第一章绪论 讲授内容 1.1机械工程控制论的研究对象与任务 一、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。一个较大系统之内可能包括若干个较小 的子系统。不仅系统的各部分之间存在非常紧密的联系，而且， 系统与外界之间也存在一定的联系。系统与外界之间的联系如图 1.1.1所示，其中，输入：外界对系统的作用，它包括给定的输 入和干扰：输出：系统对外界的作用。 丝人系货出 图1.1.1系统及其与外界的联系 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，通常将它们统称为广义系统。 二、机械工程控制论的研究对象 机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广义系统的 动力学问题。具体地说，它研究的是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：研究这一系统及其输 入、输出三者之间的动态关系。 三、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种：
第一章 绪论 讲授内容 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务 一、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。一个较大系统之内可能包括若干个较小 的子系统。不仅系统的各部分之间存在非常紧密的联系，而且， 系统与外界之间也存在一定的联系。系统与外界之间的联系如图 1.1.1 所示，其中，输入：外界对系统的作用 ，它包括给定的输 入和干扰；输出：系统对外界的作用。 图 1.1.1 系统及其与外界的联系 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，通常将它们统称为广义系统。 二、机械工程控制论的研究对象 机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广义系统的 动力学问题。具体地说，它研究的是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；研究这一系统及其输 入、输出三者之间的动态关系。 三、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种：
(1)己知系统和输入，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)己知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题： (4)输出已知，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)已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨 识问题。 1.2系统及其模型 一、系统的特性 系统具有如下特性： (1)系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的结构 有关： (2)系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多： (3)系统往往具有表现出在时域、频域或空域等域内的动态特 性。 二、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”。 三、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 系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。即，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 一、系统方框图及其组成
（ 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时，设计系统，即最优设计问题； （ 4）输出已知，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）已知系统的输入和输 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 一、系统的特性 系统具有如下特性： （ 1）系统的性能不仅与系 统的元素有关，而且还与系统的结构 有关； （ 2）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多； （ 3）系统往往具有表现出 在时域、频域或空域等域内的动态特 性。 二、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 ”。 三、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 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 系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。即，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 一、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 一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信 息交换的过程。它包括三个基本的单元，即 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。 比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号进行相加或相 减运算。“+”表示信号相加：“.”表示信号相减，如图1.3.1.（b) 所示。 元件方框：方框中写入元、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1.3.1.(c)所示。 2”⑧±型五元廊件名 a引出点 b)比较点 )元件方轻 图1.3.1系统方框图的基本组成单元 二、信息及信息反馈的概念 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。 三、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 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
