第一章绪论_机械工程控制基础教案
机械工程控制基础教案
机械工程控制基础教案第一章：机械工程控制基础概述教学目标：1. 了解机械工程控制的基本概念和原理。
2. 掌握机械工程控制系统的分类和特点。
3. 理解机械工程控制系统的应用和发展趋势。
教学内容：1. 机械工程控制系统的定义和作用。
2. 机械工程控制系统的分类：开环控制系统和闭环控制系统。
3. 机械工程控制系统的特点：实时性、稳定性和准确性。
4. 机械工程控制系统的应用领域：机械制造、、自动化生产线等。
5. 机械工程控制系统的未来发展趋势：智能化、网络化和绿色化。
教学方法：1. 讲授法：讲解机械工程控制基础的概念和原理。
2. 案例分析法：分析典型的机械工程控制系统的应用实例。
3. 讨论法：引导学生思考机械工程控制系统的未来发展。
教学资源：1. 教材：机械工程控制基础。
2. 多媒体课件：图片、视频和动画等。
教学评估：1. 课堂问答：检查学生对机械工程控制基础概念的理解。
2. 小组讨论：评估学生对机械工程控制系统应用和发展趋势的理解。
第二章：机械工程控制系统的建模与分析教学目标：1. 学习机械工程控制系统的建模方法。
2. 掌握机械工程控制系统的时域分析和频域分析。
3. 理解机械工程控制系统的稳定性判据。
教学内容：1. 机械工程控制系统的建模方法：机理建模和实验建模。
2. 机械工程控制系统的时域分析：稳态误差、瞬态响应和稳定性。
3. 机械工程控制系统的频域分析：频率响应和波特图。
4. 机械工程控制系统的稳定性判据：奈奎斯特判据、伯德图判据等。
教学方法：1. 讲授法：讲解机械工程控制系统的建模方法和分析方法。
2. 数值分析法：利用数学软件进行机械工程控制系统的建模和分析。
3. 案例研究法：分析具体的机械工程控制系统的建模和分析实例。
教学资源：1. 教材：机械工程控制系统的建模与分析。
2. 数学软件：MATLAB等。
教学评估：1. 课堂问答：检查学生对机械工程控制系统建模和分析方法的理解。
2. 数值作业：评估学生对机械工程控制系统建模和分析的实践能力。
《机械工程控制基础》教案
《机械工程控制基础》教案学时分配总学时：32学时授课学时：28学时实验：4学时。
基础课程先修课：大学物理、理论力学、工程数学、电工学、高等数学、机械原理。
课程性质《机械工程控制基础》是高等工业院校机械类专业普遍开设的一门重要的技术基础课，在整个教学计划中，以主干课程的角色，起着承上启下的作用，具有十分重要的地位。
本课程是一门专业基础理论课程,详述了研究对象的建模方法、系统响应分析方法，系统介绍了单输入单输出线性定常系统的时域性能分析、频域性能分析、系统的稳定性分析方法，介绍系统性能校正方法，为《机电一体化系统设计》、《机电传动控制》、《计算机控制技术》等机械电子工程专业的后续课程打下基础。
课程的主要任务通过本课程的学习，使学生掌握经典控制理论的基本概念和基础知识, 掌握机械工程中的研究对象的建模方法；掌握一阶、二阶系统的时域性能分析和频域性能分析方法；能熟练地根据Nyquist图、Bode图判断系统的稳定性；掌握系统性能校正方法；使学生能分析系统的性能,能改进或设计简单的控制系统。
第一次课第1章绪论1.1机械控制基础的研究对象、课程的基本任务、控制系统的基本要求一、机械控制基础的研究对象：系统、输入、输出2、典型闭环控制系统的框图的构成输入信号输出量给定值偏差控制器执行机构被控对象-测量变送器给定环节：给出与系统输出量希望值相对应的系统输入量。
测量环节：测量系统输出量的实际值，并把输出量的量纲转化成与输入量相同。
比较环节：比较系统的输入量和主反馈信号，并给出两者之间的偏差。
放大环节：对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求。
执行环节：根据放大后的偏差信号产生控制、动作，操作系统的输出量，使之按照输入量的变化规律而变化。
