第1章绪论什么是控制？控制：为达到某种目的，对某一对象施加所需的操作。如温度控制、人口控制、压力控制等控制实例1：发电机供电发电机要正常
供电，就必须维持其输出电压恒定，尽量不受负荷变化和原动机转速波动的影响。发电机是被控制的设备称为控制对象。输出电压是被控制的物理量
称为被控制量。额定电压称为输入量。控制的基本任务：使控制对象的被控制量等于输入量。控制实例2：水位人工控制期望水位：输入量实际水位
：被控制量图1.1水位人工控制检测偏差实施控制消除偏差控制器进水阀浮球出水阀图1.2水位自动控制系统控制实例3：水位自动控制自
动控制：在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵控制对象。杠杆——水位控制器当水位处于平衡位置时，进水量=出水量当水位H下降时，进
水阀门增大，进水量增大∴水位H上升自动控制系统:在无人直接操作的情况下，通过控制器使控制对象自动地按照给定的规律运行，使被控制量按
照给定的规律变化。问题：水位自动控制系统能准确的控制水位吗？系统存在振动现象，很难预测其何时停止控制使水位到达目标位置。自动控制理
论:以自动控制系统为研究对象，采用数学方法进行分析与综合。自动控制理论的发展18世纪，JamesWatt为控制蒸汽机速度设计
的离心调节器是自动控制领域的第一项重大成果；1877年，提出线性系统稳定性的判据;1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开
环频率响应，确定闭环系统稳定性的方法——Nyquist稳定性判据；1948年，出版《控制论》，标志这门学科的正式诞生。1954年
，钱学森出版《工程控制论》经典控制理论在复数域内利用传递函数研究单输入—单输出线性定常系统的稳定性、响应快速性与响应准确性的问题。
20世纪50年代及其以前的控制理论属于经典控制理论数学基础：拉普拉斯变换基本数学模型：传递函数主要的分析与综合方法：时域分析法、频
率响应法现代控制理论在时间域内利用状态空间分析研究多输入—多输出系统的最优控制问题。20世纪60年代产生现代控制理论方法：以状态方
程为基础的时域法控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科经济学经济控制论社会学社会控制论控制论生物控制论生物学工程控制论工程技术机
械工程机械工程控制论1.1机械工程控制论研究对象与任务研究对象： ——研究机械工程技术中广义系统的动力学问题。研究系统及其输入、
输出三者之间的动态关系。研究的是机械工程技术中的广义系统在一定的外界条件（即输入或激励）作用下，从系统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。广义系统：具备系统要素的一切事物或对象。如：生命系统、
学习、工作，社会、经济系统等机械工程中的广义系统：设备、加工过程、操作设备、测量、企业集团控制论强调：控制对象是一个“系统”系统
不断“运动”(经历动态历程)“外因”(输入、干扰)是运动的条件“内因”(系统的固有特性)是运动的根据例：质量-阻尼-弹簧单自由
度系统(b)(a)初始状态：初始状态系统固有特性系统的输入系统与输入的关系等四大因素决定系统的输出系统固有特性：系统的输入：系统与
输入的关系：系统的输出：机械工程控制论的研究任务系统分析问题：已知系统和输入，求输出（或响应），并通过输出来研究系统本身的问题。
最优控制问题：已知系统和理想输出，求最优输入，使实际输出尽可能符合最佳要求。最优设计问题：已知输入，设计系统，使实际输出尽可能符
合最佳要求。滤波与预测问题：已知输出，设计系统，识别输入中的有关信息。系统辨识问题：已知输入和输出，求出系统的结构和参数，建立系
统的数学模型。1.2系统及其模型一、系统由相互联系、相互作用的若干部分构成，有一定目的或一定运动规律的一个整体。二、机械系统以实
现一定的机械运动，承受一定的机械载荷为目的，由机械元件组成的系统称为机械系统。如工作机械、机床、动力设备、交通运载工具等扰动响应激
励机械系统机械系统的输入量：称为“激励”，指外界对系统的作用。如作用在系统上的力等。控制量（给定量）：人为加上去的激励，保证对象
的行为达到目标。扰动量：偶然因素产生而无法完全人为控制的激励，妨碍对象的行为达到目标。机械系统的输出量：称为“响应”，指系统的变
形或位移。动态模型：研究系统在迅变载荷作用下或系统不平衡状态下的特性。以微分方程描述，如F(t)静态模型：研究系统在恒定载荷或缓慢
载荷作用下或系统平衡状态下的特性。以代数方程描述，如三、数学模型描述输入量、输出量及系统内部各个变量之间关系的数学表达式。分动态模
型和静态模型。1.3反馈反馈（feedback）：一个系统的输出，部分或全部地被反过来用于控制系统的输入。以数控机床工作台的驱动系
