机械工程控制基础
机械工程控制基础
机械工程控制基础一、控制基础概述控制是指对一种现象或过程进行指定的调节或管理。
在机械工程中，控制是指通过对机械系统中的运动、力学等参数进行监测和调节，以满足特定的工作要求。
机械工程中的控制可以分为开环控制和闭环控制两种。
开环控制是指在控制过程中没有对系统输出进行反馈存储的控制方法，也就是说，输出信号与输入信号之间不存在反馈关系。
这种控制方法不适合对系统精度和稳定性要求较高的场合。
而闭环控制则是在系统输出信号与输入信号之间进行反馈控制，以提高系统的精度和稳定性，使系统能够更好地满足要求。
## 二、控制基础理论控制基础理论主要包括控制对象、控制流程、控制算法、控制器等方面。
其中控制对象是进行控制的主要对象，其性能决定了整个控制系统的性能。
控制流程是指对控制对象进行控制的具体过程。
控制算法是指根据控制流程，运用特定的算法对控制对象进行实时调节，以达到控制要求的方法。
另外，控制器是指控制系统的核心部件，其主要功能是对输入信号进行处理和调节，以使输出信号满足要求。
在机械工程中，常见的控制器有比例控制器、积分控制器和微分控制器等。
三、控制技术的应用控制技术在机械工程中的应用较为广泛，主要应用于机床、起重设备、自动化生产线、机器人等领域。
在机床中，常用的控制技术有数控技术和伺服控制技术。
在起重设备中，常用的控制技术有电控制技术和液压伺服控制技术。
在自动化生产线中，常用的控制技术有PLC控制技术和DCS控制技术。
而在机器人领域，控制技术则是重中之重，常用的技术有轨迹规划控制技术和变形控制技术等。
四、控制工程的发展趋势随着科学技术的不断发展，机械工程控制技术也取得了长足的进步。
现在，智能化、高精度、高速度和高可靠性已成为机械工程控制技术的主要发展方向。
同时，控制工程技术还应紧密地与信息技术、计算机技术、通信技术等相关领域结合，以推动控制工程技术的不断发展。
在未来，随着机器人技术的进一步发展，机器人控制技术也将更加成熟。
02240机械工程控制基础
02240机械工程控制基础第一章绪论1.1控制理论的发展简史（了解）1.2机械工程控制论的研究对象1）机械工程控制理论主要是研究机械工程技术为对象的控制论问题。
2）当系统已经确定，且输出已知而输入未知时，要求确定系统的输入以使输出并根据输出来分析和研究该控制系统的性能，此类问题称为系统分析°3）最优控制制：当系统已经确定，且输出已知而输入已施加但未知时，要求识别系统的输入以使输出尽可能满足给定的最佳要求。
4）滤波与预测问题当系统已经确定，且输出已知，输入已施加当未知时，要求识别系统的输入（控制）或输入中的有关信5）当输入与输出已知而系统结构参数未知时，要求确定系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，此类问题及系统辨识。
6）当输入与输出已知而系统尚未构建时，要求设计系统使系统在该输入条件下尽可能符合给定的最佳要求，此类问题即最优设计。
1.3控制系统的系统的基本概念1）信息传递是指信息在系统及过程中以某种关系动态地传递的过程。
2）系统是指完成一定任务的一些部件的组合。
3）制制系统是指系统的可变输出能按照要求的参考输入或控制输入进行调节的系统。
4）系统分类：按照控制系统的微分方程进行分类分为线性系统、非线性系统。
按照微分方程系数是否随时间变化分为定常系统和时变系统。
按照控制系统传递信号的性质分类分为连续、离散系统。
按照系统中是否存在反馈将系统分为开环控制、闭环控制系统。
5）对控制系统的基本要求有稳定性、快速性、准确性第二章拉普拉斯变换的数学方法2.3典型时间函数的拉式变换（必须牢记）1）单位阶跃函数为，2）单位脉冲函数为，单位脉冲函数具有以下性质3）单位斜坡函数为，L（t）?第三章系统的数学模型....3.1概述1）数学模型概念在控制系统中为研究系统的动态特性而建立的一种模型。
2）建立数学模型的方法有分析法和实验法。
3）线性系统最重要的特性是叠加原理,具体内容是系统在几个外加作用下所产生的响应等于各个外加作用单独作用下的响应之和。
机械工程控制基础(复习要点)
1
1
2）峰值时间：响应曲线达到第一个峰值所需 的时间。
tp d 1 2 n
3）最大超调量 M p ：常用百分比值表示为：
Mp x0 (t p ) x0 () x0 ( )
( / 1 2 )
第四章 频率特性分析
1、频率响应与频率特性
频率响应：线性定常系统对谐波输入的稳态响应。 幅频特性：线性定常系统在简谐信号激励下，其稳 态输出信号和输入信号的幅值比，记为A(ω)； 相频特性：线性定常系统在简谐信号激励下，其稳 态输出信号和输入信号的相位差，记为φ(ω)； 频率特性：幅频特性与相频特性的统称。即：线性 定常系统在简谐信号激励下，其稳态输出信号 和输入信号的幅值比、相位差随激励信号频率 ω变化特性。记为
