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1、機(jī) 械 控 制 工 程 基 礎(chǔ)黃文怡 主講工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)系 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 制 造 (教 材 )n 第 一 章 緒 論n 第 二 章 拉 普 拉 斯 變 換 的 數(shù) 學(xué) 方 法n 第 三 章 系 統(tǒng) 的 數(shù) 學(xué) 模 型 n 第 四 章 系 統(tǒng) 的 瞬 態(tài) 響 應(yīng) 與 誤 差 分 析n 第 五 章 系 統(tǒng) 的 頻 率 特 性n 第 六 章 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 分 析 n 第 七 章 機(jī) 械 工 程 控 制 系 統(tǒng) 的 校 正 與 設(shè) 計(jì) n第一節(jié) 概述n第二節(jié) 控制系統(tǒng)的基本概念n第三節(jié) 控制系統(tǒng)的基本類型n第四節(jié) 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求第 一 章 緒 論 第 一 節(jié) 概 述n 一 、 控

2、制 工 程 研 究 的 主 要 內(nèi) 容n 二 、 控 制 理 論 的 發(fā) 展n 三 、 控 制 理 論 在 工 程 中 的 應(yīng) 用n 四 、 控 制 理 論 的 學(xué) 習(xí) 方 法 一 、 控 制 工 程 研 究 的 主 要 內(nèi) 容n 控 制 工 程 主 要 研 究 有 關(guān) 自 動(dòng) 控 制 和 系 統(tǒng) 動(dòng) 力學(xué) 的 基 礎(chǔ) 理 論 及 其 在 工 程 中 的 應(yīng) 用 。 它 是 一門 新 興 技 術(shù) 科 學(xué) ， 也 是 一 門 邊 緣 科 學(xué) ， 它 的理 論 基 礎(chǔ) 是 控 制 理 論 。n 具 體 的 講 研 究 用 控 制 理 論 的 基 本 原 理 解 決 電氣 、 機(jī) 械 、 測(cè) 控 、

3、 化 工 等 一 切 工 程 系 統(tǒng) 中 的控 制 技 術(shù) 問(wèn) 題 。 （ 圖 1-1） 離 心 調(diào) 速 器 原 理 示 意 圖 (圖 1-1)穩(wěn) 定 、 準(zhǔn) 確 、 快 速 工 程 控 制 理 論 的 實(shí) 質(zhì)n 工 程 控 制 論 實(shí) 質(zhì) 上 是 研 究 工 程 技 術(shù) 中 廣 義 系 統(tǒng) 的動(dòng) 力 學(xué) 問(wèn) 題 具 體 地 說(shuō) ， 它 研 究 的 是 工 程 技 術(shù) 中的 廣 義 系 統(tǒng) 在 一 定 的 外 界 條 件 (即 輸 入 或 激 勵(lì) ，包 括 外 加 控 制 與 外 加 干 擾 )作 用 下 ， 從 系 統(tǒng) 的 一定 的 初 始 狀 態(tài) 出 發(fā) ， 所 經(jīng) 歷 的 由 其 內(nèi) 部

4、 的 固 有 特性 (即 由 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 與 參 數(shù) 所 決 定 的 特 性 )所 決 定的 整 個(gè) 動(dòng) 態(tài) 歷 程 ；n 研 究 這 一 系 統(tǒng) 及 其 輸 入 、 輸 出 三 者 之 間 的 動(dòng) 態(tài) 關(guān)系 n 系 統(tǒng)輸 入 輸 出 學(xué) 習(xí) 控 制 工 程 基 礎(chǔ) 要 解 決 的 兩 個(gè) 問(wèn) 題n 學(xué) 習(xí) 控 制 工 程 基 礎(chǔ) 要 解 決 兩 個(gè) 問(wèn) 題 ：n 一 是 如 何 分 析 某 個(gè) 給 定 控 制 系 統(tǒng) 的 工 作 原理 、 穩(wěn) 定 性 和 過(guò) 渡 過(guò) 程 品 質(zhì) ；n 二 是 如 何 根 據(jù) 實(shí) 際 需 要 來(lái) 進(jìn) 行 控 制 系 統(tǒng) 的設(shè) 計(jì) ， 并 用 機(jī) 、 電

5、 、 液 、 光 等 設(shè) 備 來(lái) 實(shí) 現(xiàn)這 一 系 統(tǒng) 。n 前 者 主 要 是 分 析 系 統(tǒng) ， 后 者 是 綜 合 與設(shè) 計(jì) ， 無(wú) 論 解 決 哪 類 問(wèn) 題 ， 都 必 須 具 有 豐富 的 控 制 理 論 知 識(shí) 。 二 、 控 制 理 論 的 發(fā) 展n 1、 控 制 理 論 的 產(chǎn) 生 可 以 追 朔 到 1788年 瓦 特 (J.Watt)為 控 制 蒸 汽 機(jī) 速 度 而 發(fā) 明 的 蒸 汽 機(jī) ， 其 原理 示 意 圖 如 圖 1-1所 示 。n 2、 1868年 ， 英 國(guó) 物 理 學(xué) 家 馬 克 斯 威 爾 （ J.C.Maxwell）發(fā) 表 了 第 一 篇 關(guān) 于 “

6、 論 調(diào) 速 器 ” 的 文 章 ， 首 先 提 出 了“ 反 饋 控 制 ” 的 概 念 。n 3、 1884年 和 1895年 ,勞 斯 （ E.J.Routh） 和 霍 爾 維 茨(A.Hurwitz)把 馬 克 斯 威 爾 的 理 論 擴(kuò) 展 到 用 高 階 微 分 方程 描 述 的 更 為 復(fù) 雜 的 系 統(tǒng) ， 并 分 別 提 出 了 兩 種 著 名 的代 數(shù) 穩(wěn) 定 性 判 據(jù) 。 1932年 奈 奎 斯 特 （ H.Nyquist） 研制 出 電 子 管 振 蕩 器 ， 同 時(shí) 提 出 了 著 名 的 Nyquist穩(wěn) 定性 判 據(jù) 。 二 、 控 制 理 論 的 發(fā) 展n 4

