控制理论及其应用第1章.ppt

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1、控制理论及其应用控制理论及其应用白基成白基成机械制造及自动化系机械制造及自动化系 制造楼制造楼302302室室手机：手机：教材教材 控制理论及其应用控制理论及其应用 高等教育出版社，卢泽生主编高等教育出版社，卢泽生主编 内内 容容 经典和现代经典和现代 任课教师任课教师 白基成白基成 教教 授授 1 1章章-9-9章章 何景峰何景峰 副教授副教授 1010章章-13-13章章 杨庆俊杨庆俊 副教授副教授 杨晓冬杨晓冬 教教 授授 1414章章-15-15章章 学学 时时 4848学时学时 考核形式考核形式 考试考试 本课程特点本课程特点 类型：抽象的技术基础课类型：抽象的技术基础课 基础：以数

2、学，物理等为其理论基础基础：以数学，物理等为其理论基础 对象：以机械工程中系统的动力学为其研究对象对象：以机械工程中系统的动力学为其研究对象 作用：在数理基础课程与专业课程间架起桥梁作用：在数理基础课程与专业课程间架起桥梁 方法方法：系统，动态，系统，动态，内因，内因，外因外因 涉及涉及：数学，力学，数学，力学，物理，物理，电工电工 注意注意：物理概念的物理概念的明晰性明晰性和数学结论的和数学结论的准确性准确性 突出机械工程的特色，结合机械结构，突出机械工程的特色，结合机械结构，运动学，动力学，测试和运动控制技术运动学，动力学，测试和运动控制技术授课的目的授课的目的 自动控制的成就及其广泛应用

3、自动控制的成就及其广泛应用 没有自动控制就没有现代科技没有自动控制就没有现代科技 自动控制理论与技术介入到很多学科领域自动控制理论与技术介入到很多学科领域为什么开设此课数控机床，加工中心，工业机器人等日常生活：日常生活：台灯，洗衣机，电冰箱，电热毯，热水壶等台灯，洗衣机，电冰箱，电热毯，热水壶等工业领域：工业领域：军工领域：军工领域：飞机，舰船，火箭，导弹等等飞机，舰船，火箭，导弹等等授课的目的授课的目的（续上）自动控制技术可自动控制技术可使生产过程：使生产过程：具有高度具有高度准确性准确性；能有效提高产品的能有效提高产品的性能和质量性能和质量；节约能，降低材料消耗，亦即节约能，降低材料消耗，

4、亦即节能降耗节能降耗；能极大地提高劳动能极大地提高劳动生产率生产率；改善改善劳动条件劳动条件和减轻和减轻劳动强度劳动强度；必要性，重要性，不可替代性必要性，重要性，不可替代性 必不可缺的知识必不可缺的知识授课的目的授课的目的（续上）目的：目的：应用应用 应用自动控制理论来分析，研究和解决应用自动控制理论来分析，研究和解决 机械制造中机械制造中的有关的有关控制问题控制问题和和精度保证精度保证问题。问题。如：设计，制造，检测，装配或控制如：设计，制造，检测，装配或控制 位移，位置，速度，力，精度，质量位移，位置，速度，力，精度，质量 理论与实践相结合的跨学科的综合技术理论与实践相结合的跨学科的综合

5、技术 强调强调目的性目的性和和应用性应用性控制理论发展的简单回顾控制理论发展的简单回顾 我国古代自动控制的我国古代自动控制的成就成就 10271027年宋代燕肃的年宋代燕肃的指南车指南车 开环的顺馈控制系统开环的顺馈控制系统指南车指南车是中国古代用来指示方是中国古代用来指示方向的一种装置。向的一种装置。它与指南针利用地磁效应不同，它与指南针利用地磁效应不同，它不用磁性。它不用磁性。是利用是利用齿轮传动系统齿轮传动系统来指明方向来指明方向的一种机械装置。的一种机械装置。控制理论发展的简单回顾控制理论发展的简单回顾 我国古代自动控制的我国古代自动控制的成就成就 东汉张衡的东汉张衡的候风地动仪候风地

