控制工程课件1绪论

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2. 动力学问题 系统在外界作用（输入或激励，包括外加控制与 外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由系 统内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定） 所决定的动态历程（输出或响应）。 这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动 态关系即为系统的动力学问题。 机械工程技术中广义系统及其输入、输出三者之 间的动态关系。
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三、反馈控制系统及其组成 在工程技术领域中，越来越多地采用了自动控制 系统。在这种系统中，往往有着“反馈控制”。这 里所说的反馈是指外反馈与负反馈的过程。 1. 定义 一般在自动控制系统中，偏差是基于反馈建立起 来的 。自动控制的过程就是“测偏与纠偏”的过程， 这一原理又称为反馈控制原理。利用此原理组成的 系统称为反馈控制系统。 反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。
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静态模型——代数公式描述； 动态模型——微分方程或差分方程来描述。 动态模型是描述系统的动态历程的。机械工程控 制论研究的是机械工程技术中广义系统的动力学问
题，所以往往需要采用动态数学模型，即需要建立
微分方程或差分方程来描述系统的动态特性。
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一、反馈的定义 系统的输出不断直接或经过中间变换后全部或部分地 返回到输入端，并与输入共同作用于系统的过程。 系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间之 所以有动态关系，就是由于系统本身存在着信息的反 馈。 二、反馈的种类 1. 内反馈与外反馈（华中课件） 例1-2：发动机离心调速系统 例1-3：质量－弹簧－阻尼系统
械工业出版社，2005年。
韩利竹、王华.《MATLAB电子仿真与应用》（第
一版）.北京：国防工业出版社，2001年。
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授课方法与考核方式
采用国家级精品课程资源——华中科技大学《机械 控制工程基础》多媒体课件与老师补充课件相结合方 式进行理论教学。
实验课程教学共有2次，利用MATLAB软件来完成。
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2. 反馈控制和自动控制的关系 自动控制系统一定具有反馈控制; 而具有反馈控制的系统不一定是自动控制系统，它 可以是人工控制系统。 3. 反馈控制系统的组成（华中课件 控制系统的分类（华中课件）
闭环系统与开环系统的比较 闭环系统——抗干扰能力强，有自动纠偏的能力； 较开环系统的精度高；设计时要着重考虑稳定性问题， 结构相对复杂，设计与制造较困难。主要用于精度要 求高的系统中。精度和稳定性之间的矛盾是闭环系统 存在的主要矛盾。 开环系统——无抗干扰能力，不能自动纠偏；精度 较低；结构较简单，容易实现。主要用于精度要求不 太高的场合。
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1.2 系统及其模型
一、系统 系统具有如下特性： 系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统
的结构有关；
系统的内容比组成系统的各元素的内容要丰富很多； 系统往往具有表现出在时间域、频率域或空间域等 域内的动态特性。
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二、机械系统 机械系统——以实现一定的机械运动，承受一定的 机械载荷为目的，由机械元件组成的系统。 输入——激励（外界对系统的作用，如载荷等） 输出——响应（系统对外界的作用，如变形、位移） 控制输入——人为地、有意识地加上去； 激励
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1.5 对控制系统的基本要求
稳、快、准（华中课件） 稳定性的要求是控制系统正常工作的首要条件，
而且是最重要的条件。任何一个控制系统，要想完
成令人满意的工作，首先应该是稳定的，也就是说 应该具有这样的性质：输出量对给定输入量的偏离 应该随着时间的增长逐渐趋近于恒定值。可以说， 稳定的系统才是有意义的系统。
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1948年，美国数学家、信息理论家诺伯特· 维纳(Norbert Wiener)首创了控制论(Cybernetics) 这个名词，他认为，到 那时为止，反馈理论已可以解决许多生物控制机理、经济发 展过程等问题。事实证明，从那以后控制理论又有了新的发 展，跨入了“现代控制理论”的阶段。 7. 1954年，钱学森发表了著名的《工程控制论》（英文 版），首先奠定了“工程控制论”的基础； 8. 在“古典控制理论”的基础上，“现代控制理论”于20 世纪 50年代末到60年代初发展起来。现代控制理论主要是在 时域内，利用状态空间来分析与研究多输入多输出系统 的最优控制问题。 Engineering Cybernetics 工程控制论
例1-1：弹簧－质量－阻尼单自由度系统（华中课件）
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三、机械工程控制论的研究任务
