【正文】 .. . . ..：在沒有人的直接參與下，利用控制器使控制對象的某一物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。第一節(jié) 控制系統(tǒng)的工作原理和基本要求一、 控制系統(tǒng)舉例與結(jié)構(gòu)方框圖例1． 一個人工控制的恒溫箱，希望的爐水溫度為100C176。,利用表示函數(shù)功能的方塊、信號線，畫出結(jié)構(gòu)方塊圖。圖1 人通過眼睛觀察溫度計來獲得爐內(nèi)實際溫度，通過大腦分析、比較，利用手和鍬上煤炭助燃。 圖2例2． 圖示為液面高度控制系統(tǒng)原理圖。試畫出控制系統(tǒng)方塊圖和相應(yīng)的人工操縱的液面控制系統(tǒng)方塊圖。解：浮子作為液面高度的反饋物，自動控制器通過比較實際的液面高度與希望的液面高度，調(diào)解氣動閥門的開合度，對誤差進(jìn)行修正，可保持液面高度穩(wěn)定。 圖3 圖4 圖5結(jié)構(gòu)方塊圖說明：：帶有箭頭的直線（可標(biāo)時間或象函數(shù)）U(t),U(s)； ：表示信號引出或測量的位置； 3．比較點：對兩個以上的同性質(zhì)信號的加減運(yùn)算環(huán)節(jié)； 4．方 框：代表系統(tǒng)中的元件或環(huán)節(jié)。 方塊圖中要注明元件或環(huán)節(jié)的名稱，函數(shù)框圖要寫明函數(shù)表達(dá)式。二．控制系統(tǒng)的組成1．給定環(huán)節(jié)：給出輸入信號，確定被控制量的目標(biāo)值。2．比較環(huán)節(jié)：將控制信號與反饋信號進(jìn)行比較，得出偏差值。3．放大環(huán)節(jié)：將偏差信號放大并進(jìn)行必要的能量轉(zhuǎn)換。4．執(zhí)行環(huán)節(jié)：各種各類。5．被控對象：機(jī)器、設(shè)備、過程。6．測量環(huán)節(jié)：測量被控信號并產(chǎn)生反饋信號。7．校正環(huán)節(jié)：改善性能的特定環(huán)節(jié)。 三．控制系統(tǒng)特點與要求1．目的：使被控對象的某一或某些物理量按預(yù)期的規(guī)律變化。2．過程：即“測量——對比——補(bǔ)償”。 或“檢測偏差——糾正偏差”。3．基本要求：穩(wěn)定性 系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，不能震蕩； 快速性 接近目標(biāo)的快慢程度，過渡過程要小； 準(zhǔn)確性 第二節(jié) 控制系統(tǒng)的基本類型1．開環(huán)變量控制系統(tǒng)（僅有前向通道） 圖62．閉環(huán)變量控制系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好；缺點：不能糾偏，精度低。 閉環(huán)系統(tǒng)：與上相反。 第三節(jié) 典型控制信號 輸入信號是多種多樣的，為了對各種控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行統(tǒng)一的評價，通常選定幾種外作用形式作為典型外作用信號，并提出統(tǒng)一的性能指標(biāo)，作為評價標(biāo)準(zhǔn)。 1．階躍信號 x(t)=0 t＜0 X(t)=A t≥0圖7當(dāng)A=1時，稱為單位階躍信號，寫為1（t）。 階躍信號是一種對系統(tǒng)工作最不利的外作用形式。例如，電源突然跳動，負(fù)載突然增加等。因此，在研究過渡過程性能時通常都選擇階躍函數(shù)為典型外作用，相應(yīng)的過渡過程稱為階躍響應(yīng)。2．脈沖函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式 x(t)=A/T 0≤t≤T X(t)=0 其它 圖8脈沖函數(shù)的強(qiáng)度為A，即圖形面積。單位脈沖函數(shù)（δ函數(shù)）定義為δ(t)=1(t)性質(zhì)有: δ(t)=0 t≠0 δ(t)=∞ t＝0 且 圖9強(qiáng)度為A的脈沖函數(shù)x(t)也可寫為x(t)=Aδ(t)必須指出，脈沖函數(shù)δ(t)在現(xiàn)實中是不存在的，它只有數(shù)學(xué)上的意義，但它又是很重要的很有效的數(shù)學(xué)工具。3．斜坡函數(shù)（恒速信號） x(t)=At t≥0 x(t)=0 t＜0 圖10在研究飛機(jī)系統(tǒng)時，常用恒速信號作為外作用來評價過渡過程。4．恒加速信號 x(t)=At2/2 t≥0 x(t)=0 t＜0 圖11在研究衛(wèi)星、航天技術(shù)的系統(tǒng)時，常用恒加速信號作為外作用來評價過渡過程。5．正弦函數(shù)（諧波函數(shù)、諧和信號） x(t)=(ωt+φ) t≥0 x(t)=0 t＜0圖126．延時函數(shù)（信號） f(t)=x(tτ) t≥τf(t)=0 t＜0 圖137．隨機(jī)信號（使用白噪聲信號代替）第四節(jié) 控制理論的研究內(nèi)容和方法一．經(jīng)典控制理論1．主要內(nèi)容： 分析——掌握系統(tǒng)的特性，進(jìn)行系統(tǒng)性能的改善； 實驗——對系統(tǒng)特性和改善措施進(jìn)行測試； 綜合——按照給定的靜態(tài)、動態(tài)指標(biāo)設(shè)計系統(tǒng)。 