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1、第一章第一章 绪绪 论论 近代技术的开展，使设备的自动化程度大大提高。近代技术的开展，使设备的自动化程度大大提高。不仅飞机、宇宙飞船等高、精、尖的航空设备的操作，不仅飞机、宇宙飞船等高、精、尖的航空设备的操作，而且许多工业设备，如数控机床、轧钢机、卷纸机等而且许多工业设备，如数控机床、轧钢机、卷纸机等设备的操作也不可能直接用手动操作，而是通过这些设备的操作也不可能直接用手动操作，而是通过这些装备中的自动调节装置进行的。装备中的自动调节装置进行的。“操作工程操作工程”就就是对这些自动调节装置的研究分析。是对这些自动调节装置的研究分析。1页页最最早期的、在工业中起重要作用的第一个自动调节装置是早期
2、的、在工业中起重要作用的第一个自动调节装置是1788年瓦特创造的蒸汽机中的离心调速器。这是一个自动调年瓦特创造的蒸汽机中的离心调速器。这是一个自动调节系统的问题，也是一个典型的机械动力学问题。调速器的节系统的问题，也是一个典型的机械动力学问题。调速器的工作原理是：工作原理是：如果负载增加，如果负载增加，(假设假设P不变不变Mn)蒸汽蒸汽机转速机转速 下降，则离心振子下降，则离心振子下降。滑块下降。滑块将通过杠将通过杠杆杆使蒸汽阀门开大，使使蒸汽阀门开大，使蒸汽供给量增加（蒸汽供给量增加（M不变，不变，Pn ），从而使蒸汽机），从而使蒸汽机转速上升。转速上升。图图1-12页页蒸汽机蒸汽机比较机构
3、比较机构离心机构离心机构转换机构转换机构蒸汽量蒸汽量Q阀门阀门图图1-13页页 反之假设负载减小，蒸汽机转速上升则离心调速器可反之假设负载减小，蒸汽机转速上升则离心调速器可使转速下降。这样，离心调速器可自动地抵抗负载的变化，使转速下降。这样，离心调速器可自动地抵抗负载的变化，使转速保持在某一给定范围之内。可以说，这是最早的自使转速保持在某一给定范围之内。可以说，这是最早的自动反响操作系统。但是后来发现，汽阀的速度调节并不完动反响操作系统。但是后来发现，汽阀的速度调节并不完善。假设使速度恢复较快，就是加强反响效果（如，即使善。假设使速度恢复较快，就是加强反响效果（如，即使速度有微小变化也使供汽量
4、的变化较大），但这样一来，速度有微小变化也使供汽量的变化较大），但这样一来，就会出现速度反复变化频繁的振荡现象，假设其参数处理就会出现速度反复变化频繁的振荡现象，假设其参数处理不好时，还会使蒸汽机产生剧烈的振荡（在反响操作系统不好时，还会使蒸汽机产生剧烈的振荡（在反响操作系统中，振荡是经常出现的现象）。中，振荡是经常出现的现象）。4页页 这就迫使从事该领域研究的科学家这就迫使从事该领域研究的科学家(振荡主要振荡主要从数学领域研究从数学领域研究数学家数学家)思考并解决这些问题：思考并解决这些问题：v 1868年马克斯威尔年马克斯威尔(Maxwell)从描述系统的微分从描述系统的微分方程的解中有无
5、增长指数函数项，来判断系统的稳方程的解中有无增长指数函数项，来判断系统的稳定性；定性；v 1884年劳斯年劳斯(Routh)提出了系统稳定性判据；提出了系统稳定性判据；v 1895年赫尔维茨年赫尔维茨(Hurwitz)也独立提出了系统稳也独立提出了系统稳定判据，使自动操作技术向前迈进了一大步。定判据，使自动操作技术向前迈进了一大步。5页页 第一次和第二次世界大战中的武器技术的开展，第一次和第二次世界大战中的武器技术的开展，使很多装备的自动调节装置有了飞跃的开展，这期间使很多装备的自动调节装置有了飞跃的开展，这期间由于通信的需要，使用了负反响放大器，这时劳斯一由于通信的需要，使用了负反响放大器，
6、这时劳斯一赫尔维茨赫尔维茨(RouthHurwitz)的稳定性理论的实际意义又的稳定性理论的实际意义又不大了，因为描述放大器的微分方程阶次太高，而用不大了，因为描述放大器的微分方程阶次太高，而用“频率响应频率响应”及图解形式处理更实际。奈魁斯特及图解形式处理更实际。奈魁斯特 (H.Nyquist)于于1932年创立了稳定判据及年创立了稳定判据及“稳定裕度稳定裕度”的概念的概念 (在后面第五章我们将要学习这局部内容在后面第五章我们将要学习这局部内容)；6页页 在此基础上，伯德在此基础上，伯德 (H.W.Bode)于于1945年提出用图解法来年提出用图解法来分析和综合线性反响操作系统的方法，这就是
