机械工程控制基础----01绪论
机械工程控制基础01绪论
闭环系统
优点：抗干扰能力强，稳态精度高，动态精度好。 缺点：构造复杂，设计与制造较困难，成本较高。
机械工程控制基础01绪论
开环控制系统 如：步进电机驱动的数控机床 、普通洗衣机 、微波炉
步进电机驱动的数控机床原理图 步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图
机械工程控制基础01绪论
闭环控制系统 如：伺服电机驱动的数控机床、离心调速系统、恒温箱(冰箱、 空调)
反馈控制方式的优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的 变化而引起的变动。
给定值
E
比较
－
运算执行 测量
干扰 被控量 被控对象
反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为 负反馈；反之称为正反馈。在正反馈系统中，正反馈信号只 会让偏差信号、输入信号变得越来越大，会导致系统失稳、 发散，即“恶性循环”。
机械工程控制基础01绪论
例：发动机离心调速系统
被控对象： 发动机 被控量： 转速ω
控制信息传递与反馈：
转速ω
离心机构 偏差
(检测或感知）
杠杆
油门
液压比例控制器
机械工程控制基础01绪论
表示系统结构与工作原理的物理框图：
比较
控制器
运算放大
执行
控制部分
检测 离心调速系统控制方框图
被控对象 被控部分
机械工程控制基础01绪论
出量变化规律的信号；
✓ 输出信号：（输出量、被控制量、被调节量、响应）输出是 输入的结果，它的变化规律通过控制应与输入信 号之间保持有确定的关系；
✓ 反馈信号：输出信号经反馈元件变换后全部或部分返回到输
入端的信号称反馈信号；
✓ 偏差信号：输入信号与（主）反馈信号之差； ✓ 误差信号：输出量实际值与希望值之差； ✓ 扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号；
控制工程基础 第一章 绪论
机电系统的时域和频域分析
机电系统的稳定性分析
进水 阀门
+ 电位器 减速器 -
连杆
浮子 实际水位
水池 放大器 电动机
出水
本课程涉及到的相关知识
本课程涉及到高等数学、理论力学、电工电子
学等多门基础知识，特别是运用数学工具较多，内 容较抽象及概括。因此在学习本课程过程中应及时 复习相关基础知识，多参考有关控制理论方面的参 考书，以加深理解，同时还应重视实验及习题。
课程简介
《机械工程控制基础》课程主要阐述的是有关反 馈自动控制技术的基础理论以及在机电系统中的应用。
本课程是机械设计制造及其自动化专业的一门重
要的技术基础课。它是适应机电一体化的技术需要，
针对机械对象的控制，结合经典控制理论形成的一门
课程。本课程主要涉及经典控制理论的主要内容及应 用, 突出的是机电控制的特点。
《机械工程控制基础》
山东交通大学 机械工程学院 机械电子教研室 梁 杰
课程说明
使用专业：机械设计制造及其自动化
使用班级：机械101-104
总学时数：45学时，其中理论教学39学时，实验4学时， 机动2学时。
本课程为必修课，3学分，期末考试采用闭卷考核方式。 总成绩包括平时成绩和期末考试成绩，平时成绩占总评成 绩的20%，期末考试成绩占80%，其中平时成绩包括作业、 考勤和实验报告，作业、考勤和实验报告所占的比例分别 为40%、40%和20%。
选用教材： 王积伟、吴振顺主编《控制工程基础》（第二 版），高等教育出版社，2010年5月。 参考资料： 1、董景新等编著《控制工程基础》，清华大学 出版社。 2、杨叔之等编著《机械工程控制基础》（第 五版），华中科技大学出版社。 3、柳洪义等编著《机械工程控制基础》，科 学出版社。 4、董霞等编著《机械控制理论基础》，西安 交通大学出版社。
机械控制工程基础第一章 绪论
3.4
速度（斜坡）函数、加速度（抛物线）函数
x(t) = A ·2 / 2 t F(s)=A/s3
x(t) = At F(s)=A/s2
这两种信号在随动系统分析中最常见。
5. 脉冲函数
, t 0 (t ) 0, t 0
(t )dt 1
L(s)=1 6. 正弦函数 x(t) = Asinwt L(s) = Aw /( s2 + w2 )
三、微分定理
若 L [ f (t) ] = F (s) 当初始条件 f( 0) = 0 当初始条件 f(0) =f ’(0)=f"(0)=…= 0
则 L [d f(t) / dt] = sF(s) L [dnf (t) / dtn ] = snF(s)
例.d3x0(t/) / dt + 2d2x0(t) / dt + 3dx0(t) / dt + x0(t) = 2dxi(t)/dt + xi(t)
六、初值定理
若 则 L [ f (t) ] = F (s)
f (0) lim f (t ) lim s F (s)
t 0 s
条件： lim f (t ) 存在 t0 应用：确定元件或系统的初始值。
§ 3
拉氏反变换
若 F(s) = F1(s) + F2(s) + F3(s) + … 当 Fi(s) 比较简单，可通过查表求得。
α2 、 … 、 αn可由方法1求得， α11 、 α12 、 α13 可由下式求得
A( s ) ] |s p B(s) d ( s p1 ) F ( s ) 12 [ ] |s p ds 2 1 d ( s p1 ) F ( s ) 13 [ ] |s p 2 2! ds
