第一章 绪论 第一节控制理论发展的简单回顾在线视频

大家好

欢迎大家走进机械工程控制基础的课堂

首先，我们来了解一下机械工程控制基础的主要内容

机械工程控制基础是一门理论性很强的技术科学

是研究控制论在机械工程中应用的科学

是一门跨控制论与机械工程技术理论领域的边缘学科

机械工程控制基础

课程基于自动控制理论与其他课程的关系如下图所示

复变函数

高等数学

理论力学模拟电子技术，电机与拖动等等，这些课程与自动控制理论都有着密切的关系

在科学和工程技术的发展过程中

自动控制技术起着重要的作用

除了在宇宙飞船，导弹发射和

飞机驾驶等系统中

自动控制技术具有特别重要的作用之外

他在现代机器制造与工业生产过程中也是不可缺少的重要组成部分

随着自动控制理论和技术的不断发展

给人们提供了获得动态系统最佳性能的方法

提高了产品质量

降低了生产成本

提高了劳动生产率

使人们从繁重的体力劳动和重复的手工操作中解放出来

本章将对本课程的主要内容做一个简介

使同学们对自动控制理论的内容有一个基本了解

以便更好的学习，以后各章节

下面我们将对控制理论的发展做个简单的回顾

公元前1400到11000

中国，埃及和巴比伦相继出现自动计时漏壶人类产生了最早期的控制思想

公元前300年，秦昭王时由李冰父子主持设计修建的著名水利工程都江堰

是一种液面控制，是系统观念的杰出体现

公元100年压力山大的希罗发明开必庙门和分发圣水的自动计时装置

公元132年

中国科学家张衡研制出自动测量地震的地动仪

公元

236年中国马军研制出用齿轮传动的制动指示方向的指南车

公元1788年，英国人瓦特用离心式调速器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命

维娜MIT的教授早期进行模拟计算机研究

二战期间，参与火炮控制的研究

提炼出负反馈的概念，1948年维纳锁住控制论出版，标志着这门学科的正式诞生

1954年，我国科学家钱学森在美国运用控制论思想和方法

用英文出版工程控制论

首先，把控制论推广到工程技术领域

短短的几十年里，在各国科学家和科学技术人员的努力下

又相继出版了生物控制论经济控制论和社会控制论等

控制理论已经渗透到了各个领域，并伴随着其他科学技术的发展

极大地改变了整个世界

控制理论自身也在塑造人类文明中不断向前发展

控制理论的中心思想是通过信息的传递

加工处理并加与反馈来进行控制

控制理论是信息学科的重要组成方面

在了解了控制理论的发展之后，下面我们来讲述控制理论的形成及其发展

自动控制理论和自动控制技术的基础理论

是一门理论性很强的工程科学

根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段控制理论

可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分

人们普遍认为，最早工业应用的自动装置是1786年

瓦特发明的离心式蒸汽机调速器

首先，我们了解一下经典控制理论

经典控制理论形成的时间是20世纪40年代到50年代

形成的一门独立学科

它的研究对象是以单输入单输出的线性定常系统为主要研究对象

它所采用的研究方法

以传递函数作为系统的基本数学描述

以频率法和根轨迹法作为分析和设计系统的两种方法

作为现代控制理论来说，他的形成时间为

20世纪50年代末到60年代初

研究对象

适于研究，多输入多输出的系统

这些系统可以是线性的，非线性的，定长的或改变的

所采用的研究方法为

以状态空间表达式作为系统的基本数学描述

以状态空间法作为主要的研究方法

这一个表格就给出了经典控制理论和现代控制理论

在研究对象数学工具分析方法和各自局限性，给出了讲述

基于上述两种控制理论

自动控制技术的

应用主要是在以下技术领域

一

自动控制技术应用于军事航天领域

比如说火炮雷达跟踪系统，人造卫星，宇宙飞船等

二

自动控制技术应用于工业生产过程，比如说轧钢过程

工业窑炉

石油化工，水泥建材，玻璃，造纸等等

三，自动控制技术应用于现代农业生产

比如，自动灌溉农产品质量检测，温室大棚等

四

自动控制技术应用于其他领域

在生物领域

用于人口控制，药物动力学等

在金融领域用于货币控制

家用电器方面

电饭煲，洗衣机，空调，冰箱等等

自动控制技术已经成为促进当代生产发展和科学技术进步的主要因素

是最有发展前途的技术科学之一

自动控制往往是参考人工控制而建立起来的

那什么是控制系统呢？所谓控制系统

是指系统的输出能够按照要求的参考输入或控制输入进行调节的系统

下面我们就以水箱水位的控制系统为例

分析人工控制和自动控制的控制过程如图所示

为人工控制水箱液位的示意图

人工控制的任务是克服水箱出水口扰动q2的变化

保持水箱液位恒定

操作人员可以通过改变进水阀门的开口度控制净水量，q1

达到控制水箱液位的目的

一手动控制，观测实际水位

将实际水位与要求的水位值相比较，得出两者偏差

根据偏差的大小和方向调节进水阀门

即当实际水位低于要求值时

打开进水阀门进水

当实际水位高于要求值时，关闭进水阀门，打开出水阀门出水

从而改变水箱水位

使之与要求值保持一致

通过上述的例子

我们就会发现，人工调节过程可归纳如下

一

操作者观察液位的高度，或者是液位计术的读数

这是人眼的功能

二

将实际的液位高度与给定的液位高度进行比较

得出液位偏离给定值的大小和方向，这是人脑的功能

根据偏差值的大小和方向

再控制进水阀门的开口度

改变进水量，这是人手的功能

由此可见，人工控制的过程就是观测求偏差及进行纠正偏差的过程

简言之，就是求偏与纠偏的过程

如果将上述人工控制过程中的操作人员的作用

由自动控制器来代替

一个人工调节的系统就变成了一个自动控制系统

如图所示

为水箱液位的自动控制系统

在这个自动控制系统中用福祉作为测量元件代替人眼

用电位计作为比较器代替人脑

用放大器，电动机及减速器作为驱动环节代替人手

当电位器的电阻位于中点位置

其输入电压为u1时，电动机m不动

控制阀门有一定的开度

水箱中，进水量与出水量相等

液位保持在希望之上

一旦进水量qe或出水量k2发生变化，例如使液面上升时

图纸位置也相应升高，通过杠杆作用，使电位器电刷下以此时

其电压为u

从而给电动机提供了一定的控制电压

驱动电动机及减速器，减少阀门开口度，使水箱的进水量减少

如果水箱液面开始下降，弗止位置也相应下降，直至偏差等于零

电位器电刷回到中间位置

系统重新处于平衡位置

页面恢复给定高度

反之，若水箱液位下降

则系统会自动增大阀门开口度

加大净水量，使液位上升到一定高度控制系统的工作原理如下

一检测被控量和输出量的实际值

二将实际值与给定值进行比较，得出偏差值

三，用偏差值产生控制调节作用，去消除偏差

与该控制系统对应的方框图如下图所示

目前控制理论在机械制造领域中

应用最为活跃的有以下几个方面

一、在机械制造过程自动化方面

二，在加工过程的研究方面

三，在产品与设备的设计方面

四、在动态过程或参数的测试方面

机械工程控制基础课程就是控制理论在机械工程方面的应用

在后续的章节，我们将深入开展分析与研究

今天的课程就讲解到这里，谢谢大家