7、频率法。与分析和综合线性反响操作系统的方法，这就是频率法。与此同时，依万斯此同时，依万斯(WREvans)于于1948年创立了年创立了“根轨迹法根轨迹法”，对用微分方程模型来研究问题提供了一个简单而有效的，对用微分方程模型来研究问题提供了一个简单而有效的方法，在某些情况下，它比频率法更简单，更直接。到此，方法，在某些情况下，它比频率法更简单，更直接。到此，“古典操作理论古典操作理论”已比较完善，并在各行业中广泛地应用已比较完善，并在各行业中广泛地应用这些理论，促进了操作工程的进一步开展。这些理论，促进了操作工程的进一步开展。1948年，年，数学数学家维纳家维纳(NWiener)发表发表)了了篇
8、题为操作论的著作，篇题为操作论的著作，首创了操作论首创了操作论(Cybernetics)这个名词，他认为，到那时为这个名词，他认为，到那时为止，反响理论已可以解决许多生物操作机理，经济开展过止，反响理论已可以解决许多生物操作机理，经济开展过程等问题，这本著作的出版，标志着这门学科的正式诞生。程等问题，这本著作的出版，标志着这门学科的正式诞生。掌舵人掌舵人7页页 第二次世界大战后，操作理论在民用工业中得到进一第二次世界大战后，操作理论在民用工业中得到进一步应用。如化工、石油、冶金等部门，实现了对过程的操步应用。如化工、石油、冶金等部门，实现了对过程的操作，解决了压力、温度、流量与化学成分的操作问
9、题。到作，解决了压力、温度、流量与化学成分的操作问题。到50年代中期年代中期，以反响操作为中心的理论体系基本形成。一，以反响操作为中心的理论体系基本形成。一般把这一时期以前形成的理论称为经（古）典操作论。般把这一时期以前形成的理论称为经（古）典操作论。8页页经经典典操操作作论论是是在在复复数数域域中中以以传传递递函函数数概概念念为为基基础础的的理理论论体体系系。主主要要研研究究单单输输入入-输输出出定定常常系系统统的的分分析与设计析与设计。经（古）典操作理论的主要缺点是：经（古）典操作理论的主要缺点是：1)所所研研究究的的系系统统限限于于线线性性时时不不变变系系统统，即即其其部部件件可可用常系
10、数线性微分方程描述的系统；用常系数线性微分方程描述的系统；2)研究的系统只能是单回路的；研究的系统只能是单回路的；3)只提供分析的方法，然后改进系统再进行尝试，只提供分析的方法，然后改进系统再进行尝试，不能提供最好的设计。这些问题的存在促使现代操作不能提供最好的设计。这些问题的存在促使现代操作理论的迅速开展。理论的迅速开展。9页页 50年年代代末末，由由于于导导弹弹制制导导、航航天天、航航海海、航航空空技技术术的的开开展展需需要要和和电电子子计计算算机机技技术术的的成成熟熟，操操作作理理论论开开展展到到一一个个新新的的阶阶段段，出出现现了了现现代代操操作作论论。1956年年前前苏苏联联特特略略
11、金金提提出出的的最最优优操操作作，1957年年 贝贝尔尔曼曼(Bellman)提提出出的的动动态态规规划划理理论论，和和1960年年 卡卡尔尔曼曼(Kalman)提提出出的的最最优优过过滤滤理理论论形形成成了了现现代代操操作作理理论论的的基基础础。状状态态空空间间概概念念的的引引入入，计计算算机的开展及对现代操作理论起了重要的推动作用。机的开展及对现代操作理论起了重要的推动作用。10页页 现现代代操操作作理理论论的的基基本本工工具具是是在在时时间间域域中中以以状状态态空空间间变变量量为为基基础础的的理理论论体体系系，它它是是从从分分析析力力学学中中引引用用过过去去的的，而而“分分析析力力学学”
12、是是十十九九世世纪纪初初期期为为研研究究机机械械运运动动而而开开展展起起来来的的，所所以以，现现代代操操作作理理论论的的基基础础与与开开展展也也同同机机械械工工程程密密切切相关的。相关的。由由上上述述可可知知，操操作作理理论论系系由由经经(古古)典典操操作作论论和和现现代操作论代操作论两局部组成。两局部组成。11页页 现现代代化化工工业业生生产产的的主主要要方方向向是是探探求求最最高高的的效效率率、最最低低的的本本钱钱、最最高高产产品品质质量量、最最低低能能耗耗及及最最大大可可靠靠性性等等最最正正确确状状态态。由由于于现现代代科科学学技技术术的的迅迅速速开开展展，将将操操作作理理论论应应用用于
13、于机机械械工工程程的的重重要要性性日日益益明明显显，这这就就导导致致了了“机机械械工工程程操操作作 理理 论论”(Mechanical Engineering Cybernetics)或或(Mechanical Control Engineering)这这门门学学科科的的产产生生与与开开展展，因因为为机机械械系系统统和和过过程程(如如生生产产过过程程、切切削削过过程程、锻锻压压、焊焊接接及及热热处处理理过过程程等等)要要求求最最正正确确操操作作。实实际际上上，这这门门学学科科既既是是一一门门广广义义的的系系统统动动力力学学，又又是是一一种种符符合合唯唯物物辩辩证证法法的的方方法论，它对启迪与开