7、、 1948年 美 國(guó) 數(shù) 學(xué) 家 維 納 （ N.Wiener） 出 版 了著 名 的 控 制 論 關(guān) 于 在 動(dòng) 物 和 機(jī) 器 中 控 制 和 通訊 的 科 學(xué) 一 書(shū) ， 他 揭 示 了 無(wú) 論 機(jī) 器 系 統(tǒng) 、 生 命系 統(tǒng) 甚 至 社 會(huì) 和 經(jīng) 濟(jì) 系 統(tǒng) 中 ， 都 存 在 一 個(gè) 共 同 本質(zhì) 的 特 點(diǎn) ， 它 們 都 是 通 過(guò) 信 息 的 傳 遞 、 處 理 與 反饋 這 三 個(gè) 要 素 來(lái) 進(jìn) 行 控 制 ， 這 就 是 控 制 論 的 中 心思 想 。 1950年 伊 萬(wàn) 斯 （ W.R.Evans） 提 出 的 根 軌跡 法 提 供 了 尋 找 特 征 方 程

8、根 的 比 較 簡(jiǎn) 易 的 圖 解 方法 ， 至 此 ， 形 成 了 完 整 的 經(jīng) 典 控 制 理 論 。 二 、 控 制 理 論 的 發(fā) 展n 5、 我 國(guó) 著 名 科 學(xué) 家 錢 學(xué) 森 從 控 制 論 這 一總 題 目 中 ， 把 已 被 當(dāng) 時(shí) 科 學(xué) 技 術(shù) 和 工 程實(shí) 踐 所 證 明 的 部 分 分 離 出 來(lái) ， 創(chuàng) 立 了“ 工 程 控 制 論 ” ， 并 于 1954年 出 版 了 工 程 控 制 論 這 一 名 著 ， 這 對(duì) 控 制 理論 的 發(fā) 展 與 應(yīng) 用 起 到 了 很 大 的 推 動(dòng) 作 用 。 二 、 控 制 理 論 的 發(fā) 展n 6、 50年 代 末 與

9、 60年 代 初 ， 一 方 面 由 于 工 業(yè) 生產(chǎn) 、 火 箭 和 空 間 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 出 現(xiàn) 了 多 變 量 、非 線 性 和 時(shí) 變 參 數(shù) 系 統(tǒng) ， 經(jīng) 典 控 制 理 論 已 經(jīng) 不能 滿 足 要 求 ； 另 一 方 面 由 于 電 子 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 的發(fā) 展 與 應(yīng) 用 ， 半 導(dǎo) 體 和 電 子 技 術(shù) 、 計(jì) 算 技 術(shù) 的發(fā) 展 ， 各 種 傳 感 器 和 自 動(dòng) 檢 測(cè) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 使控 制 理 論 發(fā) 展 到 了 一 個(gè) 新 階 段 ， 從 而 產(chǎn) 生 了 現(xiàn)代 控 制 理 論 。 n 隨 著 科 技 進(jìn) 步 特 別 是 計(jì) 算 機(jī) 科

10、學(xué) 的 發(fā) 展 ，控 制 論 無(wú) 論 是 在 三 要 素 的 內(nèi) 涵 上 ， 還 是 在 其 深度 與 廣 度 上 都 在 發(fā) 展 變 化 著 ， 對(duì) 促 進(jìn) 生 產(chǎn) 的 發(fā)展 和 社 會(huì) 進(jìn) 步 產(chǎn) 生 著 深 遠(yuǎn) 的 影 響 。 二 、 控 制 理 論 的 發(fā) 展n 控 制 理 論 發(fā) 展 大 體 可 分 三 個(gè) 階 段 ：n 第 一 階 段 ：n 20世 紀(jì) 40 50年 代 為 經(jīng) 典 控 制 論 發(fā) 展 時(shí) 期 。 經(jīng)典 控 制 論 的 內(nèi) 容 是 以 微 分 方 程 、 傳 遞 函 數(shù) 為 基礎(chǔ) ， 主 要 研 究 單 輸 入 、 單 輸 出 控 制 系 統(tǒng) 的 分 析和 設(shè) 計(jì)

11、問(wèn) 題 ， 對(duì) 線 性 定 常 系 統(tǒng) ， 這 種 方 法 是 成熟 而 有 效 的 。 二 、 控 制 理 論 的 發(fā) 展n 第 二 階 段 ：n 20世 紀(jì) 6070年 代 為 現(xiàn) 代 控 制 論 發(fā) 展 時(shí) 期 ， 這 期 間 隨著 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 和 空 間 技 術(shù) 的 進(jìn) 步 ， 產(chǎn) 生 了 把 經(jīng)典 控 制 論 中 的 高 階 常 微 分 方 程 轉(zhuǎn) 化 為 一 階 微 分 方 程 組來(lái) 描 述 系 統(tǒng) 的 方 法 ， 即 所 謂 狀 態(tài) 空 間 法 ， 這 種 方 法 可以 解 決 多 輸 入 、 多 輸 出 問(wèn) 題 ， 對(duì) 非 線 性 、 時(shí) 變 系 統(tǒng) 也有