6、动仪候风地动仪候风地动仪是世界上第一架是世界上第一架测验地震测验地震的仪器的仪器它比欧洲出现地震仪的时间要早它比欧洲出现地震仪的时间要早一千五百年左右一千五百年左右控制理论发展的简单回顾控制理论发展的简单回顾 我国古代自动控制的我国古代自动控制的成就成就 1086 1086年苏颂和韩公廉的年苏颂和韩公廉的水运仪象台水运仪象台，负反馈自动调整系统，负反馈自动调整系统 水运仪象台水运仪象台一种大型天文仪器，一种大型天文仪器，是集观测天象的是集观测天象的浑仪浑仪、演示天象的、演示天象的浑象、计量时间的浑象、计量时间的漏刻漏刻和报告时刻和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪的机械装置于一体的综合性观

7、测仪器，实际上是一座小型的天文台器，实际上是一座小型的天文台控制理论发展的简单回顾控制理论发展的简单回顾（续上）控制理论的形成及其发展控制理论的形成及其发展 1919世纪欧洲工业革命促进了自动控制技术和理论的发展世纪欧洲工业革命促进了自动控制技术和理论的发展 （劳斯）（劳斯）1884 1884年年18771877年线性系统稳定性判据年线性系统稳定性判据 Heaviside Heaviside（海维西特）（海维西特）1923 1923年设计系统的算子法年设计系统的算子法 （波特）（波特）负反馈放大器负反馈放大器 二战期间提出了反馈控制的数学基础二战期间提出了反馈控制的数学基础 随动系统在军事中发

8、展随动系统在军事中发展 19451945年第一本经典控制理论著作年第一本经典控制理论著作伺服机构伺服机构 1948 1948年年N.WienerN.Wiener发表著名的发表著名的控制论控制论形成形成完整的经典控制理论完整的经典控制理论 维纳是美国数学家，控制论的创始人维纳是美国数学家，控制论的创始人 1950 1950年年伊文思伊文思(W.R.Evans)W.R.Evans)根轨迹法根轨迹法 ,充实了经典控制理论充实了经典控制理论控制理论发展的简单回顾控制理论发展的简单回顾（续上）控制理论的形成及其发展控制理论的形成及其发展 2020世纪世纪5050年代年代 随动系统转为民用，随动系统转为民

9、用，控制理论进一步发展控制理论进一步发展 钱学森创立钱学森创立工程控制论工程控制论学科，学科，推动了控制理论的应用推动了控制理论的应用 以上为以上为经典控制理论经典控制理论 2020世纪世纪5050年代末空间技术和军事发展，计算机技术的发展年代末空间技术和军事发展，计算机技术的发展 产生产生现代控制理论现代控制理论 从分析力学中引过来，从分析力学中引过来，用于研究机械运动用于研究机械运动 控制理论在机械工程中应用非常广泛而活跃控制理论在机械工程中应用非常广泛而活跃 授课内容1.1.绪绪 论论 2.2.机械系统模型的建立及机电相似系统的等效转换机械系统模型的建立及机电相似系统的等效转换 3.3.

10、机电系统的典型环节及特性的描述系统机电系统的典型环节及特性的描述系统4.4.机电控制系统的稳定性分析机电控制系统的稳定性分析 (液压仿形刀架稳态分析液压仿形刀架稳态分析)5.5.根轨迹法根轨迹法 6.6.机电系统机电系统PIDPID校正及其应用校正及其应用7.7.机械系统的建模与分析机械系统的建模与分析8.8.机床进给系统的速度和位置控制及稳定性分析机床进给系统的速度和位置控制及稳定性分析10.10.控制系统的状态空间描述控制系统的状态空间描述11.11.控制系统状态方程的解控制系统状态方程的解 12.12.李雅普诺夫稳定性分析李雅普诺夫稳定性分析13.13.控制系统的状态空间综合法控制系统的

11、状态空间综合法 14.14.神经网络控制及其应用神经网络控制及其应用15.15.模糊控制及其应用模糊控制及其应用经经典典控控制制现现代代控控制制智智能能在复数域内以积分变换为数学工具研在复数域内以积分变换为数学工具研究单输入，单输出线性定常系统的动究单输入，单输出线性定常系统的动态过程，分析系统的稳定性，瞬态过态过程，分析系统的稳定性，瞬态过程和稳定性能，以及系统性能校正程和稳定性能，以及系统性能校正在时间域内以状态方程为基础研究多在时间域内以状态方程为基础研究多输入，多输出系统的动态过程输入，多输出系统的动态过程不确定模型，高度非线性，复杂系统不确定模型，高度非线性，复杂系统经典控制论和现代

