控制工程作业第一章
控制工程基础第一章控制系统的数学模型
(t)
m dt
m
1a
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
c
式中，
Tm
Ra
Ra J m f m CmCe
为电动机机电时间常数,s；
K1
Ra
f
Cm
C C
m
me
K2
Ra
f
Ra
C C
m
me
为电动机传递系数。
如果电枢电阻Ra和电动机的转动惯量Jm都很小而忽略不计，式（1-9）
还可进一步简化为
C u (t) (t)
em
a
这时，电动机的转速ωm(t)与电枢电压ua(t)成正比，于是电动机可作为
（1）运算放大器Ⅰ。输入量（即给定电压）ug与速度反馈电压uf在此 合成产生偏差电压并经放大，即
u1 K1(ug u f )
式中，
K1
R2 R3
为运算放大器Ⅰ的比例系数。
（2）运算放大器Ⅱ。考虑RC校正网络，u2与u1之间的微分方程为
u2
K（2
d u1
dt
u1）
式中，K 2
R5 R4
为运算放大器Ⅱ的比例系数；τ=R4C为微分时间常数。
m
(t) (t) (t)
m dt
mm
m
c
式中，fm为电动机和负载折合到电动机轴上的黏性摩擦系数；Jm为电
动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量。
由式（1-5）、式（1-6）和式（1-7）中消去中间变量ia(t)、Ea及
Mm(t)，便可得到以ωm(t)为输出量，以ua(t)为输入量的直流电动机微
分方程，即
按照其建立的条件，数学模型可分为两种。一是静态数学模型： 静态条件（变量各阶导数为零）下描述变量之间关系的代数方程。 它反映了系统处于稳态时，系统状态有关属性变量之间的关系。二 是动态数学模型：动态条件（变量各阶导数不为零）下描述变量各 阶导数之间关系的微分方程；也可定义为描述实际系统各物理量随 时间演化的数学表达式。它反映了动态系统瞬态与过渡态的特性。 本章以动态数学模型的研究为主。
控制工程基础课件第一章绪论
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。
第一篇 控制工程基础第一章第一节
第一篇控制工程基础第一章机械系统控制工程的一般概念1948年，维纳的《控制论》的出版，标志着控制理论作为一门学科正式诞生。
二战后，控制理论在化工、电力、冶金等部门得到了广泛的应用，解决了压力、温度、流量、化学成分的各种控制问题、形成了以反馈为中心的经典控制理论体系，其主要研究基于单输入－单输出的定常系统。
上个世纪50年代末，随着计算机技术的发展，控制理论发展到了一个新的阶段、即出现了现代控制理论。
控制对象发展为导弹制导、航天、航海、航空等领域中的多输入-多输出系统。
这些系统可以是定常的或时变的、离散的或连续的、确定的或随机的。
八十年代佾以来，控制理论正向大系统理论和智能控制理论等方面深入发展。
本课程主要讲述经典控制理论的基本概念、基本理论和方法。
研究对象限于线性定常系统。
§1-1自动控制理论及系统的基本概念一、实例首先，根据实例向同学们介绍自动控制理论及系统的基本概念。
实例1.（图1-1）上例的控制过程为：（1）根据图纸设定x方向加工尺寸；（2）把此数据输入机床控制器中；在控制器中把工作台行程换算成当量脉冲，即总脉冲数/脉冲当量；（3）按计算所得脉冲数（电压信号）输给步进电机；（4）步进电机输出转角通过减速齿轮传给丝杠；（5）丝杠输出，通过螺母传给工作台，工作台输出直线运动；上述过程可以用框图表示如下:实例2（图1-3）（图见教材）控制过程：（1）指令电位器W1的滑动触点确定给工作台的位置指令，即输入指令，输出电压；（2）当最初给出位置指令时；在工作台改变位置之前的瞬间，则电桥输出为偏差电压；（3）经放大器放大后，放大器输出电压；（4）输入到直流伺服电机，输出；（5）经齿轮减速器，传给丝杠，丝杠输出转角；（6）丝杠通过螺母收运动传给工作台，工作台输出直线运动；（7）工作台运动量为，使（反馈）电位器的滑动触点移动，而使于触点端输出（反馈）电压；（8）当时，，工作台停止运动，整个机械系统控制过程完毕；如果，即可知，工作台继续向前运动；反之，工作台向后运动，直到，运动停止；用框图表示：通过以上二例介绍一下控制系统的基本概念二、基本概念（1）被控对象：指人们要求实现某种确定的运动、生产过程、状态以及特定要求的机器设备；如机器人；称为对系统的输入量，也是系统输出量的希望值；如例1、2中工作台即被控对象，要求的运动是（或可把伺服电机也放在被控对象中）；（2）控制装置：指对被控对象起控制作用，使之实现所要求动作的机械-电子系统总体；例子中除被控对象以外的装置。