12、效 。 n 該 方 法 是 自 適 應(yīng) 控 制 、 自 學(xué) 習(xí) 控 制 、 最 優(yōu) 控 制 、 最 優(yōu)濾 波 （ 卡 爾 曼 濾 波 ） 的 基 礎(chǔ) 。 二 、 控 制 理 論 的 發(fā) 展n 第 三 階 段 ：n 20世 紀(jì) 70年 代 末 至 今 ， 控 制 論 向 著 “ 大 系 統(tǒng) 理 論 ” 和“ 智 能 控 制 論 ” 發(fā) 展 。n “ 大 系 統(tǒng) 理 論 ” 是 用 控 制 和 信 息 的 觀 點(diǎn) 研 究 大 系 統(tǒng) 的結(jié) 構(gòu) 方 案 、 總 體 設(shè) 計(jì) 中 的 分 析 方 法 和 協(xié) 調(diào) 問(wèn) 題 。n “ 智 能 控 制 論 ” 是 研 究 與 模 擬 人 類 活 動(dòng) 的 機(jī) 理

13、 。 現(xiàn)代 科 學(xué) 揭 示 ， 人 體 是 一 個(gè) 具 有 高 度 自 組 織 、 自 適 應(yīng) 、自 調(diào) 節(jié) 能 力 的 生 命 有 機(jī) 體 ， 是 具 有 非 線 性 、 時(shí) 變 和 隨機(jī) 性 、 模 糊 性 的 特 大 系 統(tǒng) 。 研 究 具 有 仿 人 智 能 的 工 程控 制 和 信 息 處 理 問(wèn) 題 ， 以 使 具 有 高 度 復(fù) 雜 性 、 高 度 不確 定 性 的 系 統(tǒng) 達(dá) 到 人 們 對(duì) 控 制 系 統(tǒng) 越 來(lái) 越 高 的 要 求 。 三 、 控 制 理 論 在 工 程 中 的 應(yīng) 用1、 軍 事2、 數(shù) 控 機(jī) 床 、 加 工 中 心3、 機(jī) 器 人4、 機(jī) 電 一 體

14、化 系 統(tǒng)5、 動(dòng) 態(tài) 測(cè) 試6、 機(jī) 械 動(dòng) 力 系 統(tǒng) 性 能 分 析7、 液 壓 系 統(tǒng) 的 動(dòng) 態(tài) 特 性 分 析8、 生 產(chǎn) 過(guò) 程 控 制 四 、 控 制 理 論 特 點(diǎn) 及 學(xué) 習(xí) 方 法n 本 課 程 特 點(diǎn) ：n （ 1） 比 較 抽 象n （ 2） 起 點(diǎn) 高n （ 3） 系 統(tǒng) 性 強(qiáng)n 學(xué) 習(xí) 本 門 課 程 應(yīng) 以 新 的 視 角 分 析 和 考 慮 問(wèn) 題 。n 學(xué) 習(xí) 本 門 課 程 要 能 以 系 統(tǒng) 的 而 不 是 孤 立 的 、 動(dòng)態(tài) 的 而 不 是 靜 態(tài) 的 觀 點(diǎn) 和 方 法 來(lái) 思 考 和 解 決 問(wèn)題 。 n 掌 握 控 制 理 論 的 基 本 概

15、 念 、 基 本 理 論 和 基 本 方法 并 注 意 結(jié) 合 實(shí) 際 ， 為 解 決 工 程 中 的 控 制 問(wèn) 題打 下 基 礎(chǔ) 。 五 、 本 課 程 參 考 書(shū)n 楊 叔 子 主 編 機(jī) 械 工 程 控 制 基 礎(chǔ) 華 中 理 工 大 學(xué) 出 版 社n 朱 驥 北 主 編 機(jī) 械 控 制 工 程 基 礎(chǔ) 機(jī) 械 工 業(yè) 出 版 社n 胡 壽 松 主 編 自 動(dòng) 控 制 原 理 科 學(xué) 出 版 社n 董 景 新 編 著 控 制 工 程 基 礎(chǔ) 清 華 大 學(xué) 出 版 社n 王 積 偉 編 著 控 制 工 程 基 礎(chǔ) 高 等 教 育 出 版 社 第 二 節(jié) 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 概

16、念n 一 、 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 工 作 原 理n 二 、 開(kāi) 環(huán) 、 閉 環(huán) 和 復(fù) 合 控 制 系 統(tǒng)n 三 、 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 組 成 一 、 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 工 作 原 理n 系 統(tǒng) ： 是 由 相 互 制 約 的 各 個(gè) 部 分 組 成 的 具 有 一定 功 能 的 有 機(jī) 整 體 。n 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) ： 能 夠 進(jìn) 行 自 動(dòng) 控 制 的 一 整 套 設(shè)備 或 裝 置 。 通 常 由 控 制 器 （ 控 制 裝 置 ） 和 被 控對(duì) 象 兩 大 部 分 組 成 。 n 被 控 對(duì) 象 是 指 系 統(tǒng) 中 需 要 加 以 控 制 的

17、機(jī) 器 、 設(shè)備 或 生 產(chǎn) 過(guò) 程 ； n 控 制 器 是 指 能 夠 對(duì) 被 控 對(duì) 象 產(chǎn) 生 控 制 作 用 的 設(shè)備 的 總 體 。 n 控 制 系 統(tǒng) 的 任 務(wù) 就 是 使 被 控 制 對(duì) 象 的 物 理 量 按照 預(yù) 先 給 定 的 控 制 規(guī) 律 變 化 。 一 、 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 工 作 原 理n 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 控 制 的 優(yōu) 點(diǎn) ：n 1、 提 高 生 產(chǎn) 率 、 降 低 能 源 消 耗 。n 2、 減 輕 體 力 和 腦 力 勞 動(dòng) 。n 3、 生 產(chǎn) 安 全 、 廢 品 少 、 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 高 。 溫 度人 工 控 制 的 恒 溫 箱 （ 圖 1-2