14、展人们的思维与智力有很大的作用。法论，它对启迪与开展人们的思维与智力有很大的作用。12页页 本本门门课课程程仅仅研研究究专专业业技技术术问问题题，但但又又必必须须紧紧密密结结合合专专业业实实际际，与与工工程程实实践践相相结结合合。以以数数学学、物物理理及及有有关关科科学学为为其其理理论论基基础础，以以机机械械工工程程中中有有关关系系统统动动力力学学为为其其抽抽象象、概概括括与与研研究究的的对对象象，运运用用信信息息的的传传输输、处处理理与与反反响响进进行行操操作作这这一一正正确确的的思思维维方方法法与与观观点点，在在数数理理基基础础课课程程与与专专业业课课程程之之间间架架起起一一道道桥桥梁梁，
15、将将两两者者紧紧密密结结合合起起来来，所所以以我我们们说说它是一门它是一门专业技术基础课专业技术基础课。13页页1-1 机械工程操作理论的研究对象与任务机械工程操作理论的研究对象与任务 操作理论的研究对象是各种操作理论的研究对象是各种系统系统。系统是将一些。系统是将一些装置或方案进行组合，使它能到达某一目的。这个定装置或方案进行组合，使它能到达某一目的。这个定义的含义非常之泛，它不仅包括电机、电气元件或伺义的含义非常之泛，它不仅包括电机、电气元件或伺服阀、液压缸这样的元件组成的物理系统，而且包括服阀、液压缸这样的元件组成的物理系统，而且包括一些抽象的动态现象，如在经济学、人口学中遇到的一些抽象
16、的动态现象，如在经济学、人口学中遇到的一些现象。也就是说，经济的运行，人口的变迁都各一些现象。也就是说，经济的运行，人口的变迁都各自组成系统。自组成系统。14页页 机机械械工工程程操操作作论论的的研研究究对对象象就就是是机机械械系系统统，如如图图1-2与与1-3，一一个个质质量量-阻阻尼尼-弹弹簧簧单单自自由由度度系系统统在在不不同同的的输输入入时时的的情情况。况。机机械械工工程程操操作作论论的的任任务务是是研研究究工工程程技技术术中中广广义义系系统统的的动动力力学学问问题题。具具体体地地说说，它它研研究究的的是是工工程程技技术术中中的的广广义义系系统统在在一一定定的的外外界界条条件件作作用用
17、下下，从从系系统统的的一一定定的的初初始始状状态态出出发发，所所经经历历的的由由其其内内部部的的固固有有特特性性(即即由由系系统统的的结结构构与与参参数数所所决决定定的的特特性性)所所决决定定的的整整个个动动态态历历程程，研研究究这这一一系系统统及及输输入入、输输出出三者之间的关系。三者之间的关系。mckf(t)y(t)图图1-2图图1-3cky(t)mx(t)15页页图图1-2中，中，m,k,c分别表示质量、粘性阻尼、弹簧刚度。分别表示质量、粘性阻尼、弹簧刚度。假设质量受外力假设质量受外力f(t)的作用，质量发生的位移为的作用，质量发生的位移为y(t)，现在，现在来研究来研究 f(t),y(
18、t),m,k,c之间的动态关系。之间的动态关系。根据动力学关系，则有：根据动力学关系，则有：由上式有由上式有mckf(t)y(t)图图1-2ky(t)16页页这是一个二阶微分方程，它的解包含了两个积分常数，可这是一个二阶微分方程，它的解包含了两个积分常数，可根据初始条件根据初始条件 求出。求出。设设上式可写成：上式可写成：17页页如果对图如果对图1-2而言，弹簧受位移而言，弹簧受位移x(t)的作用见图的作用见图1-3，质量位，质量位移为移为y(t)，则系统的动力学方程为：，则系统的动力学方程为：mckf(t)y(t)图图1-2图图1-3cky(t)mx(t)18页页mckf(t)y(t)图图1
19、-2由系统本身的结构参数所由系统本身的结构参数所决定，反映了与外界无关决定，反映了与外界无关的系统本身的固有的特性。的系统本身的固有的特性。反映了系统与外界的关系。反映了系统与外界的关系。系统本身的结构与参数要影系统本身的结构与参数要影响这一算子的。响这一算子的。1图图1-3cky(t)mx(t)19页页y(0)与与y(0)分分别别为为质质量量的的初初位位移移和和初初速速度度，这这是是在在输输入入作作用用于于系系统统之之前前系系统统的的初初始始状状态态。显显然然，此此系系统统在在任任何何瞬瞬时时的的状状态态完完全全可可以以由由质质量量的的位位移移和和速速度度这这两两个个变变动动着着的的状状态态
