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控制工程基础(第一章)[2]
§1-3 自动控制系统的基本概念
二. 开环控制与闭环控制
1.开环控制系统：系统的输出端和输入端之间不存在反 馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。
北京工业大学机电学院 图5 电机转速控制系统 控制工程基础(第一章)[2]
§1-3 自动控制系统的基本概念
3．产品的优化设计
进行产品设计时，充分考虑产品与设备的动态特性，建 立数学模型，进行优化设计
4．动态过程或参数测试，向着动态测试方向发展。
比如动态精度，动态位移，振动，噪声，动态力与动态 温度等的测量，从基本概念，测试手段到测试数据的处理方 法都与控制理论相关。
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“检测偏差并用以纠Βιβλιοθήκη 偏差”。北京工业大学机电学院
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（2）自动控制系统：如图，自动控制恒温箱。
北京工业大学机电学院 图3 自动控制恒温箱 控制工程基础(第一章)[2]
§1-3 自动控制系统的基本概念
由热电偶将测量到的恒温箱的温度转换成电压信号 u2，并与给定信号u1进行比较得到温度偏差Δu，Δu经 电压放大器和功率放大器放大后，改变执行电机的转速 和方向，并通过传动装置移动调压器的触头，使电阻丝 的电流改变，进而改变恒温箱的温度，直到温度偏差 Δu=0，电机停止。
放大变 换元件
执行 元件
控制 对象
并联校 正元件
反馈元件
局部反馈 主反馈
输出xo
图7 典型的反馈控制系统方块图
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§1-3 自动控制系统的基本概念
1. 给定元件：用于产生给定信号或输入信号，也就 是产生系统的输入。
2. 反馈元件：测量系统的输出，产生主反馈信号， 该信号与系统的输出之间存在确定的函数关系（通常为比 例关系）。
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§1-3 自动控制系统的基本概念
3. 比较元件：比较输入信号与主反馈信号之间的偏差。 可以是物理的比较元件，也可以是一个差接电路，此 时可称做比较环节。
4. 放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大的元 件
5. 执行元件：直接对控制对象进行操作。
6. 控制对象：控制系统所操纵的对象，其输出就是系统 的输出，或称为被调量，被控量。
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§1-3 自动控制系统的基本概念
反馈——输出量经过适当的测量装置将信号全部或部 分返回到输入端，使其与输入量进行比较。
比较的结果叫偏差。
反馈控制原理——基于反馈基础上的“检测偏差并 用以纠正偏差”的原理。
反馈控制系统——利用反馈控制原理组成的系统。
反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。实现自 动控制的装置可能不同，但反馈控制的原理是相同的。
2. 闭环控制系统：系统的输出端和输入端之间存在反 馈回路，输出量对系统的控制作用有直接影响. 闭环的作用是应用反馈来减少偏差。
北京工业大学机电学院 图6 闭环调速系统
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§1-3 自动控制系统的基本概念
闭环系统的优点：精度高 缺点：稳定性差
开环系统的优点：稳定性好，结构简单，容易构建 缺点：精度低
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§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
控制理论在机械制造领域应用最为活跃的几个方面：
1．机械制造过程正在向“自动化”与“最优化”结合的 方向，以及机电一体化的方向发展。
2．制造和加工过程的动态研究。
由于制造和加工过程的高速、高精度要求，需要把整个 过程作为动态系统来研究。
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§1-3 自动控制系统的基本概念
五．对控制系统的基本要求
1．稳定性：指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡 状态的能力。
输出量偏离平衡状态后应该随着时间收敛并且最终回到 初始的平衡状态。
2．快速性：指当系统输出量与给定的输入量之间产生 偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。
2.最优控制——系统已确定，确定系统的输入，已使输 出尽可能符合给定的最佳要求；
3. 最优设计——输入已知，确定系统，以使输出尽可能 符合给定的最佳要求；
4. 滤波与预测——输出已知，确定系统，以识别输入或 输出中的有关信息；
5. 系统辨识——输入、输出均已知，求系统的结构和参 数，也即建立系统的数学模型
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演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/20
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“检测偏差并用以纠正偏差”，通过反馈实现。
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§1-3 自动控制系统的基本概念
给定信号
+ -
电压功率 控制电机 减速器 调压器 放大器
恒温箱
温度
（控制对象） （被调量）
热电偶
图4 自动控制恒温箱方块图
u1——系统输入 恒温箱温度——系统输出 热电偶——反馈元件
自动控制： 没有人直接参与的情况下，使生产过程或被控制
对象的某些物理量准确地按照预期规律变化。
例如：数控机床、焊接机器人、温度控制系统
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§1-1 概述
特点：一个或多个被控制的物理量按照给定量的变 化而变化。
给定量：系统的输入量，可以是物理量、也可以是数 字量；
§1-3 自动控制系统的基本概念
一.自动控制系统工作原理
（1）人工控制系统：如图，人工控制恒温箱。
北京工业大学机电学院 图2 人工控制恒温箱 控制工程基础(第一章)[2]
§1-3 自动控制系统的基本概念
人工观察温度计测得的恒温箱温度，与要求的温度 进行比较，若恒温箱温度高于要求的温度，移动调压器 使电阻丝电流减小以降低恒温箱温度；若恒温箱温度低 于要求的温度，移动调压器使电阻丝电流增加以升高恒 温箱温度。
系统的稳定性、快速性和准确性是相互制约的。
如要求其快速性好，则系统可能会产生强烈的振荡；
如要求其稳定性好，则控制过程可能过于迟缓，快速 性变差，精度也可能变坏。
因此，对于一个控制系统，应综合考虑各方面，解 决稳定性、快速性和准确性之间的矛盾，获得最佳的、 满足需要的综合性能。
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3．准确性：消除偏差过程结束后，系统输出量与给定 的输入量之间残存的偏差，或称为静态精度。
例如，数控机床，其精度越高，加工精度也越高。而恒
值系统，如恒温系统、恒速系统，其精度都在给定值的
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§1-3 自动控制系统的基本概念
不同的系统，其性能要求不一样，如随动系统对快速 性要求高，而调速系统则对稳定性要求高。
1）系统分析——对给定的控制系统，分析其工作 原理，元部件组成，分析系统的稳定性、对输入的快 速响应能力、误差、品质等；
2）系统设计——根据实际需要进行控制系统的设 计，并研究如何用机、电、光、液压部件或设备来实 现该控制系统。
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§1-1 概述
控制论是自动控制、电子技术、计算机科学等多学科相 互渗透的产物：
最优控制、最佳滤波、系统辨识、自适应控制、人 工智能控制等。
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§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
一. 研究机械工程技术中广义系统的动力学 问题
例：质量—弹簧—阻尼系统
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§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
函数，即给定量的变化规律事先无法确定，要求输出 量能够准确、快速地复现给定量。如火炮自动瞄准敌 机的控制系统，仿形加工中的液压仿形刀架随动系统。
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仿形机床：按照样板或靠模控制刀具或工件的运动轨迹 进行切削加工的半自动机床
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§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
二. 研究反馈控制系统的性能和设计
反馈控制系统——系统的输出通过适当的测量装置 将输出信号全部或部分返回到输入端，并与系统的输 入进行比较。
如数控机床，自动生产线，精密工作台等。
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广义地说，机械设备、加工过程都可看成是如图1 所示的动力系统
输入
系统
输出
图1 系统模型
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§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
从系统、输入、输出三者之间的动态关系而言，机械控 制工程的内容可归纳为5类：
1. 系统分析——系统已确定，已知输入，求系统的输出， 并通过输出研究系统本身的有关问题；
7. 校正元件：也称校正装置，用以稳定控制系统，提高 性能。
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§1-3 自动控制系统的基本概念
四．自动控制系统的基本类型
1．按给定量的运动规律来分： （1）恒值调节系统，如稳压电源，恒温箱。 （2）程序控制系统，输入量为已知给定的时间函数，如数
控机床。 （3）随动系统，系统的给定量（或输入量）是时间的未知
闭环系统的精度高、稳定性差是其主要矛盾，当控 制系统的性能要求较高时，可采用闭环与开环相结合的 复合控制。
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