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1、第1頁/共46頁第2頁/共46頁第3頁/共46頁第4頁/共46頁1.1課程研究對(duì)象與任務(wù) 自動(dòng)控制理論研究的是工程技術(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)的一定初始的狀態(tài)出發(fā)，所經(jīng)歷的由其內(nèi)部的固有特性（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。系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的關(guān)系。第5頁/共46頁例 小車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)第6頁/共46頁以f(t)作為輸入 00)0(,)0()()()()(yyyytftkytyctym 00)0(,)0()()()()()(yyyytkxtxctkytyctym 以x(t)作為輸入第7頁/共46頁ump2+cp+

2、k 為方程左邊的算子，它由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定，反映了與外界無關(guān)的系統(tǒng)本身的固有特性。u1和cp+k 分別為兩個(gè)方程的右邊的算子，反映了系統(tǒng)與外界的關(guān)系。 )()()()()()()(22txkcptykcpmptftykcpmp令p=d/dt 則第8頁/共46頁一般線性系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程可用高階微分方程表示： ) 1(0) 1(0.0.1) 1(1)(0.1) 1(1)() 0(.) 0(, 0) 0(.nnmmmmnnnnyyyyyyxbxbxbxbyayayaya左邊算子反映了系統(tǒng)本身的固有特性；右邊算子反映了系統(tǒng)與外界之間的關(guān)系；y(t)為系統(tǒng)的輸出；x(t)為系統(tǒng)的輸入。第9頁

3、/共46頁特別指出 系統(tǒng)的初始狀態(tài)也可視為一種特殊的輸入，即“初始輸入”或“初始激勵(lì)”。 輸入的結(jié)果就是改變系統(tǒng)的狀態(tài)，并使系統(tǒng)的狀態(tài)不斷改變，這是力學(xué)中所講的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)； 當(dāng)系統(tǒng)的初始狀態(tài)不為零時(shí)，即使無輸入，系統(tǒng)的狀態(tài)也會(huì)不斷改變，這是力學(xué)中所講的自由運(yùn)動(dòng)。 所謂系統(tǒng)的狀態(tài)為零，就是指系統(tǒng)處于平衡位置。 第10頁/共46頁系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，歸納有五個(gè)方面：1已知系統(tǒng),輸入,求系統(tǒng)的輸出,即系統(tǒng)分析問題。2已知系統(tǒng),確定輸入,即最優(yōu)控制問題。3已知輸入,確定系統(tǒng),即最優(yōu)設(shè)計(jì)問題。4已知輸出,確定系統(tǒng),即濾波與預(yù)測(cè)問題。5已知輸入和輸出,求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)， 即系統(tǒng)識(shí)別或系

4、統(tǒng)辨識(shí)問題。第11頁/共46頁1.2 系統(tǒng)及其模型一 、系統(tǒng) 將有關(guān)的部分聯(lián)系起來，作為一個(gè)有機(jī)的整體加以考察、分析與處理，這個(gè)有機(jī)的整體稱為“系統(tǒng)”。 組成系統(tǒng)的各個(gè)部分，可以是元件，也可以是下一級(jí)的系統(tǒng)，后者稱為“子系統(tǒng)”；而整個(gè)系統(tǒng)又可以是上一層系統(tǒng)的子系統(tǒng)。必須注意，一個(gè)系統(tǒng)的特性并不能看成是組成它的元件或子系統(tǒng)的特性的簡單的總和。第12頁/共46頁二、 機(jī)械系統(tǒng) 以實(shí)現(xiàn)一定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、輸出一定的機(jī)械能，以及承受一定的機(jī)械載荷為目的的系統(tǒng)，稱為機(jī)械系統(tǒng)。 機(jī)械系統(tǒng)的輸入與輸出，又分別稱為“激勵(lì)”與“響應(yīng)”。 第13頁/共46頁三 靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型 模型使人們研究系統(tǒng)、認(rèn)識(shí)系統(tǒng)與描述系

5、統(tǒng)的一種工具。這里所說的“模型”是指一種用數(shù)學(xué)方法描述的抽象的理論模型，用來表達(dá)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間，或系統(tǒng)與其外部環(huán)境之間的關(guān)系，故又稱為“數(shù)學(xué)模型”。 第14頁/共46頁)()()()()0 , 0(,|)0 , 0(,|)0 , 0(.|),(|),()0 , 0(),()()()()(00000000tFtkxtxctxmxckxNfcxfkxfxxxxfxxxxffNxxftNtNtFtxmxxxxxxxx 為恒力記第15頁/共46頁 以地基振動(dòng)位移y(t)為激勵(lì)，以機(jī)器振動(dòng)位移x(t)為響應(yīng)，得)()()()()()()()()()(tkytyctkxtxctxmtxmtxtyk

6、txtyc n上述都是動(dòng)態(tài)模型，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)很慢時(shí)，有 于是n靜態(tài)模型反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性；n動(dòng)態(tài)模型則是用于研究系統(tǒng)在迅速變載荷作用下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性。, 0, 0 xx ktFtx/ )()(第16頁/共46頁1.3 反饋 將系統(tǒng)的輸出，部分或全部地返回到輸入，稱為系統(tǒng)反饋。 系統(tǒng)之所以有動(dòng)態(tài)歷程，系統(tǒng)及其輸入、輸出之間之所以有動(dòng)態(tài)關(guān)系，就是由于系統(tǒng)本身有著信息的反饋。一 、機(jī)械工程中的反饋控制數(shù)控機(jī)床為例（開環(huán)和閉環(huán)）（外反饋）靜壓軸承薄膜反饋控制系統(tǒng) （外反饋）第17頁/共46頁第18頁/共46頁第19頁/共46頁二、 機(jī)械系統(tǒng)的內(nèi)在反饋