G B s 1 Gk s G q s
第三章 时间响应分析
1、时间响应及其组成 时间响应：系统在激励作用下，系统输出随 时间变化关系。 时间响应可分为零状态响应和零输入响应或 分为自由响应和强迫响应。 零状态响应：“无输入时的系统初态”为零 而仅由输入引起的响应。 零输入响应：“无输入时的系统初态”引起 的自由响应。 控制工程所研究的响应往往是零状态响应。
K 增益 T 1Fra bibliotekn 时间常数 n 固有频率
阻尼比
6)一阶微分环节： G s s 1 7)二阶微分环节： G s s 2 s 1
2 2
8)延时环节： G s e s
7、系统各环节之间的三种连接方式：
串联：
G s Gi s
G ( j ) A e
j
频率特性又称频率响应函数，是激励频率ω的函数。 频率特性：在零初始条件下，系统输出y(t)的傅里叶 变换Y(ω)与输入x(t)的傅里叶变换X(ω)之比，即 Y j G ( j ) A e X
机械工程控制基础
机械工程控制基础机械工程控制基础是机械工程中非常重要的一部分，涉及到机械工程中各种机器的控制、调整和维护等问题。
机械工程控制基础也包括了机械设计、机械加工和机械维护等方面的知识。
下面将从基础概念、控制系统组成、控制模式和控制环节四个方面来介绍机械工程控制基础。
一、基础概念机械工程控制是通过对机器、设备和系统的控制和调节，使其满足特定的工作要求，保证设备稳定运行，并能对设备的使用进行优化，提高生产效率。
机械工程控制的关键技术是使用电子、仪表和计算机等技术手段，对机械设备和系统进行控制和优化。
二、控制系统组成机械工程控制系统通常由三个部分组成：检测部件、执行部件和控制部件。
1. 检测部件是用来检测控制对象运行状态的传感器和检测器等，如温度传感器、压力传感器、速度检测器等。
2. 执行部件是用来控制控制对象的执行器和驱动器等，如电动机、气缸、伺服电机等。
3. 控制部件则是用来处理检测到的数据，计算出控制指令并送到执行部件，实现对控制对象的控制。
三、控制模式机械工程控制模式通常有三种：开环控制、闭环控制和单自由度控制。
1. 开环控制是一种没有反馈控制的控制方法，控制信号只由输入端产生，不考虑输出端的反馈对控制信号的影响。
开环控制适用于对输出准确性要求不高、对象本身有稳定性和协调性的机械系统。
2. 闭环控制是一种有反馈控制的控制方法，通过检测目标物理量，将实际控制量与给定控制量进行比较，产生偏差，再依照比例、积分、微分控制等方法来调整控制量。
闭环控制适用于对输出准确性要求较高、对象自身性质不稳定、环境变化大或对干扰敏感的机械系统。
3. 单自由度控制是一种对单个目标变量进行控制的控制方式，通过测量系统的某个关键物理量进行控制。
单自由度控制适用于只需要对单个变量进行控制，如升降台、旋转台等。
四、控制环节机械工程控制环节主要有以下几个：1. 检测和传感器：检测和传感器是机械控制中非常重要的一环，它可以实时监测装置的工作情况以及运行时的状态，对于数据的采集、分析和处理等过程起到了很关键的作用。
机械工程控制基础教学大纲
机械工程控制基础教学大纲(实用版)编制人：__________________审核人：__________________审批人：__________________编制单位：__________________编制时间：____年____月____日序言下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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机械工程控制基础
机械工程控制基础机械工程控制基础是机械工程专业的一门重要基础课程，主要涉及工程控制的基本概念、基本原理和基本方法。
下面将从几个方面展开，分别介绍机械工程控制基础的相关内容。
一、控制系统的基本概念1. 系统：指由若干元件、设备或部件组成的整体，可以接受人为或自然力的作用，从而完成某种功能。
2. 控制系统：指通过一定的被控对象和调节器的相互作用，将被控对象使之按照某一规定的要求进行运动或工作的系统。
3. 控制对象：指参与控制系统中的被控元件（或被控设备），其能够通过控制信号而改变某些物理量。
4. 调节器：指参与控制系统中的控制元件（或控制设备），其能够根据实际输出与期望输出之差来调整控制信号。
二、控制原理与分类1. 控制原理：指控制对象按照要求运动或工作的基本规律，包括开环控制原理和闭环控制原理两种。
- 开环控制原理：即在没有反馈的情况下实现对控制对象的控制，主要通过事先确定的控制规律对控制对象进行控制。
- 闭环控制原理：即通过对控制对象输出结果与设定值之间的比较，通过反馈作用对控制器进行调整，使得控制对象输出结果接近设定值。
2. 控制分类：按照被控对象的性质和控制方式的不同，可以将控制系统分为连续控制系统和离散控制系统两种。
- 连续控制系统：指控制对象输出结果的变化是连续变化的，如温度控制系统、速度控制系统等。
- 离散控制系统：指控制对象输出结果的变化是离散变化的，如开关控制系统、数字化控制系统等。
三、控制过程与控制常用方法1. 控制过程：包括调节过程和追踪过程两种。
- 调节过程：指通过对被控对象的调整，使其输出结果稳定在设定值附近的过程。
- 追踪过程：指通过对被控对象的调整，使其输出结果能够随着设定值的变化而相应变化的过程。
2. 控制常用方法：包括比例控制、积分控制、微分控制和 PID 控制等几种常用控制方法。
- 比例控制：根据被控对象实际输出结果与设定值的差异，通过调节控制信号使得差异减小的控制方法。
机械工程控制基础1.基本概念
输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的 输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信 号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程 称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。
负反馈
Hale Waihona Puke 正反馈l1Q1 Q1
l1
H
l2 Q2 l2 Q2
H
College of Mechanical & Material Engineering
三峡大学机械与材料学院
第一章 基本概念
Part 1.3 控制理论的中心问题 稳定性： 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能 力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输 出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。 稳定性是控制系统正常工作的先决条件。控制系 统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。 稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突 变所产生的惯性滞后作用所导致。 气动伺服实例
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三峡大学机械与材料学院
第一章 基本概念
第一章 绪论
本章主要内容: I.1 控制的定义
I.2 系统的工作原理和组成
I.3 控制理论的中心问题
I.4 控制理论基础(Ⅰ)的学习内容
I.5 控制理论的历史发展
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三峡大学机械与材料学院
第一章 基本概念
系统原理方块图
[实质] 检测偏差 纠正偏差。
机械工程控制基础 第1章
反馈控制系统
• 反馈控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。 所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行 控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间 的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈 控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路， 也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成 一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控 制系统。
1.4 系统的几种分类及对控制系统的基本要求
补充：系统方框图的绘制
几个定义
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。
温度计
加热电阻丝
调压器
~220V
人工控制的恒温箱
对象定义
对象 是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合 在一起的，其作用是完成一个特定的动作．我们称任 何被控物体 ( 如加热炉，化学反应器或宇宙飞船 ) 为对 象。
动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。
静态模型和动态模型分析示例——机器隔振系统
F(t) F(t) x(t)
机器 隔振垫
m N(t)
m k c
x(t)
y(t)
y(t)
F(t)：外力，即激励 N(t)：隔振垫对机器的支反力 y(t)：地基的位移，亦可作激励 x(t)：机器的位移，即响应
若以机器m为隔离体，以F(t) 为激励(不考虑y(t))，以位 移x(t)为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学方 程为：
外界作用:输入f(t) (t ) cy (t ) ky(t ) f (t ) my
(1.1.1)
y(0) y0 (0) y 0 y
外界作用:输入x(t)
初始状态
(t ) cy (t ) ky(t ) cx (t ) kx(t ) my
机械工程控制基础ppt课件
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
五、本课程参考书
杨叔子主编 版社
朱骥北主编 胡寿松主编 董景新编著
王积伟编著
《机械工程控制基础》
《机械控制工程基础》 《自动控制原理》 《控制工程基础》 《控制工程基础》
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
机械设计制造(教材)
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
绪论 拉普拉斯变换的数学方法 系统的数学模型 系统的瞬态响应与误差分析 系统的频率特性 系统的稳定性分析 机械工程控制系统的校正与设计
二、控制理论的发展
控制理论发展大体可分三个阶段： 第一阶段： 20世纪40～50年代为经典控制论发展时期。经
典控制论的内容是以微分方程、传递函数为基 础，主要研究单输入、单输出控制系统的分析 和设计问题，对线性定常系统，这种方法是成 熟而有效的。
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为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
实现控制的三个基本步骤
•不论采用人工控制还是自动控制都具有以下的共同点： •一是要检测被控制量的实际值； •二是被控制量的实际值要与给定值进行比较得出 偏差值； •三是要用偏差值产生控制调节作用再去消除偏差。
• 总结：检测偏差，消除偏差
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为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
机械控制工程基础第一章
(a)
(b)
(m p2cpk)y(t)f(t) (m p 2 c p k )y (t) (c p k )x (t)
初始状态：
y(0)y , 0
.
.
y(0) y0
系统固有特性： mp2 cpk
外界作用： f (t) , x(t)
与外界的关系： 1, cpk
初始状态、系统 固有特性、外界 作用、与外界的 关系等四大因素 决定系统响应
机械工程控制基础
教材：
杨叔子等,机械工程控制基础,华中科技大学出版社,(第六 版),2011
参考文献：
1.胡寿松等,自动控制原理,科学出版社,(第五版),2009. 2.李友善.自动控制原理,国防工业出版社,2010. 3.陈康宁.机械工程控制基础.西安交通大学出版社.2005. 4.Matlab使用手册
二、机械工程控制论研究对象与任务
2. 系统的动力学问题 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。 研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。
二、机械工程控制论研究对象与任务
系统的输出： y ( t )
研究任务
➢ 系统分析问题：已知系统和输入，求输出（或响应），并 通过响应来研究系统本身的问题。
➢ 最优控制问题：已知系统和理想输出，求最优输入，使实 际输出满足要求。
➢ 最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。 ➢ 滤波与预测问题：设计或选择合适的系统，以便由输出识
稳定性好，则系统恢复平衡状态的能力强 系统的快速性
快速性好，则消除偏差快，或调整时间短。
机械工程控制基础
机械工程控制基础机械工程控制基础是研究机械系统在各种输入信号作用下的运动规律，以及如何通过控制手段使机械系统实现预定运动或操作目标的学科。
它是机械工程领域中一门重要的基础课程，涵盖了机械系统建模、控制器设计、系统稳定性分析、控制策略优化等方面的内容。
机械工程控制基础的核心思想是通过数学模型来描述机械系统的动态行为，并通过控制器的设计来调整系统的输入信号，使其输出满足特定的要求。
这个过程需要考虑系统的非线性、时变性、不确定性等因素，并采用合适的控制算法来实现对系统的精确控制。
在机械工程控制基础中，常见的控制方法包括比例积分微分（PID）控制、模糊控制、自适应控制、滑模控制等。
这些控制方法各有优缺点，适用于不同类型的机械系统。
选择合适的控制方法需要考虑系统的特性、控制目标以及控制器的实现难度等因素。
机械工程控制基础还涉及到系统稳定性分析。
稳定性是衡量控制系统性能的重要指标，它决定了系统在受到扰动或输入信号变化时是否能够保持稳定运行。
稳定性分析的方法包括李雅普诺夫稳定性理论、频率域分析等。
在实际应用中，机械工程控制基础的知识可以应用于各种机械系统的控制，如、汽车、飞机、船舶等。
通过对机械系统进行精确控制，可以提高系统的性能、可靠性和安全性，满足各种工业和日常生活的需求。
机械工程控制基础是一门研究机械系统控制和稳定性的学科，它为机械工程师提供了理论和方法，使他们能够设计和实现各种复杂的作具有重要意义。
机械工程控制基础机械工程控制基础是研究机械系统在各种输入信号作用下的运动规律，以及如何通过控制手段使机械系统实现预定运动或操作目标的学科。
它是机械工程领域中一门重要的基础课程，涵盖了机械系统建模、控制器设计、系统稳定性分析、控制策略优化等方面的内容。
在机械工程控制基础中，我们不仅要关注机械系统的静态性能，还要关注其动态性能。
静态性能主要指系统在平衡状态下的性能，如静态误差、稳态误差等；而动态性能则关注系统在受到扰动或输入信号变化时的响应特性，如过渡过程时间、超调量等。
机械工程控制基础
对控制系统，可从不同的角度加以分类。 2. 按输出量的变化规律 自动调节系统（恒值系统） 系统的输出保持常量。 如：前例中的离心调速系统，恒温箱、液面控制等。 此类系统同时也是闭环系统。 随动系统 系统的输出相应于输入按任意规律变化。 如：炮瞄雷达系统，仿形加工等。 此类系统同时也是闭环系统。 程序控制系统 系统的输出按预定程序变化。 如：数控机床，全自动洗衣机等。 此类系统可以是开环系统，也可以是闭环系统。
动力学方程：
d 2 y(t ) dy(t ) m c ky(t ) f (t ) 2 dt dt d 2 y(t ) dy(t ) 或 m f (t ) c ky(t ) 2 dt dt
信息交互（反馈）：
m-c-k 单自由度系统
系统本身信息传输与交换
外反馈（反馈控制）： 相对于被控对象而 言，由附加的反馈 控制装置引起的信 息交互。
控制论方法：
控制论：既是一门技术学科，又是一种技术哲学和 一种科学方法论。 控制论强调：
所研究的对象是一个“系统”； 系统在不断地“运动”(经历动态历程，包括内部状态 和外部行为；
产生运动的根据是“内因”(系统的固有特性)。 信息传递与交互 元素间的相互作用
状态变化 动态历程
控制论实质上研究的是广义的系统动力学，其核心 是系统内部以及系统与外界环境的信息交互、传递 和反馈。
例：弹簧—质量—阻尼单自由度系统
（同一系统，不同的外界作用）
动力学方程：
系统（a）
2
(mp cp k)y(t) f(t)
(mp2 cp k)y(t) (cp k ) x(t )
系统（b）
初始状态： y (0) y0 ， y(0) y 0 系统的固有特性：mp
机械控制工程基础
机械控制工程基础机械控制工程基础是机械工程中很重要的一个分支，它的主要目的是通过控制技术来实现机械系统中各种运动、位置和力量等参数的控制。
在机械系统中，控制是必不可少的，因为控制能够帮助机械系统按照既定的规划和要求运作，从而实现高效生产。
本篇文档将对机械控制工程基础的相关知识进行简单介绍。
机械控制工程基础概述机械控制工程基础是应用电子技术、计算机技术、信息技术和控制技术等知识对机械设备进行控制的技术系统。
它是将传感器、执行机构、控制电路等组成合理的控制系统来实现机械设备的各种控制和监测功能的一门技术学科。
机械控制工程基础是包括机械系统控制的各种领域，例如传感技术、控制策略、控制器、单片机和电机控制等。
机械控制工程的学习主要包括以下三个方面：1.了解机械系统中各种控制器的工作原理和结构，熟悉控制技术的方法和应用。
2.了解或学习仪表、传感器和执行机构等的基本原理、调整与维护技术，理解它们对机械系统的控制有着重要的作用。
3.熟悉数字电路与模拟电路的基本特征和分类，掌握单片机技术的基础知识以及编程和操作技术。
机械控制系统的结构机械控制系统由数个功能模块组成，包括传感器、执行机构、控制器和输入/输出设备等组成。
在机械控制系统中，传感器接收和测量被控量，执行机构接受控制信号，并进行动作以控制被控制量的值。
机械控制系统中的控制器主要是利用信号处理和控制方法来进行被控量的控制和监测。
输入和输出设备用于与人机交互，有利于机械控制系统的控制和调整。
机械控制系统的结构可以简单分为以下几个部分：1.传感器模块：用于检测物理量，将物理量转换成电信号或非电信号。
2.控制器模块：用于控制执行机构来改变被控量的状态。
3.执行机构模块：用于控制和实现被控制量的变化和运动。
4.供电系统模块：提供能量和电源，保证机械控制系统正常的工作。
5.输入与输出模块：用于控制设备与人机交互，方便调试和控制。
机械传感技术传感器是机械控制系统的重要部分，它负责收集各种机械量、力学物理量、化学物理量等的数据，并将其转化为可读的电信号或非电信号。
机械工程控制基础第八版课程标准 杨叔子课程标准
机械工程控制基础第八版课程标准杨叔子课程标准机械工程控制是机械工程领域中至关重要的一个学科，它涉及到机械系统的运动、力学特性以及控制方法等方面。
为了使学生更好地学习和掌握机械工程控制基础知识，我们编写了本《机械工程控制基础第八版课程标准杨叔子课程标准》文档，旨在帮助学生系统地学习机械工程控制的基本概念、原理和应用。
2. 课程目标本课程旨在培养学生对机械工程控制的基本理论和方法的理解与应用能力，具体目标如下：2.1 理解机械系统运动学和动力学的基本原理；2.2 掌握机械系统的模型建立与分析方法；2.3 熟悉机械系统的传感器与执行器的特性及应用；2.4 理解控制系统的基本组成与结构；2.5 学会运用控制理论与方法进行机械系统的控制设计与仿真。
3. 教学内容本课程的教学内容包括以下几个方面：3.1 机械系统的运动学与动力学3.1.1 坐标系与描述方法3.1.2 运动参数的定义与表示3.1.3 运动学分析方法3.1.4 动力学分析方法3.2 机械系统的模型建立与分析3.2.1 机械系统的受力分析3.2.2 机械系统的运动方程建立3.2.3 机械系统的状态空间表示3.3 机械系统的传感器与执行器3.3.1 传感器的分类与原理3.3.2 传感器的特性与应用3.3.3 执行器的分类与原理3.3.4 执行器的特性与应用3.4 控制系统的基本组成与结构3.4.1 反馈控制系统的基本概念3.4.2 控制器的种类与性能指标3.4.3 控制系统的闭环与开环结构3.5 控制理论与方法的应用3.5.1 PID控制器的设计与调节3.5.2 状态空间方法的应用3.5.3 多变量控制系统的设计与分析4. 教学方法为了更好地达到课程目标，我们将采用以下教学方法：4.1 理论讲授：通过教师讲解、演示和案例分析，系统地讲解机械工程控制的基本概念和原理。
4.2 实验演示：通过实验演示，让学生亲自操作和实践，提高对机械系统控制的理解和应用能力。
机械控制工程基础
第一章绪论知识结构图知识结构图第一节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）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。
第二节系统及其模型一、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”。
机械工程控制基础
机械工程控制基础简介机械工程控制是指对机械设备、系统或过程进行监控和管理的过程。
它涉及到各种控制方法和技术，以确保机械系统的正常运行和性能优化。
本文将介绍机械工程控制的基础知识和常用的控制方法。
1. 控制系统基础控制系统是由传感器、执行器、控制器和反馈回路组成的。
传感器用于检测系统的状态或环境变量，并将其转化为电信号。
执行器根据控制器的指令执行相应的动作。
控制器根据传感器的反馈信号和设定值进行计算和决策，以控制执行器的运动。
反馈回路将执行器的输出信号反馈给控制器，以实现闭环控制。
2. 控制方法2.1 反馈控制反馈控制是一种常用的控制方法，它通过比较系统的实际输出与设定值之间的差异，来调整控制器的输出信号。
反馈控制可以稳定系统并抑制系统的扰动。
2.2 前馈控制前馈控制是指在控制系统中引入一个预测模型，通过预测系统的输出来调整控制器的输出信号。
前馈控制可以提前预测系统的响应，从而更快地抵消外部扰动。
2.3 PID控制PID控制是一种常用的反馈控制方法，它通过比较系统的实际输出与设定值之间的差异，并根据比例、积分和微分三个参数来调整控制器的输出信号。
PID控制可以对系统的静态误差、动态响应和稳定性进行优化。
2.4 模糊控制模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，它模拟人的直觉和经验，通过模糊集和模糊规则来描述系统的行为。
模糊控制可以应对非线性、不确定性和模糊性等问题，适用于复杂的控制系统。
2.5 自适应控制自适应控制是一种根据系统的动态变化和参数不确定性来调整控制器的输出信号的方法。
它可以根据系统的反馈信息和模型参数的估计值来自动调整控制器的参数，以适应系统的变化。
3. 控制系统设计控制系统设计是指根据系统的需求和性能指标，选择合适的控制方法和参数，并进行系统模型建立、控制器设计和参数调整的过程。
在控制系统设计中，需要考虑系统的稳定性、鲁棒性、响应速度和控制精度等方面的要求。
4. 控制系统应用机械工程控制广泛应用于各种机械设备和系统中，包括工业生产线、机械加工、自动化生产等。
机械工程控制基础课程感悟
机械工程控制基础课程感悟机械工程控制基础课程是机械工程专业中的一门重要课程，涉及到控制理论、系统动力学和自动控制等方面的知识。
通过学习这门课程，我深刻理解到控制在机械工程中的关键作用，对于设计、优化和运行机械系统都具有重要意义。
以下是我对机械工程控制基础课程的一些感悟。
1. 掌握控制理论的基础在这门课程中，我系统学习了控制理论的基础知识，包括控制系统的基本概念、数学建模方法、传递函数、状态空间表示等。
这为我深入理解和分析机械系统的动态行为提供了坚实的理论基础。
通过数学模型的建立，我能够更准确地描述和预测机械系统的运动规律，为后续的控制策略设计提供了依据。
2. 理解系统动力学控制基础课程还涉及到系统动力学的内容，包括对系统的动态响应、阻尼比、自然频率等进行分析。
通过学习系统动力学，我更好地理解了机械系统在外部激励下的振动特性，这对于防止系统共振、提高系统稳定性具有重要意义。
同时，这也为我后续学习振动控制等相关内容打下了基础。
3. 学习控制策略的设计与应用在控制基础课程中，我学习了不同的控制策略，包括比例积分微分（PID）控制器、根轨迹设计等。
深入了解这些控制策略的原理和应用，我能够根据实际需求选择合适的控制方式，并进行参数调整以达到期望的控制效果。
这对于提高机械系统的性能、稳定性和精度至关重要。
4. 实践中的应用与案例分析控制基础课程注重将理论知识与实际应用相结合，通过案例分析和实验，我深入了解了控制理论在机械工程中的实际应用。
通过模拟和实验，我更好地理解了控制系统的建模、分析和调试过程。
这使我能够更加熟练地运用所学知识解决实际的控制问题。
5. 对于工程实践的启示机械工程控制基础课程为我今后从事机械工程领域的工程实践提供了深刻的启示。
在实际的工程项目中，控制技术是确保机械系统正常运行、提高工作效率和精度的核心要素之一。
通过学习控制基础，我不仅掌握了理论知识，更培养了解决实际问题的能力，这对于将来从事机械工程的设计、调试和优化工作具有极大的帮助。
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开环系统与闭环系统
实际的控制系统根据有无反馈作用可分为： 开环系统：系统的输出量对系统无控制作用， 即无反馈回路的系统 闭环系统：系统的输出量对系统有控制作用， 即存在反馈回路的系统
������
开环控制系统特点：系统仅受输入量和扰 动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路； 输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任 何影响。
2.反馈、反馈控制（闭环控制）
将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利 用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏 差的目的。
____ 构成闭环控制系统的核心
闭环(反馈)控制系统的特点：
(1) 系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路 (2) 偏差起调节作用
人工控制恒温箱调节过程：
观测恒温箱内的温度（被控制量） 与要求的温度（给定值）进行比较，得到温 度偏差的大小和方向������ 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热 电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。 人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。 ������
2.机械工程控制论 控制论+机械工程=机械工程控制论/机 械工程控制 研究对象 研究系统、输入、输出三者之间的动态关系 研究问题：系统分析；最优控制；最优设计； 系统识别或系统辨识；；滤波与预测
1-2机械工程系统中的信息传递、反馈以及反馈控制 的概念 1.信息、信息传递 信息（information）是客观事物状态和运动特征的 一种普遍形式，客观世界中大量地存在、产生和传 递着以这些方式表示出来的各种各样的信息。 信 号、密码、情报、消息。。。 信息传递:信息在系统及过程中以某种关系动态地传递 或称转换
第1章 绪论
1-1机械工程控制论的基本含义
1-2反馈控制的概念
1-3控制系统应用实例 1-4课程内容简介
1-1机械工程控制论的基本含义