20、在在此瞬时的取值来描述。此瞬时的取值来描述。.20页页在在上上例例中中，f(t)与与x(t)称称为为系系统统的的输输入入或或鼓鼓励励，y(t)称称为为系系统统的的输输出出或或系系统统对对输输入入的的响响应应，由由以以上上分分析析可可知知系系统统及及其其输入、输出三者之间的关系如图输入、输出三者之间的关系如图1-4。系统系统输入输入输出输出图图1-4mckf(t)y(t)图图1-2图图1-3cky(t)mx(t)21页页就就输输入入、输输出出、系系统统三三者者关关系系而而言言，工工程程操操作作的的内内容容有有以以下五个方面：下五个方面：1、当当系系统统一一定定，输输入入已已定定时时，求求系系统统
21、的的输输出出(响响应应)，并并通通过输出来研究系统本身的有关问题，此即过输出来研究系统本身的有关问题，此即系统分析系统分析问题；问题；2、当当系系统统已已定定时时，确确定定输输入入，且且所所确确定定的的输输入入应应使使得得输输出出尽可能符合给定的最正确要求，此即尽可能符合给定的最正确要求，此即最优操作最优操作问题：问题：3、当当输输入入已已知知时时，确确定定系系统统，且且所所确确定定的的系系统统就就使使得得输输出出尽可能符合给定的最正确要求，此即尽可能符合给定的最正确要求，此即最优设计最优设计问题；问题；系统系统输入输入输出输出图图1-422页页4、当当输输出出已已知知时时，确确定定系系统统，
22、以以识识别别输输入入或或输输入入中中的的有有关关信息，此即信息，此即滤波与预测滤波与预测问题；问题；5、当当输输入入与与输输出出均均已已知知时时，求求出出系系统统的的结结构构与与参参数数，即即建建立系统的数学模型，此即立系统的数学模型，此即系统识别或系统辨识系统识别或系统辨识问题。问题。本书主要以经典操作理论来研究问题本书主要以经典操作理论来研究问题1。系统系统输入输入输出输出图图1-423页页1-2 1-3 反响操作原理与反响操作系统的组成反响操作原理与反响操作系统的组成一、反响操作概念及操作原理一、反响操作概念及操作原理 反反响响操操作作原原理理是是操操作作论论的的基基本本原原理理，反反响
23、响是是操操作作论论中一个非常重要的概念。中一个非常重要的概念。反反响响：将将系系统统的的输输出出，局局部部或或全全部部地地返返回回到到输输入入称称为为系系统统反反响响。其其本本质质是是系系统统内内部部元元素素的的相相互互联联系系，信息的交换。信息的交换。24页页 在在开开车过程程中中，司司机机用用眼眼睛睛观察察转速速表表上上的的实际车速速并并由由大大脑将将实际车速速与与希希望望车速速进行行比比较，大大脑根根据据比比较后后的的偏偏差差对脚脚发出出指指令令，操操作作油油门踏踏板板，从从而而使使实际车速速与与希希望望车速速一一致致。在在这里里人人与与车构构成成了了一一个个系系统。在在该系系统中中，眼
24、眼睛睛将将实际车速速这一一信信息息送送入入大大脑并并与与大大脑中中储存存的的车速速信信息息进行比行比较，这一一过程就是信息反响程就是信息反响过程。程。例例1：司机：司机驾驶汽汽车过程。程。希望车速希望车速y(t)大脑大脑偏差偏差脚、油门踏板脚、油门踏板 汽车汽车实际车速实际车速x(t)眼睛、转速表眼睛、转速表b(t)e(t)输入量输入量输出量输出量25页页 通通常常，把把输输出出量量返返回回到到输输入入端端并并与与输输入入量量比比较较的的过过程程称称为为反反响响，反反响响包包括括正正反反响响和和负负反反响响。假假设设反反响响信信号号是是与与输输入入信信号号相相减减而而使使偏偏差差值值愈愈采采愈
25、愈小小，则则称称负负反反响响；反反之之，则则称称正正反反响响。显显然然如如下下图图系系统统中中的的反反响响为为负负反反响响。该该系系统统的的操操作作过过程程是是利利用用输输出出量量与与输输入入量量之之间间的的偏偏差差进行操作并最后消除这一偏差的过程。进行操作并最后消除这一偏差的过程。希望车速希望车速y(t)大脑大脑偏差偏差脚、油门踏板脚、油门踏板 汽车汽车实际车速实际车速x(t)眼睛、转速表眼睛、转速表b(t)e(t)输入量输入量输出量输出量26页页 在在上上述述系系统统中中，人人直直接接参参与与了了反反响响操操作作过过程程，因因此此这这是是一一个个人人工工反反响响操操作作系系统统。在在自自动