从系统、输入、输出三者之间的动态关系出发，根据已知 条件与求解问题的不同，机械工程控制论的研究任务可以分 为以下五种： (1)系统分析问题：已知系统和输入，求系统的响应（或输出）， 并通过响应来研究系统本身的问题； (2) 最优控制问题：已知系统和系统的理想输出，设计输入； (3) 最优设计问题：已知输入和理想输出时，设计系统； (4) 滤波与预测问题：输出已知，确定系统，以识别输入或输 入中的有关信息； (5) 系统辨识问题：已知系统的输入与输出，求系统的结构与 参数，即建立系统的数学模型。
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1.3 反馈
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在这两个例子，反馈在本质上都是信息的传递与交
互。但从具体形式上看，则有所不同。
对于发动机离心调速系统来说，离心调速器是人
为附加的反馈控制装置，其目的在于抵抗由于负载 变化这一干扰引起的输出轴转速的变化。这种反馈 称为外反馈。 而质量－弹簧－阻尼系统中存在的反馈则为内反 馈。这种反馈是系统内部的信息交互，反映了系统 内部各元素之间互为因果的联系关系，反映了系统 的动态特性。
平时作业5次，占总评成绩20％；实验2次，占总评
成绩10％；期末考试占总评成绩70％。
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课程简要内容及学习的意义
控制理论——经典控制理论和现代控制理论 “机械工程控制基础”是控制论(Cybernetics) 与机械工程技术理论之间的边缘学科，侧重介绍 机械工程的控制原理，同时密切结合工程实际， 是一门技术基础课程。
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内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反 馈。是系统内部各个元素之间相互耦合的结果，是造 成机械系统存在一定的动态特性的根本原因。 外反馈：在控制系统中，为达到某种控制目的而人 为加入的反馈。 2. 负反馈与正反馈 负反馈：输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离 程度减小，并力图达到设定值。（求偏与纠偏） 正反馈：输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离 程度加剧。
扰动——偶然因素产生而一般无法完全人为 控制的。（干扰）
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三、系统的模型
定义——是研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种 工具。 种类——实物模型、物理模型和数学模型等。 数学模型——定量地描述系统的动态性能，揭示系统的结构、 参数与动态性能之间关系的数学表达式。 静态模型：反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下 或在系统平衡状态下的特性； 数学模型 动态模型：用于研究系统在迅变载荷作用下或在系 统不平衡状态下的特性。 在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。
控制工程基础
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参考教材
杨叔子、杨克冲.《机械工程控制基础》（第五版）. 武汉：华中科技大学出版社，2005年7月。 熊良才、杨克冲.《机械工程控制基础学习辅导与题 解》.武汉：华中科技大学出版社，2002年4月。
朱骥北.《机械控制工程基础》 (第15版）.北京：机
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二、机械工程控制论的研究对象
机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广
义系统的动力学问题。
1. 系统与广义系统
系统——按一定规律联系在一起的元素的集合。
输入 系 统 输出
广义系统——具备系统要素的一切事物或对象。
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系统有控制系统与非控制系统两大类 非控制系统：那些仅仅具有开、关两种状态的系统。 如，搅拌机； 教室里的照明系统。 控制系统：就是指系统的可变输出，能按照要求由 参考输入或控制输入进行调节的系统。 如，数控机床进给系统； 人工控制系统 空调； 全自动照相机的闪光系统； 自动控制系统 液面自动调节器。
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如果用输出响应曲线来表示，系统自由响应曲线
收敛的系统为稳定的系统，反之，自由响应呈等
幅振荡或发散的系统则是非稳定系统。
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1.6 控制理论发展的简单回顾
我国很早就发明了自动定向指南车及各种天文仪器等自动装置； 1. 1788年，瓦特（J· Watt）发明了蒸气机自动调速器； 2. 1868年，麦克斯韦尔（J· Maxwell）在“论调速器”一文中， C· 首先提出了反馈控制的概念； 3. 1895年，劳斯(Routh)和胡尔维茨(Hurwitz)导出了著名的稳 定性判据，用代数方法定量的描述系统的稳定性； 4. 1932年，奈奎斯特(H· Nyquist)创立了稳定性判据及“稳定裕 量”的概念； 5. 1945年，波德(H· Bode)创立了“频率法” ； W· 6. 1948年，依万斯(W· Evans)创立了“根轨迹法”; R· 到此，“经典控制理论”已经比较完善，并在各行业中广泛 地应用这些理论 ，促进了控制工程的发展。
制，以及机、电、液系统的动态特性，并结合后续专
业课的学习，为将来在机械工程中解决一些实际问题
打下一定的基础。
需要大家具备良好的数学、力学、电学方面的基础知
识，还要有一定的机械工程方面的专业知识。需要大 家认真对待每次的课后练习环节，认真对待实验。