數判據煉。189止5年，數雷學家勞釀斯（Rou司th）和赫爾蠻威茨（Hur撿wit求z）分別獨女立地提出輝了高階系鉛統(tǒng)的穩(wěn)定敲性判據，狼即Rout貿h和Hurw禁itz判據。二戰(zhàn)期間壺（193餅8-1研945年）奈田奎斯特仰（H.N主yqu成ist）提出了愿頻率響應摟理論；1948年，伊萬挪斯（W.R管.Ev訂ans）提出了藏根軌跡法舌。至此，控匯制理論發(fā)祖展的第一掘階段基本尼完成，形烘成了以頻羊率法和根泰軌跡法為勉主要方法懷的經典控各制理論。經典控有制理論受的基本鋪特征（1）主要用應于線性定歸常系統(tǒng)的拾研究，即頂用于常系譯數線性微纖分方程描慣述的系統(tǒng)院的分析與罪綜合；（2）只用還于單輸諒入，單紫輸出的斜反饋控景制系統(tǒng)勢；（3）只討受論系統(tǒng)唐輸入與肯輸出之繞間的關嫁系，而疊忽視系累統(tǒng)的內課部狀態(tài)妹，是一縱種對系忘統(tǒng)的外第部描述耳方法。應該指出踏的是，反望饋控制是阿一種最基騎本最重要乞的控制方塵式，引入贈反饋信號效后，系統(tǒng)零對來自內圾部和外部術干擾的響道應變得十頂分遲鈍，帥從而提高刺了系統(tǒng)的醋抗干擾能蔑力和控制偽精度。與批此同時，睜反饋作用葉又帶來了跟系統(tǒng)穩(wěn)定賣性問題，視正是這個敲曾一度困鄰擾人們的愉系統(tǒng)穩(wěn)定扁性問題激暢發(fā)了人們蟻對反饋控黎制系統(tǒng)進效行深入研椒究的熱情兼，推動了果自動控制擁理論的發(fā)業(yè)展與完善卸。因此從中某種意義疲上講，古千典控制理期論是伴隨足著反饋控婦制技術的刻產生和發(fā)告展而逐漸圓完善和成損熟起來的顫?，F代控制僅理論由于經雕典控制銷理論只喚適用于正單輸入魚、單輸插出的線耕性定常賞系統(tǒng)，尖只注重杠系統(tǒng)的私外部描繪述而忽厚視系統(tǒng)悄的內部綢狀態(tài)。摔因而在谷實際應谷用中有西很大局笨限性。隨著航酒天事業(yè)局和計算際機的發(fā)夠展，20世紀60年代初勒，在經挑典控制價理論的辰基礎上學，以線遮性代數焦理論和汪狀態(tài)空拖間分析燦法為基略礎的現映代控制分理論迅聯速發(fā)展技起來。195善4年貝爾曼菌（R.B羽elm溫an)提出動態(tài)持規(guī)劃理論195檔6年龐特里粱雅金（L.S.卸Pont偽ryag移in）提出穩(wěn)極大值庫原理196敲0年卡爾曼靈（R.K濟.Ka撓lma仁n)提出多變素量最優(yōu)控溉制和最優(yōu)渡濾波理論在數學工柿具、理論拋基礎和研喘究方法上氏不僅能提拜供系統(tǒng)的醬外部信息慚（輸出量照和輸入量撫），而且輕還能提供璃系統(tǒng)內部付狀態(tài)變量活的信息。鉤它無論對矮線性系統(tǒng)挪或非線性渡系統(tǒng)，定賣常系統(tǒng)或憶時變系統(tǒng)銀，單變量煤系統(tǒng)或多序變量系統(tǒng)而，都是一襯種有效的肉分析方法哀。大系統(tǒng)理論20世紀70年代開厭始，現披代控制杏理論繼岸續(xù)向深帽度和廣肅度發(fā)展區(qū)，出現怕了一些局新的控鹽制方法相和理論江。如（1）現代頻畢域方法零以傳遞函而數矩陣為病數學模型找，研究線噸性定常多蘇變量系統(tǒng)甚；（2）自適修應控制捎理論和姜方法苦以系統(tǒng)納辨識和恨參數估苦計為基理礎，在慈實時辨夫識基礎五上在線限確定最啞優(yōu)控制晨規(guī)律；崗（3）魯棒控徹制方法后在保證系露統(tǒng)穩(wěn)定性邊和其它性報能基礎上后，設計不臺變的魯棒雙控制器，喬以處理數判學模型的讓不確定性烈。隨著控悄制理論徑應用范早圍的擴泰大，從哈個別小仁系統(tǒng)的辜控制，呼發(fā)展到統(tǒng)若干個盈相互關虛聯的子溝系統(tǒng)組蠢成的大資系統(tǒng)進畜行整體括控制，弄從傳統(tǒng)糞的工程脖控制領塵域推廣灑到包括此經濟管摧理、生簡物工程焰、能源寧、運輸輔、環(huán)境鉛等大型詞系統(tǒng)以猴及社會芽科學領養(yǎng)域。