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1、,机械控制工程基础,2013年8月,第一章 绪论, ,第一节 控制系统的基本工作原理 第二节 自动控制系统的分类 第三节 机械控制工程研究对象与方法 第四节 控制理论的发展简史 第五节 对控制系统性能的基本要求 第六节 本课程的学习方法,第一节 控制系统的基本工作原理,以恒温系统为例,有两种控温方法：人工控制,自动控制,人工调节过程：,1、测量观测温度（被控量） 2、比较与要求温度（给定,量）比较，得出偏的大小,和方向,3、执行根据偏差进行控制,控制过程：,测量，求偏差，控制以纠正偏差,若能找到一个控制器代替人的职能，就变成,了自动控制。,u1u2时 u 0 调压器不动,2,u 0 调压器右移
2、,u2 u1 u,2,2,u 0 调压器左移,u1u,u,共同特点：检测偏差用以纠正偏差。,偏差是通过反馈建立起来的，该原理称为 反馈控制原理，该系统称为反馈控制系统。,图中看到：1、反馈控制的基本原理,2、各职能环节的作用是单向的,总之，实现自动控制的装置可各不相同，,但反馈控制的原理却是相同的。,反馈控制是实现自动控制的最基本方法,第二节 自动控制系统的分类, ,按控制系统有无反馈分 1. 开环控制系统无反馈 2. 闭环控制系统有反馈 按控制作用的特点来分 1. 恒值控制系统 2. 程序控制系统 3. 随动控制系统,1. 开环控制系统无反馈,按控制系统有无反馈分,输入、输出之间无反馈回路
3、输出对系统的控制作用无影响,开环控制系统的数控机床进给系统,优点：结构简单、价格便宜、容易维修 缺点：精度低，易受环境变化的干扰,按控制系统有无反馈分 2. 闭环控制系统有反馈,输入、输出之间有反馈回路 输出对系统的控制作用有影响,闭环控制系统的数控机床进给系统,优点：精度高、动态性能好、抗干扰能力强等,缺点：由于元件或负载的惯性，易引起振荡，使系统不 稳定；结构复杂、价格贵、维修人员要求文化素质高。,按控制系统有无反馈分,3. 反馈控制系统的基本组成及有关名词术语,（1）反馈控制系统的基本组成,按控制系统有无反馈分,（2）反馈控制系统的有关名词术语,输入信号（输入量、控制量、给定量）：输入到
4、系统的各种信号 输出信号（输出量、被控制量、被调节量）：输出是输入结果， 输出的变化规律通过控制应与输入信号之间保持有确定的关系。 反馈信号：输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号。 偏差信号：为输入信号与主反馈信号之差。 误差信号：指输出量实际值与希望值。,扰动信号：人为的激励或输入信号。干扰或破坏系统预定性能的 输入信号,按控制作用的特点来分 1. 恒值控制系统输入量为恒值的系统 如：高压锅、稳压电源 2. 程序控制系统对系统的输入量按预定程序变化,的系统,如：数控机床,3. 随动控制统输出量能够迅速而准确地跟随变化,着的输入量的系统,如：液压仿形刀架,火炮自动瞄准系统 具有机械量输出的
5、随动控制系统又称为伺服控制系统,第三节 机械控制工程研究的对象与方法,控制对象 1. 自动控制系统 2. 机械动力学系统,公元前14001100年， 中国、埃及和巴比伦 相继出现自动计时漏 壶，人类产生了最早 期的控制思想。,第四节 控制理论的发展简史,公元前300年秦昭王时，由李冰父子主持设计修筑的著名 水利工程都江堰，是一种液面控制，是“系统”观念的杰 出体现。,公元 100年，亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发 圣水的自动计时装置。,公元132年，中国科学家张衡（公元78139）发明水运浑 象，研制出自动测量地震的候风地动仪。,公元235年，东汉末年马钧研制出用齿轮传动的自动指示 方向的指
6、南车(司南车）和记里鼓车（中国古代机器人）,指南车(司南车）,记里鼓车,北宋时代（公元10861089年），苏颂和韩公廉制造的 水运仪象台,水运仪象台结构图,公元1637年， 中国明代宋应 星所著天工 开物记载有 程序控制思想 的提花织机结 构图。,1681年，法国物理学家DennisPapin发明了锅炉压力调节器； 1765年，俄国人普尔佐诺夫IPolzunov 发明了蒸汽锅炉水位调节,器；,1788年，英国人瓦特James Watt发明了蒸汽机离心调速器；,1868年，美国人麦克斯威尔JCMaxwell提出反馈控制的概念及,稳定性条件；,1884年，英国数学家E. J. Routh提出劳斯
7、稳定性判据；,1892年，俄国著名数学家A. M. Lyapunov提出李雅普诺夫稳定性,理论；,1895年，美国A. Hurwitz提出赫尔维茨稳定性判据；,1932年，美国物理学家H. Nyquist提出乃奎斯特稳定性判据， 1945年，美国科学家H. W. Bode提出反馈放大器的一般设计方法； 1948年，美国数学家维纳Nwiener发表了著名的控制论,（Cybernetics)，基本上形成了经典控制理论。,1954年，中国科学家钱学森在美国运用控制论思想和方 法，用英文出版工程控制论，首先把控制论推广到 工程技术领域。,“作为技术科学的控制论，对工程技术、 生物和生命现象的研究和经济
8、科学，以及对社 会研究都有深刻的意义，比起相对论和量子论 对社会的作用有过之无不及我们可以毫不含 糊地说从科学理论的角度来看，二十世纪上半 叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论，也 许可以称它们为三项科学革命，是人类认识客,观世界的三大飞跃。”,钱学森,50年代末60年代初：现代控制理论形成；现代控制理论以状 态空间法为基础，主要分析和研究多输入-多输出(MIMO)、 时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自 适应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重点开始由频 域移到从本质上说是时域的状态空间方法。,1956年，俄罗斯数学家庞特里亚金Pontryagin，Lev,Semionov
9、ich提出极大值原理；,1957年：美国R. I. Bellman提出动态规划理论,1960年：美国数学R. E. Kalman提出卡尔曼滤波理论,19601980年：确定性系统的最优控制、随机系统的最优,控制、复杂系统的自适应和自学习控制,1980迄今：鲁棒控制、H控制、非线性控制、智能控制等,接着短短的几十年里，在各国科学家和科学技术人员的努 力下，又相继出现了生物控制论，经济控制论和社会控 制论等，控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着其它 科学技术的发展，极大地改变了整个世界。控制理论自 身也在创造人类文明中不断向前发展。,控制理论的中心思想是通过信息的传递、加工处 理并加以反馈来进行控
10、制。控制理论是信息学科 的重要组成方面。,“现代控制理论”是在“经典控制理论”的基础上，于60 年代以后发展起来的。它的主要内容是以状态空间法为基础， 研究多输入，多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线 性等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最优滤波、系统 辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的研究课题，近年 来计算机技术和现代应用数学的结合，又使现代控制理论在大 系统理论和模仿人类智能活动的人工智能控制等诸多领域有了 重大发展。,根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为 “经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。,“经典控制理论”的内容是以传递函数为基础，以频率法和 根轨迹法作为分析和综合系统基本方法，主要研究单输入，单 输出这类控制系统的分析和设计问题。,主要学习经 典控制理论,第五节 对控制系统性能的基本要求 稳,准,稳定性：控制系统正常工作的首要条件 准确性：系统稳定控制精度 快速性：控制系统的响应速度 快,