二、课程的基本任务研究系统、输入、输出之间的动态关系三、控制系统的基本要求：稳、快、准1.2 控制理论的研究内容、发展、应用、学习方法。
控制理论研究五方面的内容系统分析问题当系统已定、输入(或激励)已知时,求出系统的输出（或响应）,并通过输出来研究系统本身的有关问题。
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 课程介绍了解机械工程控制基础课程的背景和意义理解控制系统的定义和基本组成1.2 控制系统的基本概念掌握系统的数学模型和分类理解物理可实现系统的条件和稳定性第二章：线性系统理论2.1 线性系统的描述学习系统的微分方程和差分方程表示掌握系统的传递函数和状态空间表示2.2 线性系统的性质学习系统的可控性和可观测性理解系统的稳定性和收敛性第三章：反馈控制系统3.1 反馈控制原理学习反馈控制系统的组成和作用掌握反馈控制系统的类型和特点3.2 反馈控制系统的分析与设计学习系统的稳定性分析和判据掌握PID控制器和的状态反馈设计方法第四章：非线性控制系统4.1 非线性系统的描述学习非线性系统的数学模型和分类掌握非线性系统的相平面分析方法4.2 非线性控制系统的分析与设计学习非线性控制系统的稳定性分析和设计方法掌握非线性PID控制器和滑模控制设计方法第五章：机械工程应用实例5.1 机械臂的控制系统设计学习机械臂的数学模型和控制需求掌握机械臂的控制系统设计和实现5.2 路径跟踪控制系统设计学习路径跟踪的数学模型和控制目标掌握的路径跟踪控制系统设计和仿真第六章：控制系统的稳定性分析6.1 稳定性的基本概念理解系统稳定性的定义和重要性学习李雅普诺夫稳定性理论和劳斯-赫尔维茨准则6.2 线性系统的稳定性分析掌握线性时不变系统的稳定性分析方法应用劳斯-赫尔维茨准则判断系统稳定性第七章：控制系统的控制器设计7.1 控制器设计的基本概念理解控制器的作用和设计目标学习控制器设计的基本方法和步骤7.2 比例积分微分控制器设计掌握PID控制器的设计原理和方法应用Ziegler-Nichols方法进行PID参数的整定第八章：控制系统的仿真与实验8.1 控制系统仿真的基本概念理解控制系统仿真的意义和作用学习仿真软件的使用和仿真方法8.2 控制系统的实验与验证掌握实验设备的使用和实验步骤分析实验结果并与理论分析进行对比第九章：现代控制理论简介9.1 现代控制理论的基本概念了解现代控制理论的发展和应用领域学习线性系统的状态空间表示和特性9.2 现代控制方法的应用掌握现代控制方法如鲁棒控制和自适应控制的应用了解这些方法在实际机械工程中的应用案例第十章：机械工程控制系统的综合应用10.1 机械工程控制系统的案例分析分析机械工程中控制系统的实际应用案例理解控制系统在提高机械性能和效率中的作用10.2 控制系统在机械工程中的挑战和发展趋势探讨控制系统在机械工程中面临的挑战和问题了解控制系统在机械工程中的未来发展趋势重点和难点解析：一、控制系统的基本概念：重点关注系统数学模型和分类的讲解，以及物理可实现系统的条件和稳定性。
华中科技大学版机械工程控制基础(第六版)第1章绪论
动态模型
研究系统在迅变载荷或在系统 不平衡状态下的特性。 现时输出由其以前的历史决定
以代数公式描述 简 单
微分方程或差分方程描述 复 杂
2014年8月20日10时24分
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
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。
2014年8月20日10时24分
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。
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