大系統(tǒng)理尿論是過程考控制與信臨息處理相租結合的系親統(tǒng)工程理憲論，具有陶規(guī)模龐大躬、結構復邊雜、功能慰綜合、目巾標多樣、必因素眾多屑等特點。補它是一個繳多輸入、趁多輸出、幫多干擾、拔多變量的危系統(tǒng)。大保系統(tǒng)理論品目前仍處愉于發(fā)展和蒜開創(chuàng)性階纏段。智能控制是近年什來新發(fā)匹展起來肌的一種尤控制技蜓術，是錦人工智連能在控牢制上的盾應用。洲智能控版制的概袋念和原拋理主要疊是針對索被控對衰象、環(huán)蒸境、控愛制目標臭或任務慎的復雜穿性提出禾來的，兇它的指鋤導思想露是依據顏人的思幼維方式兵和處理庭問題的客技巧，愛解決那敲些目前縱需要人鴿的智能幫才能解礙決的復捉雜的控繼制問題宮。被控嶄對象的饅復雜性侮體現為:模型的偷不確定宇性，高棵度非線漏性，分憤布式的飄傳感器謹和執(zhí)行濕器，動惜態(tài)突變術，多時勸間標度凡，復雜燭的信息止模式，水龐大的顧數據量處，以及車嚴格的旋特性指嫁標等。跡智能控朱制是驅紐奉動智能綿機器自辱主地實者現其目殼標的過艇程，對鵝自主機座器人的泥控制就策是典型羞的例子朽而環(huán)境偽的復雜腫性則表態(tài)現為變由化的不芽確定性絡和難以洲辨識。智能控制逝是從“仿人”的概念鑰出發(fā)的廈。一般恭認為，杏其方法遷包括學定習控制政、模糊捷控制、盯神經元等網絡控月制、和曉專家控蔽制等方矮法。2、控制的售定義:控制:對對象物施加某波種操作輛，使其狐產生所喘期望的壟行為。例.[鋼鐵軋俯制]:軋出厚能度一致傾的高精兵度鐵板存在溫度途控制,生鐵成匹分控制,厚度控仿制,張力控制,等等。自動控襪制:在沒有滿人直接繞參與的泳情況下貞，利用悟外加的顫設備或躁裝置（只稱為控艙制裝置絨或控制心器），阻使機器閣、設備姜或生產旦過程（屠通稱被剩控對象塑）的某里個工作童狀態(tài)或勢參數（博即被控訂量）自靜動地按蘋照預定跨的規(guī)律揮運行。例.典型控制羞系統(tǒng)：數征控機床、俯機車、船譯舶及飛機律自動駕駛格、導彈制擴導等。例.控制實妥例-液面控匹制人工控制自動控圖制3、控制論:定義：關甚于控制原絞理和控制南方法的學恢科，研究畏事物變化踏和發(fā)展的痕一般規(guī)律舍。控制三全要素：腎被控對旺象、控行制目標畜、控制匹裝置控制論嘆強調：1)所研究新的對象瞇是一個欠系統(tǒng)；2)系統(tǒng)在竹不斷地滴運動（狂經歷動冊態(tài)歷程舒、包括丘內部狀帥態(tài)和外哀部行為霜）；3)產生運動銅的條件是醒外因（外僚界的作用您：輸入、阻干擾）4)產生運帥動的根他據是內封因（系厚統(tǒng)的固崇有特性摸）控制論與輛其它學科鄰結合，形革成眾多的霜分支學科劫?？刂普摻洕鷮W社會學生物學工程技術經濟控制論社會控制論生物控制論工程控制論機械工程機械工程控制論共同的本鈴質特點：敞通過信息接的傳遞、及處理與反晨饋進行控螞制。二、機械工室程控制緊論的研易究對象咐與任務機械工程咳控制論研峽究機械工矩程中廣義系編統(tǒng)的動力學問隙題。1、系統(tǒng)(廣義系統(tǒng)):按一定的陪規(guī)律聯系敏在一起的文元素的集脂合。系統(tǒng)框圖畜如下:系統(tǒng)的層害次性和相歉對性：系紹統(tǒng)的組成盆元素也可毫以是一個咽系統(tǒng)（子理系統(tǒng)），拆整個系統(tǒng)挖又可以是叔更上一層停系統(tǒng)的組賞成元素。廣義系濕統(tǒng)：具靠備系統(tǒng)旨要素的半一切事初物或對杜象，如零機器系統(tǒng)、欣生命系哪統(tǒng)、社擺會系統(tǒng)販、生產野系統(tǒng)、耗思維、迎學習等猛。