26、动操操作作系系统统中中，反反响响是是用用自自动动操操作作元元件件完完成成的的。现现以以工工作作台台位位置置操操作作系系统统和和工工作作台台速度操作系统为例，说明自动操作系统的操作过程。速度操作系统为例，说明自动操作系统的操作过程。希望车速希望车速y(t)大脑大脑偏差偏差脚、油门踏板脚、油门踏板 汽车汽车实际车速实际车速x(t)眼睛、转速表眼睛、转速表b(t)e(t)输入量输入量输出量输出量27页页例例2：工作台位置操作系统。：工作台位置操作系统。该系统由指该系统由指令电位器、反响令电位器、反响电位器、放大器、电位器、放大器、伺服电机、齿轮伺服电机、齿轮减速器、滚珠丝减速器、滚珠丝杠及工作台组成
27、，杠及工作台组成，其功用是操作工其功用是操作工作台位置按指令作台位置按指令电位器给出的规电位器给出的规律变化。律变化。D Du28页页工作原理如下：工作原理如下：通通过过指指令令电电位位器器的的滑滑动动触触点点给给出出工工作作台台的的位位置置指指令令xr，并并转转换换为为操操作作电电压压ur。被被操操作作工工作作台台的的位位移移xc由由反反响响电电位位器器检检测测，并并转转换换为为反反响响电电压压uc。两两电电位位器器接接成成桥桥式式电电路路。当当工工作作台台位位置置xc与与给给定定位位置置xr有有偏偏差差时时，桥桥式式电电路路的的输输出出电电压压为为 D Du=ur uc，设设开开始始时时指
28、指令令电电位位器器和和反反响响电电位位器器滑滑动动触触点点都都处处于于左左端端，即即xr=xc=0，则则D Du=ur uc=0，此此时时，放放大大器器无无输输出出，直直流流伺伺服服电电机机不不转转，工工作作台台静静止止不不动动，系系统统处处于于平平衡衡状状态。态。D Du29页页D Du30页页当当给给出出位位置置指指令令xr时时，在在工工作作台台改改变变位位置置之之前前的的瞬瞬间间，xc=0，uc=0，则则电电桥桥的的输输出出为为D Du=ur uc=ur 0=ur，该该偏偏差差电电压压经经放放大大器器放放大大后后操操作作直直流流伺伺服服电电机机转转动动，直直流流伺伺服服电电机机通通过过齿
29、齿轮轮减减速速器器和和滚滚株株丝丝杠杠驱驱开开工工作作台台右右移移。随随着着工工作作台台的的移移动动。工工作作台台实实际际位位置置与与给给定定位位置置之之间间的的偏偏差差逐逐渐渐减减小小，即即偏偏差差电电压压D Du逐逐渐渐减减小小。当当反反响响电电位位器器滑滑动动触触点点的的位位置置与与给给定定位位置置一一致致，即即输输出出完完全全复复现现输输入入时时，电电桥桥平平衡衡，偏偏差差电电压压D Du=0，伺伺服服电电机机停停转转，工工作作台台停停止止在在由由指指令令电电位位器器给给定定的的位位置置上上，系系统统进进入入新新的的平平衡衡状状态态，当当给给出出反反向向指指令令时时，偏偏差差电电压压极
30、极性性相相反反，伺伺服服电电机机反反转转，工工作作台台左左移移，当当工工作作台台移移至至给给定定位位置置时时，系系统统再再次次进进入入平平衡衡状状态态。如如果果指指令令电电位位器器滑滑动动触触点点的的位位置置不不断断改改变变，则则工工作作台台位位置置也也跟跟着不断变化。该系统的操作过程可用下面方块图表示：着不断变化。该系统的操作过程可用下面方块图表示：31页页W1放大器放大器电机电机减速器减速器丝杠丝杠工作台工作台W2xrurucD Duq qmq qcxcD Du32页页 由由系系统统上上述述工工作作过过程程可可知知，为为了了使使输输出出量量复复现现输输入入量量，系系统统通通过过反反响响电电
31、位位器器不不断断地地对对输输出出量量进进行行检检测测并并返返回回到到输输入入端端与与输输入入量量进进行行比比较较得得出出偏偏差差信信号号，再再利利用用所所得得偏偏差差信信号号操操作作系系统统运运动动，以以便便随随时时消消除除偏偏差差。从从而而实实现现了了工工作作台台位置按指令电位器给定规律变化的目的。位置按指令电位器给定规律变化的目的。D Du33页页例例3：工作台速度操作系统。：工作台速度操作系统。系系统统构构成成：该该系系统统由由指指令令电电位位器器、放放大大器器、电电液液伺伺服服阀阀、液液压压缸缸、工工作作台台、齿齿条条齿齿轮轮副副、测测速速发发电电机机组组成成，其其功功能能是操作工作台
