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1、,控制论是研究什么的？定义？,说法一：“控制论”是关于机器的理论 说法二：“控制论”是电子计算机和电子学的理论 说法三：“控制论”就是类似于数学的一门学科 说法四：“控制论”是关于动物和机器中控制和通信的科学（维纳定义）,“控制论”是以研究各种系统共同存在的控制规律 为对象的一门科学。,控制论”就是要揭示包括机器、生物、社会在内的 各种不同的控制系统的共同规律。 是研究各种系统共同控制规律的科学，是方法论。,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,维纳是如何发现问题、提出问题并创立这一全新的学科的呢？,人的有目的
2、的活动 VS 具有控制功能的机器 取物 火炮打敌机 感觉器官：眼、耳 检测机构：雷达 中枢决策器官：大脑 决策机构：指挥仪 效应器官：手、脚 执行机构：随动系统,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,问题1：各种系统有什么共性？,尽管机器与动物在本质上有着天壤之别，有着无生命与有生命的差别，但从机器控制的动作和人的行为过程来看，他们有着相当确切的“同构性” 。,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,第一章 控制系统的基本概念,C
3、ollege of mechanical & electronic engineering,问题2：究竟是什么东西使的尽管在质的方面有着天壤之别的机器和人在行为活动中，有如此相似的过程呢？,共同点：控制内容的消息-信息，正是控制部分和受控部分之间发生了这种信息的联系、信息的运动，控制过程才得以实现。 控制过程就是系统中信息运动的过程。 控制机工作，实际上就是以某种方式向机器发出信号，机器接受信息的地方叫输入端。机器接受到控制信息产生一系列动作，去完成指定工作，产生这些运动的地方叫执行机构或控制机构。机器完成了指定的工作，产生出工作效果的地方叫输出端。,第一章 控制系统的基本概念,College
4、 of mechanical & electronic engineering,问题3：控制过程是怎样具体实现的呢？信息是以怎样的形式实现控制和操纵的呢？,控制的反馈机制 控制理论中称信息的双向运动为“反馈联系”。 “反馈”是指：控制系统把信息传输出去后，又将信息的作用返回到控制系统，并对控制系统的再输出产生影响。,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,控制论中的三大要素： 同构理论 信息的流通、交换 反馈机制,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic e
5、ngineering,第一章 控制系统的基本概念,一、机械工程控制论的研究对象与任务,二、控制系统的工作原理及其组成,三、控制系统的基本类型,四、对控制系统的基本要求,五、本课程的任务及主要内容,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,一、机械工程控制论的研究对象与任务,系统是由相互联系、相互作用的若干部分构成且具有一定运动 规律的一个有机整体。是按一定规律联系在一
6、起的元素的集合。,系统及广义系统,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,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。具体地说，它研究的是机械工程广义系统在一定的外界条件（即输入或激励、干扰）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（即由系统的结构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程；研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。,机械工程控制论的研究对象,系统,输入,输出,外界作用,系统内部的信息 传递与交互,系统的响应,第一章 控制系统的
7、基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解 问题的不同，机械工程控制论的任务可以分为以下五种： （1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题； （2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题； （3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题； （4）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息， 此即滤波与预测问题； （5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统 辨识问题。,机械工程控制论的研究任务,第一章 控制系
8、统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,二、控制系统的工作原理及其组成,控制：通过对一定对象实施一定的操作，以使其按照预定的 规律运动或变化的过程。,被控对象： 恒温箱 控制器： 除恒温箱以外的所有装置，统称为控制器。 被控制量： 恒温箱的实际温度为被控制量（系统的输出量） 希望值： 希望的恒温箱的温度。 控制量： 加热电阻丝的输出功率。 扰动量（干扰）： 恒温箱散热量,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic en
9、gineering,人工控制恒温箱调节过程：,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,根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电 阻丝的电流以调节温度回复到要求值。,人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,系统方框图,系统方框图由许多对信号（量）进
10、行单向传递的元件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。 包括三个基本的单元:引出点,比较点,元件方框,大脑,手,调压器,恒温箱,眼睛,实际 温度,期望 温度,人工控制恒温箱系统功能框图,温度计,-,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。,如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶 及飞机自动驾驶、导弹制导等。,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engi
11、neering,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,恒温箱自动控制系统工作原理：,恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2,恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度 u2比较得到温度偏差信号uu1 u2,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u0，电机停止转动。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College o
12、f mechanical & electronic engineering,给定 信号,电压 功率 放大器,控制 电机,减 速 器,调 压 器,恒温箱 (控制 对象),热电偶,u1,u,ua,n,v,u,温度t,(被控量),扰动,恒温箱自动控制系统功能框图,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,从恒温箱控制系统功能框图可见：,给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。 也称为参考输入量（信号）。,被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。,输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的
13、输入端，使之与输入量进行比较，产生偏 差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。 输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部 分输出信号称为反馈信号。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,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,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。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electr
14、onic engineering,由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。,显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,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。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。,注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减
15、，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,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两类：,开环控制系统,闭环控制系统,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,开环控制系统,特点：系统仅受输入量和扰动量控制； 输出端和输入端之间不存在反馈回路； 输出量在整个控制过程中对系统的控制不 产生任何影响。
16、,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件 特性和参数值比较稳定，且外界干扰较 小，开环控制能够保持一定的精度。,缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,闭环控制系统,特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输 出量对控制过程有直接影响。 闭环的作用：应用反馈，减少偏差。,优点：精度高，对外部扰动和系统参
17、数变化不 敏感,缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性 能分析和设计麻烦。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,闭环控制系统的组成,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,给定元件 产生给定信号或输入信号。,反馈元件 测量被
18、控制量（输出量），产生反馈信号。 为便于传输，反馈信号通常为电信号。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差 信号；,放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱 动执行元件实现控制功能。,执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、 液压马达等；,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,校正元件 用以改善系统控制质量
19、的装置。,校正元件分为串联和并联两种。,控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。,实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动，但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,三、控制系统的基本类型,按输入量的特征分类,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。,如：恒温箱控制、电网电压、
20、频率控制等。,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。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,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。,如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical
21、& electronic engineering,按系统中传递信号的性质分类,连续控制系统 系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。,离散（数字）控制系统 系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,其它分类方法,线性系统和非线性系统,定常系统和时变系统,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,第一章 控制系统的基本概念,第一
22、章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,四、对控制系统的基本要求,稳定性,系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。,控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,准确性,控制精
23、度，以稳态误差来衡量。,稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量之间的差值。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,快速性,输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。,注意： 不同性质的控制系统，对稳定性、准确性和快 速性要求各有侧重。,系统的稳定性、准确性、快速性相互制约，应 根据实际需求合理选择。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & e
24、lectronic engineering,五、本课程的任务及主要内容,本课程的任务,控制系统性能分析,动态性能：过渡过程分析、稳定性分析等,稳态性能：控制精度（稳态误差）,控制系统设计,选择适当的控制器及控制规律以改善控制系统 的性能使其满足控制要求。,控制系统的性能分析和设计通常是交替进行的。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,控制系统分析和设计一般包括：,建立控制对象的数学模型（线性化模型）,对象的性能分析、仿真,选择控制方案（开环/闭环等）,选择性能指标，设计控制器,全系统性能分析、仿真,研制控制器，构建控制系统,试验验证,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,本课程主要内容,控制系统数学模型的建立,控制系统的时域分析,控制系统的频域分析,控制系统的设计和校正,介绍经典控制理论的基础知识，包括：,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,College of mechanical & electronic engineering,