18、）被 控 對(duì) 象 被 控 制 量 自 動(dòng) 控 制 的 恒 溫 箱 （ 圖 1-3） 實(shí) 現(xiàn) 控 制 的 三 個(gè) 基 本 步 驟不 論 采 用 人 工 控 制 還 是 自 動(dòng) 控 制 都 具 有 以 下 的 共 同 點(diǎn) ：一 是 要 檢 測(cè) 被 控 制 量 的 實(shí) 際 值 ；二 是 被 控 制 量 的 實(shí) 際 值 要 與 給 定 值 進(jìn) 行 比 較 得 出 偏 差 值 ；三 是 要 用 偏 差 值 產(chǎn) 生 控 制 調(diào) 節(jié) 作 用 再 去 消 除 偏 差 。 總 結(jié) ： 檢 測(cè) 偏 差 ， 消 除 偏 差 反 饋 控 制 原 理反 饋 是 指 對(duì) 系 統(tǒng) 的 被 控 制 量 進(jìn) 行 測(cè) 量 ， 并

19、 加 以 處 理（ 取 其 一 部 分 或 全 部 、 或 其 函 數(shù) 等 ） 后 ， 再 返 回 輸 入端 與 系 統(tǒng) 的 給 定 量 進(jìn) 行 比 較 的 過(guò) 程 。如 果 反 饋 量 對(duì) 給 定 量 起 增 強(qiáng) 作 用 ， 則 稱 為 正 反 饋 ； 反之 ， 如 果 反 饋 量 對(duì) 給 定 量 起 減 弱 作 用 ， 則 稱 為 負(fù) 反 饋 。通 常 ， 控 制 系 統(tǒng) 采 用 負(fù) 反 饋 ?；?于 負(fù) 反 饋 基 礎(chǔ) 上 的 “ 檢 測(cè) 偏 差 并 用 以 消 除 偏 差 ”的 控 制 原 理 ， 稱 為 反 饋 控 制 原 理 。 利 用 反 饋 控 制 原 理組 成 的 系 統(tǒng) 稱

20、 為 反 饋 控 制 系 統(tǒng) 。 固 有 反 饋 （ 或 內(nèi) 在 反 饋 ） 固 有 反 饋 是 指 沒(méi) 有 外 加 的 檢 測(cè) 裝 置 ， 但 是 ，變 量 與 變 量 之 間 相 互 制 約 ， 構(gòu) 成 了 閉 合 的 因果 關(guān) 系 。 例 如 機(jī) 械 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 、 機(jī) 械 加 工 系 統(tǒng) 、 直 流電 機(jī) 系 統(tǒng) 等 。 從 控 制 理 論 的 角 度 ， 它 們 都 是一 個(gè) 反 饋 控 制 過(guò) 程 ， 因 而 都 可 以 用 控 制 理 論加 以 解 決 。 職 能 方 框 圖 把 表 示 系 統(tǒng) 的 組 成 、 各 元 件 作 用 關(guān) 系 及 信 號(hào) 傳 遞 （或 流 通 ）

21、 關(guān) 系 的 圖 形 稱 為 職 能 方 框 圖 。 控 制 系 統(tǒng) 中 常 用 的 概 念 和 術(shù) 語(yǔ) 的 含 義 說(shuō) 明 輸 出 量 （ 或 稱 輸 出 信 號(hào) 、 被 控 制 量 ） ： 是 指 控 制 系 統(tǒng) 中 需 要加 以 控 制 的 物 理 量 。 系 統(tǒng) 的 輸 出 量 常 用 符 號(hào) xo(t)表 示 。 輸 入 量 （ 或 稱 輸 入 信 號(hào) 、 給 定 值 、 給 定 量 ） ： 是 指 輸 入 給 控制 系 統(tǒng) 用 以 控 制 輸 出 量 變 化 規(guī) 律 的 物 理 量 它 作 用 于 系 統(tǒng) 輸 入 端， 直 接 地 或 間 接 地 表 示 系 統(tǒng) 輸 出 量 的 期

22、 望 值 （ 給 定 值 ） 。 系 統(tǒng)的 輸 入 量 常 用 符 號(hào) xi(t)表 示 . 擾 動(dòng) 量 （ 或 稱 擾 動(dòng) 信 號(hào) ） ： 指 那 些 能 使 輸 出 量 偏 離 預(yù) 定 要 求（ 期 望 值 ） 的 意 外 干 擾 因 素 。 反 饋 量 （ 或 稱 反 饋 信 號(hào) ） ： 是 指 把 輸 出 量 取 出 并 直 接 或 經(jīng) 轉(zhuǎn)換 以 后 送 回 到 輸 入 端 與 輸 入 信 號(hào) 進(jìn) 行 比 較 的 物 理 量 。 二 、 開(kāi) 環(huán) 、 閉 環(huán) 和 復(fù) 合 控 制 系 統(tǒng)n 控 制 系 統(tǒng) 按 其 有 無(wú) 反 饋 作 用 和 反 饋 作 用的 方 式 可 分 為 三 類 ：