控制工程基础课后习题答案
d d RC uo (t ) uo (t ) RC ui (t ) dt dt
fB(t)
B
fK(t) K b)
d f B (t ) B xi (t ) xo (t ) dt f (t ) f (t ) Kx (t ) K o B
B d B d xo (t ) xo (t ) xi (t ) K dt K dt
xi B2 xo x
B1 K1
12/7/2013
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第二章 习题解答
( B2 s B1s K 2 ) X o ( s) B1sX ( s) ( B2 s K 2 ) X i ( s) B1sX o ( s) ( B1s K1 ) X ( s)
故：G2 ( s) X o ( s)
11
第二章 习题解答
1 uo iR2 C idt R2 u o u iR iR 1 idt C 1 2 i C
( R1 R2 )C d d uo (t ) uo (t ) R2C ui (t ) ui (t ) dt dt
ui
R1
21 1 1 1 1 3 1 3 s 12 s 3 2 ( s 1) 2 4 s 1 2 1 3t 3 1 t e t e , t 0 3 12 4 2
L1[G ( s)]
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第二章 习题解答
3s 2 2 s 8 8）G ( s) s( s 2)( s 2 2s 4)
12/7/2013
15
第二章 习题解答
2-3 试用部分分式法求下列函数的拉氏反变换。
sc G 3） ( s) ( s a)( s b) 2
控制工程技术基础 第1章控制工程的基本概念
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1.2控制系统的基本概念 控制系统的基本概念
从上述调节过程可以看出,人工控制的过程就是测量,求偏差, 从上述调节过程可以看出,人工控制的过程就是测量,求偏差, 再控制,以纠正偏差的过程.简单地说,就是" 再控制,以纠正偏差的过程.简单地说,就是"检测偏差用以纠正偏 的控制过程.在这里,偏差是关键. 差"的控制过程.在这里,偏差是关键. 人工恒温控制系统的控制过程可以用系统的职能框图清晰而形 象地表示, 所示. 象地表示,如图1-3所示.图中,箭头表示信号传递,变换,作用的 所示 图中,箭头表示信号传递,变换, 方向,每个职能框代表一个环节,各环节的作用是单向的, 方向,每个职能框代表一个环节,各环节的作用是单向的,其输出受 输入控制.系统的职能框图描述了系统的组成,信号在系统中传递, 输入控制.系统的职能框图描述了系统的组成,信号在系统中传递, 变换的过程,也描述了系统的工作原理. 变换的过程,也描述了系统的工作原理. 为恒温箱的自动恒温控制系统示意图. 图1-4为恒温箱的自动恒温控制系统示意图. 为恒温箱的自动恒温控制系统示意图
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1.2控制系统的基本概念 控制系统的基本概念
人工控制的过程是: 人工控制的过程是: (1)观测由检测元件(温度计)测出的恒温箱内的实际温度(被控制 )观测由检测元件(温度计)测出的恒温箱内的实际温度( 输出信号). 量,输出信号). (2)将测出的恒温箱内的实际温度与要求的温度值(给定输入量)进 )将测出的恒温箱内的实际温度与要求的温度值(给定输入量) 行比较,得出偏差的大小和方向. 行比较,得出偏差的大小和方向. (3)根据偏差的大小和方向进行再调节.当恒温箱内的温度高于所要 )根据偏差的大小和方向进行再调节. 求的给定温度值时,调整调压器使流过加热电阻丝的电流减小, 求的给定温度值时,调整调压器使流过加热电阻丝的电流减小,温度 就会降低;若温度低于给定的值,则调整调压器,使电流增加, 就会降低;若温度低于给定的值,则调整调压器,使电流增加,温度 回升到正常范围. 回升到正常范围.