機械工程撫中的廣義昆系統(tǒng)：元喊件、部件暫、儀器、襪設備、加捏工過程、譽測量、車促間、部門撫、工廠、努企業(yè)、企憶業(yè)集團等匯。2、動力學貝問題:系統(tǒng)在外聽界作用（場輸入或激角勵、包括恢外加控制怪與外界干列擾）下，瀉從一定初霞始狀態(tài)出亭發(fā)，經歷沾由其內部煩的固有特鉆性（由系拼統(tǒng)的結構蹤蝶與參數所兆決定）所否決定的動抖態(tài)歷程（努輸出或響吉應）。這一過膽程中，系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之蜻間的動態(tài)關遺系即為系薯統(tǒng)的動圈力學問緞題。例.彈簧－云質量－翁阻尼單崖自由度繡系統(tǒng)。分析：握這是同視一個系煮統(tǒng)，不尚同的外熱界作用上式中y(t)為微分方哲程的解，柜顯然它是挺由系統(tǒng)的左初始條件周，系統(tǒng)的減固有特性怨，系統(tǒng)的杯輸入及系汗統(tǒng)與輸入滋之間的關匪系決定。對上例，合需要研究酒的問題可地歸納為以頓下三類：1)系統(tǒng)的輸腿入與系統(tǒng)膀的固有特悠性如何影繁響y(t螞)，三者隙之間表氧現為何私種關系。2)系統(tǒng)確定伙并已知時假，對系統(tǒng)儲施加何種茶輸入，能炕使系統(tǒng)實賤現預期的航響應。3)對于確奴定的輸吉入，系中統(tǒng)應具界有什么談特性，名才能使綢系統(tǒng)實機現預期家的響應?；镜膭恿W問題。注意：系統(tǒng)的初芝始狀態(tài)也企可視為一奮種特殊的閑輸入，即洲初始輸入囑或初始激努勵。當初田態(tài)不為0時，即使鄰無輸入，房誠系統(tǒng)的狀炎態(tài)也不斷酸改變，這獨就是自由程運動。工程控制征論的內容浙可歸納為順如下5個方面：（1）已知系列統(tǒng)和輸入顛，求系統(tǒng)輝的輸出，糊即系統(tǒng)分駱析問題；（2）已知系眾統(tǒng)和系統(tǒng)燙的理想輸始出，設計缸輸入，即同最優(yōu)控制問題；（3）已知輸貢入和理想碧輸出時，丙設計系統(tǒng)形，即最優(yōu)唐設計問題；（4）輸出釀已知，耍確定系釋統(tǒng)，以出識別輸圣入或輸跟入中的鋪有關信息，此昆即濾波與椒預測問題漢；（5）已知系統(tǒng)統(tǒng)的輸入上和輸出，掌求系統(tǒng)的臉結構與參牲數，即系統(tǒng)辨恐識問題。三、系統(tǒng)及其確模型1、系統(tǒng)億的特性:（1）系統(tǒng)的蚊性能不僅單與系統(tǒng)的屆元素有關挨，而且還佩與系統(tǒng)的結構陳有關；（2）系統(tǒng)后的內容妻比組成煮系統(tǒng)各途元素的占內容要慘豐富得卸多；（3）系統(tǒng)往劉往具有表釋現出在時熊域、頻域騰或復域等勝域內的動態(tài)特郊性。2、機械禿系統(tǒng):實現一定斑的機械運挖動、輸出瘦一定的機皮械能，以漠及承受一定的機旺械載荷為所目的的系稼統(tǒng)，稱為櫻機械系統(tǒng)豎。對于機侮械系統(tǒng)，其亭輸入和輸螞出分別稱描為“激勵”和“響應”。3、系統(tǒng)搞模型:模型是研絕究系統(tǒng)、谷認識系統(tǒng)覆與描述系岸統(tǒng)、分析款系統(tǒng)的一種工搭具。在書我們這淘里模型戒是指一唯種用數民學方法副所描述坊的抽象的理堂論模型，松用來表達罷一個系統(tǒng)伐內部各部蠻分之間，踢或系統(tǒng)與其磚外部環(huán)境蟲之間的關花系，故又容稱為數學港模型。系統(tǒng)的后模型包治括實物命模型、樓物理模毫型、和伴數學模偏型等等。定而數學換模型又透包括靜噸態(tài)模型價和動態(tài)游模型。壯動態(tài)模型在一定極的條件下紫可以轉換預成靜態(tài)模諷型。在控爸制理論或控制工圈程中，掛一般關月心的是次系統(tǒng)的速動態(tài)特興性，因宣此，往往需要采躲用動態(tài)數騾學模型。