23、n 1、 開(kāi) 環(huán) 控 制 系 統(tǒng)n 2、 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng)n 3、 復(fù) 合 控 制 系 統(tǒng) 開(kāi) 環(huán) 控 制 系 統(tǒng)n 如 果 系 統(tǒng) 的 輸 出 量 和 輸 入 量 之 間 沒(méi) 有 反饋 作 用 ， 輸 出 量 對(duì) 系 統(tǒng) 的 控 制 過(guò) 程 不 發(fā)生 影 響 時(shí) ， 這 樣 的 系 統(tǒng) 稱 為 開(kāi) 環(huán) 控 制 系統(tǒng) 。n 圖 1-5是 數(shù) 控 線 切 割 機(jī) 的 進(jìn) 給 系 統(tǒng) . 數(shù) 控 線 切 割 機(jī) 的 進(jìn) 給 系 統(tǒng) (圖 1-5) 開(kāi) 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 職 能 方 框 圖 （ 圖 1-6） 開(kāi) 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 優(yōu) 缺 點(diǎn) ：1、 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 成 本 低 。2、

24、動(dòng) 作 快 ， 較 穩(wěn) 定 。3、 有 了 誤 差 無(wú) 法 自 動(dòng) 調(diào) 整 。 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng)n 如 果 系 統(tǒng) 的 輸 出 量 與 輸 入 量 之 間 具 有 反 饋 聯(lián) 系 ，即 輸 出 量 對(duì) 系 統(tǒng) 的 控 制 過(guò) 程 有 直 接 影 響 ， 這 樣的 系 統(tǒng) 稱 為 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 。 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 是 按照 反 饋 控 制 原 理 工 作 的 ， 又 稱 為 反 饋 控 制 系 統(tǒng) 。這 種 系 統(tǒng) 的 信 號(hào) 傳 遞 路 線 構(gòu) 成 閉 合 回 路 （ 閉環(huán) ） 。n 前 面 介 紹 的 離 心 調(diào) 速 器 控 制 系 統(tǒng) 和 恒 溫 箱 溫 度恒 定

25、自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 都 是 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 。 直 流 伺 服 電 機(jī) 速 度 伺 服 控 制 系 統(tǒng) （ 圖 1-8） 直 流 伺 服 電 機(jī) 速 度 控 制 系 統(tǒng) 職 能 方 框 圖 （ 圖 1-9） 閉 環(huán) 系 統(tǒng) 的 優(yōu) 缺 點(diǎn)1、 可 以 自 動(dòng) 的 糾 正 和 補(bǔ) 償 輸 出 量 誤 差 ，提 高 控 制 精 度 。 2、 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 ， 成 本 高 。3、 參 數(shù) 選 擇 不 適 當(dāng) 將 會(huì) 引 起 閉 環(huán) 控 制系 統(tǒng) 振 蕩 ， 甚 至 不 能 工 作 。 復(fù) 合 控 制 系 統(tǒng)n 在 輸 出 和 輸 入 之 間 同 時(shí) 存 在 開(kāi) 環(huán) 控 制 和閉 環(huán) 控

26、 制 的 系 統(tǒng) ， 稱 為 復(fù) 合 控 制 系 統(tǒng) 。n 它 實(shí) 質(zhì) 上 是 在 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 的 基 礎(chǔ) 上 ，用 開(kāi) 環(huán) 通 路 提 供 一 個(gè) 補(bǔ) 償 的 輸 入 作 用 ，如 圖 1-11所 示 。 復(fù) 合 控 制 系 統(tǒng) (圖 1-11） 這 種 系 統(tǒng) 兼 有 開(kāi) 環(huán) 和 閉 環(huán) 兩 種 系 統(tǒng) 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 因 而 可 大 大 提 高 系 統(tǒng) 的 性 能 。 三 、 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 組 成輸 入 量 x i 輸 出 量 xo主 反 饋 局 部 反 饋偏 差 信 號(hào) e主 反 饋 信 號(hào) xb給 定 元 件 放 大 元 件 執(zhí) 行 元 件反 饋 元

27、 件 被 控 對(duì) 象比 較 元 件+- 串 聯(lián) 校 正 元 件 + - 并 聯(lián) 校 正 元 件n給 定 元 件 反 饋 元 件 (檢 測(cè) 元 件 )n比 較 元 件 放 大 變 換 元 件 執(zhí) 行 元 件 （ 驅(qū) 動(dòng) 元 件 ）n被 控 對(duì) 象 校 正 元 件 （ 校 正 裝 置 ） 給 定 元 件n 用 來(lái) 產(chǎn) 生 控 制 信 號(hào) 或 輸 入 信 號(hào) （ 輸入 量 ） 的 元 件 。n 例 如 數(shù) 控 機(jī) 床 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 輸 入 裝 置 、恒 溫 箱 控 制 系 統(tǒng) 的 給 定 電 位 器 就 是給 定 元 件 。 反 饋 元 件 (檢 測(cè) 元 件 )n 用 來(lái) 測(cè) 量 （ 輸 出

28、量 ） 被 控 制 量 的 實(shí)際 值 ， 并 經(jīng) 過(guò) 處 理 ， 轉(zhuǎn) 換 為 與 輸 出量 有 一 定 函 數(shù) 關(guān) 系 的 反 饋 量 的 元 件 。n 檢 測(cè) 元 件 大 多 是 將 非 電 量 轉(zhuǎn) 換 為 電量 的 元 件 。 n 它 是 用 來(lái) 對(duì) 輸 入 信 號(hào) 和 反 饋 信 號(hào) 進(jìn) 行 比較 ， 得 出 偏 差 信 號(hào) 的 元 件 。 比 較 元 件 實(shí)際 上 是 信 號(hào) 綜 合 環(huán) 節(jié) （ 可 以 相 減 或 相加 ） ， 它 往 往 不 是 一 個(gè) 專 門 的 物 理 元 件 ，有 時(shí) 也 叫 比 較 環(huán) 節(jié) 。n 例 如 ： 離 心 調(diào) 速 器 的 套 筒 比 較 機(jī) 構(gòu) 、