1机械工程控制基础(第五版)__第一章绪论概论
②如何控制一个机电系统，使之按预定的 规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实 现最佳控制打下基础。
2020年11月19日2时6分
主要内容介绍
(一) 绪论 控制系统的基本工作原理，控制系统的几种分 类，控制理论的发展史，对控制系统的基本要 求。
(二) 控制系统的数学模型及传递函数 LAPLACE变换，系统的数学模型，传递函数， 典型环节的传递函数，系统的方框图及其联接， 系统的信号流程图。
(三) 线性系统的时域分析 典型输入信号，控制系统的时域性能指标，一 阶系统的时间响应，二阶系统的时间响应，系 统的稳态误差。
2020年11月19日2时6分
本课程所分析的系统，涉及机械、电气， 所以在建立数学模型时，需运用到理论 力学、电工、机械原理等多门课程的知 识。
2020年11月19日2时6分
第一章 绪论
基本内容
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务 1.2 系统及其模型 1.3 反馈 1.4 控制系统的分类 1.5 对控制系统的基本要求
本章难点
主要内容介绍（续）
(四) 频率特性分析法
频率特性的基本概念，典型环节的频率特性， 系统的开环频率特性的绘制，系统的闭环频率 特性。
(五) 控制系统的稳定性分析
稳定性的基本概念，代数稳定性判据，频域稳 定性判据，系统的相对稳定性。
(六) 系统的校正方法
系统校正的一般概念，串联校正，反馈校正。
2020年11月19日2时6分
中南林业科技大学-机电工程学院
2020年11月19日2时6分
讲授人：龚中良 教 材：《机械工程控制基础》（第五版）
机械工程控制基础
本章主要学习内容： 本章主要学习内容：
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 控制及自动控制系统的概念 控制及自动控制系统的概念 自动控制方式 控制系统的分类 控制系统的基本要求 控制理论发展概况
5
控制原理
武汉科技大学机械自动化学院
第一章 绪论
本章教学要求： 本章教学要求：
1. 2. 3. 4. 掌握控制系统的基本概念， 掌握控制系统的基本概念，了解自动控制系统的 基本结构、 基本结构、特点及工作原理 学会分析自动控制系统的类型及其本质特征 了解控制系统系能的基本要求 能够定性分析一般机电控制系统工作原理
2
控制原理
武汉科技大学机械自动化学院
第一章 绪论
课程性质及特点
本课程与其它课程的关系： 本课程与其它课程的关系：
信号与系统 电路理论 电机与拖动 大学物理 复变函数 电子技术 线性代数 微积分
自动控制理论
各 类 专业课 线性系统 现代控 制理论
3
控制原理
武汉科技大学机械自动化学院
第一章 绪论
本课程理论教学内容： 本课程理论教学内容：
15
控制原理
武汉科技大学机械自动化学院
第一章 绪论
1.2 自动控制方式
1、基本概念 例如对于图a所示系统, 例如对于图a所示系统,似 乎没有明显的反馈通道。 乎没有明显的反馈通道。 但由其力平衡方程： 但由其力平衡方程： F = m&& + ky y 以其质量m的位移y 以其质量m的位移y为系统 的输出，则上式可改写为： 的输出，则上式可改写为： y F m (a) k
1. 绪论 2. 系统的数学模型 3. 系统的时域分析 4. 系统的频率特性分析 5. 系统的稳定性 6. 系统的性能指标与校正
《机械工程控制基础》绪论教学方法的探究
《 相栖工 程控 制基 ｌ ｉ ｌ ｌ １ ） ） 绪ｉ 仑 教 学方 法酌搽 究
河南 工程 学 院机 械 工程 学 院 李振 杰
［ 摘 要］ 《 机械 工程控制基础》 课 程 内容抽 象 ， 难理解 ， 学生学 习兴趣很低 。 改进 《 机械工程控 制基础》 绪论课 的教 学方 法 ， 对 于提 高 学 生的 学习兴趣 非常重要。本文 以温度控 制 系统为例介绍 了课程讲授 的主要 内容 ； 通过播放 多媒体影像 ， 系统 地介 绍 了控制理论在 各行各业 中的应 用、 控制论的发展历程 以及 众 多学者对控制论所做 的贡献 ； 精选 了六个事例来 阐述 了机械 系学生学 习控制理论的必 要性 ； 指 出了学＞ － ７ 本课程 的科 学方法。教 学实践表明 ， 该措施极大地激发 了学生的学习兴趣 ， 明显改善 了教学效果。 ［ 关键词］ 机械工程 控制论 教学方法 “ 机械工程控制基础 ” 是机 械类 本科专业学生必修 的一门重要专业 样学 生就 自然 会得 出结论 ： 系统要 实现 自动 控制 ， 就要 引入反馈 ， 构建 基础课 ， 课程的主要 内容是根据控 制论 的理论基础 ， 研究 机械工程技术 闭环系统 ， 这是 自动控制的一种基本方法 。 中广 义系统的动力学问题 。本课 程的主要 目的在于培 养学 生以动态 、 整体 、 联 系的观点研究分析一个机 械工 程系统 ， 运用控制论 中的基本概 念 和方法 ， 解 决机械工程 领域 中有关 自动控 制及系统动 力学方 面的问 题， 并且 也可为后续的机械类相关课程 的学习 ， 如测试技术 、 数 控机床 、 机 电一体化 系统设计等打下一定 的理论基 础。