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1、1第一章 绪 论第一章 绪 论2基本要求基本要求1.了解机械工程控制论的基本含义和研究对象，学习本课程的目的和任务；2.正确理解自动控制系统的基本概念，掌握反馈的含义；3.了解广义系统的分类，掌握闭环控制系统的工作原理、基本组成，学会控制系统方框图的绘制方法；4.掌握对控制系统的基本要求。3家 用 电 器家 用 电 器 冰箱、洗衣机冰箱、洗衣机 家庭影院家庭影院 微波炉微波炉 U盘、MP4、MP5U盘、MP4、MP5 手机应用产品手机应用产品引：控制技术的应用引：控制技术的应用4智能楼宇的控制智能楼宇的控制可视对讲、室内报警、远程家电控制可视对讲、室内报警、远程家电控制.5口语汽车导航系统使用
2、情景示意图口语汽车导航系统使用情景示意图汽车GPS定位，GIS导航，GSM通信汽车GPS定位，GIS导航，GSM通信单片机控制器单片机控制器应用应用61.1 概述控制理论是在产业革命的背景下，在生产和军事需求的刺激下，自动控制、电子技术、计算机科学等多种学科相互交叉发展的产物。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“经典控制理论经典控制理论”和“现代控制理论现代控制理论”两大部分。7 1895年：A.Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。1895年：A.Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。1932年：H.Nyquist提出
3、奈奎斯特稳定性判据。1945年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法。1945年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法。1948年：N.Wiener发表控制论，标志经典控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入1948年：N.Wiener发表控制论，标志经典控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入单输出（SISO）系统的分析和控制问题；单输出（SISO）系统的分析和控制问题；1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，进一步充实了经典控制论；1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，进一步充实了经典控制论；8 1954年：钱学森发表工
4、程控制论；1954年：钱学森发表工程控制论；50年代末60年代初：50年代末60年代初：现代控制理论形成现代控制理论形成；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。；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。9从1868年麦克斯威尔（J.C.Maxwe
5、ll）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为从1868年麦克斯威尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为三个主要阶段：三个主要阶段：第一阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；第二阶段：第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：第三阶段：大系统控制兴起和发展及智能控制发展阶段。大系统控制兴起和发展及智能控制发展阶段。101.2 自动控制系统的基本概念控制控制:对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。对对象施加某种操
6、作，使其产生所期望的行为。自动控制自动控制:在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。例例.典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等。典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等。一、自动控制一、自动控制11人工控制过程的实质：人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差检测
7、偏差再纠正偏差。大脑大脑手手调压器调压器恒温箱恒温箱眼睛眼睛实际温度期望温度人工控制恒温箱系统功能框图实际温度期望温度人工控制恒温箱系统功能框图温度计温度计12给定信号给定信号电压功率放大器电压功率放大器控制电机控制电机减速器减速器调压器调压器恒温箱(控制对象)恒温箱(控制对象)热电偶热电偶u u1 1u u2 2 uuuua anvunvu温度温度t t(被控量)(被控量)扰动恒温箱自动控制系统功能框图扰动恒温箱自动控制系统功能框图13综上所述，控制系统的工作原理：综上所述，控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值；检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）
8、进行比较得出偏差；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。显然，自动控制系统控制方式是“显然，自动控制系统控制方式是“检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差”。这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为”。这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统反馈控制系统。反馈控制系统具备。反馈控制系统具备测量测量、比较比较和和执行执行三个基本功能。三个基本功能。14二、
9、系统的分类及对控制系统的基本要求二、系统的分类及对控制系统的基本要求1、开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为：1、开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为：开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统152、按数学模型分类（线性系统和非线性系统）、按数学模型分类（线性系统和非线性系统）线性系统线性系统由线性元件组成，输入输出间具有叠加性和均匀性性质，以线性微分方程来表述。由线性元件组成，输入输出间具有叠加性和均匀性性质，以线性微分方程来表述。非线性系统非线性系统系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。用非线性微分方程来表述。系统中有非线性元
10、件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。用非线性微分方程来表述。16 定常系统和时变系统定常系统和时变系统3、按时间概念分、按时间概念分174、按给定量的运动规律分4、按给定量的运动规律分 恒值控制系统恒值控制系统系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。程序控制系统程序控制系统输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动
11、。如数控加工系统。随动系统（伺服系统）随动系统（伺服系统）输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。185、其它分类系统5、其它分类系统 机械、电气、机电、液压、气动、热力等控制系统机械、电气、机电、液压、气动、热力等控制系统 温度、压力、位置等控制系统温度、压力、位置等控制系统19三、对控制系统的基本要求稳定准确快速稳定准确快速（1）稳定性稳定性就是指系统动态过程的
12、振荡倾向和系统恢复平衡状态的能力。输出量偏离平衡状态后应随着时间收敛并且回到初始的平衡状态。稳定性是系统工作的首要条件。稳稳准准快快20（2）快速性这是在系统稳定的前提下提出的。指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。（3）准确性指调整过程结束后，输出量与给定的输入量之间的偏差，即静态精度（稳态精度），这也是衡量系统工作性能的重要指标。三、对控制系统的基本要求211.3 本课程的特点和学习方法一、本课程的主要内容和特点一、本课程的主要内容和特点1、主要内容1、主要内容介绍经典控制理论的基础知识，包括：介绍经典控制理论的基础知识，包括：控制系统数学模型的建立控制系统数学模型的建立 控制系统的时域分析控制系统的时域分析 控制系统的频域分析控制系统的频域分析 控制系统稳定性分析控制系统稳定性分析 控制系统的设计和校正控制系统的设计和校正222、课程特点2、课程特点 内容丰富，理论性较强内容丰富，理论性较强 基础知识要求高，技术更新快基础知识要求高，技术更新快 紧密联系实际，研究带有普遍性紧密联系实际，研究带有普遍性23二、本课程的学习方法二、本课程的学习方法 思考问题，提出问题，解决问题思考问题，提出问题，解决问题 重视抽象思维与实际结合重视抽象思维与实际结合 重视习题，独立完成作业重视习题，独立完成作业 重视实践，完成仿真调试重视实践，完成仿真调试24