29、 恒溫 箱 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 中 的 比 較 電 路 等 。比 較 元 件 n 它 是 對(duì) 偏 差 信 號(hào) 進(jìn) 行 信 號(hào) 放 大 和功 率 放 大 的 元 件 。n 如 電 壓 、 電 流 、 功 率 放 大 器 、 可控 硅 整 流 調(diào) 壓 裝 置 和 電 液 伺 服 閥等 。放 大 變 換 元 件 n 它 接 收 放 大 變 換 元 件 發(fā) 出 的 控 制信 號(hào) ， 直 接 驅(qū) 動(dòng) 被 控 對(duì) 象 工 作 ，使 輸 出 量 按 照 預(yù) 期 的 規(guī) 律 運(yùn) 行 。n 例 如 前 述 例 子 中 的 調(diào) 壓 器 、 直 流電 機(jī) 等 均 為 此 類 元 件 。執(zhí) 行 元 件 （ 驅(qū) 動(dòng)

30、 元 件 ） n 它 是 控 制 系 統(tǒng) 需 要 進(jìn) 行 控 制 的 裝置 、 設(shè) 備 或 過(guò) 程 等 。 被 控 對(duì) 象 中要 進(jìn) 行 控 制 的 物 理 量 或 參 數(shù) 稱 為被 控 制 量 （ 輸 出 量 ） 。n 例 如 前 述 例 子 中 的 蒸 汽 機(jī) 、 恒 溫箱 等 。被 控 對(duì) 象 （ 控 制 對(duì) 象 ） n 它 是 為 改 善 系 統(tǒng) 的 性 能 而 加 入 系 統(tǒng) 中 的輔 助 元 件 （ 裝 置 ） ， 而 不 是 閉 環(huán) 控 制 系統(tǒng) 必 須 具 有 的 元 件 （ 裝 置 ） 。n 串 聯(lián) 在 系 統(tǒng) 前 向 通 道 內(nèi) 的 校 正 元 件 稱 為串 聯(lián) 校 正 裝

31、 置 ； 接 成 反 饋 形 式 的 校 正 元件 稱 為 并 聯(lián) 校 正 裝 置 。n 常 用 的 電 子 調(diào) 節(jié) 器 、 測(cè) 速 發(fā) 電 機(jī) 等 均 可作 為 此 類 元 件 。校 正 元 件 （ 校 正 裝 置 ） 第 三 節(jié) 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 類 型n 一 、 按 輸 入 量 輸 出 量 的 運(yùn) 動(dòng) 規(guī) 律 可 分 為三 種 ；n 二 、 按 系 統(tǒng) 傳 遞 信 號(hào) 性 質(zhì) 可 分 為 兩 種 。 按 輸 入 量 輸 出 量 的 運(yùn) 動(dòng) 規(guī) 律 可 分 為 三 種n 恒 值 控 制 系 統(tǒng) （ 自 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 系 統(tǒng) ）n 程 序 控 制 系 統(tǒng)n 隨 動(dòng) 系 統(tǒng) 恒 值 控

32、 制 系 統(tǒng) （ 自 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 系 統(tǒng) ）n 這 類 系 統(tǒng) 的 輸 入 量 是 一 個(gè) 不 變 的 恒 值 ，系 統(tǒng) 的 基 本 任 務(wù) 是 排 除 各 種 干 擾 因 素 的影 響 ， 使 被 控 制 量 （ 輸 出 量 ） 以 一 定 精度 等 于 系 統(tǒng) 的 輸 入 量 。n 例 如 蒸 汽 機(jī) 離 心 調(diào) 速 器 系 統(tǒng) 、 恒 溫 箱 溫度 控 制 系 統(tǒng) 等 。 程 序 控 制 系 統(tǒng)n 這 類 系 統(tǒng) 的 輸 入 量 是 變 化 的 ， 且 變 化 規(guī)律 是 預(yù) 先 確 定 了 的 已 知 的 時(shí) 間 函 數(shù) 。 系統(tǒng) 的 任 務(wù) 是 使 輸 出 量 按 預(yù) 先 給 定 的

33、規(guī) 律（ 程 序 ） 變 化 。n 例 如 ， 數(shù) 控 線 切 割 機(jī) 床 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 、 熱 處理 爐 溫 控 制 系 統(tǒng) 等 都 屬 于 此 類 。 隨 動(dòng) 系 統(tǒng)n 這 類 系 統(tǒng) 的 輸 入 量 是 變 化 規(guī) 律 預(yù) 先 不 能確 定 的 任 意 時(shí) 間 函 數(shù) ， 系 統(tǒng) 的 任 務(wù) 是 保證 輸 出 量 以 一 定 精 度 跟 隨 輸 入 量 的 變 化 ，并 能 克 服 各 種 干 擾 因 素 的 影 響 ， 準(zhǔn) 確 地復(fù) 現(xiàn) 輸 入 信 號(hào) 的 變 化 規(guī) 律 ， 即 輸 入 量 是隨 機(jī) 的 ， 而 輸 出 量 是 隨 動(dòng) 的 （ 隨 動(dòng) 系 統(tǒng)在 工 業(yè) 領(lǐng) 域 又

34、稱 為 伺 服 系 統(tǒng) ） 。 按 系 統(tǒng) 傳 遞 信 號(hào) 性 質(zhì) 可 分 為 兩 種n 連 續(xù) 控 制 系 統(tǒng)n 離 散 控 制 系 統(tǒng) 連 續(xù) 控 制 系 統(tǒng)n 系 統(tǒng) 中 的 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 和 各 個(gè) 部 分 所 傳 輸 的信 號(hào) 都 是 連 續(xù) 變 化 的 模 擬 量 的 系 統(tǒng) 稱 為連 續(xù) 控 制 系 統(tǒng) 。n 前 述 的 離 心 調(diào) 速 器 、 恒 溫 箱 溫 度 控 制 系統(tǒng) 、 液 壓 伺 服 系 統(tǒng) 等 大 多 數(shù) 的 閉 環(huán) 控 制系 統(tǒng) 都 屬 于 此 類 。 離 散 控 制 系 統(tǒng)n 系 統(tǒng) 中 某 一 處 或 數(shù) 處 信 號(hào) 是 以 脈 沖 序 列 或 數(shù) 碼的

