机械工程控制基础-学习辅导与题解-第1章-绪--论.doc

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1、机械工程控制基础学习辅导与题解（修订版）第1章绪论内容提要1.1机械工程控制论的研究对象与任务1.1.1系统及广义系统系统是由相互联系、相互作用的若干部分构成，且具有一定运动规律的一个有机整体。系统各元素之间存在着非常紧密的联系，而且，系统与外界也存在一定的联系。系统及其与外界的关系如图1.1-1所示，其中.输入是指外界对系统的作用，输出是指系统对外界的作用。系统可大可小可繁可简，甚至可“实”可“虚”，完全由研究的需要而定，因而将它们统称为为广义系统。系统输出输入图1.l-l系统及其与外界的联系1.1.2机械工程控制论的研究对象机械工程控制论实质上足研究机械工程技术中

2、广义系统的动力学问题。具体地说，它研究机械工程广义系统在一定的外界条件（即输入或激励、干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性（即由系统的结构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程，研究这一系统与其输入、输出三者之间的动态关系。1.1.3机械工程控制论的研究任务从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械工程控制论的任务可以分为以下五方面：（1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；（2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；（3）已知输入和理想输出，设计系统，即最优设计问题；（4）已知输

3、出，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息.此即滤波与预测问题；（5）已知系统的输^和输出，求系统的结构与参数即系统辨识问题。1.2系统及其模型1.2.1系统的特性（1）系统的性能不仅与构成系统的元素有关，而且还与系统的结构有关；（2）系统具有层次性；（3）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；（4）系统是运动的，具有～定的动态特性。1.2.2机械系统以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统称为机械系统。对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。1.2.3系统模型系统的模型包括实物模型、物理模型和数学模型等等，而数学

4、模型又包括静态模型和动态模型。动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或控制工程中，一般关心的是系统的动态特胜，因此，往往需要采用动态数学模型。一般所指的系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式。1.3反馈1.3.1系统方框图及其组成系统方框图由许多对信号（量）进行单向传递的元件方框和些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界进行信息交换的关系。系统方框图包括以下三个基本的单元：（1）引出点（分支点）表示信号的引出或信号的分支，箭头表示信号的传递方向，线上标记信号的名称，如图1.3-1（a）所示。（2）比较点（相加点）表示两个或两个以上的信号进行相加

5、或相减运算。“+”表示信号相加，“-”表示信号相减，如图1.3-1（b）所示。（3）元件方框方框中写入元件、部件的名称，进入箭头表示其输入信号，引出箭头表示其输出信号，如图l.3-1（c）所示。1.3.2信息及信息反馈信息一切能表达一定意义的信号、符号和密码等统称为信息，也可定义为事物运动的状态或方式。反馈（信息反馈）将系统的输出以一定的方式返回到系统的输入端并共同作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。xxx（a）图1.3-1系统方框图的基本组成单元x1x2x1±x2（b）xixo（c）元件名称1.3.3内反馈和外反馈内反馈在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为

6、内反馈。它是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因。纷繁复杂的内反馈的存在，使得机械系统变得异常复杂。读者对于机械系统中普遍存在的内反馈现象应引起足够的重视。外反馈在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈，称为外反馈。1.4系统的分类及对控制系统的基本要求1.4.1控制系统的基本概念控制通过对一定对象实施一定的操作，使其按照预定的规律运动或变化的过程。被控对象在控制理论和控制技术中，运动规律或状态需要控制的装置称为被控对象（控制对象）。被控对象可大可小，甚至可“实”可“虚”。控制器在控制系统中，除被控对象以外的

7、所有装置，统称为控制器。给定元件控制系统中，主要用于产生给定量（输入量、希望值）的元件。反馈元件（测量元件）控制系统中，用来测量被控量（输出量）、产生反馈量的元件。反馈量与输出量之间往往存在定的函数关系。比较元件控制系统中，用来比较输入量与反馈量、并求取偏差量的元件。有时它并非为物理元件，可能通过物理定律或其他定律实现。特别是在计算机控制系统中，比较元件是在控制程序中，用加减语句来体现的。放大元件控制系统中，对控制量进行幅值放大或功率放大的元件。执行元件控制系统中，直接对被控对象进行操作的元件。被控制量表征被控对象运动规律或状态的物理量，实质上是系统