机械工程控制基 础研究 的问题带有 普遍 性 ， 对工程实践具有重要 的指导意义 ， 该课程 的开设对 培养学 生运用控 制原理 的基 本方法 ， 提高分析 和解决各种 工程 问题 的 能力奠定扎 实的理论基础。但是 ， 由于该 门课 程 比较抽象 ， 学生 的学习 热情不高 ， 学 习效果也不理想 ， 甚 至产 生厌 学的情绪。 “ 万事 开头难 ” ， 而 良好 的开端 ， 是成 功 的一半 。教学实践 表明 ， 认 真讲好绪论课 ， 是激发学生学习兴趣 ， 提高其学 习动力的重要途径之一。 图１ 恒温箱 温度控 制系统 通过绪 论能让学生 明 白课程研 究 的主要 内容 ， 了解所学 内容 的发 然而 ， 学生 往往误 认 为 ， 构建 闭环 系统是 这 门课 的 主要 内容 。所 展 过程和 重要性 ， 了解课程 的特 点和学 习方 法 ， 激 发学 习兴趣 ， 掌握科 以 ， 教师此时必须进 一步带领学生 ， 继续分析 温度控 制系统中隐含的深 学 的学 习方法 。控制 论不仅是 一门重要 的学科 ， 而 且是科学方 法论之 层 次的内容 。闭环控制 系统虽然能够 自动控制 ， 但是 ， 却存在不可克服 的缺点。系统在工作过 程中总是存在偏差 ， 由于元件 的惯性 （ 如负载 的 １ ． 绪论 内 容 安 排 惯性 ） ， 不 可能使准确 率达到理想 值 ， 很容 易引起振 荡 ， 使系统 不稳定 。 人的各种 活动都是 由一定 的动 机所引 发的 ， 学 生学习也 总是为一 因此 ， 如何减小系统振荡 ， 满 足系统的稳定性就是这 门课 要讨论的 内容 定 的学习动机所支配 。研究证 明 ， 学习动机与学 习效率 之间遵循“ 耶尔 之 一 。 克 兹一道德 逊” 定律 ， 即一般说来 ， 动机强度 大 ， 学 习积极性高 ， 学习 的 由于受到环 境等 因素的干扰 ， 恒 温箱 中的温度就会 偏离原来 的状 潜能 就会 得到最好 的发挥 ， 学 习效 率也高 ， 而动机强度小 或完全缺乏动 态 ， 这 时系统会 自动调整 ， 最终 会达到下一个稳定温度状 态。这个调整 机， 则学 习效 性 受哪些 因素影 响， 如何 提高快速性也 因此 ， 要使 学生较好地 掌握 “ 机 械工程控制 基础 ” 的知识乃 至此学 是控制论要讨论 的内容。 科方 面的理论 ， 那么激发他们 的学 习兴趣 、 学习动机至关 重要。绪论是 恒 温箱 中处 于平衡状 态 的温度 与原设 计温度 指标 之 间是否会 一 课程 的第 一堂课 ， 认真上好这堂课 ， 能够极大地激发学生学 习兴趣和动 致 ？有没有误 差？这是 系统准确性 的问题 ， 也属于控制 论要讨论 的范 机 。绪论课 程的教学 内容 ， 可 以完全 抛开课本原有 的内容 ， 结合 机械类 畴 。 学生 的特点 ， 有 的放矢 地组织 内容 ， 循序渐进地安排顺序 。 由于受控对象 的具体情 况不 同 ， 各 种系统对 稳 、 准、 快的要求各 有 １ ． １ 内容一 ： 这 门课程讲授 的主要 内容是什么 侧重 ， 例如 ， 随动系统对 快速性要求 较高 ， 而 调速系统对 稳定性提 出较 这是 在讲 这 门课 时必 须首先 要 向学生解 释 清楚 的问题 。实践 表 严格 的要求 。 明， 若 这个 问题 不重点介绍 ， 那么就会 有部分学 生在课程 结业后 ， 依然 同一 系统稳 、 准、 快是相 互制约 的。快速性 好 ， 可能会 有强烈 的振 对这 门课程 认识模 糊 ， 不知道 这 门课 讲什 么 内容 ， 在 什么地 方可 以用 荡 ， 改善稳定性 ， 控制过程又可能过 于迟缓 ， 精度也可能变坏 ， 分 析和解 到。 决这 些矛盾 ， 也是 本学 科讨论 的重要 内容 ， 对 于机械 动力学 系统 的要 在教 学方法上 ， 先把这个 问题抛给 学生 ， 老 师不要先 急着解释 ， 但 求 ， 首要 的也是 稳定性 ， 因为过大 的振荡将会 使部件过载而损坏 ， 此外 ， 可 以启发 学生 “ 这个问题没有 标准答案 ， 大家可 以各抒 己见” 。这样处 要防止 自振 ， 降低 噪声 ， 增 加刚度等 等 ， 这些都 是控制理论 研究 的中心
机械工程控制基础教案
机械工程控制基础教案第一章：绪论1.1 课程介绍1.2 控制理论的基本概念1.3 控制系统的基本类型1.4 控制系统的性能指标第二章：线性系统的时域分析法2.1 系统的数学模型2.2 系统的时域响应2.3 系统的稳定性分析2.4 系统的稳态误差分析2.5 系统的动态性能分析第三章：线性系统的频域分析法3.1 频率响应的基本概念3.2 频率响应的性质3.3 系统的频率响应分析3.4 系统的稳定性分析3.5 系统的稳态误差分析第四章：线性系统的校正方法4.1 系统的校正概述4.2 串联校正设计方法4.3 并联校正设计方法4.4 反馈校正设计方法4.5 系统的动态性能改善第五章：非线性控制系统分析5.1 非线性控制系统的基本概念5.2 非线性系统的数学模型5.3 非线性系统的稳定性分析5.4 非线性系统的稳态误差分析5.5 非线性系统的动态性能分析第六章：机电控制系统的设计与实现6.1 机电控制系统的基本组成6.2 控制系统的设计步骤6.3 控制器的设计方法6.4 控制系统的仿真与实验6.5 控制系统的设计案例分析第七章：PLC控制系统设计7.1 PLC控制系统的基本原理7.2 PLC的硬件组成与功能7.3 PLC控制程序的设计方法7.4 