35、形 式 傳 遞 的 系 統(tǒng) 稱 為 離 散 控 制 系 統(tǒng) 。n 若 用 采 樣 開(kāi) 關(guān) （ 采 樣 器 ） 將 連 續(xù) 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 為 脈沖 形 式 的 系 統(tǒng) ， 稱 為 脈 沖 控 制 系 統(tǒng) ；n 用 模 數(shù) （ A/D） 轉(zhuǎn) 換 器 將 連 續(xù) 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 為 數(shù) 字信 號(hào) 并 用 數(shù) 字 控 制 器 或 數(shù) 字 計(jì) 算 機(jī) 進(jìn) 行 控 制 和信 號(hào) 處 理 的 系 統(tǒng) ， 稱 為 數(shù) 字 控 制 系 統(tǒng) 或 稱 計(jì) 算機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 。 第 四 節(jié) 對(duì) 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 要 求快 速 性穩(wěn) 定 性準(zhǔn) 確 性 基 本 要 求 穩(wěn) 定 性n 控 制 系 統(tǒng) 能 夠

36、 正 常 工 作 的 首 要 條 件是 系 統(tǒng) 必 須 穩(wěn) 定 ， 這 是 對(duì) 控 制 系 統(tǒng)提 出 的 最 基 本 的 要 求 。n 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 性 是 系 統(tǒng) 本 身 的 一 種 特 性 ，由 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 及 組 成 元 件 的 參 數(shù) 所決 定 。 穩(wěn) 定 性n 如 果 在 輸 入 量 的 作用 下 系 統(tǒng) 的 輸 出 量能 夠 達(dá) 到 一 個(gè) 新 的平 衡 狀 態(tài) 或 擾 動(dòng) 量去 掉 以 后 系 統(tǒng) 的 輸出 量 能 夠 恢 復(fù) 到 原來(lái) 的 平 衡 狀 態(tài) ， 則系 統(tǒng) 是 穩(wěn) 定 的 。 穩(wěn) 定 系 統(tǒng) 的 時(shí) 間 響 應(yīng) 曲 線 （ 圖 1-13） 不 穩(wěn) 定 系

37、統(tǒng) 的 時(shí) 間 響 應(yīng) 曲 線 （ 圖 1-14） 穩(wěn) 定 性n 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 性 包 括 兩方 面 的 含 義 ： 一 是 系 統(tǒng) 是 穩(wěn) 定 的 ，這 就 是 系 統(tǒng) 的 絕 對(duì)穩(wěn) 定 性 ， 前 面 定 義的 穩(wěn) 定 性 就 是 這 個(gè)含 義 ； 二 是 系 統(tǒng) 穩(wěn)定 性 的 程 度 ， 即 相對(duì) 穩(wěn) 定 性 。 快 速 性n 控 制 系 統(tǒng) 的 快 速 性 是 指 當(dāng) 系 統(tǒng) 的 輸 出 量 與 給 定的 輸 入 量 （ 或 輸 出 量 的 期 望 值 ） 之 間 產(chǎn) 生 偏 差時(shí) ， 消 除 這 種 偏 差 的 快 慢 程 度 。n 快 速 性 有 兩 方 面 的 含 義 ： 一

38、是 系 統(tǒng) 對(duì) 輸 入 量 的 響 應(yīng) 速 度 ， 它 表 現(xiàn) 為 當(dāng) 輸入 量 施 加 以 后 ， 系 統(tǒng) 輸 出 量 跟 隨 輸 入 量 變 化 的迅 速 程 度 ； 二 是 振 蕩 衰 減 的 快 慢 程 度 ， 它 表 現(xiàn)為 系 統(tǒng) 輸 出 量 跟 隨 輸 入 量 變 化 的 瞬 態(tài) 響 應(yīng) 過(guò) 程（ 過(guò) 渡 過(guò) 程 ） 結(jié) 束 的 迅 速 程 度 。 準(zhǔn) 確 性n 控 制 系 統(tǒng) 的 準(zhǔn) 確 性 是 用 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 態(tài) 誤 差來(lái) 衡 量 的 。n 穩(wěn) 態(tài) 誤 差 是 指 輸 入 量 作 用 系 統(tǒng) 以 后 ， 當(dāng)過(guò) 渡 過(guò) 程 結(jié) 束 時(shí) ， 輸 出 量 的 實(shí) 際 值 與 輸出

39、 量 的 期 望 值 之 間 的 差 值 。n 穩(wěn) 態(tài) 誤 差 是 衡 量 系 統(tǒng) 工 作 性 能 的 重 要 指標(biāo) ， 其 值 越 小 ， 控 制 系 統(tǒng) 的 準(zhǔn) 確 性 越 好 ，控 制 精 度 越 高 。 小 結(jié)n 不 同 的 控 制 系 統(tǒng) 對(duì) 穩(wěn) 、 準(zhǔn) 、 快 這 三 方 面的 要 求 是 有 所 側(cè) 重 的 。n 對(duì) 于 同 一 個(gè) 控 制 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 、 準(zhǔn) 、 快 這 三方 面 的 要 求 是 相 互 制 約 的 。n 分 析 和 解 決 控 制 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 、 快 速 性和 準(zhǔn) 確 性 ， 并 解 決 它 們 之 間 的 矛 盾 ， 正是 本 書(shū) 所 要 討

