机械控制基础 第一章

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1、第一章第一章 绪绪 论论 近代技术的发展，使设备的自动化程度大大提高。近代技术的发展，使设备的自动化程度大大提高。不仅飞机、宇宙飞船等高、精、尖的航空设备的控制，不仅飞机、宇宙飞船等高、精、尖的航空设备的控制，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、卷纸机等设备的控制也不可能直接用手动控制，而是通过这些设备的控制也不可能直接用手动控制，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。“控制工程控制工程”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早期的、在工业中起重要作

2、用的第一个第一个自动调节装置是自动调节装置是1788年瓦特发明的蒸汽机中的离心调速器。这是一个自动调年瓦特发明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，(若若P不变不变Mn)蒸汽机蒸汽机转速转速 下降，则离心振子下降，则离心振子下降。滑块下降。滑块将通过杠杆将通过杠杆使蒸汽阀门开大，使蒸使蒸汽阀门开大，使蒸汽供给量增加（汽供给量增加（M不变，不变，Pn ），从而使蒸汽），从而使蒸汽机转速上升。机转速上升。nPM9550 图图1-12页页蒸汽机蒸

3、汽机比较机构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nPM9550 图图1-13页页 反之若负载减小，蒸汽机转速上升则离心调速器可使反之若负载减小，蒸汽机转速上升则离心调速器可使转速下降。这样，转速下降。这样，离心调速器可自动地抵制负载的变化，离心调速器可自动地抵制负载的变化，使转速保持在某一给定范围之内。使转速保持在某一给定范围之内。可以说，这是最早的自可以说，这是最早的自动反馈控制系统。但是后来发现，汽阀的速度调节并不完动反馈控制系统。但是后来发现，汽阀的速度调节并不完善。若使速度恢复较快，就是加强反馈效果（如，即使速善。若使速度恢复较快，就是加强反馈效果（如，即使速

4、度有微小变化也使供汽量的变化较大），但这样一来，就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会出现速度反复变化频繁的振荡振荡现象，若其参数处理不好现象，若其参数处理不好时，还会使蒸汽机产生剧烈的振荡（在反馈控制系统中，时，还会使蒸汽机产生剧烈的振荡（在反馈控制系统中，振荡是经常出现的现象）。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

5、分方程的解中有无增长指数函数项，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，使自动控制技术向前迈进了一大步。定判据，使自动控制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发展，第一次和第二次世界大战中的武器技术的发展，使很多装备的自动调节装置有了飞跃的发展，这期间使很多装备的自动调节装置有了飞跃的发展，这期间由于通信的需要，使用了由于通信的需要，使用了负反馈放大器负反馈放大

6、器，这时，这时劳斯一劳斯一赫尔维茨赫尔维茨(RouthHurwitz)的稳定性理论的实际意义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，而又不大了，因为描述放大器的微分方程阶次太高，而用用“频率响应频率响应”及图解形式处理更实际。及图解形式处理更实际。奈魁斯特奈魁斯特 (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部分内容在后面第五章我们将要学习这部分内容)；6页页 在此基础上，在此基础上，伯德伯德 (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馈控制系

7、统的方法，这就是频率法。与分析和综合线性反馈控制系统的方法，这就是频率法。与此同时，此同时，依万斯依万斯(WREvans)于于1948年创立了年创立了“根轨迹根轨迹法法”，对用微分方程模型来研究问题提供了一个简单而有，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。效的方法，在某些情况下，它比频率法更简单，更直接。到此，到此，“古典控制理论古典控制理论”已比较完善，并在各行业中广泛已比较完善，并在各行业中广泛地应用这些理论，促进了控制工程的进一步发展。地应用这些理论，促进了控制工程的进一步发展。1948年，年，美国数学家美国数学家维纳维纳(NWie

