机械控制工程基础-自动控制原理 第一章-绪论

19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。从1960年到1980，确定线性系统、随机系统的最佳控制及复杂系统的自适应和智能控制，都得到充分的研究。从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。
按给定量的特点来分：
（1）连续控制系统：系统的各环节输入量与输出量是信号连续的系统称为～
按系统反应特性来分
（2）离散控制系统：系统的各环节输入量、输出量信号是离散的系统称为～（如采样信号）
三 反馈控制系统的基本组成
1. 组成：给定元件、比较元件、反馈元件、放大元件、执行元件、控制对象及校正元件。
②闭环控制系统：反馈控制系统也称为闭环控制系统，是指系统的输入端与输出端之间存在反馈回路，输出量对控制作用有直接影响，其作用应用反馈来减少偏差，但不能消除偏差。
(1)开环控制系统特点 抗干扰能力差，控制精度低，但结构简单，调整方便，成本低，无自动纠偏能力。
(2)闭环控制系统特点 抗干扰能力强，控制精度高，结构复杂，能自动纠偏。 缺点：由于引入反馈，存在稳定、振荡和超调等问题，设计分析比较复杂。
人工控制恒温箱系统功能框图
总结： 人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差
（2）自动控制系统
恒温箱的自动控制系统原理图
恒温箱自动控制系统工作原理：（1）恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压 U2（2）恒温箱期望温度由U1给定，并与实际温度U2 比较得到温度偏差信号△U＝U1 - U2（3）温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之，加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差△U＝0，电机停止转动。

(6) 1954年美国德沃（George Devol）研制出第一台 工业机器人样机，两年后，被称为机器人之父的恩 格尔伯格 （Joseph Engelberger）创立了第一家机器 人公司－通用机器人（Unimation）
R.E. Kalman
(7) 1960年美籍匈牙利人卡尔曼（R. E. Kalman）发 表“控制系统全面理论”（“On the General Theory of Control Systems”）等论文，引入状态空间法分析系 统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础
(5) 1937年英国图灵（A. M. Turine）提出图灵计 算机的设想
(6) 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组 工作的申龙（C. Shannon） 1938年提出继电器逻辑 自动化理论，1948年发表专著《通信的数字理论》 (The Mathematical Theory of Communication)，奠 定了信息论的基础
(13) 1970年英国罗森布拉克（H.H
Rosenbrock ）发表“状态矢量空间与多变
量理论”（State Space and Multivariable
Theory）。 1974年加拿大旺纳姆（W.M
System)
(8) 1948年美国尹文思（W. Evans）提出根轨迹法 (Root Locus Method) ，完成了以单输入线性系统为 对象的经典控制研究工作。
(9) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包 括1942年史密斯（Ed. S. Smith）的《自动控制 工程学》（《Automatic Control Engineering 》）， 1945年H. Bode的《回路分析和反馈放 大器》（ 《 Network Analysis and Feedback Amplifier 》 ）， 1945年麦科尔（L.A. MacColl）的《伺服系统基本原理》（《 Fundamental Theory of Servomechanisms》） ，以及1954年钱学森的《工程控制论》(《 Engineering Cybernetics》)

闭环系统
优点：抗干扰能力强，稳态精度高，动态精度好。 缺点：构造复杂，设计与制造较困难，成本较高。
机械工程控制基础01绪论
开环控制系统 如：步进电机驱动的数控机床 、普通洗衣机 、微波炉
步进电机驱动的数控机床原理图 步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图
机械工程控制基础01绪论
闭环控制系统 如：伺服电机驱动的数控机床、离心调速系统、恒温箱(冰箱、 空调)
反馈控制方式的优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的 变化而引起的变动。
给定值
E
比较
－
运算执行 测量
干扰 被控量 被控对象
反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为 负反馈；反之称为正反馈。在正反馈系统中，正反馈信号只 会让偏差信号、输入信号变得越来越大，会导致系统失稳、 发散，即“恶性循环”。
机械工程控制基础01绪论
例：发动机离心调速系统
被控对象： 发动机 被控量： 转速ω
控制信息传递与反馈：
转速ω
离心机构 偏差
(检测或感知）
杠杆
油门
液压比例控制器
机械工程控制基础01绪论
表示系统结构与工作原理的物理框图：
比较
控制器
运算放大
执行
控制部分
检测 离心调速系统控制方框图
被控对象 被控部分
机械工程控制基础01绪论
出量变化规律的信号；
✓ 输出信号：（输出量、被控制量、被调节量、响应）输出是 输入的结果，它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全部或部分返回到输
入端的信号称反馈信号；
✓ 偏差信号：输入信号与（主）反馈信号之差； ✓ 误差信号：输出量实际值与希望值之差； ✓ 扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号；