《控制工程基础》课程作业习题(含解答)
第一章概论本章要求学生了解控制系统的基本概念、研究对象及任务，了解系统的信息传递、反馈和反馈控制的概念及控制系统的分类，开环控制与闭环控制的区别；闭环控制系统的基本原理和组成环节。
学会将简单系统原理图抽象成职能方块图。
例1 例图1-1a 为晶体管直流稳压电源电路图。
试画出其系统方块图。
例图1-1a 晶体管稳压电源电路图解：在抽象出闭环系统方块图时，首先要抓住比较点，搞清比较的是什么量；对于恒值系统，要明确基准是什么量；还应当清楚输入和输出量是什么。
对于本题，可画出方块图如例图1-1b。
例图1-1b 晶体管稳压电源方块图本题直流稳压电源的基准是稳压管的电压，输出电压通过R和4R分压后与稳压管的电3压U比较，如果输出电压偏高，则经3R和4R分压后电压也偏高，使与之相连的晶体管基极w电流增大，集电极电流随之增大，降在R两端的电压也相应增加，于是输出电压相应减小。
c反之，如果输出电压偏低，则通过类似的过程使输出电压增大，以达到稳压的作用。
例2 例图1-2a为一种简单液压系统工作原理图。
其中，X为输入位移，Y为输出位移，试画出该系统的职能方块图。
解：该系统是一种阀控液压油缸。
当阀向左移动时，高压油从左端进入动力油缸，推动动力活塞向右移动；当阀向右移动时，高压油则从右端进入动力油缸，推动动力活塞向左移动；当阀的位置居中时，动力活塞也就停止移动。
因此，阀的位移，即B点的位移是该系统的比较点。
当X向左时,B点亦向左，而高压油使Y向右，将B点拉回到原来的中点，堵住了高压油，Y的运动也随之停下；当X向右时,其运动完全类似，只是运动方向相反。
由此可画出如例图1-2b的职能方块图。
例图1-2a 简单液压系统例图1-2b 职能方块图1．在给出的几种答案里，选择出正确的答案。
（1）以同等精度元件组成的开环系统和闭环系统，其精度比较为_______ （A ）开环高； （B ）闭环高； （C ）相差不多； （D ）一样高。
（2）系统的输出信号对控制作用的影响 （A ）开环有； （B ）闭环有； (C ）都没有； （D ）都有。
控制工程基础2-第1章(绪论)
方框信号
• 方框 • 信号线
控制装置和被控对象分别用方框表示 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带
箭头的信号线表示
• 输入信号 进入方框的信号 • 输出信号 离开方框的信号
7
例子2：恒温系统
• 人工控制恒温箱
测量、比较、判断、操 作
[动态过程]
1 2
观测恒温箱内的温度（被控制 量） 与 要 求 的 温 度 （ 给 定 值 ） 进行比较，得到温度偏差的大 小和方向
第三节 控制系统主要任务与研究内容
控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系 统的稳定性，求取系统的动态、静态性能指标， 并据此评价系统的过程称为控制系统分析。 控制系统设计（或综合）：根据控制对象和给 定系统的性能指标，合理的确定控制装置的结构 参数，称为控制系统设计。
41
课程的主要内容及其相互关系
16
开环例3:直流电机速度开环控制系统
17
• 闭环控制
如果系统的输出量与输入量之间具有
反馈联系，即输出量对系统的控制过程有 直接影响，这样的系统称为闭环控制系统。 闭环控制系统是按照反馈控制原理工作的， 又称为反馈控制系统。这种系统的信号传 递路线构成闭合回路（闭环）。 优点：具有自动补偿由于系统内部和外部干 扰所引起的系统误差（偏差）的能力，因 而有效地提高了系统的精度。
恒值控制系统（自动调节系统） 程序控制系统 随动系统(伺服系统）
恒值系统是指参考输入量保持常值的系统。其任务是消除或减少 扰动信号对系统输出的影响，使被控制量（即系统的输出量）保 持在给定或希望的数值上。例如蒸汽机离心调速器系统、恒温箱 温度控制系统等。 随动系统是指参考输入量随时间任意变化的系统。其任务是要求 输出量以一定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度 是随动系统的两项主要性能指标。
控制工程基础第一章绪论资料
(5)滤波与预测：当系统已定， 输出已知时，识别 输入或输入中的有关信息。
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机电工程学院
第一章 绪论
三、控制理论的内容