8、ner)发表发表)了了篇题为控制论篇题为控制论的著作，首创了控制论的著作，首创了控制论(Cybernetics)这个名词，他认为，到这个名词，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，这本著作的出版，标志着这门学科的正发展过程等问题，这本著作的出版，标志着这门学科的正式诞生。式诞生。掌舵人掌舵人7页页 第二次世界大战后，控制理论在民用工业中得到进一第二次世界大战后，控制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，实现了对过程的控步应用。如化工、石油、冶金等部门，实现了对过程的控制，解决了压力、温度

9、、流量与化学成分的控制问题。到制，解决了压力、温度、流量与化学成分的控制问题。到50年代中期年代中期，以反馈控制为中心的理论体系基本形成。，以反馈控制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）典控制论。一般把这一时期以前形成的理论称为经（古）典控制论。8页页经典控制论是在复数域中以传递函数概念为基础的经典控制论是在复数域中以传递函数概念为基础的理论体系。主要研究理论体系。主要研究单输入单输入-输出定常系统的分输出定常系统的分析与设计析与设计。经（古）典控制理论的主要缺点是：经（古）典控制理论的主要缺点是：1)所研究的系统限于线性时不变系统，即其部件可所研究的系统限于线性

10、时不变系统，即其部件可用常系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控不能提供最好的设计。这些问题的存在促使现代控制理论的迅速发展。制理论的迅速发展。9页页 50年代末，由于导弹制导、航天、航海、航空技术的年代末，由于导弹制导、航天、航海、航空技术的发展需要和电子计算机技术的成熟，控制理论发展到一个发展需要和电子计算机技术的成熟，控制理论发展到一个新的阶段，出现了现代控制论。新的阶段，出现了现

11、代控制论。1956年前苏联年前苏联特略金特略金提出提出的的最优控制最优控制，1957年美国年美国贝尔曼贝尔曼(Bellman)提出的提出的动态规动态规划理论划理论，和，和1960年美国年美国卡尔曼卡尔曼(Kalman)提出的提出的最优过滤最优过滤理论理论形成了现代控制理论的基础。状态空间概念的引入，形成了现代控制理论的基础。状态空间概念的引入，计算机的发展及对现代控制理论起了重要的推动作用。计算机的发展及对现代控制理论起了重要的推动作用。10页页 现代控制理论的基本工具是在时间域中以现代控制理论的基本工具是在时间域中以状态空间状态空间变量变量为基础的理论体系，它是从分析力学中引用过去的，为基础

12、的理论体系，它是从分析力学中引用过去的，而而“分析力学分析力学”是十九世纪初期为研究机械运动而发展起是十九世纪初期为研究机械运动而发展起来的，所以，现代控制理论的基础与发展也同机械工程密来的，所以，现代控制理论的基础与发展也同机械工程密切相关的。切相关的。由上述可知，控制理论系由由上述可知，控制理论系由经经(古古)典控制论典控制论和和现现代控制论代控制论两部分组成。两部分组成。11页页 现代化工业生产的主要方向是探求最高的效率、最低现代化工业生产的主要方向是探求最高的效率、最低的成本、最高产品质量、最低能耗及最大可靠性等最佳状的成本、最高产品质量、最低能耗及最大可靠性等最佳状态。由于现代科学技

13、术的迅速发展，将控制理论应用于机态。由于现代科学技术的迅速发展，将控制理论应用于机械工程的重要性日益明显，这就导致了械工程的重要性日益明显，这就导致了“机械工程控制机械工程控制理论理论”(Mechanical Engineering Cybernetics)或或(Mechanical Control Engineering)这门学科的产生这门学科的产生与发展，与发展，因为机械系统和过程因为机械系统和过程(如生产过程、切削过程、锻压、焊接如生产过程、切削过程、锻压、焊接及热处理过程等及热处理过程等)要求最佳控制。实际上，这门学科既是要求最佳控制。实际上，这门学科既是一门广义的系统动力学，又是一种