靜態(tài)模型帖反映系統(tǒng)擠在恒定載廉荷或緩變罪作用下或圍在系統(tǒng)平制衡狀態(tài)下薪的特性，摧現時輸出瀉僅由其現行時輸入所壇決定，一綱般以代數犯公式描述趴。動態(tài)模型紗反映系統(tǒng)頃在迅變載散荷或在系張統(tǒng)不平衡款狀態(tài)下的技特性，現占時輸出還鋒由受其以島前輸入的話歷史的影獲響，一般乖以微分方脹程或差分賤方程描述錘。例:可見書P6圖1.2.躲2。四、反饋1、定義:系統(tǒng)的府輸出不脊斷地，微直接或演間接地消、全部因或部分妹地返回英，并作眾用于系滿統(tǒng)，其摧實質就漲是信息鞋的傳遞奇與交互奧。2、內反饋捏與外反饋外反饋：完在自動控走制系統(tǒng)中斗，為達到猴某種控制唐目的而人山為加入的悲反饋，稱臘為外反饋收。內反饋：亞在系統(tǒng)或費過程中存令在的各種木自然形成蓬的反饋，稱為內反港饋。它是棍系統(tǒng)內部錢各個元素右之間相互揮耦合的結果。匯內反饋填是造成營機械系多統(tǒng)存在山一定的搶動態(tài)特場性的根本原案因，紛賤繁復雜訪的內反笛饋的存姥在使得河機械系腐統(tǒng)變得異常復鋼雜。例：m-c-k系統(tǒng)顯然這杜是一個軌內反饋遼，因為臂沒有附犁加反饋境控制裝繡置。內結反饋是箏系統(tǒng)內玻部的信答息交互知，反映慢了系統(tǒng)丑的動態(tài)期特性。3、系統(tǒng)方姨框圖及其曉組成系統(tǒng)方框躍圖由許多咳對信號（競量）進行束單向傳遞尤的元件方毒框和一些孕連線組成欠，表征了似系統(tǒng)各元仰件之間及血系統(tǒng)與外該界之間進魯行信息交弦換的過程拘。它包括鑼三個基本電的單元，兩即：1)引出點忌（分支異點）：盾表示信鍋號的引炒出或信園號的分鑰支，箭歐頭表示袖信號的忠傳遞方談向，線姥上標記略信號的輛名稱。比較點（蓮相加點）暗：表示兩儉個或兩個賢以上的信怕號進行相抽加或相減蠢運算?！?”表示信于號相加母；“-”表示信妥號相減共。元件方框戴：方框中礎寫入元、優(yōu)部件的名漸稱，進入販箭頭表示乳其輸入信混號；引出喜箭頭表示雷其輸出信挖號。例：見書P23頁1.4題解：當相刀具以爸進給量s進行切險削時，奇在切削搖過程中池產生切慨削力Py，而使機拼床-工件系梳統(tǒng)發(fā)生境變形退辛讓，減兇少了刀漏具的實地際進給a，此時a=s俊-y,進而影響椒到切削力膏的變化，個如此循環(huán)器，使得切鋸削過程為悠一個動態(tài)付過程，其臭過程如下廳圖所示的安方框圖表總示：切削過程機床-工件系統(tǒng)例：見裳書P24頁1.7最-1題解：人騎懷自行車時暗，總是希都望自行車霧具有一定洋的理想狀膽態(tài)（如速猴度，方向第等），人庸腦根據這拉個理想狀固態(tài)指揮四爽肢動作，副使自行車惰按預定的佛狀態(tài)運動碼，此時，餃路面的狀責況等因素立會對自行咬車的實際因狀態(tài)產生件影響，使支得自行車巷偏離理想適狀態(tài)，人金的感覺器池官感覺車虹子的狀態(tài)律，并將此薦信息返回頌到大腦，案大腦根據合實際狀態(tài)洞與理想狀姨態(tài)的偏差梳調整四肢冒動作，如華此循環(huán)往瞧復。其信盯息流動與繁反饋的過毫程如下圖仗所示：運動系統(tǒng)感覺器官自行車五、控俘制系統(tǒng)匪的工作旨原理及篇其組成加熱電阻絲~220V調壓器人工控制的恒溫箱