32、速度为某一恒定值。是操作工作台速度为某一恒定值。P034页页 系系统统中中，电电液液伺伺服服阀阀输输出出油油液液流流量量的的大大小小和和液液流流方方向向分分别别由由电电液液伺伺服服阀阀的的输输入入电电流流大大小小和和方方向向决决定定。改改变变电电液液伺伺服服阀阀输输入入电电流流的的大大小小和和方方向向，便便可可改改变变工工作作台台运运动动速速度度和和方方向向。工工作作台台运运动动速速度度由由测测速速装装置置(该该装装置置由由齿齿条条、齿齿轮轮和和测测速速发发电电机机组组成成，测测速速发发电电机机的的输输出出电电压压与与输输入入转转速速成成正正比比)检检测测并并转转换换为为电电压压，与与给给定定
33、电电压压比比较较，其其偏偏差差电电压为压为D Du。P035页页36页页当当工工作作台台运运动动速速度度为为给给定定速速度度V0时时，测测速速发发电电机机输输出出电电压压为为uc0，此此时时偏偏差差电电压压为为D Du=ur uc0，放放大大器器输输出出电电流流为为i0，电电液液伺伺服服阀阀输输出出流流量量为为Q0，该该流流量量是是保保持持工工作作台台运运动动速速度度V0所所必必需需的的。此此时时系系统统的的工工作作状状态态为为平平衡衡工工作作状状态态，在在系系统统工工作作过过程程中中，如如果果由由于于负负载载、油油温温或或其其他他因因素素变变化化引引起起速速度度波波动动，则则ucuc0。假假
34、设设工工作作台台运运动动速速度度V大大于于给给定定速速度度V0，则则ucuc0,因因而而D Du=ur uc0 D Du0，于于是是放放大大器器输输出出电电流流减减i小小，从从而而使使电电液液伺伺服服阀阀输输出出油油液液流流量量减减小小，工工作作台台运运动动速速度度V下下降降，当当工工作作台台运运动动速速度度V等等于于给给定定速速度度V0时时，系系统统恢恢复复平平衡衡工工作作状状态态；反反之之，如如果果某某因因素素使使工工作作台台速速度度下下降降小小于于给给定定速速度度V0时时，则则ur D Du0，于于是是放放大大器器输输出出电电流流加加大大，工工作作台台运运动动速速度度上上升升，直到到达直
35、到到达V0，系统恢复平衡状态。，系统恢复平衡状态。37页页该系统的方块图如以下图所示：该系统的方块图如以下图所示：电位器电位器放大器放大器伺服阀伺服阀液压缸液压缸工作台工作台xrurucQxc(V)齿轮、齿条齿轮、齿条测速发电机测速发电机in图图1-938页页例：恒温箱操作系统例：恒温箱操作系统 Tt恒温箱自动操作系统原理图恒温箱自动操作系统原理图恒温箱自动操作系统原理图恒温箱自动操作系统原理图39页页T恒温箱自动控制系统原理图恒温箱自动控制系统原理图40页页例：机床工作台位置操作系统例：机床工作台位置操作系统 41页页 由由以以上上各各例例可可知知，虽虽然然构构成成各各反反响响操操作作系系统
36、统的的元元件件不不同同，系系统统的的功功用用也也各各不不相相同同，但但反反响响操操作作系系统统的的工工作作原原理理都都是是相相同同的的，即即都都是是按按负负反反响响操操作作原原理理进进行行工工作作的的。负负反反响响是是一一个个利利用用偏偏差差进进行行操操作作并并最最后后消消除除偏偏差差的的操作过程。操作过程。42页页1-4 系统的分类及对操作系统的基本要求系统的分类及对操作系统的基本要求 q 对广义系统可按反响情况分：对广义系统可按反响情况分：一、一、系统的几种分类系统的几种分类1、开环系统、开环系统2、闭环系统、闭环系统q 对自动操作系统还可按输出变化规律分对自动操作系统还可按输出变化规律分
37、1、自动调节系统、自动调节系统2、随动系统、随动系统3、程序操作系统、程序操作系统43页页1、开环系统、开环系统系系统统输输出出量量对对系系统统的的操操作作没没有有影影响响的的系系统统。其其方方框框图表现为图表现为无反响回路无反响回路。例：数控机床的进给系统。例：数控机床的进给系统。q 对广义系统可按反响情况分：对广义系统可按反响情况分：图图1-11控制装置控制装置伺伺 服服驱动装置驱动装置工作台工作台指令指令工作台工作台位置位置输入装置输入装置(系统输入系统输入)(系统输出系统输出)44页页2、闭环系统、闭环系统输出量局部或全部地对系统操作作用有实际影响的系统。输出量局部或全部地对系统操作作
38、用有实际影响的系统。开开环环系系统统结结构构简简单单、本本钱钱低低、工工作作稳稳定定，但但不不能能修修正正被被操操作量的偏差。作量的偏差。闭闭环环系系统统能能自自动动修修正正被被控控量量的的偏偏差差，操操作作精精度度高高，但但系系统统容易产生振荡。容易产生振荡。操作装置操作装置驱动装置驱动装置工作台工作台指令指令工作台工作台位置位置输入装置输入装置(系统输入系统输入)(系统输出系统输出)检测装置检测装置(被控对象被控对象)控制部分控制部分45页页 例如：直流电动机转速开环操作系统例如：直流电动机转速开环操作系统 给定定电压ug经放大后放大后产生生电枢枢电压ua，当，当电动机励磁机励磁电压uf恒