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;系统闭环频率特性。
(五) 控制系统的稳定性分析
2014年8月20日10时24分
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
2014年8月20日10时24分
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
例：弹簧-质量-阻尼单自由度系统
(a)
(b)
初始状态： y(0) y0 , 系统固有特性： mp 2 cp k 外界作用： f (t ) , x(t ) 与外界的关系： 1 , cp k
广义系统： 具备系统要素的一切事物或对象
如：机器系统、生产系统、生命系统、 思维、学习、工作， 社会、经济系统等
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、全球制造业
机械工程控制基础教案 第五版
机械工程控制基础
外反馈控制系统举例
第一章绪论
附加的反馈控制装置
机械工程控制基础 2.广义系统 广义系统—— 广义系统
比如： 比如： 、 、 、
第一章绪论 。
机械工程中的广义系统： 机械工程中的广义系统： 以实现一定的机械运动、承受一定的机械载荷为目的， 以实现一定的机械运动、承受一定的机械载荷为目的， 由机械元件组成的系统，称为机械系统 机械系统。 由机械元件组成的系统，称为机械系统。 如：
机械工程控制基础
第一章绪论
机械工程控制基础
第一章绪论
（a） ）
（b） ）
同一系统，不同的输入 同一系统，不同的输入 系统
机械工程控制基础
（a）解： ）
第一章绪论
& f (t ) − ky (t ) − cy (t ) = m&&(t ) y
（a） ）
& 整理得： y 整理得： m&&(t ) + cy (t ) + ky (t ) = f (t )
全闭环反馈
机械工程控制基础
正反馈： 正反馈 加大偏差 加大偏差 如：自激振荡器、机器疲劳破坏 自激振荡器、
第一章绪论
检测偏差， 纠正偏差。 检测偏差，并纠正偏差。 偏差 如： 机床伺服系统
机械工程控制基础 负反馈举例
机床伺服控制系统
第一章绪论
负反馈控制原理图
负反馈控制方框图
机械工程控制基础_第1章 绪论
外界的作用。
机械工程控制基础
第1章 绪论
输入 系统 输出
图1.1-1 系统及其与外界的联系
机械工程控制基础
第1章 绪论
1.2.1 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1.2-1 （a）所示。 （2）比较点（相加点） 表示两个或两个以上的信号进行 相加或相减运算。“+”表示信号相加，“-”表示信号相减， 如图1.2-1（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.2-1（c） 所示。
机械工程控制基础
第1章 绪论
1.2.3 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。
机械工程控制基础
第1章 绪论
1.2.3 控制系统的基本概念 人工控制 在人直接参与的情况下，使被榨对象 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置 自动控制的装置或元件、部件的组合。
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。
机械工程控制基础教案
机械工程控制基础教案第一章：绪论教学目标：1. 了解机械工程控制的基本概念和意义。
2. 掌握机械工程控制的基本要求和分类。
3. 理解机械工程控制系统的组成和功能。
教学内容：1. 机械工程控制的概念和意义。
2. 机械工程控制的基本要求和分类。
3. 机械工程控制系统的组成和功能。