14、合乎唯物辩证法的方法一门广义的系统动力学，又是一种合乎唯物辩证法的方法论，它对启迪与发展人们的思维与智力有很大的作用。论，它对启迪与发展人们的思维与智力有很大的作用。12页页 本门课程仅研究专业技术问题，但又必须紧密结合专本门课程仅研究专业技术问题，但又必须紧密结合专业实际，与工程实践相结合。以数学、物理及有关科学为业实际，与工程实践相结合。以数学、物理及有关科学为其理论基础，以机械工程中有关系统动力学为其抽象、概其理论基础，以机械工程中有关系统动力学为其抽象、概括与研究的对象，运用信息的传输、处理与反馈进行控制括与研究的对象，运用信息的传输、处理与反馈进行控制这一正确的思维方法与观点，在这一

15、正确的思维方法与观点，在数理基础课程数理基础课程与与专业课专业课程程之间架起一道桥梁，将两者紧密之间架起一道桥梁，将两者紧密结合起来，所以我们说结合起来，所以我们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 机械工程控制理论的研究对象与任务机械工程控制理论的研究对象与任务 控制理论的研究对象是各种控制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计划进行组合，使它能达到某一目的。装置或计划进行组合，使它能达到某一目的。这个定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

16、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 机械工程控制论的研究对象就是机械系统，如图机械工程控制论的研究对象就是机械系统，如图1-2与与1-3，一个质量一个质量-阻尼阻尼-弹簧单自由度系统在不同的输入时的情况。弹簧单自由度系统在不同的输入时的情况。机械工程控制论的任务是研究工程技术中广义机械工程控制论的任务是研究工程技术中广义系统的动系统的动力学问题力学问题。具体地说，它

17、研究的是工程技术中的广义系统在。具体地说，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，从系统的一定的初始状态出发，所一定的外界条件作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性经历的由其内部的固有特性(即由系统的结构与参即由系统的结构与参数所决定的数所决定的特性特性)所决定的整个动态历程，研究这一所决定的整个动态历程，研究这一系统系统及及输入、输出输入、输出三者之间的关系。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。假分别表示质量、粘性阻尼、弹簧刚度。假设质量受外

18、力设质量受外力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)，现在来，现在来研究研究 f(t),y(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)()()()(tymtyctkytf )()()()(tftkytyctym mckf(t)y(t)图图1-2)(tyc)(tfky(t)m16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。002)0()0()()()(yyyytftykcpmp222dtdpdtdp )()

19、()()(tftkytyctym 00)0()0(yyyy 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：00)0()0()()()()()(yyyytkxtxctkytyctym 002)0()0()()()()(yyyytxkcptykcpmpmckf(t)y(t)图图1-2图图1-3cky(t)mx(t)18页页 002)0()0()()()()(yyyytxkcptykcpmpmckf(t)y(t)图图1-2 002)0()0()

20、()()(yyyytftykcpmp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系统本身的结构与参数要影响这一算子的。影响这一算子的。1图图1-3cky(t)mx(t)19页页y(0)与与y(0)分别为质量的初位移和初速度，这是在输入作用分别为质量的初位移和初速度，这是在输入作用于系统之前系统的初始状态。显然，此系统在任何瞬时的于系统之前系统的初始状态。显然，此系统在任何瞬时的状态完全可以由质量的位移和速度这两个变动着的状态在状态完全

21、可以由质量的位移和速度这两个变动着的状态在此瞬时的取值来描述。此瞬时的取值来描述。.002)0()0()()()(yyyytftykcpmp 002)0()0()()()()(yyyytxkcptykcpmp20页页在上例中，在上例中，f(t)与与x(t)称为系统的输入或激励，称为系统的输入或激励，y(t)称为系称为系统的输出或系统对输入的响应，由以上分析可知系统及其统的输出或系统对输入的响应，由以上分析可知系统及其输入、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页页就输入、输

22、出、系统三者关系而言，工程控制的内容有以就输入、输出、系统三者关系而言，工程控制的内容有以下五个方面：下五个方面：1、当系统一定，输入已定时，求系统的输出、当系统一定，输入已定时，求系统的输出(响应响应)，并通，并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、当系统已定时，确定输入，且所确定的输入应使得输出、当系统已定时，确定输入，且所确定的输入应使得输出尽可能符合给定的最佳要求，此即尽可能符合给定的最佳要求，此即最优控制最优控制问题：问题：3、当输入已知时，确定系统，且所确定的系统就使得输出、当输入已知时，确定系统，且所确定的系统就