39、恒定定时，改，改变ua可得到不同的可得到不同的转速速n。n与与ua具有一一具有一一对应的关系。例的关系。例如当如当u=ua1时，n=n1；该系系统的信号通路不的信号通路不闭合，所以是开合，所以是开环系系统。当有当有扰动引起引起转速速变化化时，无法克服，无法克服扰动造成的影响，因此造成的影响，因此ua与与n之之间的的对应关系是不准确的。要关系是不准确的。要进行行补偿就必就必须借助人工改借助人工改变输入入电压ua。ug电位器电位器电动机电动机负载负载功率功率放大器放大器uaufn46页页例：直流电机转速闭环操作系统。例：直流电机转速闭环操作系统。在在直直流流电动机机转速速开开环操操作作系系统中中引
40、引入入测速速发电机机，构构成成一一个个直直流流电动机机转速速闭环操作系操作系统，如下，如下图。ug电位器电位器电动机电动机负载负载功功放放ua47页页二、对自动操作系统还可按输出变化规律分二、对自动操作系统还可按输出变化规律分1、自动调节系统、自动调节系统 在在外外界界干干扰扰作作用用下下，系系统统的的输输出出仍仍能能基基本本保保持持为为常常量量的的系系统统。如如前前所所述述蒸蒸汽汽机机离离心心调调速速机机构构及及工工作台速度操作系统。作台速度操作系统。2、随动系统、随动系统 在在外外界界条条件件作作用用下下，系系统统的的输输出出能能相相应应于于输输入入在在广广阔阔范范围围内内按按任任意意规规
41、律律变变化化的的系系统统。例例如如炮炮瞄瞄雷雷达系统、液压仿形刀架。达系统、液压仿形刀架。48页页3、程序操作系统、程序操作系统 在在外外界界作作用用下下，系系统统的的输输出出按按预预定定程程序序变变化化的的系统。可以是开环也可以是闭环的。系统。可以是开环也可以是闭环的。如：工作台位置操作系统。如：工作台位置操作系统。49页页三、闭环系统的组成三、闭环系统的组成如图：如图：执行环节执行环节给定环节给定环节放大运放大运算环节算环节被控对象被控对象xixb测量环节测量环节e e图图1-14xo+-控制部分控制部分50页页给定环节给定环节执行环节执行环节放大运放大运算环节算环节被控对象被控对象xix
42、b测量环节测量环节e exo+-控制部分控制部分1、给给定定环环节节：给给出出输输入入信信号号的的环环节节，用用于于确确定定被被控控对对象象的的“目目标标值值”，给给定定环环节节可可以以用用各各种种形形式式发发出信号；出信号；如：电位器、大脑中理想车速值如：电位器、大脑中理想车速值给定环节给定环节图图1-1451页页给定环节给定环节执行环节执行环节放大运放大运算环节算环节被控对象被控对象xixb测量环节测量环节e exo+-控制部分控制部分2、测测量量环环节节：它它用用于于测测量量被被控控变变量量，并并将将被被控控变变量转换为便于传送的另一物理量；量转换为便于传送的另一物理量；各种传感器及变送
43、器各种传感器及变送器测量环节测量环节图图1-1452页页给定环节给定环节执行环节执行环节放大运放大运算环节算环节被控对象被控对象xixb测量环节测量环节exo+-控制部分控制部分3、比比较较环环节节：将将输输入入信信号号xi和和反反响响量量xb相相比比较较，输输出出一一偏偏差差信信号号e=xi-xb，如如e=0，则则后后续续局局部部不不再再动作。动作。图图1-1453页页执行环节执行环节给定环节给定环节放大运放大运算环节算环节被控对象被控对象xixb测量环节测量环节e exo+-控制部分控制部分执行环节执行环节4、放放大大及及运运算算环环节节：将将偏偏差差信信号号做做必必要要的的校校正正，然后
44、进行功率放大，以便推动执行环节；然后进行功率放大，以便推动执行环节；5、执执行行环环节节：接接收收放放大大环环节节来来的的操操作作信信号号，驱驱动动被控对象按照预期的规律进行。被控对象按照预期的规律进行。图图1-14放大运放大运算环节算环节54页页二、二、操作系统的基本要求操作系统的基本要求 对操作系统性能的要求对操作系统性能的要求 评价一个操作系统的好坏，指标是多种多样的，各系统依评价一个操作系统的好坏，指标是多种多样的，各系统依其使用目的的不同，对各项性能指标的要求不同。但对操作系其使用目的的不同，对各项性能指标的要求不同。但对操作系统的基本要求一般可归纳为以下几个方面（性能评价指标）：统