12、控制论的区别经典控制论和现代控制论的区别经典控制经典控制现代控制现代控制理论基础理论基础传递函数传递函数状态方程状态方程模糊数学，神经网络模糊数学，神经网络用途用途单输入输出单输入输出线性系统线性系统多输入输出多输入输出非线性时变非线性时变分析方法分析方法频域法频域法时域法时域法最佳控制最佳控制难难易易经经典典理理论论能能解解决决的的问问题题现现代代理理论论都都能能解解决决，经经典典理理论论的的独独到到之之处是对系统的分析和设计简单直观，故仍具广泛应用前景处是对系统的分析和设计简单直观，故仍具广泛应用前景第第 1 1 章章 绪绪 论论1.1 1.1 概述概述 1.2 1.2 机械控制系统的组成

13、及其研究内容机械控制系统的组成及其研究内容 1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 主要讲述：控制理论的基本概念 机械控制系统的组成 控制系统的性能指标 自动控制系统的分类电动机转速控制系统1.1 基本概念自动控制自动控制 是指在没有人直接参与的情况下，通过控制系统使是指在没有人直接参与的情况下，通过控制系统使 被控对象被控对象自动地按照预定规律运行的自动地按照预定规律运行的控制过程控制过程功率放大器M电动机电位器UdUg控制对象控制对象控制装置控制装置电枢电压电枢电压转速转速电动机转速控制系统1.1 基本概念（续上）自动控制系统自动控制系统 是指由相互联系、相互依赖、相互作用的

14、若干部分是指由相互联系、相互依赖、相互作用的若干部分 组成的具有组成的具有自动控制功能的有机整体自动控制功能的有机整体功率放大器M电动机电位器UdUg控制对象控制对象控制装置控制装置电枢电压电枢电压转速转速电动机转速控制系统1.1 基本概念（续上）被控对象被控对象 是指工作状态需要给以控制的装置、设备和过程是指工作状态需要给以控制的装置、设备和过程功率放大器M电动机电位器UdUg控制对象控制对象控制装置控制装置电枢电压电枢电压转速转速电动机转速控制系统1.1 基本概念（续上）被控量被控量 是指描述被控对象按预定运行规律工作的量，也是系统是指描述被控对象按预定运行规律工作的量，也是系统 的的输出

15、量输出量功率放大器M电动机电位器UdUg控制对象控制对象控制装置控制装置电枢电压电枢电压转速转速电动机转速控制系统1.1 基本概念（续上）给定量给定量 是指作为被控量的控制指令而加给控制系统的是指作为被控量的控制指令而加给控制系统的输入量输入量,也称也称控制量控制量功率放大器M电动机电位器UdUg控制对象控制对象控制装置控制装置电枢电压电枢电压转速转速电动机转速控制系统1.1 基本概念（续上）扰动量扰动量 是指引起被控量偏离预定运行规律的量是指引起被控量偏离预定运行规律的量,也称也称干扰量干扰量功率放大器M电动机电位器UdUg控制对象控制对象控制装置控制装置电枢电压电枢电压转速转速 1.1 基

16、本概念（续上）机械机械 是指由零部件组成，可实现运动、能量和信息传递或转换是指由零部件组成，可实现运动、能量和信息传递或转换 的的具有某种功能具有某种功能的仪器、装置或设备的仪器、装置或设备 制造制造 是指把原材料变成产品的是指把原材料变成产品的过程过程 机械制造机械制造 是指把原材料通过加工、检测、装配制成装置或设备等是指把原材料通过加工、检测、装配制成装置或设备等 产品的过程产品的过程1.2 机械控制系统的组成及其研究内容 功率放大器M电动机电位器UdUg控制对象控制对象控制装置控制装置电枢电压电枢电压转速转速电动机转速控制系统1.2 机械控制系统的组成及其研究内容 数控机床工作台伺服驱动

17、系统机械控制系统框图。传感器传感器。控制器控制器执行执行机构机构被控被控对象对象。输出变量输出变量控制变量控制变量输入变量输入变量1.2 机械控制系统的组成及其研究内容 自动控制系统自动控制系统 由控制器、执行机构、被控对象和反馈元件由控制器、执行机构、被控对象和反馈元件(传感器传感器)组成组成机械控制系统框图。传感器传感器。控制器控制器执行执行机构机构被控被控对象对象。输出变量输出变量控制变量控制变量输入变量输入变量1.2 机械控制系统的组成及其研究内容 控制器控制器 是通过所产生的控制信号来操纵执行机构，使被控对象按是通过所产生的控制信号来操纵执行机构，使被控对象按 技术要求完成某种任务的