溫度計例：人工控制恒兩溫箱調節(jié)繞過程：觀測恒溫廁箱內的溫憐度（被控跪制量）與要求的駐溫度（給敵定值）進蔬行比較，摟得到溫度偏差的大男小和方向根據偏瞧差大小振和方向顯調節(jié)調夫壓器，梯控制加化熱電阻絲的電冠流以調節(jié)遙溫度回復鄙到要求值。人工控額制過程莫的實質憲：檢測偏差掘再糾正偏筆差。大腦手調壓器恒溫箱眼睛實際溫度期望溫度人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖溫度計加熱電阻絲~220V調壓器熱電偶給定信號比較電壓放大器功率放大器執(zhí)行電動機減速器u2u1++u恒溫箱自動控制系統(tǒng)例：恒溫箱碗自動控旱制系統(tǒng)諷工作原秒理：恒溫箱實樣際溫度由冒熱電偶轉婚換為對應衫的電壓u2恒溫箱遺期望溫曾度由電桑壓u1給定，并漠與實際溫疾度u2比較得到花溫度偏差當信號u＝u1u2溫度偏輸差信號殲經電壓順、功率忠放大后程，用以呈驅動執(zhí)行電辨動機，做并通過良傳動機縱構拖動涉調壓器蹤蝶動觸頭。當栽溫度偏撞高時，猾動觸頭哀向減小臺電流的占方向運動，詠反之加揪大電流場，直到譽溫度達果到給定執(zhí)值為止，此時奮，偏差u＝0，電機坑停止轉勞動。系統(tǒng)功能照框圖如下恢所示：給定信號電壓功率放大器控制電機減速器調壓器恒溫箱(控制對象)熱電偶u1u2uuanvu溫度t(被控量)擾動恒溫箱自動控制系統(tǒng)功能框圖從恒溫闊箱控制佳系統(tǒng)功遺能框圖制可見：給定量位圾于系統(tǒng)的逝輸入端，斜稱為系統(tǒng)輸牧入量。也稱為參考輸撿入量（信號）。被控制量敞位于系統(tǒng)跑的輸出端桐，稱為系統(tǒng)輸出山量。輸出量（炕全部或一炕部分）通匪過測量裝底置返回系統(tǒng)的輸入哲端，使之鴨與輸入量娛進行比較烤，產生偏差（給定圣信號與瞧返回的串輸出信娛號之差偶）信號宮。輸出量的苗返回過程鮮稱為反饋。返回的思全部或部分輸出晝信號稱煮為反饋信殘?zhí)?。綜上所纏述，控孤制系統(tǒng)錘的工作雨原理：檢測輸藥出量（沖被控制辨量）的球實際值將輸出量坊的實際值危與給定值洞（輸入量李）進行比較得出蔬偏差；用偏差值謎產生控制鎖調節(jié)作用欣去消除偏糾差，使得輸出量維肆持期望的它輸出。由于存渠在輸出近量反饋先，上述勺系統(tǒng)能椒在存在淺無法預餡計擾動逃的情況現下，自溜動減少倦系統(tǒng)的惰輸出量旬與參考垮輸入量馬（或者砌任意變摩化的希趁望的狀丟態(tài)）之艦間的偏告差，故似稱之為反饋控制。顯然：反饋控街制建立穗在偏差朝基礎上，其控制污方式是“檢測偏差揭再糾正偏帥差”。這種基于奔反饋原理醉，能對輸粱出量與參殼考輸入量吃進行比較統(tǒng)，并力圖退保持兩者毛之間既定寒關系的系穗統(tǒng)。稱為反饋控制右系統(tǒng)。反饋控隊制系統(tǒng)具雨備測量、比較和執(zhí)行三個基本房誠功能。注意：皆反饋控咱制系統(tǒng)謠中，反滔饋信號紅是與給真定信號膜相減，杰使偏差秧越來越增小，稱漫為負反饋。負反揚饋控制騾是實現持自動控木制最基密本的方廁法。六、系統(tǒng)誰的分類及并對控制系適統(tǒng)的基本都要求1、開環(huán)豪控制與剃閉環(huán)控西制實際的滋控制系假統(tǒng)根據焰有無反薪饋作用苦可分為謊三類：開環(huán)控制布系統(tǒng)閉環(huán)控診制系統(tǒng)半閉環(huán)怨控制系父統(tǒng)開環(huán)控制路系統(tǒng)特點：系統(tǒng)僅昆受輸入益量和擾饒動量控亂制；輸所出端和輸入紐奉端之間橡不存在君反饋回里路；輸華出量在整個委控制過垮程中對中系統(tǒng)的麗控制不諒產生任何影揚響。輸入裝置指令系統(tǒng)輸入控制裝置伺服驅動裝置工作臺工作臺位置系統(tǒng)輸出數控機床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖優(yōu)點：簡單、穩(wěn)渠定、可靠抱。若組成凳系統(tǒng)的元鈴件特性和授參數值比使較穩(wěn)定，楚且外界干鏡擾較小，其開環(huán)控制餅能夠保持土一定的精謊度。缺點：精度通圓常較低沫、無自洗動糾偏求能力控制器對象或過程輸入量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)框圖閉環(huán)控制載系統(tǒng)特點：輸出端和萬輸入端之常間存在反互饋回路，龜輸出量對控原制過程有跑直接影響蝕。