统为例(a)无反馈——采用步进电动机数字化的输入指令脉冲对应数字化的位置输出控制装置发出指令脉冲驱动步进电机，控制工作台的移动量。
对工作台的实际移动量不作检测。(b)有反馈——采用伺服电动机将输入的电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。检测装置随时测定
工作台的移动量，反馈到输入端，与控制指令的期望值比较，根据工作台实际移动量与期望值之间的偏差决定控制动作，达到消除偏差的目的。扰动
输入量输出量控制器控制对象图1.3开环系统示意图1.4系统的分类及对控制系统的基本要求一、控制系统的分类1.按反馈情况分类开环
系统：没有反馈回路，输出量对系统没有控制作用。特点：控制简单，控制精度难以保证。如：数控机床、自动洗衣机、自动化流水线扰动输入量控
制对象输出量控制器测量元件图1.4闭环系统示意图闭环系统：有反馈回路。输出量反馈到输入端形成闭环，参与控制。特点：输出量返回来与
输入量比较负反馈——反馈信号与输入量相减，根据差值即偏差进行控制。如：伺服驱动的数控机床、恒温箱(冰箱、空调)2.按输出量的变化
规律分类自动调节系统(恒值系统)：输出量保持常量，输入量不变。为闭环系统，如：恒温调节系统随动系统：输入量按事先不知道的时间函
数变化，要求输出量跟随输入量的变化而变化。多为闭环系统，如：自动火炮系统、动物捕食等程序控制系统：系统的输出按预定程序变化。
开环或闭环系统，如：数控机床、全自动洗衣机等3.按线性性质分类线性控制系统：系统由线性元件组成，由线性微分方程描述。叠加性和齐次
性是线性系统的特征。线性定常系统：线性微分方程的各项系数为常数。线性时变系统：线性微分方程的系数是时间的函数。非线性控制系统：由非
线性微分方程描述的系统。非线性微分方程：微分方程的系数与自变量有关。二、闭环反馈控制系统的组成控制部分：接受指令信号和反馈信号，
对被控部分发出控制信号。被控部分：接受控制信号，发出反馈信号，在控制信号作用下实现被控运动。特点：利用偏差控制系统的输出。图1.
5闭环反馈控制系统给定环节：给出输入信号，用于确定被控对象的目标值。 （或称给定值）以电量、非电量、数字量、模拟量
等发出信号xi测量环节：测量被控变量，将被控变量转换为电量电位计（机械转角→电压信号）测速电机（转速→电压信号）光栅测量装置
（直线位移→数字信号）xb反馈控制系统的基本环节有：比较环节：把输入信号xi与测量环节的反馈值进行比较，求出偏差信号ε=
xi–放大及运算环节：将偏差信号进行功率放大。执行环节：接收放大环节送来的控制信号，驱动被控对象使被控制量
达到所要求的数值。给定环节、测量环节、比较环节、放大及运算环节和执行环节一起，组成控制部分。被控部分是控制对象。xbxb闭环自动
控制系统中的反馈控制作用：利用输入量与反馈至输入处的反馈量之间的偏差对系统的输出进行控制，使被控对象按一定的规律运动。需要控制的是
输出量，测量的是输出量对输入量的偏差，只要偏差存在，系统就会自动纠偏，偏差越大，校正作用越强；偏差越小，校正作用越弱，直至偏差趋于
最小值。反馈控制过程：检测偏差实施控制消除偏差三、对控制系统的基本要求反馈控制系统中，当输入量发生变化时，输出量偏离输入量产生偏差
，通过反馈控制的作用，经过短暂的过渡过程，输出量又趋于或恢复到原来的稳态值，或按照新的输入量稳定下来，这时系统从原来的平衡状态过渡
到新的平衡状态。把输出量处于变化状态的过程称为动态或暂态，把输出量处于相对稳定的状态称为静态或稳态。对控制系统的基本要求：———
—稳定性、快速性、准确性系统的稳定性：系统抵抗动态过程振荡倾向和能够恢复平衡状态的能力。稳定性好，则系统恢复平衡状态的能力强稳定
性是系统工作的必要条件，不稳定的系统不能实现预定任务。响应的快速性：输出量与输入量之间存在偏差时，消除偏差的快慢程度。响应的准确性
：系统达到稳态时，输出量与输入量之间的偏差程度。用稳态误差表示稳态误差越小，表示系统的输出跟随输入的精度越高。1.8本课程的特点
与学习方法本课程的任务：经典控制论的范畴研究的两大课题：1）对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的
分析和定量的计算。2）根据系统性能要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能全面地满足技术上的要求。学科基础：数学、力学、电学、机械振动理论、机械工程的系统动力学等学习本课程时，不必过分追求数学论证上的严密性，但一定要充分注意物理概念的明晰性和数学结论的准确性。基本要求：上课注意听讲，重视习题；注意与其它课程的联系。参考书：现代控制工程【美】katsuhikoogata著卢伯英译电子工业出版社自动控制原理胡寿松清华大学出版社 |
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