教学方法：1. 讲授法：讲解机械工程控制的基本概念和意义，阐述机械工程控制的基本要求和分类。
2. 案例分析法：分析实际案例，让学生更好地理解机械工程控制系统的组成和功能。
教学准备：1. 教案、PPT课件。
2. 相关案例资料。
教学过程：1. 引入新课：简要介绍机械工程控制的基本概念和意义。
2. 讲解机械工程控制的基本要求和分类。
3. 分析机械工程控制系统的组成和功能。
4. 案例分析：选取典型案例，让学生更好地理解机械工程控制系统的组成和功能。
5. 课堂小结：总结本节课的重点内容。
6. 布置作业：布置相关作业，巩固所学知识。
教学反思：第二章：机械工程控制系统的数学模型教学目标：1. 掌握机械工程控制系统的数学模型建立方法。
2. 理解拉氏变换和Z变换在机械工程控制系统中的应用。
3. 掌握机械工程控制系统的传递函数和状态空间表达式。
教学内容：1. 机械工程控制系统的数学模型建立方法。
2. 拉氏变换和Z变换在机械工程控制系统中的应用。
3. 机械工程控制系统的传递函数和状态空间表达式。
教学方法：1. 讲授法：讲解机械工程控制系统的数学模型建立方法，阐述拉氏变换和Z变换在机械工程控制系统中的应用。
2. 练习法：让学生通过练习，掌握机械工程控制系统的传递函数和状态空间表达式。
教学准备：1. 教案、PPT课件。
2. 相关练习资料。
教学过程：1. 引入新课：简要介绍机械工程控制系统的数学模型建立方法。
2. 讲解机械工程控制系统的数学模型建立方法。
3. 讲解拉氏变换和Z变换在机械工程控制系统中的应用。
4. 练习：让学生通过练习，掌握机械工程控制系统的传递函数和状态空间表达式。
机械工程控制基础(清华大学出版社)课件第1章绪论
4.放大元件：对偏差信号进行放大和功率放大 的元件。例如，伺服功率放大器、电液伺 服阀等。
5.执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。 例如，执行电动机、液压马达等。
6.控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的 输出量即为系统的控制量，例如，机床工 作台等。
7.校正元件：或称校正装置，用以提高控制系 统动态性能。有反馈校正和串联校正等形 式
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)。
第二节 系统的基本概念
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。 系统与外界之间的关系如下图所示，其中， 输入：外界对系统的作用； 输出：系统对外界的作用。
图 1-7 典型的反馈控制系统框图
1.给定元件：主要用于产生给定信号或输入信 号例如，调速系统的给定电位计。
2.反馈元件：它测量被控量或输出量，产生主 反馈信号，该信号与输出量存在着确定的 函数关系（通常为比例关系）。例如，调 速系统用于测速的测速发电机。
3.比较元件：用来比较输入信号和反馈信号之 间的偏差。可以是一个差接的电路，它往 往不是一个专门的物理元件，有时也叫比 较环节；自整角机、旋转变压器、机械式 差动装置都是物理的比较元件。
经典控制理论是自动控制理论的基础，又称为 控制理论基础。
学习控制理论基础要解决两个问题
1. 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；
2. 如何根据实际需要来设计控制系统。
前者主要是分析系统，后者是综合与设计。
第一节 机械工程控制理论研究的 对象与任务
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)。
机械工程控制基础教案
第 1 次课程教案
第 2 次课程教案
第 4 次课程教案
第 3 次课程教案
授课章节 Laplace变换本次课 2