PLC控制系统的设计实例7.5 PLC控制系统的调试与维护第八章：控制系统8.1 控制系统的基本概念8.2 的运动学与动力学8.3 控制系统的组成与原理8.4 控制算法与应用8.5 控制系统的案例分析第九章：现代控制理论简介9.1 现代控制理论的发展概况9.2 状态空间分析法9.3 系统的能控性与能观性9.4 系统镇定与最优控制9.5 现代控制理论在工程中的应用第十章：控制系统在机械工程中的应用10.1 控制系统在机械工程中的重要性10.2 控制系统在自动化设备中的应用10.3 控制系统在中的应用10.4 控制系统在数控机床中的应用10.5 控制系统在其他机械工程领域的应用重点和难点解析一、系统的数学模型难点解析：对复杂机械系统的动态方程建立及求解，状态变量的选取原则，以及如何将实际系统抽象为数学模型。
机械工程控制基础-第一章
主要教学环节
课堂教学 紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解 题方法和技巧。
习题 独立完成作业，按时交作业。
课外补充 复习：复变函数Laplace变换 自学：Matlab编程。
教学形式: 课堂上，多媒体授课为主，板书为辅； 学习模式：预习－>听课－>复习(作业等形式) 希望和要求:
教师严谨治学 学生积极配合
程序控制系统。特点：系统输 入量按预定程序变化。
4、按系统内部传输信号的性质来分
连续系统，各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟 量，可用微分方程来描述各部分输入-输出关系的系统。
离散系统，某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传 递的系统。 离散系统也有线性离散系统和非线性离散系统、 定常离散系统和时变离散系统之分。
反馈信号：输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号称
反馈信号；
偏差信号：输入信号与主反馈信号之差； 误差信号：输出量实际值与希望值之差； 扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号；
反馈控制系统的组成、名词术语和定义 (2)
参考(给定)输入r: 输入到控制系统中的指令信号；
(主)反馈b: 与输出成正比或某种函数关系且与参考 输入量纲相同的反馈信号；
生物系统等。 3. 按系统功能：温度、压力、位置、速度 4. 按系统性能：线性与非线性、定常与时变 5. 按输入信号变化规律：恒值、随动、程序控制 6. 按系统内部传输信号的性质：连续与离散 7. 按输入、输出信号的数目：单输入-单输出系统与多输入-多输出系统
1、按反馈情况
自动控制系统有三种基本控制方式：开环控制方式、闭环控制 方式（反馈控制方式）和复合控制方式，它们都有其各自的特点和 不同的使用场合。其中闭环控制方式是自动控制系统最基本的控制 方式,也是应用最广泛的一种控制方式。
(完整版)《机械工程控制基础》课程教学大纲-版
(完整版)《机械工程控制基础》课程教学大纲-2012版《机械工程控制基础》课程教学大纲课程名称:机械工程控制基础英文名称：Control Fundamental of Mechanical Engineering课程编码:51510502学时/学分：36/2课程性质：必修课适用专业:机械类各专业先修课程:高等数学，理论力学，电工与电子技术,复变函数与积分变换（可选）一、课程的目的与任务《机械工程控制基础》是机械设计制造及其自动化专业的机械电子工程及相近专业方向的一门技术基础课。
本课程是在高等数学和工程数学(复变函数与积分变换）的知识基础上，结合力学、电学等相关知识,介绍机械工程类专业的重要理论基础之一——工程控制论。
这门学科既是一门广义的系统动力学，又是一种合乎唯物辩证法的思想论和方法论，对启迪与发展人们的思维与智力有很大的作用。
本课程的基本任务是将自动控制理论应用于机械工程实际,基本要求是在阐明机械工程控制论的基本概念、基本知识与基本方法的基础上，使学生学会建立和变换系统的数学模型，掌握控制系统的时间响应分析和频率特性分析方法，并在此基础上具备讨论控制系统的稳定性，以及系统分析和校正、系统辨识等问题的能力。
使学生以辩证方法冲破形而上学的思想方法，推动这一领域的生产与学科向前发展。
在学习本课程之前，学生应当从先修课程中获得动力学分析、电路分析的能力，了解微分方程求解知识和复变函数的概念，初步掌握积分变换及其逆变换的基本方法.学习本课程之后，学生还应当注意结合其它机械工程学的知识,将控制理论应用到工程实践中去。
二、教学内容及基本要求第一章绪论教学目的和要求：本章首先阐述了机械工程控制基础这门课程的重要意义，然后介绍控制工程的基本思想、基本概念、控制系统的分类和基本要求，使学生了解机械工程控制论的研究对象与任务和系统、模型等知识，深刻理解反馈和反馈控制,接下来对控制理论的发展进行简单介绍.教学重点和难点：1．系统及其模型2．反馈和反馈控制3．系统的基本要求教学方法与手段：以课堂讲授为主，注意举例和采用启发式教学,配合适当的课堂练习和课外作业。
机械工程控制基础知识点整合
第一章绪论1、控制论的中心思想、三要素和研究对象。
中心思想：通过信息的传递、加工处理和反馈来进行控制。
三要素：信息、反馈与控制。