系统方框图由许多对信号（量）进行 单向传递的元件方框和 一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信 息交换的过程。它包括三个基本的单元，即 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。 比较点（相加点）：表示两个或两个以上的信号进行相加或相 减运算。“ +”表示信号相加；“ -”表示信号相减，如 图 1.3.1.（ b） 所示。 元件方框：方框中写入元、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 1.3.1.（ c）所示。 图 1.3.1 系统方框图的基本组成单元 二、信息及信息反馈的概念 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。 三、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 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 一、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，以使其按照预定的 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 控制的装置或元件称为被控对象（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信号（输入信号、 希望值)的元件。 反馈元件（测量元件）：控制系统中用于测量被控量（输出 量)，产生反馈信号的元件。反馈信号与输出量之间往往存在确 定的函数关系。 比较元件：控制系统中用以比较输出信号与反馈信号，并求 取偏差信号的元件。有时并非为物理元件，可能通过物理定律或 其他定律实现。 放大元件：控制系统中对输入信号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 是系统的输出（输出量）。 希望值：希望的被控对象运动规律或状态的物理量（或称输 入量、系统输入)。 偏差：系统的输入量与反馈量之差或之和（即比较环节的输 出值)。 控制量：被控对象的输入量。由于往往是偏差的某种函数， 因此，也可将偏差看成为控制量。 扰动量（干扰）：指除给定量以外，所有使得被控制量偏离
1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求 一 、 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 ，以 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 控制的装置或元件称为被控对象（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信号（输入信号、 希望值）的元件。 反馈元件（测量元件）：控制系统中用于测量被控量（输出 量 ），产生反馈信号的元件。反馈信 号与输出量之间往往存在确 定的函数关系。 比 较 元 件 ：控 制 系 统 中 用 以 比 较 输 出 信 号 与 反 馈 信 号 ，并 求 取 偏 差 信 号 的 元 件 。有 时 并 非 为 物 理 元 件 ，可 能 通 过 物 理 定 律 或 其他定律实现。 放 大 元 件 ：控 制 系 统 中 对 输 入 信 号 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 是系统的输出（输出量）。 希 望 值 ：希 望 的 被 控 对 象 运 动 规 律 或 状 态 的 物 理 量（ 或 称 输 入量、系统输入）。 偏 差 ：系 统 的 输 入 量 与 反 馈 量 之 差 或 之 和（ 即 比 较 环 节 的 输 出值）。 控制量：被控对象的输入量。由于往往是偏差的某种函数， 因此，也可将偏差看成为控制量。 扰 动 量 （ 干 扰 ）： 指 除 给 定 量 以 外 ， 所 有 使 得 被 控 制 量 偏 离
给定值的因素。扰动包括因系统外部因素发生变化而引起的外扰 和因系统内部因素所引起的内扰。 人工控制：在人的直接参与下，使被控对象的被控制量按预 定的规律运动或变化的控制方式。 自动控制：在无人直接参与的情况下，利用一组装置使被控 对象的被控制量按预定的规律运动或变化的控制方式。 自动控制系统：被控对象和参与实现其被控制量自动控制的 装置或元、部件的组合。 二、对广义系统按反馈的情况进行分类 (1)开环系统：当一个系统以所需的方框图表示而没有反 馈回路时，称之为开环系统。 开环控制系统一般由给定元件、放大元件、执行元件、被控 对象等单元组成，其方框图可表示成如图1.4.1的形式。 人一由2无剂一和成大无的一典行无们一黄秋对包靠进 图1.4.1开环控制系统方框图 (2)闭环系统：当一个系统以所需的方框图表示而存在反 馈回路时，称之为闭环系统。闭环控制系统一般由给定元件、比 较元件、放大元件、执行元件、被控对象、测量元件等单元组成 其方框图可表示成如图1.4.2的形式。 省人鱼定元件士⑧一医算成大无们一我行无们一慧控对图触 测显无件 图1.4.2闭环控制系统方框图 若将控制系统按被控对象和控制器两部分进行划分，则开环 系统和闭环系统还可以分别表示为如图1.4.3.(a)、(b)的形式
给定值的因素。扰动包括因系统外部因素发生变化而引起的外扰 和因系统内部因素所引起的内扰。 人工控制：在人的直接参与下，使被控对象的被控制量按预 定的规律运动或变化的控制方式。 自动控制：在无人直接参与的情况下，利用一组装置使被控 对象的被控制量按预定的规律运动或变化的控制方式。 自动控制系统：被控对象和参与实现其被控制量自动控制的 装置或元、部件的组合。 二、对广义系统按反馈的情况进行分类 （ 1）开环系统：当一个系统以所需 的方框图表示而没有反 馈回路时，称之为开环系统。 开环控制系统一般由给定元件、放大元件、执行元件、被 控 对象等单元组成，其方框图可表示成如图 1.4.1 的形式。 图 1.4.1 开环控制系统方框图 （ 2）闭环系统：当一个系统以所需 的方框图表示而存在反 馈回路时，称之为闭环系统。闭环控制系统一般由给定元件、比 较元件、放大元件、执行元件、被控对象、测量元件等单元组成， 其方框图可表示成如图 1.4.2 的形式。 图 1.4.2 闭环控制系统方框图 若将控制系统按被控对象和控制器两部分进行划分，则开环 系统和闭环系统还可以分别表示为如图 1.4.3.（ a）、（ b）的形式