第 5 次课程教案
第 6 次课程教案
课章节授系统的传递函数方框图及其简化 2.4 本次课 2
第 7 次课程教案
第 8 次课程教案
第 9 次课程教案
第 10 次课程教案
第 12 次课程教案
课章节授频率特性概述 4.1本次课 2
第 13 次课程教案
第 14 次课程教案
第 15 次课程教案
节授课章 5.1~5.2 本次课 2
第 16 次课程教案
第 17 次课程教案
第 18 次课程教案
第 19 次课程教案
第 20 次课程教案
第 21 次课程教案
第 22 次课程教案
第 23 次课程教案。
机械工程控制基础教案
机械工程控制基础教案一、教学目标1. 了解机械工程控制的基本概念、原理和应用。
2. 掌握线性系统的描述方法、特性分析和控制器设计。
3. 熟悉常用的机械工程控制技术和算法。
4. 培养学生的动手实践能力和团队协作精神。
二、教学内容1. 机械工程控制概述控制系统的定义、分类和特点控制系统的基本组成和符号表示2. 线性系统的数学描述微分方程和差分方程拉普拉斯变换和Z变换传递函数和状态空间表示3. 线性系统的特性分析稳定性、线性、时不变性系统的时域、频域分析系统的稳态误差和暂态响应4. 线性系统的控制器设计比例-积分-微分(PID)控制状态反馈控制和观测器设计鲁棒控制和最优控制5. 机械工程控制应用案例控制器设计数控机床控制系统电机控制系统三、教学方法1. 讲授：讲解基本概念、原理和算法。
2. 案例分析：分析实际机械工程控制应用案例。
3. 实验操作：进行控制系统仿真和实际控制器调试。
4. 小组讨论：分组讨论问题和解决方案。
四、教学资源1. 教材：机械工程控制基础教材。
2. 软件：MATLAB/Simulink控制系统仿真软件。
3. 实验设备：控制系统实验平台。
五、教学评估1. 平时成绩：课堂表现、作业和实验报告。
2. 考试成绩：期末考试和实验考核。
六、线性系统的稳定性分析1. 稳定性的定义和判定准则系统稳定的数学定义奈奎斯特准则和波特图系统的相位裕度和增益裕度2. 稳定性分析方法根轨迹法频率响应法脉冲响应法3. 不稳定系统的改进增加反馈环节调整系统参数使用稳定控制器七、线性系统的控制策略1. 比例-积分-微分(PID)控制PID控制器的设计原理PID参数的整定方法PID控制器的应用案例2. 状态反馈控制状态空间表示状态观测器的设计状态反馈控制的应用3. 鲁棒控制鲁棒控制的定义和目标鲁棒控制算法的设计鲁棒控制在机械工程中的应用八、机械工程控制实例分析1. 控制系统的运动学模型的动力学模型控制系统的实现2. 数控机床控制系统数控机床的控制原理数控机床的控制算法数控机床控制系统的优化3. 电机控制系统电机的动态模型电机的控制策略电机控制系统的性能评估九、控制系统的设计与仿真1. 控制系统设计流程明确控制目标选择合适的控制策略设计控制器和观测器系统仿真和实验验证2. MATLAB/Simulink仿真MATLAB/Simulink的基本操作控制系统仿真的原理仿真结果的分析和评估3. 实验操作控制系统实验平台的使用控制器参数的调整和优化实验数据的采集和处理十、总结与展望1. 机械工程控制的重要性控制在机械工程中的应用领域控制技术的发展趋势2. 课程学习收获基本概念和原理的理解控制策略和算法的学习动手实践和问题解决能力的培养3. 未来研究方向智能控制和机器学习自主系统和群控技术绿色控制和可持续发展重点和难点解析一、线性系统的数学描述二、线性系统的特性分析三、线性系统的控制器设计四、机械工程控制应用案例五、线性系统的稳定性分析六、线性系统的控制策略七、机械工程控制实例分析八、控制系统的设计与仿真九、总结与展望全文总结和概括：本教案围绕机械工程控制的基础知识和应用展开，重点解析了线性系统的数学描述、特性分析、控制器设计，以及机械工程控制的应用案例。
机械工程控制基础教案