1.控制论 是研究生物系统、机器、人类社会组织等系 统之中的控制与通信的一般规律的学科，着 重于研究过程中的数学关系。 1948 年诺伯特· 维纳发表了著名的《控制论— —关于在动物和机中控制和通讯的科学》
控制论是现代科学技术的一个新的边缘学科。它是自 动控制、电子技术、无线电通讯、神经生理学、生 物学、心理学、数理逻辑、计算机技术、统计力学 等多种学科相互渗透的产物。
控制论撇开对象的物质和能量的具体形态，撇开过程 的物质或能量交换的方面，仅从生物机体和技术装 置中控制的功能类比方面，研究对象和过程的各组 成部分间信息的传递过程。
从恒温箱控制系统功能框图可见：������ 给定量位于 系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入 量（信号）。������ 被控制量位于系统的输出端，称 为系统输出量。������ 输出量（全部或一部分）通过 测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比 较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差） 信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或 部分输出信号称为反馈信号。
水位控制系统 正反馈 负反馈
3.系统及控制系统
系统-系统指由相互关联和相互作用的若干部分组合而成的具 有特定功能的整体 控制-掌握住对象不使其任意活动或超出范围；或使其按控制 者的意愿活动 控制系统- 其输出能按照要求的参考输入或控制输入进行调节 的系统 自动控制-是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备 或装置，使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状 态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。例如，无人驾 驶飞机按照预定的飞行航线自动升降和飞行，这是典型的自动控 制技术应用的结果。
二战前后，自动控制技术在军事装备和工业设备中开 始应用，实现了对某些机械系统和电气系统的自动化 操纵。20世纪30年代末美国、日本和苏联的科学家们 先后创立了用仅有两种工作状态的继电器组成的逻辑 自动机的理论，并被迅速用于生产实践。在这一时期 前后又出现了关于信息的计量方法和传输理论。在这 些科学成就的推动下，曾亲自参加过自动化防空系统 研制工作的美国数学家N.维纳于1948年把这些概念和 理论应用于动物体内自动调节和控制过程的研究，并 把动物和机器中的信息传递和控制过程视为具有相同 机制的现象加以研究，建立了一门新的学科，称为控 制论(cybernetics)。
3).电子计算机理论。即与人类思维过程相似的自动组 织逻过程的理论。
控制论从解决生产实践问题过程中形成、 发展，是方法论，提供了一套思想和技术， 反过来又向自然科学和社会科学的各个领 域渗透。
控制论+工程技术实践=工程控制论
工程控制论的目的是把工程实践中所经常运 用的设计原则和试验方法加以整理和总结，取 其共性，提高成科学理论，使科学技术人员获 得更广阔的眼界，用更系统的方法去观察技术 问题，去指导千差万别的工程实践。 从纯技术领域溢出,涌进了许多非技术部 门,派生出 生物控制论、神经控制论、经济 控制论以及社会控制论。。。。
控制论的三个基本部分 1).信息论。主要是关于各种通路（包括机器、生 物机体）中信息的加工传递和贮存的统计理论。 信息论是一门用数理统计方法来研究信息的度量、 传递和变换规律的科学。它主要是研究通讯和控制 系统中遍存在着信息传递的共同规律以及研究最 佳解决信息的获限、度量、变换、储存和传递等问 题的基础理论。
2).自动控制系统的理论。主要是反馈论，包括从功能 的观点对机器和物体中的调节和控制的一般规律的 研究。根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制 理论一般可分为“经典控制理论”和“现代控制理论” 两大部分。
经典控制理论的内容主要以传递函数为基础，研究单输入、单输出一类自 动控制系统的分析和设计问题。由于发展较早，现已成熟。在工程上，相 当成功地解决了大量实际问题，因此它是研究自动控制系统的重要理论基 础。 现代控制理论的内容主要以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、定 常数或变参数、线性或非线性一类自动控制系统的分析和设计问题。随着 现代科学技术的发展，已出现最优控制、最佳滤波、模糊控制、系统辩识、 自适应控制等一些新的控制方式。因此它也是研究庞大的系统工程和模仿 人类的智能控制等方面必不可少的理论基础。