机械工程控制基础01第一章课件.ppt

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1、1.1控制工程的发展以“三论”（系统论、信息论、控制论）为代表的科学方法论，是一门新兴的学科，是二十世纪以来最伟大的成果。它的崛起为人类认识世界和改造世界提供了新的理论武器。什么是控制？“控制”是反映人和工具关系的一个概念。人类很早以前就进行过自动控制的尝试，如：指南针、蒸汽机的离心力调节器……。在人类初期，人的控制活动仅仅表现为人使用工具、利用工具从事一些相对复杂的活动，利用控制节省了力或节省了功；随着社会的进步人类的活动获得了第一次解放，称为体力劳动的解放，人们制造了机器，人类的控制活动是人和机器的关系，节省了能量，人们能从事更加复杂

2、的活动；人类活动的第二次解放是脑力劳动的解放，自动化程度提高，许多活动可以在人不参与的情况下进行。1.1控制工程的发展接着在短短的几十年里，在各国科学家和技术人员的努力下，又相继出现了生物控制论、经济控制论和社会控制论等，控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着其他科学技术的发展，极大地改变了整个世界。控制理论自身也在创造人类文明中不断向前发展。控制理论的中心思想是通过信息的传递、加工处理并加以反馈来进行控制，控制理论是信息学科的重要组成方面。1.1控制工程的发展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”和“现代控

3、制理论”两大部分。“经典控制理论”的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统基本方法，主要研究单输入，单输出这类控制系统的分析和设计问题。1.1控制工程的发展50年代末60年代初，现代控制理论形成。现代控制理论是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法。1.2自动控制系统的基本概念自动控制对象过程系统控制量被控制量扰动反馈控制反馈控制系统1自动控制在无人直接参与

4、的情况下，通过控制器使被控对象或过程的某些物理量准确地按照预期规律变化。2对象是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。3过程称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生物学过程。4系统完成一定任务的一些元、部件的组合。1.2自动控制系统的基本概念1.2自动控制系统的基本概念5控制量7被控制量又叫输入量或给定量。广义上讲，输入信号是指输入到系统中的各种信号，包括对系统输出不利的扰动信号在内。一般来说，输入信号是

5、指控制输出量变化规律的信号。指系统的输出，即运动规律或状态需要控制的装置。6扰动扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是干扰或破坏系统预定性能的的输入信号。8反馈控制能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。9反馈控制系统应当指出，反馈控制系

6、统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。1.2自动控制系统的基本概念加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱温度计自动控制系统工作原理例1恒温箱控制系统1人工控制的恒温箱人工调节过程(1)观测(2)比较(3)控制人工控制的过程就是测量、求偏差，再控制以纠正偏差，即“检测偏差，并用以纠正偏差”。1.2自动控制系统的基本概念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2自动控制的恒温箱——恒温箱的温度给定信号——热电偶的温度测量信号（反馈信号）偏差：：波尔兹曼常量：电子电荷

7、：材料A和B的自由电子浓度和自动控制系统工作原理加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1++u恒温箱自动控制系统电压功率放大执行电机减速器调压器触点向右移动电流自动控制系统和人工控制系统相类似：执行机构——人手测量装置——眼睛控制器——人脑电压功率放大执行电机减速器调压器触点向左移动电流自动控制系统工作原理3职能方块图职能方块图的基本单元：比较单元作用方向职能环节自动控制系统工作原理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u1u2uuanvu温度t(被控量)扰

8、动恒温箱自动控制系统功能框图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