閉環(huán)的作低用：應用斤反饋，減欲少偏差。優(yōu)點：精度高倒，對外規(guī)部擾動寨和系統(tǒng)養(yǎng)參數變咐化不敏感缺點：存在穩(wěn)定隙、振蕩、察超調等問刑題，系統(tǒng)梅性能分析堆和設計舌麻煩?？刂破鲗ο蠡蜻^程輸入量輸出量測量元件閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量半閉環(huán)于控制系落統(tǒng)特點：反饋信號歸通過系統(tǒng)使內部的中較間信號獲舌得。2、閉環(huán)勵控制系硬統(tǒng)的組紙成給定元件+串聯校正元件放大變換元件執(zhí)行元件控制對象_+_并聯校正元件局部反饋反饋元件主反饋控制部分比較元件比較元件輸入信號

xi偏差信號

e主反饋信號

xb擾動信號輸出

xo閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成給定元件產生給定勁信號或輸鋤入信號。反饋元件測量被瀉控制量外（輸出連量），喬產生反懼饋信號牛。為便于傳紐奉輸，反饋叢信號通常道為電信號汁。注意：在機械撕、液壓斤、氣動肯、機電陳等系統(tǒng)垂中存在爪著內在疼反饋，美這種反慨饋無須濫專門的牌反饋元冶件，是爪系統(tǒng)內駕部各參鐘數相互豎作用產龍生的，咐如作用扶力與反晚作用力控之間形智成的直烈接反饋。比較元奧件對給定信辣號和反饋誦信號進行蔬比較，產沉生偏差信輝號；放大元生件對偏差巴信號進聞行放大釋，使之央有足夠效的能量需驅動執(zhí)瘦行元件慢實現控端制功能羅。執(zhí)行元件直接對驗受控對倆象進行狠操縱的涉元件；杯如電動士機、液歲壓馬達鏟等；校正元件用以改善先系統(tǒng)控制新質量的裝過置。校正元付件分為型串聯和宵并聯兩稀種。控制系統(tǒng)純中比較元竟件、放大懇元件、執(zhí)掠行元件和媽反饋元件乓等共同起設控制作用鍵，統(tǒng)稱為控制器。實際的鮮控制系同統(tǒng)中，擾動總是不可巡壽避免的，濾擾動分為內部擾動和外部擾動，但在控識制系統(tǒng)中虛，擾動集稠中表現在某控制量與賴被控量的揮偏差上，答因此，可蓄以將控制版系統(tǒng)的擾瞞動等效為哥對控制對蛛象的干擾砌。3、輸出沒變化規(guī)庭律分類恒值控占制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入栗量為恒定還值。控制究任務是保包證在任何泰擾動作用麻下系統(tǒng)的掏輸出量為者恒值。如：恒墾溫箱控哈制、電棉網電壓繡、頻率婆控制等由。程序控炎制系統(tǒng)輸入量的紫變化規(guī)律央預先確知凳，輸入裝喬置根據輸獲入的變化罷規(guī)律，發(fā)摘出控制指濁令，使被推控對象按箏照指令程戰(zhàn)序的要求茂而運動。何如數控加虎工系統(tǒng)。隨動系統(tǒng)臉（伺服系乓統(tǒng)）輸入量岔的變化資規(guī)律不避能預先巨確知，園其控制亂要求是運輸出量扒迅速、他平穩(wěn)地打跟隨輸算入量的制變化，淺并能排湖除各種干擾汽因素的影番響，準確薦地復現輸燈入信號的湯變化規(guī)律訊。如：仿形劣加工系統(tǒng)藥、火炮自騾動瞄準系霸統(tǒng)等。4、按系統(tǒng)牽中傳遞補信號的嬌性質分鑰類連續(xù)控制晨系統(tǒng)系統(tǒng)中各釘部分傳遞至的信號為床隨時間連殺續(xù)變化的趟信號。連稈續(xù)控制系麥統(tǒng)通常采袖用微分方顛程描述。離散（障數字）朝控制系著統(tǒng)系統(tǒng)中仔某一處頂或多處守的信號拴為脈沖撿序列或四數字量朱傳遞的數系統(tǒng)。位離散控藏制系統(tǒng)啄通常采鞭用差分蘿方程描響述。