23、使得输出尽可能符合给定的最佳要求，此即尽可能符合给定的最佳要求，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、当输出已知时，确定系统，以识别输入或输入中的有关、当输出已知时，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即信息，此即滤波与预测滤波与预测问题；问题；5、当输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即建、当输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即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。本书主要以经典控制理论来研究问题本书主要以经典控制理论来研究问题1。系统系统输入输入输出输出图图1-423页页1-

24、2 1-3 反馈控制原理与反馈控制系统的组成反馈控制原理与反馈控制系统的组成一、反馈控制概念及控制原理一、反馈控制概念及控制原理 反馈控制原理是控制论的基本原理，反馈是控制论反馈控制原理是控制论的基本原理，反馈是控制论中一个非常重要的概念。中一个非常重要的概念。反馈：反馈：将系统的输出，部分或全部地返回到输入将系统的输出，部分或全部地返回到输入称为系统反馈。其本质是系统内部元素的相互联系，称为系统反馈。其本质是系统内部元素的相互联系，信息的交换。信息的交换。24页页 在开车过程中，司机用眼睛观察转速表上的实际车速并在开车过程中，司机用眼睛观察转速表上的实际车速并由大脑将实际车速与希望车速进行比

25、较，大脑根据比较后的由大脑将实际车速与希望车速进行比较，大脑根据比较后的偏差偏差对脚发出指令，控制油门踏板，从而使实际车速与希望对脚发出指令，控制油门踏板，从而使实际车速与希望车速一致。在这里人与车构成了一个系统。在该系统中，眼车速一致。在这里人与车构成了一个系统。在该系统中，眼睛将实际车速这一信息送入大脑并与大脑中储存的车速信息睛将实际车速这一信息送入大脑并与大脑中储存的车速信息进行比较，这一过程就是进行比较，这一过程就是信息反馈信息反馈过程。过程。例例1：司机驾驶汽车过程。：司机驾驶汽车过程。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)

26、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 通常，把输出量返回到输入端并与输入量比较的过程通常，把输出量返回到输入端并与输入量比较的过程称为称为反馈反馈，反馈包括，反馈包括正反馈正反馈和和负反馈负反馈。若反馈信号是与输。若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值愈采愈小，则称入信号相减而使偏差值愈采愈小，则称负反馈负反馈；反之，则；反之，则称称正反馈正反馈。显然如图所示系统中的反馈为负反馈。该系统。显然如图所示系统中的反馈为负反馈。该系统的控制过程是的控制过程是利用输出量与输入量之间的偏差利用输出量与输入量之间的偏差进行控制并最后消除这一偏差的过程。进行控制并最后消除这

27、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 在上述系统中，人直接参与了反馈控制过程，因此这在上述系统中，人直接参与了反馈控制过程，因此这是一个人工反馈控制系统。在自动控制系统中，反馈是用是一个人工反馈控制系统。在自动控制系统中，反馈是用自动控制元件完成的。现以自动控制元件完成的。现以工作台位置控制系统工作台位置控制系统和和工作台工作台速度控制系统速度控制系统为例，说明自动控制系统的控制过程。为例，说明自动控制系统的控制过程。希望车速希望车速y(t)大脑大

28、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：工作台位置控制系统。：工作台位置控制系统。该系统由指该系统由指令电位器、反馈令电位器、反馈电位器、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，杠及工作台组成，其功用是控制工其功用是控制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：通过指令电位器的滑动触点通过指令电位器的滑动触点给出工作台的位置指令给出工作台的位置指令xr，并转