7、系統(tǒng)就是元素按一定規(guī)律的集合。即要有元素，而且元素之間按一定規(guī)律的聯(lián)系。 聯(lián)系的實(shí)質(zhì)就是信息的傳輸和交換。 系統(tǒng)之所以表現(xiàn)出處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中，就是因?yàn)樵刂g有著聯(lián)系，有著信息傳輸與交換；就是因?yàn)榉从诚到y(tǒng)情況的狀態(tài)變量之間有著聯(lián)系，有著信息傳輸與交換。 系統(tǒng)本身信息的反饋就是系統(tǒng)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的內(nèi)因。第20頁/共46頁)()()()()()()()()()()()(tkytcytftymtyktymtftyctyctymtftky 第21頁/共46頁mfymcymkyyyyyyyy2122112,1令BfAYYmBmcmkAyyYyyYfmyymcmkyy10,10,21,2110211021第

8、22頁/共46頁l矩陣A：表達(dá)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，代表了系統(tǒng)的固有特性。l矩陣A的主對(duì)角元素：反映了狀態(tài)變量本身的交互作用情況。l非主對(duì)角元素：反映了狀態(tài)變量之間的交互作用情況。l控制論的中心思想就是反饋控制。 第23頁/共46頁第24頁/共46頁1.4系統(tǒng)的分類及對(duì)系統(tǒng)的基本要求 第25頁/共46頁閉環(huán)系統(tǒng)：一個(gè)系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而存在反饋回路。閉環(huán)系統(tǒng)的輸出可作為反饋信息來改變有關(guān)環(huán)節(jié)的輸入，進(jìn)而改變輸出的本身，以獲得高精度的輸出，所以大量的自動(dòng)控制系統(tǒng)都采用閉環(huán)系統(tǒng)。 第26頁/共46頁2對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)還可按輸出變化規(guī)律分自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)：在外界干擾作用下，系統(tǒng)的輸：在外界

9、干擾作用下，系統(tǒng)的輸出仍能基本保持為常量的系統(tǒng)。出仍能基本保持為常量的系統(tǒng)。隨動(dòng)（伺服）系統(tǒng)：在外界條件作用下，系統(tǒng)的輸出能相應(yīng)于輸入在廣闊范圍內(nèi)按任意規(guī)律變化的系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)：在外界條件作用下，系統(tǒng)的輸出按預(yù)定的程序變化的系統(tǒng)。（數(shù)控機(jī)床） 第27頁/共46頁第28頁/共46頁一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由控制部分和被控部分組成。控制部分的功能：接受指令信號(hào)和被控部分的反饋信號(hào)，并對(duì)被控部分發(fā)出控制信號(hào)。被控部分的功能：接受控制信號(hào)、發(fā)出反饋信號(hào)，并在控制信號(hào)的作用下實(shí)現(xiàn)被控運(yùn)動(dòng)。第29頁/共46頁 給定環(huán)節(jié)：它是給出輸入信號(hào)xi的環(huán)節(jié)，用于確定被控對(duì)象的“目標(biāo)值”。 測(cè)量環(huán)節(jié)：用于測(cè)量被

10、控變量。 比較環(huán)節(jié)：輸入信號(hào)xi與反饋信號(hào)xb進(jìn)行比較，并得到一個(gè)小規(guī)律的偏差信號(hào)。 放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)：將偏差信號(hào)作必要的校正，并進(jìn)行規(guī)律放大。 執(zhí)行環(huán)節(jié)：接受控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。 閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：利用輸入信息與反饋至輸入處的信息之間的偏差對(duì)系統(tǒng)的輸出進(jìn)行控制，使被控對(duì)象按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。第30頁/共46頁二 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 1、 系統(tǒng)的穩(wěn)定性：是控制系統(tǒng)正常工作的首要條件，且是重要條件。穩(wěn)定性是指動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。 2、 響應(yīng)的快速性：當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快慢程度。 3、 響應(yīng)的準(zhǔn)確性：在過

11、渡過程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量的偏差，稱為靜態(tài)偏差或穩(wěn)定精度 第31頁/共46頁第32頁/共46頁1.5 機(jī)械制造的發(fā)展與控制理論的應(yīng)用第33頁/共46頁第34頁/共46頁第35頁/共46頁第36頁/共46頁第37頁/共46頁第38頁/共46頁16 “自控原理”課程的特點(diǎn)和要求 本課程是一門比較抽象的技術(shù)基礎(chǔ)課。它既不能陷于專業(yè)技術(shù)中，僅研究專業(yè)技術(shù)問題，但又必須緊密結(jié)合專業(yè)實(shí)際，概括工程實(shí)踐。 本課程以數(shù)學(xué)、物理及有關(guān)科學(xué)為其理論基礎(chǔ)，以機(jī)械工程中有關(guān)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為其抽象、概括與研究的對(duì)象，運(yùn)用信息的傳輸、處理與反饋進(jìn)行控制這一正確的思維方法與觀點(diǎn)，在數(shù)理基礎(chǔ)與專業(yè)課程之間架起一道橋梁，將兩者緊密結(jié)合起來。第39頁/共46頁第40頁/共46頁第41頁/共46頁第42頁/共46頁第43頁/共46頁第44頁/共46頁第45頁/共46頁感謝您的觀看！第46頁/共46頁