18、器件。技术要求完成某种任务的器件。主要包括：主要包括：计算机、控制元件、放大元件、转换元件、计算机、控制元件、放大元件、转换元件、比较元件、运算元件等比较元件、运算元件等机械控制系统框图。传感器传感器。控制器控制器执行执行机构机构被控被控对象对象。输出变量输出变量控制变量控制变量输入变量输入变量1.2 机械控制系统的组成及其研究内容 执行机构执行机构 是根据控制信号对被控对象进行操作的装置。是根据控制信号对被控对象进行操作的装置。如如液压马达、电机等液压马达、电机等机械控制系统框图。传感器传感器。控制器控制器执行执行机构机构被控被控对象对象。输出变量输出变量控制变量控制变量输入变量输入变量1.

19、2 机械控制系统的组成及其研究内容 被控对象被控对象 受控制器操纵的受控制器操纵的,具有某种功能的具有某种功能的,最终最终可可完成某种任务的完成某种任务的 对象。如机床、人造卫星、火箭、飞机、化工过程等对象。如机床、人造卫星、火箭、飞机、化工过程等机械控制系统框图。传感器传感器。控制器控制器执行执行机构机构被控被控对象对象。输出变量输出变量控制变量控制变量输入变量输入变量1.2 机械控制系统的组成及其研究内容 反馈元件反馈元件 是产生与被控制量是产生与被控制量(输出量输出量)有一定函数关系的反馈信号。有一定函数关系的反馈信号。如各种可满足性能要求的如各种可满足性能要求的传感器传感器机械控制系统

20、框图。传感器传感器。控制器控制器执行执行机构机构被控被控对象对象。输出变量输出变量控制变量控制变量输入变量输入变量控制理论主要解决的问题有两个方面：控制系统性能分析 控制系统的设计（1 1）判断系统能否正常工作）判断系统能否正常工作系统系统稳定性稳定性 输出量偏离给定输入量的初始值，随时间的增长逐渐趋于零。输出量偏离给定输入量的初始值，随时间的增长逐渐趋于零。1.2.1 控制系统性能分析（4 4）判断系统响应的快慢）判断系统响应的快慢系统的系统的快速性快速性。系统系统消除输出量与给定量的偏差的快慢程度。消除输出量与给定量的偏差的快慢程度。首要条件静态精度（2 2）判断系统是否有稳定裕量）判断系

21、统是否有稳定裕量,能否可靠地工作能否可靠地工作系统系统可靠性可靠性 一个系统在规定的时间内，在预定的工作条件下能正常的工作，不发一个系统在规定的时间内，在预定的工作条件下能正常的工作，不发 生故障的概率。生故障的概率。（3 3）判断系统精度的高低、误差的大小）判断系统精度的高低、误差的大小系统的系统的准确性准确性 系统在过渡过程结束后，输出量与给定量的偏差。系统在过渡过程结束后，输出量与给定量的偏差。2.控制系统设计设计任务合理选择控制规律合理选择控制规律设计控制器设计控制器设计依据任务书任务书技术要求技术要求性能指标性能指标稳态性能快速性能动态性能抗干扰性能1）系统的稳态性能判断系统的稳态性

22、能系统是否稳定稳定性系统稳态精度（稳态误差）输出量-给定量准确性（必要条件）（充分条件）最基本最重要的要求输出量偏离给定的输入量的初始值，随时输出量偏离给定的输入量的初始值，随时间的增长逐渐趋于零间的增长逐渐趋于零系统在过渡过程结束后，输出量与给定量系统在过渡过程结束后，输出量与给定量的偏差的偏差2）系统的快速性能 所谓所谓快速性快速性就是当系统的输出量与给定的输入量之间就是当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度，即系统恢复原值产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度，即系统恢复原值或跟随给定的输入值的速度，亦即或跟随给定的输入值的速度，亦即过渡过程时间过渡过程时间的长短