机械工程控制基础教案教案主题：机械工程控制基础授课对象：机械工程专业大一本科生教学目标：1.了解机械工程控制的基本概念和原理；2.掌握机械工程中常用的控制设备和技术；3.能够应用所学知识解决机械工程中的控制问题。
教学重点：1.机械工程控制的基本概念和原理；2.机械工程中常用的控制设备和技术。
教学难点：1.机械工程中的控制问题的实际应用；2.控制设备和技术的选择和配置。
教学准备：1.讲台及黑板、白板；2.计算机及投影仪；3.课本及其他参考教材。
教学过程：一、引入（5分钟）1.介绍机械工程控制的基本概念和作用；2.通过图示展示机械工程中的控制问题。
二、机械工程控制的基本原理（15分钟）1.介绍机械工程中常用的控制原理，如反馈控制、前馈控制等；2.讲解控制系统的基本组成部分，包括传感器、执行器、控制器等。
三、机械工程中常用的控制设备（20分钟）1.介绍常见的机械工程控制设备，如PLC、伺服驱动器等；2.讲解每种控制设备的特点和应用场景。
四、机械工程中常用的控制技术（20分钟）1.介绍常见的机械工程控制技术，如PID控制、模糊控制等；2.讲解每种控制技术的原理和适用范围。
五、机械工程控制的实际应用（15分钟）1.分析机械工程中的实际控制问题，并提供相应的解决方案；2.通过实例演示控制设备和技术在机械工程中的应用。
六、小结与讨论（10分钟）1.总结本节课的内容；2.对学生提出的问题进行解答，并与学生进行相关讨论。
七、作业布置（5分钟）1.布置与机械工程控制相关的小作业，要求学生用所学知识解决实际问题；2.提供课外阅读材料，以拓宽学生对机械工程控制的认识。
教学反思：本节课通过理论讲解和实例演示相结合的方式，使学生能够全面了解机械工程中的控制问题及其解决办法。
在教学过程中，需要加强与学生的互动，鼓励学生主动提问和参与讨论，以提高他们的学习积极性和理解能力。
并且，教师需要提前准备好相关的教学资料和实例，以确保教学的顺利进行。
机械工程控制基础教案
机械工程控制基础教案第一篇：机械工程控制基础教案第一章绪论[教学内容]1．控制理论学科的发展概况2．控制理论的研究对象3．控制系统的工作原理及基本要求4．学习目的和学习方法[教学安排]安排的教学时数：4学时[知识点及基本要求]了解机械控制工程理论的由来和发展，了解其在机械制造领域中的作用。
熟悉有关“反馈与反馈控制”的基本概念。
学习分析具体控制系统的组成环节，知道系统的被控对象、被控量、扰动量、控制量等，会画工作原理方框图。
[重点和难点]反馈与反馈控制；控制系统的概念；[教学法设计]应用多媒体课件，开展案例教学。
第二章控制系统的数学模型[教学内容]1．控制系统动态微分方程的建立以及非线性方程的线性化；2．传递函数的概念及传递函数方块图的简化方法；3．典型环节的传递函数；[教学安排]本章安排的教学时数：6学时2.1.1 线性系统与非线性系统；2.1.2 线性系统微分方程的列写；2.1.3系统非线性微分方程的线性化。
安排2学时。
2.2.1 传递函数的定义；2.2.2传递函数的常见形式；2.3.1控制系统的基本联接方式；2.3.2扰动作用下的闭环控制系统。
安排2学时2.3.3 传递函数方块图的绘制；2.3.4传递函数方块图的变换；2.3.5传递函数方块图的简化。
安排2学时。
2.4 典型环节的传递函数。
安排2学时。
[知识点及其基本要求]2.1 控制系统的微分方程线性系统与非线性系统，以质量-弹簧系统等为例引出线性系统与非线性系统的概念，让学生对概念有明确的理解；线性系统微分方程的列写，是本次课的重点，通过力学、电学等方面的实例让学生掌握动态系统建模的方法；系统非线性微分方程的线性化，让学生理解非线性动态微分方程线性化的处理方法。
2.2 传递函数传递函数的定义，是本次课的重点讲解内容，通过实例让学生理解为什么要引入传递函数表述动态系统；传递函数的常见形式，让学生了解它的多种表达方式；控制系统的基本联接方式，主要掌握串联、并联和反馈控制等基本联接方式；扰动作用下的闭环控制系统。