经典控制理论(19世纪中叶--20世纪50年代)
控制理论 现代控自动”功能的装置自古有之，瓦
制 工
特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉
程 基
地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例
础 。 麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于
1868年发表的论文当属最早的理论工作。
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第一章 绪论
从20世纪20年代到40年代形成了以时
域法，频率法和根轨迹法为支柱的“古典
”控制理论。
控
60年代以来，随着计算机技术的发展
制 工
和航天等高科技的推动，又产生了基于状
自动控制理论与实践的不断发展，为人们提供
了设计最佳系统的方法，大大提高了生产率，同时
促进了技术的进步。
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机电工程学院
第一章 绪论
第一节 控制论的基本含义
一、 控制的含义
控制（Control）：是指由人或用控制装置使受控对
象按照一定目的来动作所进行的操作。
控 制
例：用微型计算机控制热处理炉的炉温使之保持
第一章 绪论
控制的分类
人工控制： 指控制的任务由人来完成。
煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制
控 自行车速度控制 收音机音量调节 汽车驾驶
制
工 程
自动控制：
指控制的任务用控制装置来完成，
基
础
而人不经常直接参与。
电饭煲 空调 抽水马桶 声控光控路灯
电动机转速控制 导弹飞行控制 自动控制系统：一般由控制装置和被控对象组成。
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1.1 工程控制理论的研究对象和任务是什么？
答：机械工程控制论的研究对象及任务：工程控制论实质是研究工程技术中广义系统的动力学问题。
具体说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定初始条件出发，所经历的由其内部的固有特性所决定的整个动态历程；研究这一系统及其输入、输出三者之间的关系。
1.2 组成典型闭环控制系统的主要环节有哪些？它们各起到什么作用？
答：典型闭环控制系统的主要环节：
给定环节、测量环节、比较环节、放大及运算环节、执行环节。
作用：
给定环节：给出与系统输出量希望值相对应的系统输入量。
测量环节：测量系统输出量的实际值，并把输出量的量纲转化与输入量相同。
比较环节：比较系统的输入量和反馈信号，并给出两者之间的偏差。
放大环节：对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求。
执行环节：根据放大后的偏差信号产生控制、动作，操作系统的输出量，使之按照输入量的变化规律而变化。
1.3 自动控制系统按照输出变化规律如何分类？按照反馈规律分为哪几类
答：按输出变化规律分类：自动调节环节、随动系统、程序控制系统。
按反馈情况分类：开环系统、闭环系统、半闭环系统。
1.4 什么是反馈控制？日常生活种有许多闭环和开环系统，请举例说明。
答：反馈控制是将系统的输出信号通过一定的检测元件变送返回到系统的输入端，并和系统的输入信号进行比较的过程。
举例：
开环系统：洗衣机、电烤箱、交通红绿灯和简易数控机床。
闭环系统：数控机床的进给系统。
1.5 分析比较开环系统与闭环系统的特征、优缺点和应用场合的不同之处。
答：开环系统：信号单向传递；系统输出量对输入没有影响的系统。
特征：作用信号单向传递。
优点：简单、调整方便、成本低、不会震荡。
系统总能稳定工作。
缺点：开环控制系统精度不高，抗干扰能力差。
场合：在一些对控制精度要求不高、扰动作用不大的场合。
闭环系统：信号形成闭环回路；系统末端输出量对输入有影响的系统。
特征：作用信号按闭环传递
优点：闭环控制系统精度高
缺点：系统元件大、成本高、功率大、调试工作量大，应产生震荡。
场合：对控制精度要求较高的场合。
1.6 对控制系统的基本要求是什么？
答：对控制系统的基本要求是：系统的稳定性响应的快速性响应的准确性。