23、，的长短，显然越短越好。显然越短越好。3）系统的动态性能衡量控制系统的动态性能有两种指标时域指标频域指标动态性能动态性能是指系统的输出量随时间或者频率的变化趋势。是指系统的输出量随时间或者频率的变化趋势。（1）时域指标单位阶跃输入下的响应曲线 超调量超调量p p ：单位阶跃信号xmax时域指标是相对于控制系统在单位时域指标是相对于控制系统在单位阶跃输入作用下的输出响应来规定阶跃输入作用下的输出响应来规定（1）时域指标(续)单位阶跃输入下的响应曲线 调整时间调整时间（过渡过程时间）（过渡过程时间）：阶跃响应曲线进入并保持在允许阶跃响应曲线进入并保持在允许误差范围所对应的时间误差范围所对应的时间

24、误差范围为稳态值的误差范围为稳态值的(2(25)5)单位阶跃信号 快速性快速性是当系统的输出量与给是当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度，即系统恢复这种偏差的快慢程度，即系统恢复原值或跟随给定的输入值的速度，原值或跟随给定的输入值的速度，亦即亦即过渡过程时间过渡过程时间的长短，显然越的长短，显然越短越好。短越好。xmax（1）时域指标(续)单位阶跃输入下的响应曲线 上升时间上升时间 ：阶跃响应从稳态值的阶跃响应从稳态值的1010上升到上升到9090所经历的时间。所经历的时间。延迟时间延迟时间 ：阶跃响应从起始值到稳态值的阶跃响应从起始

25、值到稳态值的5050所经历的时间。所经历的时间。单位阶跃信号 振荡次数振荡次数N N：调整时间内阶跃响应曲线穿越其调整时间内阶跃响应曲线穿越其稳态值次数的一半。稳态值次数的一半。响应速度响应速度阻尼程度阻尼程度xmax（2）频域指标 闭环频率特性有三项频域指标闭环频率特性有三项频域指标：a谐振峰值Mrb谐振频率c频带宽度BW 开环频率特性的频域指标：开环频率特性的频域指标：a增益裕量 b相位裕量c剪切率（2）频域指标(续)闭环频率特性有三项频域指标闭环频率特性有三项频域指标：a谐振峰值谐振峰值Mr 说明相对稳定性b谐振频率谐振频率 表征瞬态响应速度c频带宽度频带宽度BW 反映滤波特性闭环特性系

26、统幅频特性曲线 Mr r 大超调量大超调量p p大大越大，响应速度越快越大，响应速度越快M(0)当幅值M()降至零频幅值M(0)的0.707倍或从零频增益下降至-3db时的频率范围，此处频率为截止频率b，频带BW越宽，截止频率b越高，系统响应越快（2）频域指标(续)开环频率特性的频域指标：开环频率特性的频域指标：a增益裕量 b相位裕量c剪切率(+)c-60dB/dec-40dB/dec-20dB/dec0(+)-180o-90o0o对数幅相频率特性曲线对数幅频特性曲线相频特性曲线（2）频域指标(续)增益裕量增益裕量 定义为系统开环频率定义为系统开环频率特性特性 相角相角为为-180-180o

27、o时，幅频特性时，幅频特性 的倒数的倒数 或相位交界频率相位交界频率增益交界频率增益交界频率幅值裕量幅值裕量 （也称增益裕量或（也称增益裕量或幅值储备）幅值储备）它等于开环相角它等于开环相角 时开时开环幅值的倒数，即环幅值的倒数，即 。应该说是在相位交界频率应该说是在相位交界频率 下，下，值越大幅值裕值越大幅值裕量越小。量越小。奈氏稳定判据的稳定裕量稳定裕量是衡量稳定裕量是衡量幅相频率特性曲线幅相频率特性曲线距离（距离（-1,-1,j j o o）点的远近）点的远近程度，距离越远稳定裕量越大。程度，距离越远稳定裕量越大。单位圆Re=(-1,j0)pIm=0 开环系统幅相频率特性曲线(+)c-6

28、0dB/dec-40dB/dec-20dB/dec0(+)-180o-90o0o对数幅相频率特性曲线对数幅频特性曲线相频特性曲线（2）频域指标(续)相位裕量相位裕量 定义为系统剪切频率（幅定义为系统剪切频率（幅值交界频率）值交界频率）处，相频处，相频特性特性 与与-180-180o o相差的相差的角度角度 。即。即 相位交界频率相位交界频率增益交界频率增益交界频率奈氏稳定判据的稳定裕量单位圆Re=(-1,j0)pIm=0 开环系统幅相频率特性曲线 指开环频率特性的幅值指开环频率特性的幅值 时，它的相角时，它的相角 与与-180-1800 0之间的差值，即之间的差值，即 或者说相位裕量或者说相位

29、裕量 是向量是向量 与负实轴的夹角。与负实轴的夹角。是开环频率特性的幅是开环频率特性的幅值等于值等于1 1时的频率，即增益时的频率，即增益交界频率（剪切频率）。若交界频率（剪切频率）。若 角越小，则相位裕量越角越小，则相位裕量越大。大。相位裕量（相位裕量（也称相角裕量或相位储备），也称相角裕量或相位储备），用用 表示表示(+)c-60dB/dec-40dB/dec-20dB/dec0(+)-180o-90o0o对数幅相频率特性曲线对数幅频特性曲线相频特性曲线（2）频域指标(续)剪切率剪切率：它它是是开开环环对对数数幅幅频频特特性性曲曲线线在在剪剪切切频频率率（幅幅值值交交界频率）界频率）附近的

30、斜率。附近的斜率。它它反反映映高高频频时时频频率率特特性性衰减的快慢。衰减的快慢。造成系统的稳定裕度量造成系统的稳定裕度量高高频频衰衰减减越越快快，对对于于信信号号和噪声的区分能力越强。和噪声的区分能力越强。剪切率剪切率同时伴随着谐振幅值同时伴随着谐振幅值M Mr r对高频噪声抑制对高频噪声抑制相位交界频率相位交界频率增益交界频率增益交界频率3.超精密车床微进给刀架系统的建立 1.3 自动控制系统的分类 任何事物的分类都是一个复杂的问题，难以准任何事物的分类都是一个复杂的问题，难以准确给予统一的定义确给予统一的定义 不同的结构不同的结构 不同的应用背景不同的应用背景 不同的原理不同的原理 从不

31、同的角度对自动控制系统进行分类从不同的角度对自动控制系统进行分类都有不同的分类方法 1.3 自动控制系统的分类（续）1按系统组成的物理性质分：电气控制系统；电气控制系统；机械控制系统；机械控制系统；流体控制系统；流体控制系统；电气电气流体控制系统；流体控制系统；机械机械电子控制系统等电子控制系统等 1.3 自动控制系统的分类（续）2按系统的数学模型（微分方程）的性质分方程的系数是时间的函数方程的系数是时间的函数线性系统线性系统非线性系统非线性系统 自动控制系统的工作状态和性能可用线性微分方程或线自动控制系统的工作状态和性能可用线性微分方程或线性差分方程来描述的系统性差分方程来描述的系统自动控制

32、系统的工作状态和性能可用非线性微分方程来描自动控制系统的工作状态和性能可用非线性微分方程来描述的系统，可分为非线性定常系统、非线性时变系统述的系统，可分为非线性定常系统、非线性时变系统线性定常系统线性定常系统：线性时变系统：线性时变系统：方程的系数是不随时间变化的常数方程的系数是不随时间变化的常数(1)(1)系统的稳定性与相关条件：系统的稳定性与相关条件：线线性性系系统统：稳稳定定性性只只与与系系统统结结构构和和参参数数有有关关，而而与与初初始始条条件件和和输输入入信信号号无无关关。对对于于线线性性定定常常系系统统稳稳定定性性仅仅取取决决于于闭闭环系统特征方程的根在环系统特征方程的根在s s平

33、面的分布。平面的分布。非非线线性性系系统统：稳稳定定性性除除与与系系统统结结构构和和参参数数有有关关外外，还还与与初始条件和输入信号初始条件和输入信号有关。有关。线性系统与非线性系统的特点(2)(2)系统的运动状态：系统的运动状态：线性系统线性系统：收敛于平衡或发散的运动状态，而临界稳定：收敛于平衡或发散的运动状态，而临界稳定状态时，会出现等幅振荡。状态时，会出现等幅振荡。非线性系统：非线性系统：除收敛于平衡状态外，还会遇到在没有外除收敛于平衡状态外，还会遇到在没有外界作用的情况下，系统本身也会产生具有一定固定性的振幅界作用的情况下，系统本身也会产生具有一定固定性的振幅和频率的振荡，称为和频率

34、的振荡，称为自振荡自振荡或称或称自激振荡自激振荡。(3)(3)系统输入正弦信号时的输出：系统输入正弦信号时的输出：线性系统线性系统输出的稳态分量与输入信号输出的稳态分量与输入信号频率相同频率相同，一般振，一般振幅和相位不同。幅和相位不同。非线性系统非线性系统稳态输出一般不是同频率的正弦，而是含有稳态输出一般不是同频率的正弦，而是含有高次谐波分量的非正弦周期函数高次谐波分量的非正弦周期函数。线性系统与非线性系统的特点（续）(4)(4)分析方法：分析方法：线性系统线性系统：根轨迹法、频率法。：根轨迹法、频率法。非线性系统非线性系统：数值解法、描述函数法、相平面法、李雅普：数值解法、描述函数法、相平

35、面法、李雅普诺夫直接法和波波夫法。诺夫直接法和波波夫法。1.3 自动控制系统的分类（续）3按给定量的变化规律分：恒值控制系统恒值控制系统：起控制作用的输入量为恒定值：起控制作用的输入量为恒定值 程序控制系统程序控制系统：控制作用是按预先给定的规律变化：控制作用是按预先给定的规律变化 随动控制系统随动控制系统：控制作用是时间的未知函数：控制作用是时间的未知函数 输入量事先未知，输出量能迅速跟随输入量事先未知，输出量能迅速跟随 输入量的变化输入量的变化 1.3 自动控制系统的分类（续）4按输入、输出信号连续性分：连续系统连续系统：输入输出信号是时间的连续函数：输入输出信号是时间的连续函数离散系统离

36、散系统 ：输入输出值在离散时间上配置的脉冲序列函数：输入输出值在离散时间上配置的脉冲序列函数5按被控制量参数的性质分：速度控制；位置控制；力和力矩控制；混合变量控制等速度控制；位置控制；力和力矩控制；混合变量控制等 6按系统有无反馈信号分：开环系统开环系统:输出信号对控制信号无直接影响输出信号对控制信号无直接影响 闭环系统闭环系统:输出信号对控制信号有直接影响输出信号对控制信号有直接影响开环控制开环控制 输出信号只取决于输入信号，与输出信号无关。输出信号只取决于输入信号，与输出信号无关。优点优点:结构简单，调试简单结构简单，调试简单 缺点缺点:抗干扰能力差，对环境和元件的要求严格抗干扰能力差，

37、对环境和元件的要求严格开环控制和闭环控制控制器执行元件控制对象输入信号输入信号控制变量控制变量被控量被控量输出信号输出信号开环控制系统组成开环控制系统组成开环控制实例电动机转速控制系统功率放大器M电动机电位器UdUg控制对象控制对象控制装置控制装置电枢电压电枢电压转速转速开环控制实例数控机床的开环控制闭环控制闭环控制 输出信号不仅受输入信号的控制，而且还受与输出信号不仅受输入信号的控制，而且还受与 输出信号成比例的反馈信号的控制输出信号成比例的反馈信号的控制优点优点:抗干扰能力强抗干扰能力强 对元部件的要求不严格对元部件的要求不严格缺点缺点:结构复杂，结构复杂，设计和调试技术复杂。设计和调试技

38、术复杂。开环控制和闭环控制放大运算环节执行元件控制对象给定值给定值控制变量控制变量被控量被控量输出信号输出信号反馈元件比较器比较器电位计，转角，电压信号电位计，转角，电压信号测速电机，转速，电压信号测速电机，转速，电压信号光栅测量装置，位移，数字信号光栅测量装置，位移，数字信号闭环控制实例水面自动调节系统h0h浮子杠杆进水阀门出水阀门闭环控制实例电动机转速控制系统功率放大器M电动机电位器UdUrTGUg闭环控制实例数控机床工作台伺服驱动系统控制理论在机械制造领域中应用最活跃的方面控制理论在机械制造领域中应用最活跃的方面 机械制造过程自动化 加工过程的研究 产品与设备的设计 动态过程或参数的测试第第1章章 复复 习习 题题1经典控制论和现代控制论有何区别？2何谓自动控制和自动控制系统？3用控制理论解决工程问题主要进行哪两方 面工作？4控制系统设计时的性能指标主要包括哪四个 方面?其中动态性能指标又包括哪些具体内 容?5何谓开环系统和闭环系统？各有何特点？6.线性系统与非线性系统各有何特点？