2．方法 時域法——以典型信號輸入，分析輸出量隨時間變化的情況； 頻域法——以諧和信號輸入，分析輸出量隨頻率變化的情況； 根軌跡法——根據(jù)系統(tǒng)的特征方程式的根，隨系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律來研究系統(tǒng)（又稱圖解法）。 二．現(xiàn)代控制理論 1．引入狀態(tài)空間概念； 2．動態(tài)最佳控制； 3．靜態(tài)最優(yōu)控制； 4．自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)系統(tǒng)。 圖14 瓦特調(diào)速器第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為了確定控制系統(tǒng)內(nèi)部各物理量之間定量關(guān)系，必須建立數(shù)學(xué)模型。這一章中心問題是如何從控制系統(tǒng)實體中抽象出數(shù)學(xué)模型。 第一節(jié) 機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（應(yīng)用牛頓定律）∑F=0, F=mF(t)ckx=m 或 F(t)Fc(t)Fk(t)=mFc(t)=阻尼器產(chǎn)生的阻尼力，為c(t)Fk(t)=彈性恢復(fù)力， 為kx(t) 整理：m+c+kx=F(t) 2．機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)J(t)+c(t)+k(t)=M(t) J—轉(zhuǎn)動慣量 c—阻尼系數(shù) K—剛度系數(shù) 圖14 圖153．機(jī)械傳動系統(tǒng)參數(shù)的歸算機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動形式：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、直線運(yùn)動。機(jī)械系統(tǒng)的組成元件：齒輪、軸、軸承、絲杠、螺母、滑塊等。對一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，必須把各部件參數(shù)歸算到同一部件上。在這個部件的慣性力、阻尼力、彈性恢復(fù)力稱為當(dāng)量參數(shù)。如何歸算？采用單因素法。3—1 慣性參數(shù)的歸算1．轉(zhuǎn)動慣量的歸算將圖示系統(tǒng)中的JJ2和J3歸算到a軸上。 圖16 列各軸力矩平衡方程式：a軸： M=J1+ Mbab軸： Mab=J2+ Mcbc軸： Mbc=J3Mba——負(fù)載力矩；Mab——是b軸的主動（驅(qū)動）力矩。列關(guān)系式： ==，同理 力相等關(guān)系由線速度相等關(guān)系： ω1=ω2 得，同理， 代入各關(guān)系式，得 M(t)=M=[J1+J2()2+J3()2]= Ja∑ Ja∑—稱為歸算到a軸上的歸算轉(zhuǎn)動慣量。 推之，對于系統(tǒng)有n個軸，歸算到a軸時， Ja∑ = Ui—是從a軸到第i軸的總速比，即主動齒輪齒數(shù)積/被動齒輪齒數(shù)積。2．移動質(zhì)量歸算為轉(zhuǎn)動慣量列運(yùn)動平衡方程式絲杠：M=J+M1 滑塊: F=m=F軸式中：M1是滑塊作用于絲杠的力矩； F軸是絲杠作用于滑塊的軸向力。為求M與F之間的關(guān)系,列關(guān)系式,把絲杠按πD展成平面。tgα=F周/F軸=S/πD由關(guān)系式 F周=M1, 則F軸=F==根據(jù)運(yùn)動關(guān)系 ==代入到M=J+M1中，整理后得 M=[J+m()2]=J∑ J∑=J+m ()2 圖17圖18第二節(jié) 液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析思路（見圖19）：劃分為兩個環(huán)節(jié)。滑閥： 輸入量 xi(t) 輸出量 θ(t)（中間變量） 液壓缸：輸入量 θ(t) 輸出量 xo(t)建立各元件方程式 圖19滑閥流量方程式θ(t)=f[xi(t), ], 其中= 壓強(qiáng)差流量θ(t)是閥芯位移xi(t)函數(shù)，同時又是負(fù)載壓強(qiáng)差的函數(shù)，具有非線性關(guān)系。如果把非線性問題線性化，這是考慮在額定工作點附近可展成泰勒級數(shù)辦法，則 θ(t)=kqxi(t)kp (1)其中kq是流量增益系數(shù)，kp是壓力影響系數(shù)。（1）式是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)修正而來。液壓缸工作腔液體流動連續(xù)方程式θ(t)=Ao(t)+kt+ (2)A—工作面積，kt—漏損系數(shù)，V—液體體積壓縮率，—彈性模量。在不考慮液體的的可壓縮性，又不考慮泄漏，（2）式可簡化為θ(t)=Ao(t) （3）液壓缸負(fù)載平衡方程式A=mo(t)+co(t)+kxo(t)+F(t) (4)若自由狀態(tài)，即F(t)=0,則A=mo(t)+co(t)+kxo(t) （5）系統(tǒng)的運(yùn)動方程式消去中間變量和θ(t)，得 mo(t)+co(