控制工程基础教案第一章绪论演示文稿讲课文档
4.直到滑阀回复中位，W回到设定值。
通过检测系统的实际输出值，并与设定值进行
比较，反过来作用于系统，形成反馈，进而调
w
节系统的输出。
反馈实质上是信息的传递与交互。
（本例中反馈表现为W变化引起的信息传
递与交互）。
第二十四页，共37页。
以发动机离心调速系统为例： 反馈装置
被控对象：发动机 被控量：转速W
机械工程控制论:是控制论在机械领域的体现； 研究用控制论的基本原理来解决机械工程中 的实际技术问题。
第四页，共37页。
控制器和被控对象的总体即自动控制系统。 自动控制理论: 以自动控制系统为研究对象,采 用数学的方法对自动控制系统进行分析与综合。
例子：水箱液面控制系统：
第五页，共37页。
控制论
控制论：关于控制原理和控制方法的学科，研究事物变化和发展 的一般规律（总体概述）
3 偏差信号：是输入信号与反馈信号之 差。
4 误差信号：输出希望值与实际值之差。
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5 扰动信号 扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如 果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统 外部，则称为外扰。外扰也是系统的输入量。
第三十四页，共37页。
1.5 对自动控制系统的
基本要求
系统与输入之间的关系所决定。 问题：
1. 系统的输入与系统的固有特性如何影响 y(t)？
三者之间表现为何种关系？
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一般地，就系统、输入、输出三者之间的动态关系而言，需研究的 问题包括：
1. 系统分析问题：已知系统和输入，求系统的响 应（或输 出）， 并通过响应来研究系统本身的 问题；
2. 最优控制问题：已知系统，确定输入，使系统 的输出满足要求；
第一章绪论-机械工程控制基础-教案
Chp.1绪论基本要求（1）了解机械工程控制论的基本含义和研究对象,学习本课程的目的和任务；掌握广义系统动力学方程的含义。
（2）了解系统、广义系统的概念，了解系统的基本特性；了解系统动态模型和静态模型之间的关系。
（3）掌握反馈的含义，学会分析动态系统内信息流动的过程，掌握系统或过程中存在的反馈。
（4）了解广义系统的几种分类方法；掌握闭环控制系统的工作原理、组成；学会绘制控制系统的方框图。
（5）了解控制系统中基本名词和基本变量。
（6）了解正反馈、负反馈、内反馈、外反馈的概念。
（7）了解对控制系统的基本要求。
重点与难点本章重点（1）学会用系统论、信息论的观点分析广义系统的动态特性、信息流，理解信息反馈的含义及其作用。
（2）掌握控制系统的基本概念、基本变量、基本组成和工作原理；绘制控制系统方框图。
本章难点广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制。
一、课程简介性质：机械设计制造及其自动化专业的一门技术基础课。
学时：32h先修课程：复变函数、机械动力学、交流电路理论后续课程：为专业基础和专业课打下一定基础。
如：机械工程测试技术、机电传动控制、数控机床等。
主要内容：本课程是数理基础课与专业课程之间的桥梁。
主要内容包括：控制理论的研究对象与任务、物理系统数学模型建立、时间响应分析、频率特性分析、系统的稳定性、系统的性能分析与校正、系统辩识、控制系统的计算机辅助分析.教材：杨叔子主编，《机械工程控制基础》，华中科技大学出版社，2004参考书目：（1）Katsuhiko Ogata.卢伯英等译，现代控制工程（第四版）.北京：电子工业出版社，2003（2）李友善主编：《自动控制原理》，国防工业出版社，2003教材结构：1）对研究对象（机械工程）问题建立数学模型chp.22) 在一定输入下分析系统的输出：时间响应（时域分析）chp.3频率响应（频率分析）chp.43）系统性能分析：稳定性判据chp.54）系统校正：使系统全面满足性能指标要求chp.6二、对象与任务控制论+工程技术→工程控制论控制论+机械工程→机械工程控制研究对象：研究广义系统在一定外界条件下，从系统初始条件出发的整个动态过程，以及在这个历程中和历程结束后所表现出来的动态特性和静态特性。