形式也不同，下面分三种情况讨论：
•F(s)只含有不相同的极点
•F(s)包含共轭复数极点
•F(s)中包含有多重极点
6. Laplace变换的应用：解微分方程
用拉氏变换求解微分方程的一般步骤是： •对线性微分方程的每一项进行拉氏变换，使微分方程
变成以s变量的代数方程； •求解代数方程，得到输出变量象函数的表达式； •将象函数展开成部分分式； •对部分分式进行拉氏反变换，得到微分方程的解。
• 1948年：N. Wiener发表《控制论》，标志经 典控制理论基本形成。
• 1950年：W. R. Evans提出根轨迹法，并应用 于反馈控制系统的设计。
• 1954年：钱学森发表《工程控制论》。
在频域内，用传递函数分析单输入单输出系统 的稳定性和校正问题。
现代控制理论的发展（1954---至今）
1）脉冲信号
2）阶跃信号
3）斜坡信号------也称速度信号
4）抛物线信号----也称加速度信号
5）正弦信号
6）余弦信号
3. Laplace变换的基本定理
（一）线性定理 设F1(s)= L[f1(t)],F2(s)= L[f2(t)],a和b为常数，
则有：
L[af1(t)+bf2(t)]=aL[f1(t)]+bL[f2(t)] =aF1(s)+bF2(s)
1. laplace变换的定义
常称F(s)为f(t) 的变换函数或象函数，而f(t)为F(s) 的原函数。 在上式中，其积分下限为零，但严格说有0-和0+之分 。 对于在t=0处连续或只有第一类间断点的函数，0-和0+型的拉 氏变换是相同的，但对于在t=0处有无穷跳跃的函数，两种拉氏 变换的结果是不一致的。 为反映这些函数在[0-，0+]区间的表现，我们约定式中的积分 下限为0-。

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第一章 结 束
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牛头刨床
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焊接机器人
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内燃机
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连杆机构
齿轮机构
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凸轮机构
螺旋机构
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平面机构
空间机构
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机械设计基础 ——
包括机械原理和机械设计， 是研究机械的组成原理、运动学 和动力学以及组成机械的通用零 件设计的学科。
目 录
第一章 第二章
第三章 第四章
第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章 第十二章 第十三章 第十四章
绪论 平面连杆机构
凸轮机构 间歇运动机构
机械的调速和平衡 机械零件设计和计算概论 联接 带传动和链传动 齿轮传动 蜗杆传动 轮系、减速器和无级变速传动 轴 轴承 联轴器、离合器和制动器
学习目的：能选用、分析基本机构， 能分析、使用和维护简单的机械装置， 为学习专业课程中的机械部分打下基础。
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§1-3 机械设计的基本要求和过程
一、设计机械应满足的基本要求 在满足预期功能的前提下，性能好，效率高，
成本低，造型美观。 在预定的使用期限内安全可靠，操作方便，
维修简单。
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构件：运动单元 零件：加工制造单元
● 机构由若干构件组成 ● 构件由零件组成
零件
构件
机构
机器
第9页
机械
通用零件：在各类机械中经常可以遇到的，具有同 一功用及性能的零件。 联接零件：铆钉、焊接、螺纹、键 传动零件：带传动、齿轮传动、链传动等 轴系零件：轴、轴承、联轴器 其它零件：弹簧等
专用零件：只适于特定型式的机械上的零件。 如：内燃机的活塞，汽轮机的叶片等。

主要教学环节
课堂教学 紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解 题方法和技巧。
习题 独立完成作业，按时交作业。
课外补充 复习：复变函数Laplace变换 自学：Matlab编程。
教学形式: 课堂上，多媒体授课为主，板书为辅； 学习模式：预习－>听课－>复习(作业等形式) 希望和要求:
教师严谨治学 学生积极配合
程序控制系统。特点：系统输 入量按预定程序变化。
4、按系统内部传输信号的性质来分
连续系统，各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟 量，可用微分方程来描述各部分输入-输出关系的系统。
离散系统，某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传 递的系统。 离散系统也有线性离散系统和非线性离散系统、 定常离散系统和时变离散系统之分。
反馈信号：输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号称
反馈信号；
偏差信号：输入信号与主反馈信号之差； 误差信号：输出量实际值与希望值之差； 扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号；
反馈控制系统的组成、名词术语和定义 (2)
参考(给定)输入r: 输入到控制系统中的指令信号；
(主)反馈b: 与输出成正比或某种函数关系且与参考 输入量纲相同的反馈信号；
生物系统等。 3. 按系统功能：温度、压力、位置、速度 4. 按系统性能：线性与非线性、定常与时变 5. 按输入信号变化规律：恒值、随动、程序控制 6. 按系统内部传输信号的性质：连续与离散 7. 按输入、输出信号的数目：单输入-单输出系统与多输入-多输出系统
1、按反馈情况
自动控制系统有三种基本控制方式：开环控制方式、闭环控制 方式（反馈控制方式）和复合控制方式，它们都有其各自的特点和 不同的使用场合。其中闭环控制方式是自动控制系统最基本的控制 方式,也是应用最广泛的一种控制方式。