29、换为控制电压并转换为控制电压ur。被控。被控制工作台的位移制工作台的位移xc由反馈电由反馈电位器检测，并转换为反馈电位器检测，并转换为反馈电压压uc。两电位器接成桥式电。两电位器接成桥式电路。当工作台位置路。当工作台位置xc与给定与给定位置位置xr有偏差时，桥式电路有偏差时，桥式电路的输出电压为的输出电压为 D Du=ur uc，设开始时指令电位器和反馈设开始时指令电位器和反馈电位器滑动触点都处于左端，电位器滑动触点都处于左端，即即xr=xc=0，则，则D Du=ur uc=0，此时，放大器无输出，直流此时，放大器无输出，直流伺服电机不转，工作台静止伺服电机不转，工作台静止不动，系统处于平衡状

30、态。不动，系统处于平衡状态。D Du29页页D Du30页页当给出位置指令当给出位置指令xr时，在工作台改变位置之前的瞬间，时，在工作台改变位置之前的瞬间，xc=0，uc=0，则电桥的输出为，则电桥的输出为D Du=ur uc=ur 0=ur，该偏，该偏差电压经放大器放大后控制直流伺服电机转动，直流伺服差电压经放大器放大后控制直流伺服电机转动，直流伺服电机通过齿轮减速器和滚株丝杠驱动工作台右移。随着工电机通过齿轮减速器和滚株丝杠驱动工作台右移。随着工作台的移动。工作台实际位置与给定位置之间的偏差逐渐作台的移动。工作台实际位置与给定位置之间的偏差逐渐减小，即偏差电压减小，即偏差电压D Du逐渐减

31、小。当反馈电位器滑动触点的逐渐减小。当反馈电位器滑动触点的位置与给定位置一致，即输出完全复现输入时，电桥平衡，位置与给定位置一致，即输出完全复现输入时，电桥平衡，偏差电压偏差电压D Du=0，伺服电机停转，工作台停止在由指令电位，伺服电机停转，工作台停止在由指令电位器给定的位置上，系统进入新的平衡状态，当给出反向指器给定的位置上，系统进入新的平衡状态，当给出反向指令时，偏差电压极性相反，伺服电机反转，工作台左移，令时，偏差电压极性相反，伺服电机反转，工作台左移，当工作台移至给定位置时，系统再次进入平衡状态。如果当工作台移至给定位置时，系统再次进入平衡状态。如果指令电位器滑动触点的位置不断改变，

32、则工作台位置也跟指令电位器滑动触点的位置不断改变，则工作台位置也跟着不断变化。该系统的控制过程可用下面方块图表示：着不断变化。该系统的控制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 由系统上述工作过程可知，为了使输出量复现输入量，由系统上述工作过程可知，为了使输出量复现输入量，系统通过反馈电位器不断地对输出量进行检测并返回到输系统通过反馈电位器不断地对输出量进行检测并返回到输入端与输入量进行比较得出偏差信号，再利用所得偏差信入端与输入量进行比较得出偏差信号，再利用所得偏差信号控制系统运动，

33、以便随时消除偏差。从而实现了工作台号控制系统运动，以便随时消除偏差。从而实现了工作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：工作台速度控制系统。：工作台速度控制系统。系统构成：系统构成：该系统由指令电位器、放大器、电该系统由指令电位器、放大器、电液伺服液伺服阀、液压缸、工作台、齿条齿轮副、测速发电机组成，其阀、液压缸、工作台、齿条齿轮副、测速发电机组成，其功能是控制工作台速度为某一恒定值。功能是控制工作台速度为某一恒定值。P034页页 系统中，电系统中，电液伺服阀输出油液流量的大小和液流方液伺服阀输出油液流量的大小和液流方向分别由电向分别

34、由电液伺服阀的输入电流大小和方向决定。改变液伺服阀的输入电流大小和方向决定。改变电电液伺服阀输入电流的大小和方向，便可改变工作台运液伺服阀输入电流的大小和方向，便可改变工作台运动速度和方向。工作台运动速度由测速装置动速度和方向。工作台运动速度由测速装置(该装置由齿条、该装置由齿条、齿轮和测速发电机组成，测速发电机的输出电压与输入转齿轮和测速发电机组成，测速发电机的输出电压与输入转速成正比速成正比)检测并转换为电压，与给定电压比较，其偏差电检测并转换为电压，与给定电压比较，其偏差电压为压为D Du。P035页页36页页当工作台运动速度为给定速度当工作台运动速度为给定速度V0时，测速发电机输出电压