5、線性系怨統(tǒng)和非原線性系潛統(tǒng)線性系棒統(tǒng)由線性界元件組陣成，輸裹入輸出璃間具有悉疊加性難和均勻做性性質放，以線啟性微分律方程來慎表述。非線性系失統(tǒng)系統(tǒng)中僵有非線識性元件句，輸入條輸出間棋不具有械疊加性蠟和均勻爬性性質歐。用非瞇線性微格分方程刊來表述表。6、其它灑分類系導統(tǒng)定常系統(tǒng)黑和時變系董統(tǒng)機械、電豪氣、機電胖、液壓、籍氣動、熱確力等控制嚷系統(tǒng)溫度、煙壓力、她位置等例控制系炕統(tǒng)七、對巾控制系縱統(tǒng)的基口本要求1、穩(wěn)定絡性系統(tǒng)動態(tài)夾過程的振睡蕩傾向及案其恢復平劑衡狀態(tài)的拾能力。穩(wěn)戶定的系統(tǒng)草當輸出量磨偏離平衡流狀態(tài)時，戀其輸出能扶隨時間的粱增長收斂吵并回到初娛始平衡狀像態(tài)。穩(wěn)定行性是控制越系統(tǒng)正常妨工作的先褲決條件。控制系砌統(tǒng)穩(wěn)定瘋性由系木統(tǒng)結構秀所決定瞇，與外哭界因素脈無關。撤穩(wěn)定性激由控制托系統(tǒng)內薄部儲能可元件的扛能量不擱可能突附變所產躺生的慣歐性滯后鬼作用所螺導致。2、精確才性控制精密度，以最穩(wěn)態(tài)誤淺差來衡衡量。穩(wěn)態(tài)誤辟差：系統(tǒng)劫的調整閘（過渡宴）過程榴結束而康趨于穩(wěn)穗定狀態(tài)木時，系垂統(tǒng)輸出兵量的實會際值與倡給定量句之間的系差值。3、快速慈性輸出量江和輸入抹量產生胃偏差時著，系統(tǒng)帆消除這煎種偏差差的快慢釣程度。什快速性氣表征系綿統(tǒng)的動習態(tài)性能吩。注意：不同性聰質的控劃制系統(tǒng)雅，對穩(wěn)具定性、此精確性塌和快速性要鋼求各有痕側重。系統(tǒng)的穩(wěn)昌定性、精強確性、快軍速性相互檔制約，應根據實際宰需求合理先選擇。八、控制腸工程發(fā)展虛概況

一千多年前：銅壺滴漏計時器、指南針、各種天文儀器時間刻度浮子銅壺滴漏178揮8年：J.艱Wat襖t發(fā)明蒸槍汽機調速器1868年：J.湊C.猜Max混wel套l發(fā)表《調速器》，提出傲反饋控憐制的概念胸及穩(wěn)定上性條件滿。1884年：E.殊J.嗚Rou騎th提出勞安斯穩(wěn)定涼性判據涂。189木2年：A.M點.Ly輪apun紋ov提出李雅賴普諾夫穩(wěn)等定性理論。1895年：A.騾Hur甘wif臂z提出赫發(fā)爾維茨找穩(wěn)定性獨判據。193吼2年：H.N傅yqui琴st提出奈奎爪斯特穩(wěn)定警性判據。194欣5年：H.臥W.容Bod妨e提出反饋妄放大器的惹一般設計方法1948年：N.W要iene凡r發(fā)表《控制論》，標志然經典控制理燙論基本萌形成；貧經典控攤制理論鳴以傳遞鋸函數為基礎啞，主要督研究單超輸入—單輸出釀（SIS疊O）系統(tǒng)的分析懂和控制問紗題；195膚0年：W.張R.初Eva楚ns提出根軌姨跡法，進須一步充實了經典旺控制論；195劈燕4年：錢學扣森發(fā)表《工程控濕制論》；50年代末60年代初：決現代控制查理論形成余；現代控制理母論以狀份態(tài)空間壁法為基畏礎，主脾要分析樹和研究多輸胃入-多輸出(MI鐮MO)、時變、判非線性等系統(tǒng)的最晃優(yōu)控制、湖最優(yōu)濾波進、系統(tǒng)辨歡識、自適應控制、劍智能控制塑等問題；芳控制理論缸研究的重點開始盜由頻域洪移到從捧本質上叉說是時搜域的狀籍態(tài)空間方法刑。195臘6年：蓬拌特里亞荒金（Pon數try鐮agi鴿n）提出極叼大值原理1957年：R.須I.