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为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
五、本课程参考书
杨叔子主编 版社
朱骥北主编 胡寿松主编 董景新编著
王积伟编著
《机械工程控制基础》
《机械控制工程基础》 《自动控制原理》 《控制工程基础》 《控制工程基础》
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
机械设计制造(教材)
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
绪论 拉普拉斯变换的数学方法 系统的数学模型 系统的瞬态响应与误差分析 系统的频率特性 系统的稳定性分析 机械工程控制系统的校正与设计
二、控制理论的发展
控制理论发展大体可分三个阶段： 第一阶段： 20世纪40～50年代为经典控制论发展时期。经
典控制论的内容是以微分方程、传递函数为基 础，主要研究单输入、单输出控制系统的分析 和设计问题，对线性定常系统，这种方法是成 熟而有效的。
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为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
实现控制的三个基本步骤
•不论采用人工控制还是自动控制都具有以下的共同点： •一是要检测被控制量的实际值； •二是被控制量的实际值要与给定值进行比较得出 偏差值； •三是要用偏差值产生控制调节作用再去消除偏差。
• 总结：检测偏差，消除偏差
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为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益

第一章 绪论
反馈：控制的核心思想
控制量 误差 预期输出 实际输出 u(t) 被控 y(t) e(t) r(t) 比较器 控制器 对象 测量值
测量 装置
被测变量
闭环控制特点：信息的双向流动
自动控制原理
第一章 绪论
二、开环控制 按给定值控制
例: 直流电动机转速开环控制系统。

输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统
自动控制原理
第一章 绪论
3）放大元件的职能是将比较元件给出的 偏差信号放大，以驱动执行元件去控制被 控对象。
4）执行元件的职能是直接推动被控对象， 使被控量发生变化 。
自动控制原理
第一章 绪论
1.2 自动控制的基本方式 一、闭环控制
干扰 给定值 比较、计算 执行
+
被控对象
被控量
测量
闭环控制框图
自动控制原理
自动控制原理
研究对象
经典控 制理论
第一章 绪论
数学工具 分析方法 局限性
对复杂多变量 系统、时变和 非线性系统无 能为力
单I/O 微分方程， 时域法 线性定常 传递函数 频域法 系统 根轨迹法
现代控 多输入-多 线性代数、 制理论 输出变系 矩阵理论 数，非线 性等系统
状态 空间法
比较繁琐 （但由于计 算机技术的 迅速发展， 已克服)
自动控制原理
第一章 绪论
原理方框图：
调节器 h0 比较器 机械杠杆
-
执行机构 活塞 检测机构 浮子
被控对象 q1(t) 水箱
h(t)
这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调 节，使偏差减小，最后直至消除偏差。 ——按偏 差控制。
自动控制原理

指 南 车
水 运 仪 象 台
第1章第6页
二 起步阶段
随着科学技术与工业生产的发 展，到十八世纪，自动控制技术逐 渐应用到现代工业中。其中最卓越 的代表是瓦特（J.Watt）发明的蒸 汽机离心调速器，加速了第一次工 业革命的步伐。
瓦特
2020年2月4日
第1章第7页
三 发展阶段
1. 1868 年 马 克 斯 韦 尔 （ J.C.Maxwell ） 发 表 文 章 “On Governors”，解决了蒸 汽机调速系统中出现的剧烈 振荡的不稳定问题，提出了 简单的稳定性代数判据。
马克斯韦尔
2020年2月4日
第1章第8页
2. 1895年劳斯（Routh）与赫 尔维茨（Hurwitz）把马克 斯韦尔的思想扩展到高阶 微分方程描述的更复杂的 系统中,各自提出了两个著 名的稳定性判据—劳斯判 据和赫尔维茨判据。基本 上满足了二十世纪初期控 制工程师的需要。
赫尔维茨
2020年2月4日
最优估计：指应用概率论中的理论和方法，对实测讯息进 行在线处理，滤去噪声，从受到随机噪声干扰的输出中对系 统的真实状态作出最好估计 （基本方法是卡尔曼滤波技术 ）；
系统辨识：指利用系统（设备）在试验或运行中测得的数 据，构造出系统数学模型，并估计其参数的理论和方法 ；
2020年2月4日
第1章第37页
控制论之父——韦纳
控制论的奠基人N.Wiener 给出反馈的定义为：
“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance”
2020年2月4日
第1章第13页