35、时，测速发电机输出电压为为uc0，此时偏差电压为，此时偏差电压为D Du=ur uc0，放大器输出电流为，放大器输出电流为i0，电电液伺服阀输出流量为液伺服阀输出流量为Q0，该流量是保持工作台运动速，该流量是保持工作台运动速度度V0所必需的。此时系统的工作状态为平衡工作状态，在所必需的。此时系统的工作状态为平衡工作状态，在系统工作过程中，如果由于负载、油温或其他因素变化引系统工作过程中，如果由于负载、油温或其他因素变化引起速度波动，则起速度波动，则ucuc0。若工作台运动速度。若工作台运动速度V大于给定速度大于给定速度V0，则，则ucuc0,因而因而D Du=ur uc0 D Du0，于是放大

36、器输出电，于是放大器输出电流减流减i小，从而使电小，从而使电液伺服阀输出油液流量减小，工作台液伺服阀输出油液流量减小，工作台运动速度运动速度V下降，当工作台运动速度下降，当工作台运动速度V等于给定速度等于给定速度V0时，时，系统恢复平衡工作状态；反之，如果某因素使工作台速度系统恢复平衡工作状态；反之，如果某因素使工作台速度下降小于给定速度下降小于给定速度V0时，则时，则ur D Du0，于是放大器输出电流加大，工作台运动速度上升，直到达于是放大器输出电流加大，工作台运动速度上升，直到达到到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下图所示：该系统的方块图如下图所示：电

37、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：恒温箱控制系统例：恒温箱控制系统 TRuP2 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恒温箱自动控制系统原理图恒温箱自动控制系统原理图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：机床工作台位置控制系统例：机床工作台位置控制系统 41页页 由以上各例可知，虽然构成各反馈控制系统的元件由以上各例可知，虽然构成各反馈控制系统的元件不同，系统的功用也各不相同，但反馈控制系统的工作不同，系统的功用也各不相同，但反馈控制系统

38、的工作原理都是相同的，即都是按原理都是相同的，即都是按负反馈负反馈控制原理进行工作控制原理进行工作的。负反馈是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的的。负反馈是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的控制过程。控制过程。42页页1-4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 q 对广义系统可按反馈情况分：对广义系统可按反馈情况分：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 对自动控制系统还可按输出变化规律分对自动控制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2、随动系统、随动系统3、程序控制系统、程序控制系统43页页1、开

39、环系统、开环系统系统输出量对系统的控制没有影响的系统。其方框系统输出量对系统的控制没有影响的系统。其方框图表现为图表现为无反馈回路无反馈回路。例：数控机床的进给系统。例：数控机床的进给系统。q 对广义系统可按反馈情况分：对广义系统可按反馈情况分：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、闭环系统输出量部分或全部地对系统控制作用有实际影响的系统。输出量部分或全部地对系统控制作用有实际影响的系统。开环系统结构简单、成本低、工作稳定，但不能修正被控开环系统结构简单、成本低

40、、工作稳定，但不能修正被控制量的偏差。制量的偏差。闭环系统能自动修正被控量的偏差，控制精度高，但系统闭环系统能自动修正被控量的偏差，控制精度高，但系统容易产生振荡。容易产生振荡。控制装置控制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控制系统例如：直流电动机转速开环控制系统 给定电压给定电压ug经放大后产生电枢电压经放大后产生电枢电压ua，当电动机励磁电压，当电动机励磁电压uf恒恒定时，改变定时，改变ua可得到不同的转速可得到不同的转速n