40、 論 的 主 要 內(nèi) 容 。 習(xí) 題1、 試 比 較 開(kāi) 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 和 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 的優(yōu) 缺 點(diǎn) 。2、 試 列 舉 幾 個(gè) 日 常 生 活 中 的 開(kāi) 環(huán) 和 閉 環(huán) 控制 系 統(tǒng) ， 并 說(shuō) 明 它 們 的 工 作 原 理 。 習(xí) 題3. 圖 1-15所 示 是 水 箱 液 位 控 制 系 統(tǒng) 。 試 說(shuō) 明 其 工 作原 理 ， 找 出 輸 入 量 、 輸 出 量 、 擾 動(dòng) 量 及 被 控 對(duì) 象 ，并 繪 制 出 職 能 方 框 圖 。 習(xí) 題n 解 ： 圖 1-15所 示 是 水 箱 液 位 控 制 系 統(tǒng) ， 控 制 目 的 是 保 證 液 面高 度 不 變

41、 。 當(dāng) 出 水 截 門 打 開(kāi) 時(shí) ， 水 箱 水 位 下 降 ， 通 過(guò) 浮 子 反饋 實(shí) 際 液 面 高 度 ， 并 與 希 望 的 液 面 高 度 比 較 ， 得 出 液 面 偏 差 ，經(jīng) 過(guò) 杠 桿 使 閥 門 （ 錐 塞 ） 開(kāi) 大 ， 液 面 上 升 ； 達(dá) 到 控 制 水 位 后 ，閥 門 關(guān) 閉 ， 從 而 保 持 液 面 高 度 不 變 。 這 是 一 個(gè) 具 有 負(fù) 反 饋 的閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 。 n 輸 入 量 （ 控 制 量 ） ： 希 望 的 液 面 高 度n 輸 出 量 （ 被 控 制 量 ） ： 實(shí) 際 液 面 高 度n 擾 動(dòng) 量 ： 流 量 的 變 化

42、 （ 出 水 截 門 打 開(kāi) 導(dǎo) 致 的 流 量 的 變 化 ）n 被 控 對(duì) 象 ： 水 箱 習(xí) 題 4. n解 : 當(dāng) 合 上 開(kāi) 門 開(kāi) 關(guān) 時(shí) ， 電 位 器 橋 式 測(cè) 量 電 路 產(chǎn) 生偏 差 電 壓 ， 經(jīng) 放 大 器 放 大 后 ， 驅(qū) 動(dòng) 伺 服 電 動(dòng) 機(jī) 帶 動(dòng)絞 盤 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 使 大 門 向 上 提 起 。 與 此 同 時(shí) ， 與 大 門 連在 一 起 的 電 位 器 點(diǎn) 刷 上 移 ， 直 到 橋 式 測(cè) 量 電 路 達(dá) 到平 衡 ， 電 動(dòng) 機(jī) 停 止 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 開(kāi) 門 開(kāi) 關(guān) 自 動(dòng) 斷 開(kāi) 。 反 之 ，當(dāng) 合 上 關(guān) 門 開(kāi) 關(guān) 時(shí) ， 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)

43、 反 向 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 帶 動(dòng) 絞盤 使 大 門 關(guān) 閉 。 從 而 實(shí) 現(xiàn) 了 遠(yuǎn) 距 離 自 動(dòng) 控 制 大 門 開(kāi)閉 的 要 求 。 4. 解 :（ 1） 在 給 定 值 參 考 輸 入 下 ， 即 要 求 送 料 速 度 為 某 一 數(shù) 值 時(shí) ， 系 統(tǒng)在 穩(wěn) 定 狀 態(tài) ， 由 重 錘 G 、 動(dòng) 滑 輪 L等 組 成 的 系 統(tǒng) 力 平 衡 ：n 動(dòng) 滑 輪 受 力 為 ： 重 錘 的 重 力 Q（ 通 過(guò) 動(dòng) 滑 輪 向 上 作 用 在 動(dòng) 滑 輪上 ） 、 動(dòng) 滑 輪 自 重 P（ 鉛 垂 向 下 ） 、 帶 的 張 力 2T（ 向 上 ）n P=2T+Qn 由 于 受 力 平

44、 衡 ， 測(cè) 量 頭 輸 入 軸 不 動(dòng) 。n（ 2） 當(dāng) 送 料 速 度 在 短 時(shí) 間 內(nèi) 突 然 發(fā) 生 變 化 時(shí) ， 如 電 源 變 化 引 起 了 電動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 波 動(dòng) ， 所 輸 送 的 帶 料 不 均 勻 等 ， 從 而 使 帶 料 在 輸 送 過(guò) 程 中 張力 發(fā) 生 變 化 ， 即 TT+ T。 力 平 衡 被 破 壞 ， 于 是 動(dòng) 滑 輪 位 置 發(fā) 生 變化 ， 測(cè) 量 頭 輸 入 軸 發(fā) 生 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 角 位 移 輸 入 放 大 器 。 （ 3） 放 大 器 將 角 位 移 與 給 定 值 比 較 后 的 誤 差 信 號(hào) 放 大 為 控 制 信號(hào) 輸 入 電 動(dòng) 機(jī) ， 調(diào) 整 電 動(dòng) 機(jī) 按 減 小 帶 料 張 力 的 增 量 的 方 向 轉(zhuǎn) 動(dòng) 。從 而 抑 制 了 張 力 的 變 化 ， 達(dá) 到 控 制 張 力 的 目 的 。 該 系 統(tǒng) 的 方 框圖 如 圖