研究对象：研究控制系统及其输入、输出三者之间的动态关系。
2、反馈、偏差及反馈控制原理。
反馈：系统的输出信号部分或全部地返回到输入端并共同作用于系统的过程称为反馈。
偏差：输出信号与反馈信号之差。
反馈控制原理：检测偏差，并纠正偏差的原理。
3、反馈控制系统的基本组成。
控制部分：给定环节、比较环节、放大运算环节、执行环节、反馈（测量）环节被控对象基本变量：被控制量、给定量（希望值）、控制量、扰动量（干扰）4、控制系统的分类1）按反馈的情况分类a、开环控制系统：当系统的输出量对系统没有控制作用，即系统没有反馈回路时，该系统称开环控制系统。
特点：结构简单，不存在稳定性问题，抗干扰性能差，控制精度低。
b、闭环控制系统：当系统的输出量对系统有控制作用时，即系统存在反馈回路时，该系统称闭环控制系统。
特点：抗干扰性能强，控制精度高，存在稳定性问题，设计和构建较困难，成本高。
2）按输出的变化规律分类自动调节系统随动系统程序控制系统3）其他分类线性控制系统连续控制系统非线性控制系统离散控制系统5、对控制系统的基本要求1）系统的稳定性：首要条件是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。
2）系统响应的快速性是指当系统输出量与给定的输出量之间产生偏差时，消除这种偏差的能力。
3）系统响应的准确性（静态精度）是指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差大小。
第二章系统的数学模型1、系统的数学模型：描述系统、输入、输出三者之间动态关系的数学表达式。
时域的数学模型：微分方程；时域描述输入、输出之间的关系。
→单位脉冲响应函数复数域的数学模型：传递函数；复数域描述输入、输出之间的关系。
频域的数学模型：频率特性；频域描述输入、输出之间的关系。
2、线性系统与非线性系统线性系统：可以用线性方程描述的系统。
机械工程控制基础-机械工程控制基础_学习辅导与题解_第1章绪论
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。
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”。
机械控制基础
机械工程控制基础第一章绪论第二章拉普拉斯变换的数学方法第三章系统的数学模型第四章系统的瞬态响应与误差分析第五章系统的频率特性第六章系统的稳定性分析第七章机械工程控制系统的校正与设计第一章绪论第一节概述第二节控制系统的基本概念第三节控制系统的基本类型第四节对控制系统的基本要求第一节概述一、控制工程研究的主要内容二、控制理论的发展三、控制理论在工程中的应用四、控制理论的学习方法一、控制工程研究的主要内容1.控制工程主要研究有关自动控制和系统动力学的基础理论及其在工程中的应用。
它是一门新兴技术科学，也是一门边缘科学，它的理论基础是控制理论。
具体的讲研究用控制理论的基本原理解决电气、机械、测控、化工等一切工程系统中的控制技术问题。
（图1-1）2.离心调速器原理示意图(图1-1)3.工程控制理论的实质工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题．具体地说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件(即输入或激励，包括外加控制与外加干扰)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．4.学习控制工程基础要解决的两个问题：一是如何分析某个给定控制系统的工作原理、稳定性和过渡过程品质；二是如何根据实际需要来进行控制系统的设计，并用机、电、液、光等设备来实现这一系统。
前者主要是分析系统，后者是综合与设计，无论解决哪类问题，都必须具有丰富的控制理论知识。
二、控制理论的发展1、控制理论的产生可以追朔到1788年瓦特(J.Watt)为控制蒸汽机速度而发明的蒸汽机离心调速器，其原理示意图如图1-1所示。
2、1868年，英国物理学家马克斯威尔（J.C.Maxwell）发表了第一篇关于“论调速器”的文章，首先提出了“反馈控制”的概念。
3、1884年和1895年,劳斯（E.J.Routh）和霍尔维茨(A.Hurwitz)把马克斯威尔的理论扩展到用高阶微分方程描述的更为复杂的系统，并分别提出了两种著名的代数稳定性判据。
控制工程基础—第1章绪论
三 .反馈控制系统的基本组成
一个典型的反馈控制系统应该包括给定元件、反 馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正 元件等。
给定 元件 比较元件 扰动 串联校正 元 件 +放大变 换元件 执行 元件 输出 控制 信号 对象 xo
+输入 偏差 信号 xi 信号 e
并联校正 元 件 局部反馈 反馈元件 主反馈
图1-2 人工控制的恒温箱
人工控制恒温的过程可归结如下：
1. 观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱（被 控制元件）的温度； 2. 与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏 差的大小和方向； 3. 根据偏差大小和方向再进行比较控制：当温度 高于所要求的给定温度值时，就调节调压器动 触头使电压减小，温度降低；若温度低于给定 的值，则调节调压器动触头，使电压增加，温 度升高； 4. 如温度还达不到要求时，要反复进行上面的步 骤操作。 因此，人工控制的过程就是测量、求偏差、再控 制以纠正偏差的过程。也就是“检测偏差用以 纠正偏差”的过程。