41、。n与与ua具有一一对应的关系。例具有一一对应的关系。例如当如当u=ua1时，时，n=n1；该系统的信号通路不闭合，所以是；该系统的信号通路不闭合，所以是开环系统开环系统。当有扰动引起转速变化时，无法克服扰动造成的影响，因此当有扰动引起转速变化时，无法克服扰动造成的影响，因此ua与与n之间的对应关系是不准确的。要进行补偿就必须借助人工改变输入之间的对应关系是不准确的。要进行补偿就必须借助人工改变输入电压电压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：直流电机转速闭环控制系统。例：直流电机转速闭环控制系统。在直流电动机转速在直流电动机转速开环控制开环控制系

42、统中系统中引引入测速发电机入测速发电机，构成一个直流电动机，构成一个直流电动机转速转速闭环控制系统闭环控制系统，如图所示。，如图所示。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、对自动控制系统还可按输出变化规律分二、对自动控制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 在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保持在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保持为常量的系统。如前所述蒸汽机离心调速机构及工为常量的系统。如前所述蒸汽机离心调速机构及工作台速度控制系统。作台速度控制系统。2、随动系统、随动系统 在外界条件作用下，系统的输出能相应于输入在外界条件作用下，系统的输出能相应

43、于输入在广阔范围内按任意规律变化的系统。例如炮瞄雷在广阔范围内按任意规律变化的系统。例如炮瞄雷达系统、液压仿形刀架。达系统、液压仿形刀架。48页页3、程序控制系统、程序控制系统 在外界作用下，系统的输出按预定程序变化的在外界作用下，系统的输出按预定程序变化的系统。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：工作台位置控制系统。如：工作台位置控制系统。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

44、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1、给定环节：给出输入信号的环节，用于确定被、给定环节：给出输入信号的环节，用于确定被控对象的控对象的“目标值目标值”，给定环节可以用各种形式发，给定环节可以用各种形式发出信号；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、测量环节：它用于测量被控变量，并将被控变、测量环节：它用于测量被控变量，并将被控变量转换为便于

45、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、比较环节：将输入信号、比较环节：将输入信号xi和反馈量和反馈量xb相比较，相比较，输出一偏差信号输出一偏差信号e=xi-xb，如，如e=0，则后续部分不再，则后续部分不再动作。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、放大及

46、运算环节：将偏差信号做必要的校正，、放大及运算环节：将偏差信号做必要的校正，然后进行功率放大，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、执行环节：接收放大环节来的控制信号，驱动、执行环节：接收放大环节来的控制信号，驱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、控制系统的基本要求控制系统的基本要求 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求 评价一个控制系统的好坏，指标是多种多样的，各系统依评价一个控制系统的好坏，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。但对控制系其使用目的的不同，对各项

47、性能指标的要求不同。但对控制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。稳定性要求是控制系统正常工作的统。稳定性要求是控制系统正常工作的首要首要条件，且是条件，且是最重要最重要的条件。实际控制系统在进行设计时均留有一定的的条件。实际控制系统在进行设计时均留有一定的稳定裕度稳定裕度，系统工作时参

48、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%)ox txomaxx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

49、程结束后输出量与给定的输入量的偏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，它也是衡量系统工作性能的重差，它又称为静态精度，它也是衡量系统工作性能的重要指标。要指标。对控制系统的基本要求可以用三个字来表示：对控制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 不同的控制系统，由于其控制要求不同，对于不同的控制系统，由于其控制要求不同，对于稳定稳定性、响应速度以及稳态精度性、响应速度以及稳态精度的要求也是不相同

50、的。如随动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解到，要想使系统的响应速度（快）（快）与稳态精度与稳态精度（准）（准）的的提高，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由稳定变为不稳定（稳）（稳）。这也就是说：。这也

51、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：那么本课程的任务也就很明确了：解决上面的矛盾解决上面的矛盾1、对于一个具体的控制系统（一定首先保证它是稳定的），、对于一个具体的控制系统（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、根据对系统性能要求，如何合理地设计校正装置设计校正装置，使系，使系统的性能能全面地满足技术上要求。统的性能能全

52、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，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、请将手机关闭（至少也要打振动吧）！、请将手机关闭（至少也要打振动吧）！本门课程综合性强，涉及的知识面广，希望本门课程综合性强，涉及的知识面广，希望大家能认真学习。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/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH