控制論是研究什么的？定義？說法一：“控制論”是關于機器的理論說法二：“控制論”是電子計算機和電子學的理論說法三：“控制論”就是類似于數學的一門學科說法四：“控制論”是關于動物和機器中控制和通信的科學（維納定義）“控制論”是以研究各種系統共同存在的控制規律為對象的一門科學。控制論”就是要揭示包括機器、生物、社會在內的各種不同的控制系統的共同規律。是研究各種系統共同控制規律的科學，是方法論。

第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering維納是如何發現問題、提出問題并創立這一全新的學科的呢？人的有目的的活動VS具有控制功能的機器取物火炮打敵機感覺器官：眼、耳檢測機構：雷達中樞決策器官：大腦決策機構：指揮儀效應器官：手、腳……執行機構：隨動系統第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering問題1：各種系統有什么共性？盡管機器與動物在本質上有著天壤之別，有著無生命與有生命的差別，但從機器控制的動作和人的行為過程來看，他們有著相當確切的“同構性”。第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering問題2：究竟是什么東西使的盡管在質的方面有著天壤之別的機器和人在行為活動中，有如此相似的過程呢？開汽車用手取物

方向盤手臂神經輸入端轉動機構手臂、肌肉、大腦執行機構（控制機構）車輪手指輸出端力生物電信息共同點：控制內容的消息----信息，正是控制部分和受控部分之間發生了這種信息的聯系、信息的運動，控制過程才得以實現。控制過程就是系統中信息運動的過程。控制機工作，實際上就是以某種方式向機器發出信號，機器接受信息的地方叫輸入端。機器接受到控制信息產生一系列動作，去完成指定工作，產生這些運動的地方叫執行機構或控制機構。機器完成了指定的工作，產生出工作效果的地方叫輸出端。第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering問題3：控制過程是怎樣具體實現的呢？信息是以怎樣的形式實現控制和操縱的呢？控制的反饋機制控制理論中稱信息的雙向運動為“反饋聯系”。“反饋”是指：控制系統把信息傳輸出去后，又將信息的作用返回到控制系統，并對控制系統的再輸出產生影響。第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering控制論中的三大要素：同構理論信息的流通、交換反饋機制第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering經濟型CIM系統加工過程順序控制系統工業機器人的應用：機器人裝配生產線柔性加工中的機器人車削加工單元中的機器人柔性加工系統中的機器人1—拉床2—車床3—插齒機4—剃齒機5—塔式儲存架6—機器人7—去毛刺機裝配系統中的機器人1—機器人2、3、5、6、7、8、9—軸承、軸、套、墊圈、法蘭、螺母和產品傳送帶4—壓力機裝配系統中的雙臂機器人1~7—固定式電視攝像機8—可轉式電視攝像機9—抓握手臂10—感知手臂11~13—吸塵器零部件14—吸塵器裝配成品焊接作業系統的機器人1—機器人

2—傳送帶

3—汽車殼體噴漆作業系統中的機器人1—工裝板2—循環拖動鏈條3—工件識別站4—工件

5—行程開關6—直角坐標機器人7、8、9、10—垂直關節機器人產品的機電一體化數控銑床數控車床焊接機器人汽車防抱死系統(ABS)

機電一體化系統的構成

位置,速度檢測單元電機機械部件位置,速度反饋CNC數控機床伺服系統組成機電一體化系統的構成執行器控制信息電子控制單元動力源檢測傳感部分機械本體參數變化信息驅動力能量檢測參數控制與控制系統控制器控制閥被控對象傳感器給定值偏差控制器輸出操縱變量被控變量測量值-+自動控制系統方框圖干擾利用系統框圖可以清楚、方便地表示自動控制系統中各個組成部分之間的相互關系，在研究自動控制系統時，通常用方框圖表示控制系統的組成。

數控機床伺服系統，由圖可以看出，它與一般的反饋控制系統一樣，也是由控制器、被控對象、反饋測量裝置等部分組成。

伺服系統類型數控技術與數控機床

數控系統與數控機床的組成數控技術與數控機床全閉環數控系統位置控制調節器速度控制調節與驅動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋機器人控制系統的組成特點機器人控制系統的一般組成機器人控制系統控制器軟件系統的體系結構機器人控制系統上位機軟件系統ARL是對“精密1號”機器人進行編程和控制的軟件系統。ARL系統駐留在系統磁盤上，每次開機時加載到內存。下位機軟件系統主要用于對機器人的四個關節進行位置伺服控制，利用iRMXIII提供的應用系統固化功能，下位機控制軟件固化于EPROM中。ABS工作原理簡介輪速傳感器傳感器轉子制動分缸制動燈開關制動盤電子控制單元ECU執行器ActuatorABS執行器:

壓力降低時的工作示意圖制動總缸泵ABSECU單向閥1單向閥2單向閥3回位彈簧A孔關閉B孔打開5A12VC孔ABS執行器:壓力保持時的

工作示意圖制動總缸ABSECU單向閥1單向閥2單向閥3回位彈簧A孔關閉B孔關閉2A12VC孔ABS執行器:壓力升高時的工作示意圖制動總缸ABSECU單向閥1單向閥2單向閥3回位彈簧A孔打開B孔關閉0A12VC孔制動液壓系統電子控制單元ECU計算電路計算電路輪速傳感器輸入放大電路輸出信號輪速傳感器FLRRFRRL電源監控電路故障記憶電路警告燈驅動電路電磁閥控制電路電磁閥控制電路左前電磁閥右前電磁閥后輪電磁閥ABS警告燈電磁閥繼電器泵電動機繼電器繼電器電源外部信號輸出信號泵電動機監視制動開關電磁閥繼電器監視機電一體化系統模型例如，對于如圖所示的數控伺服系統直流伺服電機控制伺服電機控制方式驅動與控制一個驅動系統性能的好壞，不僅取決于電機本身的特性，而且還取決于驅動電路的性能以及兩者之間的相互配合。對驅動電路一般要求頻帶寬、效率高、能量能回授等。目前常用晶體管驅動和晶閘管直流調速驅動，廣泛采用的直流伺服電機的晶體管驅動電路有線性直流伺服放大器和脈寬調制放大器(PwM)。一般，寬頻帶低功率系統選用線性放大器(小于幾百瓦)，而脈寬調制放大器常用在較大的系統中，尤其是那些要求在低速和大轉矩下連續運行的場合。一、晶閘管直流調速驅動電機部部分：機械傳動系統：數控伺服系統的方框圖為：第一章

控制系統的基本概念一、機械工程控制論的研究對象與任務二、控制系統的工作原理及其組成三、控制系統的基本類型四、對控制系統的基本要求五、本課程的任務及主要內容第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering一、機械工程控制論的研究對象與任務系統是由相互聯系、相互作用的若干部分構成且具有一定運動規律的一個有機整體。是按一定規律聯系在一起的元素的集合。系統及廣義系統要素：元素元素之間的關系第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering機械工程控制論實質上是研究機械工程技術中廣義系統的動力學問題。具體地說，它研究的是機械工程廣義系統在一定的外界條件（即輸入或激勵、干擾）作用下，從系統的一定的初始狀態出發，所經歷的由其內部的固有特性（即由系統的結構與參數所決定的特性）所決定的整個動態歷程；研究這一系統及其輸入、輸出三者之間的動態關系。機械工程控制論的研究對象系統輸入輸出外界作用系統內部的信息傳遞與交互系統的響應第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering從系統、輸入、輸出三者之間的關系出發，根據已知條件與求解問題的不同，機械工程控制論的任務可以分為以下五種：（1）已知系統和輸入，求系統的輸出，即系統分析問題；（2）已知系統和系統的理想輸出，設計輸入，即最優控制問題；（3）已知輸入和理想輸出時，設計系統，即最優設計問題；（4）輸出已知，確定系統，以識別輸入或輸入中的有關信息，此即濾波與預測問題；（5）已知系統的輸入和輸出，求系統的結構與參數，即系統辨識問題。機械工程控制論的研究任務

加熱電阻絲~220V調壓器人工控制的恒溫箱

溫度計第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering二、控制系統的工作原理及其組成控制：通過對一定對象實施一定的操作，以使其按照預定的規律運動或變化的過程。

自動控制：在無人直接參加的情況下，利用控制裝置使被控對象和過程自動地按預定規律變化的控制過程。自動控制系統：是由控制裝置和被控對象所組成，它們以某種相互依賴的的方式組合成為一個有機整體，并對被控對象進行自動控制。控制器：對被控對象起控制作用裝置的總體.被控對象：要求實現自動控制的機器，設備或生產過程。控制器：對被控對象起控制作用裝置的總體，稱做控制裝置或控制器。輸出量：表現于控制對象或系統輸出端，并要求實現自動控制的物理量。輸入量：作用于控制對象或系統輸入端，并可使系統具有預定功能或預定輸出的物理量。擾動：所有妨礙控制量對被控量按要求進行正常控制的因素，稱為干擾量或擾動量。退出1自動控制與自動控制系統被控對象：恒溫箱

控制器：除恒溫箱以外的所有裝置，統稱為控制器。

被控制量：恒溫箱的實際溫度為被控制量（系統的輸出量）

希望值：希望的恒溫箱的溫度。控制量：加熱電阻絲的輸出功率。擾動量（干擾）：恒溫箱散熱量

第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering人工控制恒溫箱調節過程：

觀測恒溫箱內的溫度（被控制量）

與要求的溫度（給定值）進行比較，得到溫度

偏差的大小和方向

根據偏差大小和方向調節調壓器，控制加熱電

阻絲的電流以調節溫度回復到要求值。人工控制過程的實質：檢測偏差再糾正偏差。第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering系統方框圖系統方框圖由許多對信號（量）進行單向傳遞的元件方框和一些連線組成，表征了系統各元件之間及系統與外界之間進行信息交換的過程。包括三個基本的單元:引出點,比較點,元件方框大腦手調壓器恒溫箱眼睛實際溫度期望溫度人工控制恒溫箱系統功能框圖溫度計-

自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（通稱被控對象）的某個工作狀態或參數（即被控量）自動地按照預定的規律運行。如：數控機床、室內溫度控制、機車、船舶

及飛機自動駕駛、導彈制導等。第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering加熱電阻絲~220V調壓器熱電偶給定信號比較電壓放大器功率放大器執行電動機減速器u2u1u恒溫箱自動控制系統第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering恒溫箱自動控制系統工作原理：恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓u2

恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度

u2比較得到溫度偏差信號u＝u1

u2溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動

執行電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸

頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向

運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為

止，此時，偏差u＝0，電機停止轉動。第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering給定信號電壓功率放大器控制電機減速器調壓器恒溫箱(控制對象)熱電偶u1u2uuanvu溫度t(被控量)擾動恒溫箱自動控制系統功能框圖第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering從恒溫箱控制系統功能框圖可見：

給定量位于系統的輸入端，稱為系統輸入量。

也稱為參考輸入量（信號）。

被控制量位于系統的輸出端，稱為系統輸出量。

輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系

統的輸入端，使之與輸入量進行比較，產生偏

差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。

輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部

分輸出信號稱為反饋信號。第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering綜上所述，控制系統的工作原理：檢測輸出量（被控制量）的實際值將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比

較得出偏差；

用偏差值產生控制調節作用去消除偏差，使得

輸出量維持期望的輸出。第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering由于存在輸出量反饋，上述系統能在存在無法預計擾動的情況下，自動減少系統的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態）之間的偏差，故稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎上，其控制方式是“檢測偏差再糾正偏差”。第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間既定關系的系統。稱為反饋控制系統。反饋控制系統具備測量、比較和執行三個基本功能。

注意：反饋控制系統中，反饋信號是與給定信號相減，使偏差越來越小，稱為負反饋。負反饋控制是實現自動控制最基本的方法。第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering

開環控制與閉環控制實際的控制系統根據有無反饋作用可分為兩類：

開環控制系統

閉環控制系統第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering

開環控制系統特點：系統僅受輸入量和擾動量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個控制過程中對系統的控制不產生任何影響。

輸入裝置指令系統輸入控制裝置伺服驅動裝置工作臺工作臺

位置系統輸出數控機床的開環控制系統框圖第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering優點：簡單、穩定、可靠。若組成系統的元件特性和參數值比較穩定，且外界干擾較小，開環控制能夠保持一定的精度。缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力控制器對象或過程輸入量輸出量開環控制系統框圖第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering

閉環控制系統特點：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程有直接影響。閉環的作用：應用反饋，減少偏差。優點：精度高，對外部擾動和系統參數變化不敏感缺點：存在穩定、振蕩、超調等問題，系統性能分析和設計麻煩。第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering控制器對象或過程輸入量輸出量測量元件閉環控制系統框圖反饋量第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering

閉環控制系統的組成給定元件+串聯校正元件放大變換元件執行元件控制對象_+_并聯校正元件局部反饋反饋元件主反饋控制部分比較元件比較元件輸入信號

xi偏差信號

e主反饋信號

xb擾動信號輸出

xo閉環控制系統的組成第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering

給定元件

產生給定信號或輸入信號。

反饋元件

測量被控制量（輸出量），產生反饋信號。為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。

第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering

比較元件

對給定信號和反饋信號進行比較，產生偏差信號；

放大元件

對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅動執行元件實現控制功能。

執行元件

直接對受控對象進行操縱的元件；如電動機、液壓馬達等；

第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering

校正元件用以改善系統控制質量的裝置。校正元件分為串聯和并聯兩種。控制系統中比較元件、放大元件、執行元件和反饋元件等共同起控制作用，統稱為控制器。實際的控制系統中，擾動總是不可避免的，擾動分為內部擾動和外部擾動，但在控制系統中，擾動集中表現在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控制系統的擾動等效為對控制對象的干擾。第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering三、控制系統的基本類型

按輸入量的特征分類

恒值控制系統系統輸入量為恒定值。控制任務是保證在任何擾動作用下系統的輸出量為恒值。

如：恒溫箱控制、電網電壓、頻率控制等。

程序控制系統輸入量的變化規律預先確知，輸入裝置根據輸入的變化規律，發出控制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運動。如數控加工系統。第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering隨動系統（伺服系統）輸入量的變化規律不能預先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準確地復現輸入信號的變化規律。

如：仿形加工系統、火炮自動瞄準系統等。第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering

按系統中傳遞信號的性質分類

連續控制系統系統中各部分傳遞的信號為隨時間連續變化的信號。連續控制系統通常采用微分方程描述。

離散（數字）控制系統系統中某一處或多處的信號為脈沖序列或數字量傳遞的系統。離散控制系統通常采用差分方程描述。

第一章

控制系統的基本概念第一章

控制系統的基本概念Collegeofmechanical&electronicengineering

其它分類方法

線性系統