自动控制？
是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器 （机械装臵、电气装臵或电子计算机）使生产 过程或被控制对象（机器、设备）的某一物理 量（温度、压力、液面、流量、速度、位移等） 自动地按照预定的规律运行。
例如： 电冰箱自动地控制冰箱中的温度恒定； 无塔供水系统保证楼宇自动恒压供水； 加工中心根据加工工艺的要求，能够自动地 按照一定的加工程序加工出所需要的工件。
所谓系统的动态性能，主要分如下三类 1.已知系统的参数m、k、f及输入x(t)，确 定输出y(t)； 2.已知输入x(t)及输出y(t)，确定系统的参数 m、k及f； 3.已知系统的参数m、k及f，给定输出y(t)时， 确定输入x(t)。
(完整版)《机械工程控制基础》课程教学大纲-2012版
《机械工程控制基础》课程教学大纲课程名称：机械工程控制基础英文名称：Control Fundamental of Mechanical Engineering课程编码：51510502学时/学分：36/2课程性质：必修课适用专业：机械类各专业先修课程：高等数学，理论力学，电工与电子技术，复变函数与积分变换（可选）一、课程的目的与任务《机械工程控制基础》是机械设计制造及其自动化专业的机械电子工程及相近专业方向的一门技术基础课。
本课程是在高等数学和工程数学（复变函数与积分变换）的知识基础上，结合力学、电学等相关知识，介绍机械工程类专业的重要理论基础之一——工程控制论。
这门学科既是一门广义的系统动力学，又是一种合乎唯物辩证法的思想论和方法论，对启迪与发展人们的思维与智力有很大的作用。
本课程的基本任务是将自动控制理论应用于机械工程实际，基本要求是在阐明机械工程控制论的基本概念、基本知识与基本方法的基础上，使学生学会建立和变换系统的数学模型，掌握控制系统的时间响应分析和频率特性分析方法，并在此基础上具备讨论控制系统的稳定性，以及系统分析和校正、系统辨识等问题的能力。
使学生以辩证方法冲破形而上学的思想方法，推动这一领域的生产与学科向前发展。
在学习本课程之前，学生应当从先修课程中获得动力学分析、电路分析的能力，了解微分方程求解知识和复变函数的概念，初步掌握积分变换及其逆变换的基本方法。
学习本课程之后，学生还应当注意结合其它机械工程学的知识，将控制理论应用到工程实践中去。
二、教学内容及基本要求第一章绪论教学目的和要求：本章首先阐述了机械工程控制基础这门课程的重要意义，然后介绍控制工程的基本思想、基本概念、控制系统的分类和基本要求，使学生了解机械工程控制论的研究对象与任务和系统、模型等知识，深刻理解反馈和反馈控制，接下来对控制理论的发展进行简单介绍。
教学重点和难点：1．系统及其模型2．反馈和反馈控制3．系统的基本要求教学方法与手段：以课堂讲授为主，注意举例和采用启发式教学，配合适当的课堂练习和课外作业。
《机械工程控制基础》题库
《机械⼯程控制基础》题库机械⼯程控制基础复习题第⼀章绪论1、以同等精度元件组成的开环系统和闭环系统，其精度⽐较（）。
A ．开环⾼ B.闭环⾼ C.相差不多 D. ⼀样⾼1、系统的输出信号对控制作⽤的影响（）。
A ．开环有 B.闭环有 C.都没有 D.都有1、对于系统抗⼲扰能⼒（）。
A ．开环强 B.闭环强 C.都强 D.都不强1、下列不属于按输⼊量的变化规律分类的是（）。
A ．恒值控制系统 B.计算机控制系统 C. 随动控制系统 D. 程序控制系统1、按照系统传输信号的类型可分成（）。
A ．定常系统和时变系统 B. 离散控制系统和连续控制系统 C. 线性系统和⾮线性系统 D. 恒值系统和程序控制系统1．按照控制系统是否设有反馈作⽤来进⾏分类，可分为___ ___和___ ___。
答案：开环控制系统闭环控制系统1．对⼀个⾃动控制系统的最基本要求是，也即是系统⼯作的⾸要条件。
答案：稳定稳定性1．对控制系统性能的基本要求⼀般可归结为稳定性、___________和___________。
答案：快速性准确性1、控制论的中⼼思想是，通过，和反馈来进⾏控制。
答案：信息的传递加⼯处理1．什么是反馈(包括正反馈和负反馈)?根据反馈的有⽆，可将控制系统如何分类？答案：（1）反馈是指输出量通过适当的检测装置将信号全部或⼀部分返回输⼊端，使之与输⼊量进⾏⽐较。
如果反馈信号与系统的输⼊信号的⽅向相反，则称为负反馈；如果反馈信号与系统的输⼊信号的⽅向相同，则称为正反馈。
（2）根据反馈的有⽆，可将控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。
1.何为闭环控制系统?其最主要的优点是什么？答案：闭环控制系统就是反馈控制系统，即输出量对控制作⽤有影响的系统。
其最主要的优点是能实现⾃我调节，不断修正偏差，抗⼲扰能⼒强。
1．简述“⾃动控制”和“系统”的基本概念。
答案：（1）所谓“⾃动控制”就是在没有⼈直接参与的情况下，采⽤控制装置使被控对象的某些物理量在⼀定精度范围内按照给定的规律变化。