出Bel葡lma扇n提出動賓態(tài)規(guī)劃芒理論1960年：R.E韻.Ka熊lman提出卡晚爾曼濾慕波理論1960～1980年：確尊定性系扶統(tǒng)的最肌優(yōu)控制璃、隨機系統(tǒng)的糞最優(yōu)控賞制、復差雜系統(tǒng)滿的自適達應和自末學習控制1980迄今：魯哈棒控制、H控制、非恩線性控制死、智能控制旋等九、本課柿程的任務譽及主要內留容本課程的塑任務控制系杯統(tǒng)性能面分析動態(tài)性筋能：過假渡過程牧分析、亞穩(wěn)定性斑分析等穩(wěn)態(tài)性游能：控聰制精度漁（穩(wěn)態(tài)箭誤差）控制系統(tǒng)啞設計選擇適輔當的控白制器及炮控制規(guī)睜律以改概善控制咽系統(tǒng)的性能使革其滿足控襪制要求。控制系楊統(tǒng)的性咸能分析拜和設計意通常是廚交替進年行的。控制系統(tǒng)乞分析和設含計一般包祖括：建立控課制對象斥的數學巧模型（診線性化泰模型）對象的性忙能分析、多仿真選擇控制求方案（開做環(huán)/閉環(huán)；漆線性/非線性吐等）選擇性能盼指標，設摘計控制器全系統(tǒng)胃性能分舒析、仿太真研制控制次器，構建足控制系統(tǒng)試驗驗證本課程術主要內槳容介紹經典低控制理論單的基礎知模識，包括謎：控制系統(tǒng)女數學模型額的建立控制系統(tǒng)嗓的時域分更析控制系統(tǒng)商的頻域分揉析控制系統(tǒng)劑穩(wěn)定性分戴析控制系統(tǒng)在的設計和簽校正十、習濟題自動控靜制系統(tǒng)爺方框圖毯的繪制欺步驟(重點掌握)：（1）分析稅控制系朗統(tǒng)的工惰作原理繁，找出良被控對違象。（2）分清昨系統(tǒng)的仿輸入量鏈、輸出糞量。（3）按照控顏制系統(tǒng)各拘環(huán)節(jié)的定扶義，找出鞋相應的各忠個環(huán)節(jié)。（4）按信息震流動的方晝向將各個鄙環(huán)節(jié)用元閱件方框和廚連線連接齒起來例1.1設電熱覺水器如器下圖所狹示。為多了保持值希望的勾溫度，照由溫控弄開關接友通或斷稻開電加灑熱器的魂電源。城在使用犬熱水時頃，水箱鍋中流出偷熱水并醫(yī)補充冷腸水。試音說明該料系統(tǒng)工紀作原理擠并畫出奇系統(tǒng)的籮方框圖占。解：在電熱水竹器系統(tǒng)中醋，水箱內角的水溫需排要控制，翻即水箱為局被控對象飼。水的實際陽溫度是被掀控制量，絕或稱為系壩統(tǒng)的輸出畜量，輸入雷量為用戶休希望的溫慌度（給定充值），由意于放出熱絞水并注入盡冷水或水嗓箱散熱等死原因而使扮水箱內水尖溫下降成耀為該系統(tǒng)孕的主要干倚擾。當To=T古i時，水箱浮的實際水華溫經測溫膚元件檢測踢，并將實際水溫寨轉化成瞧相應的仿電信號輔，與溫套控開關烤預先設杏定的信號進周行比較炕而得到泥的偏差魚為零，躬此時電敢加熱器隸不工作驢，水箱中字的水溫拍保持在塑希望的著溫度上石。當使用乒熱水并隱注入冷于水時，狠水溫下角降，此慚時To<T克i，則偏差不為零算而使溫控睡開關工作生。于是電喝源接通，掙電加熱器開始對水倒箱內的水鞋進行加熱英，使水溫風上升，直燦到To=T腔i時為止。件系統(tǒng)控只制方框點圖如下夢圖所示扇：例1.2分析圖示蘿液位自動若控制系統(tǒng)蔽工作原理石并繪制系統(tǒng)疫功能框室圖節(jié)流閥節(jié)流閥H(t)放大器+E+E.電動機減速器解：1、電位算器滑動酷觸點位麻于中間遇位置，優(yōu)電動機潛停轉，每閥門保用持原有驅開度，倆水箱中達流入水房誠量與流叮出水量泳相等，岡液面?？h持在希行望的高得度。2、若系統(tǒng)直收到擾動鋸使液面升氏高，則浮浮子相應升吩高，通過頸杠桿作用匯使電位器噸滑動觸點清下移，給穩(wěn)電動機提振供一定的銳控制電壓彈，驅動電液動機通過告減速器減比小閥門開枕度，使輸縣入流量減血小，液位崗下降，直乖到電位器限滑動觸點任回到中間迎位置，液邁面恢復給酸定高度；3、若系統(tǒng)臣收到擾動夢使液面下塑降，則系溫統(tǒng)會自動匠加大閥門原開度，使幅輸入流量獲增加，液沉面恢復到漢