45、的基本要求一般可归纳为以下几个方面（性能评价指标）：1、系统的稳定性、系统的稳定性 输出量对给定的输入量的偏离应该随着时间增长逐渐趋输出量对给定的输入量的偏离应该随着时间增长逐渐趋近于零（特征方程的根均具有负实部），这样的系统是稳定系近于零（特征方程的根均具有负实部），这样的系统是稳定系统。稳定性要求是操作系统正常工作的首要条件，且是最重要统。稳定性要求是操作系统正常工作的首要条件，且是最重要的条件。实际操作系统在进行设计时均留有一定的稳定裕度，的条件。实际操作系统在进行设计时均留有一定的稳定裕度，系统工作时参数可能发生变化时，如果未留稳定裕度或裕度值系统工作时参数可能发生变化时，如果未留稳定
46、裕度或裕度值不够时，会导致系统失稳，不稳定的系统是不能工作的。不够时，会导致系统失稳，不稳定的系统是不能工作的。55页页2、响应的快速性、响应的快速性 快速性指当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差快速性指当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。它是衡量系统性能的一个很时，消除这种偏差的快慢程度。它是衡量系统性能的一个很重要的指标。重要的指标。56页页ts2%(5%)二阶系统的单位阶跃响应二阶系统的单位阶跃响应57页页3、响应的准确性、响应的准确性 是指在过渡过程结束后输出量与给定的输入量的偏差，是指在过渡过程结束后输出量与给定的输入量的偏差，它又称为静态精度，它
47、也是衡量系统工作性能的重要指它又称为静态精度，它也是衡量系统工作性能的重要指标。标。对操作系统的基本要求可以用三个字来表示：对操作系统的基本要求可以用三个字来表示：“稳、快、准稳、快、准”本课程所要讲解的内容都是围绕本课程所要讲解的内容都是围绕“稳、快、准稳、快、准”这三项要求来进行的。这三项要求来进行的。58页页 本课程的任务本课程的任务 不同的操作系统，由于其操作要求不同，对于稳定不同的操作系统，由于其操作要求不同，对于稳定性、响应速度以及稳态精度的要求也是不相同的。如随动性、响应速度以及稳态精度的要求也是不相同的。如随动系统对响应速度的要求是很高的。系统的三个方面的要求系统对响应速度的要
48、求是很高的。系统的三个方面的要求往往是相互制约相互矛盾的。从后面的讲解中同学们会了往往是相互制约相互矛盾的。从后面的讲解中同学们会了解到，要想使系统的响应速度（快）与稳态精度（准）的解到，要想使系统的响应速度（快）与稳态精度（准）的提高，就要求系统具有较大的增益值（放大能力），而增提高，就要求系统具有较大的增益值（放大能力），而增益的增大，总是使系统的稳定裕度降低甚至导致系统失稳益的增大，总是使系统的稳定裕度降低甚至导致系统失稳由稳定变为不稳定（稳）由稳定变为不稳定（稳）。这也就是说：。这也就是说：系统动态响应的快速性、高精度与动态稳定性之间是永系统动态响应的快速性、高精度与动态稳定性之间是永
49、恒的矛盾！恒的矛盾！59页页那么本课程的任务也就很明确了：解决上面的矛盾那么本课程的任务也就很明确了：解决上面的矛盾1、对于一个具体的操作系统（一定首先保证它是稳定的），、对于一个具体的操作系统（一定首先保证它是稳定的），如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进度定性的分析如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进度定性的分析和定量的计算；和定量的计算；2、根据对系统性能要求，如何合理地设计校正装置，使系、根据对系统性能要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上要求。统的性能能全面地满足技术上要求。60页页对大家的几点要求对大家的几点要求1、按时上课，勿旷课、迟到、早退；、按时上课
50、，勿旷课、迟到、早退；2、按时交作业及实验报告，并要求独立完成；、按时交作业及实验报告，并要求独立完成；3、上课认真听讲，勿影响他人；、上课认真听讲，勿影响他人；4、按时做实验，认真预习，更不允许让同学替代。、按时做实验，认真预习，更不允许让同学替代。5、请将、请将 关闭（至少也要打振动吧）！关闭（至少也要打振动吧）！本本门门课课程程综综合合性性强强，涉涉及及的的知知识识面面广广，希希望望大家能认真学习。大家能认真学习。必修课必修课?任选课？任选课？61页页谢谢观看/欢送下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHU