第一章 绪 论

 

1-1 概述

 

自动控制是一个非常有吸引力的研究领域，在工农业生产、军事领域及航空航天方面，都得到了充分的应用。正因如此，各工程专业都对0学生和研究生开设了相关的课程。

 

自动控制理论发展史

 

• 18世纪，James Watt 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。在控制理论发展初期，做出过重大贡献的众多学者中有迈纳斯基、黑曾和奈魁斯特。

 

• 1922，Minorsky研制船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性。

 

• 1932年，Nyquist提出了一种相当简便的方法，根据对稳态正弦输入的开环响应，确定闭环的稳定性。

 

• 1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念。讨了可以精确跟踪变化的输入信号的继电式伺服机构。

 

• 19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，从20世纪40年代末到50年代初，伊凡思Evans提出并完善了根轨迹法。

 

频率响应法和根轨迹法是古典控制理论的核心。由这两种方法设计出来的系统是稳定的，并且或多或少地满足一组适当的性能要求。一般来说，这些系统是令人满意的，但它不是某种意义上的最佳系统。

 

由于具有多输入和多输出的现代设备变得愈来愈复杂，所以需要大量方程来描述现代控制系统。古典控制理论只涉及单输入、单输出系统，对于多输入、多输出系统就无能为力了。

 

• 19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提供了可能。因此，利用状态变量、基于时域分析的现代控制理论应运而生，从而适应了现代设备日益增加的复杂性，同时也满足了军事、空间技术和工程应用领域对精确度、重量和成本方面的严格要求。

 

• 从1960年到1980，不论是确定性系统的最佳控制、还是随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。

 

• 从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、控制及其相关课题。

 

如今，数字计算机的价格比较便宜，而且体积也变得更为紧凑，它们已成为控制系统中不可缺少得组成部分。现代控制理论的近期应用已经扩充到非工程系统，诸如生物系统、生物医学系统、经济系统和社会经济系统。

 

这就是要学习的机械控制理论。它是研究用控制理论的基本原理来解决机械工程中的实际技术问题。具体就是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。比如：数控机床就是系统，控制指令就是输入，而数控机床有关的运动就是输出。

 

 

本门课程主要介绍经典控制理论研究怎样将其与机械相结合，并应用于机械。

 

1-2 基本概念

 

反馈 大家在模拟电子电路中曾经涉及到反馈的概念。反馈有正反馈和负反馈之分。

 

反馈 把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。

 

反馈控制 就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。

 

凡是系统输出信号对控制作用常称为闭环系统。输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值。

 

系统 完成一定任务的一些元、部件的组合。系统是一个广义的概念。系统不限于物理系统(如一台机器)；系统的概念可以应用于抽象的动态现象，如在经济学中遇到的一些现象，人的思维及动态行为；系统也可以是一个过程。因此，“系统”这个词，应当理解为包含了物理学，生物学和经济学等现象的系统。

 

开环系统如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统。在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量。

 

洗衣机就是开环控制系统的例子。浸湿、洗涤和漂清过程，在洗衣机中是依次进行的，在洗涤过程中，无需对其输出信号，即衣服的清洁程度进行测量。

 

在任何开环控制中，系统的输出量都不被用来与参考输入进行比较，因此，对应于每一个参考输入量，便有一个相应的固定工作状态与之对应，这样，系统的精度便决定于校准的精度（为了满足实际应用的需要，开环控制系统必须精确地予以校准，并且在工作工程中保持这种校准值不发生变化）。当出现扰动时，开环控制系统就不能实现既定任务了，如果输入量与输出量之间的关系已知，并且不存在内扰与外扰，则可以采用开环控制。沿时间坐标轴单向运行的任何统，都是开环系统。

 

闭环系统凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值。换句话说，“闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。

 

 

开环控制系统：

 

特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。

 

优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。

 

缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。

 

闭环控制系统：

 

特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。

 

优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感。

 

缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。

 

1-3 对自动控制系统的基本要求

 

对自动控制系统基本要求

 

稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）。

 

“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。

 

系统的过渡过程产生的原因 ： 系统中储能元件的能量不可能突变。

 

“准”是说明系统的稳态（静态）品质

 

稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。

 

线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。

 

快速性是系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和快慢，通常称为“系统动态性能”。

 

过程时间、超调量

 

准确性是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出（被控量）达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。 

 

实例分析：水箱水位调器