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自动控制技术及理论已经广泛应用于机械、冶金、石 油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应 堆等各个领域。
自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和 设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术 科学。
在机电工程问题上，机械、电气、液压和计算机被广 泛采用，而且常常互相渗透、相互配合，这就需要结 合机电液系统阐述工程上共同遵循的基本控制规律， 即“机械（电）工程控制基础”。
研究的对象：系统（广义系统） 研究的任务：动力学问题 研究的领域：机械工程领域
1、系统——按一定规律联系在一起的元素的集合。
系统的要素
元素 元素之间的联系
输入(激励)、 干扰(扰动)
外界对系统的作用 系统与外界的交互作用
系统对外界的作用
输出(响应)
机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备；加工过 程、操作设备、测量；车间、部门、工厂、企业、企业集团 、全球制造行业等
例 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
方向调节进水阀门的开 度，即当实际水位高于 要求值时，关小进水阀 门开度，否则加大阀门 开度以改变进水量，从 而改变水箱水位，使之 与要求值保持一致。
被控对象 —水池
？
—水位
被控量？
例：改进——自动控制： Q1入水流量、 Q2出水流量
基础知识 分析方法
基本概念 控制系统结构体系 控制系统数学模型 时域分析 频域分析 系统稳定性判据
工程应用
系统性能指标 系统校正
基础知识
课堂教学内容 1 绪论 2 控制系统的数学模型(除2.2、2.5) 3 系统的时间响应与快速性分析(除3.5) 4 稳态误差与准确性分析 5 控制系统的频域分析 6 控制系统的稳定性 7 系统的性能分析与校正
机械工程控制基础----01 绪论
2020年7月17日星期五
机械工程控制基础
河北工程大学 机械与装备工程学院
周雁冰
控制论
经典控制理论 现代控制理论
“机械（电）工程控制基础”是控制论与机电工程技术理论之
间的交叉学科，侧重介绍机械工程的控制原理，同时密切结合
工程实际，是一门技术基础课程。
机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势——越来越广泛 而深入地引入了控制理论。
步进电机驱动的数控机床原理图 步进电机驱动的数控机床开环控制系统方框图
闭环控制系统 如：伺服电机驱动的数控机床、离心调速系统、恒温箱(冰箱、 空调)
伺服电机驱动的数控机床原理图
伺服驱动的数控机床闭环控制系统方框图
如：全自动洗衣机，既有开环控制，又有闭环控制。
最初级的洗衣机有加水、洗衣、排水甩干，这一流程按生 产商设定好的程序依次进行，是开环控制。
例：发动机离心调速系统
被控对象： 发动机 被控量： 转速ω
控制信息传递与反馈：
转速ω
离心机构 偏差
(检测或感知）
杠杆
油门
液压比例控制器
表示系统结构与工作原理的物理框图：
比较
控制器
运算放大
执行
控制部分
检测 离心调速系统控制方框图
被控对象 被控部分
反馈控制方式的优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的 变化而引起的变动。
2、动力学问题: 系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）
下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统 的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。
这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即 为系统的动力学问题。
1. 系统的输入与系统的固有特性已知，如何影 响输出？ 求输出
➢Q2变大 H减小，浮
子下降
杠杆倾斜
阀门开大
Q1
变大 Q1=Q2，液面
重新稳定。
➢Q2变小 H变大，
浮子上升 杠杆倾斜
阀门关小
Q1
变小 Q1=Q2，液面
重新稳定。
缺点：出水量越多，水位就 越低，偏离期望值就越远， 误差越大。控制的结果，总 存在着一定的误差值。
例：再改进——自动控制： 其 将 水该进制大有位系 行 精小正重当统调度反的新实在节。映变与际运，了化水水行最实，位位时终际电要低，总水动求于无是位机值要论使与带相求何实水动等水种际位减时位干水要速为时扰位求器止，引等值使。电起于的阀位水期差门器位望值开输的值，度出偏，放增电差大大加压，大器，值系提输直为统高出到正都了信实，要控号际且
2.系统确定并已知时，对系统施加何种输入， 能使系统实现预期的响应（即输出y(t)）？ 求输入
3. 对于确定的输入输出，系统应具有什么特性 ， 才能使系统实现预期的响应？求系统(结构参数)基本的动力学问题3 Nhomakorabea（数学）模型
定义：研究系统、认识系统、描述系统与分析系统的一种工具
。
种静类态：模实型物—模—型反、映物系理统模在型恒和定数载学荷模或型缓等变。载荷作用下或在系
自动控制系统的一般组成形式
比较 环节
给定环节 r(t) e(t) 串联校正
放大元件
扰动
u(t)
执行元件 被控对象
c(t)
b(t)
并联校正
(反馈校正)
反馈环节
比较 环节
扰动
给定环节 r(t)
e(t) 控制器 u(t) 被控对象
c(t)
b(t) 反馈环节
典 给定环节
型
反 比较环节 放大环节
馈 控
控制器 执行环节 串联校正
➢闭环控制系统 :系统有反馈回路。输出对系统有控制作用。
开环系统
优点：构造简单，成本低。
缺点：无抗干扰能力，不能自动纠偏，控制精度 较低。
闭环系统
优点：抗干扰能力强，稳态精度高，动态精度好。 缺点：构造复杂，设计与制造较困难，成本较高。
开环控制系统 如：步进电机驱动的数控机床 、普通洗衣机 、微波炉
其它章节内容为课外自学内容
教学用书 《机电工程控制基础》 吴炳胜主编 冶金工业出版社
教辅用书 《自动控制原理》 胡寿松等编 国防工业出版社 《机械工程控制基础》 杨叔子、杨克冲等编著 华 中科技大学出版社
第一章 绪论
1.1 概述 1.2 自动控制系统的基本概念 1.3 对控制系统的基本要求 1.4 自动控制简史 1.5 控制工程实践 1.6 本课程的特点与学习方法
自动控制技术应用于现代农业生产 自动灌溉；农产品质量检测等。
自动控制技术应用于其他领域 生物：人口控制，药物动力学
金融：货币控制 家庭：电饭煲，洗衣机，空调，冰箱
例：[钢铁轧制]:存在温 度控制、生铁成分控制 、厚度控制等。
道路交通的应用——车牌自动识别
勇气号火星探测器（美国）
机械工程控制论——研究机械工程技术中广义系统的动力学问题
控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。
经济学
经济控制论
控制论
社会学 生物学
社会控制论 生物控制论
工程技术
工程控制论
机械工程
机械（电） 工程控制论
自动控制技术应用于军事、航天领域 火炮、雷达、跟踪系统； 人造卫星；宇宙飞船。
自动控制技术应用于工业生产过程 轧钢；工业窑炉；石油化工；水泥建材；玻璃、造纸等
举例：智能楼宇的控制
高层 楼宇 的电 梯控 制
可视对讲、室内报警、远程家电控制…….
在日常生活中
空调的模式 选择与温度 控制
洗衣机 的定时、 正反转
冰箱 的温 度控 制
控制论概述 控制论是关于控制原理与控制方法的学科，它研究 事物变化和发展的一般规律。 “控制论”的两个核心是信息论和反馈控制。 首先创立控制论学科的是美国的数学家、信息理论 家(Norbert Wiener)诺伯特·维纳，他于1948年发表了 “控制论”。 1954年我国科学家钱学森出版专著《工程控制论》( 英文版)，首先把控制论推广到工程技术领域。
✓ 反馈信号：输出信号经反馈元件变换后全部或部分返回到输
入端的信号称反馈信号；
✓ 偏差信号：输入信号与（主）反馈信号之差； ✓ 误差信号：输出量实际值与希望值之差； ✓ 扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号；
例：用冰 箱的温度 控制说明 各种信号
控制系统的几种分类：
1. 按反馈情况分
➢开环控制系统 :系统没有反馈回路。输出对系统没有控制作 。
给定值
E
比较
－
运算执行 测量
干扰 被控量 被控对象
反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为 负反馈；反之称为正反馈。在正反馈系统中，正反馈信号只 会让偏差信号、输入信号变得越来越大，会导致系统失稳、 发散，即“恶性循环”。
常见的“单位负反馈”是指：反馈值为 1 的负反馈。同理，也 有单位正反馈。
统平衡状态下的特性；
代数公式描述
动态模型——用于研究系统在迅变载荷作用下或在系统不平
衡状态下的特性；
微分方程或差分方程来描述
在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。
动态模型是描述系统的动态历程的，机械工程控制论研究的 是机械工程技术中广义系统的动力学问题，所以往往需要采用 动态数学模型，即需要建立微分方程或差分方程来描述系统的 动态特性。
若洗衣机高级些，排水甩干这一环节可能自动检测衣物的 洗衣粉残留，据此来定漂洗的数量和时间，这一环节是闭 环控制。
2、按给定量的运动规律分 ➢ 恒值控制系统 系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系 统的输出量为恒值。 如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。
➢ 程序控制系统 输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律 ，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。 如：数控加工系统。 ➢ 随动系统（伺服系统） 输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速 、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响 ，准确地复现输入信号的变化规律。 如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。