机械工程控制基础教案
机械工程控制基础教案第一章：机械工程控制概述1.1 课程介绍了解机械工程控制的基本概念、原理和应用掌握机械工程控制的基本环节和数学模型1.2 机械工程控制的基本概念控制、反馈和控制系统的定义开环控制和闭环控制的区别1.3 机械工程控制的基本环节传递函数、频率响应和状态空间表示系统的稳定性、线性、时不变性等特性1.4 机械工程控制的应用实例机械臂的控制、控制系统发动机控制、车辆控制等第二章：控制系统的数学模型2.1 数学模型的建立微分方程、差分方程和传递函数系统的输入、输出和状态变量2.2 线性系统的时域分析稳态误差、稳态响应和瞬态响应系统的稳定性和动态性能指标2.3 线性系统的频域分析频率响应、波特图和稳定性裕度系统的频率特性和平衡点2.4 非线性系统的分析非线性微分方程和差分方程非线性系统的相平面和李雅普诺夫理论第三章：控制系统的分析和设计方法3.1 系统的时域分析法根轨迹、频率响应和状态空间法系统的稳定性和动态性能分析3.2 系统的频域分析法波特图、频率特性和稳定性裕度系统的频域设计和优化3.3 系统的优化方法目标函数和约束条件最大误差最小化和动态性能最优化3.4 控制器的设计算法PID控制器、模糊控制器和自适应控制器数字控制器和模拟控制器的比较和选择第四章：机械工程控制的应用案例4.1 控制系统的运动学模型和动力学模型的路径跟踪和姿态控制4.2 车辆控制系统车辆的动力学模型和控制目标车辆的稳定性控制和燃油经济性控制4.3 发动机控制系统发动机的工作原理和控制需求发动机的排放控制和燃油控制4.4 生产线控制系统生产线的流程和控制目标生产线的调度和优化控制第五章：机械工程控制实验与实践5.1 控制系统实验设备控制实验台和实验设备的选择实验设备的连接和操作方法5.2 控制系统实验原理实验目的和实验步骤实验数据的采集和处理方法5.3 PID控制器的设计与实现PID控制器的参数整定方法PID控制器的仿真和实验验证5.4 控制系统的设计与实现控制系统的需求分析和系统设计控制系统的仿真和实验验证第六章：线性系统的状态空间分析6.1 状态空间表示法系统的状态空间描述和数学模型状态变量和控制变量的定义6.2 状态空间方程的求解系统的零输入和零状态响应系统的状态转移矩阵和时间响应6.3 状态空间分析的应用系统的稳定性分析系统的能观性和能控性分析6.4 状态空间控制器设计状态反馈控制器和观测器设计输出反馈控制器和最优控制第七章：非线性控制理论基础7.1 非线性系统概述非线性系统的特点和挑战非线性控制理论的作用和意义7.2 非线性系统的描述方法非线性微分方程和差分方程相平面图和李雅普诺夫方法7.3 非线性控制设计方法反馈线性化和滑模控制自适应控制和鲁棒控制7.4 非线性控制系统应用案例倒立摆控制和四旋翼控制手臂和非线性路径跟踪第八章：机械系统的动力学建模8.1 机械系统动力学的基本概念牛顿力学和拉格朗日方程刚体动力学和多体系统动力学8.2 机械系统的建模方法建立动力学模型的步骤和注意事项系统参数的测量和估计8.3 机械系统的稳态分析系统的平衡状态和受力分析系统的运动轨迹和速度分析8.4 机械系统的动态响应分析系统的自由响应和强迫响应系统的时域和频域分析第九章：控制系统的设计工具与软件9.1 控制系统设计工具概述模拟电子电路和数字电子电路设计工具控制系统设计和仿真软件的选择9.2 MATLAB控制系统工具箱MATLAB控制系统的功能和特点控制系统的建模、仿真和分析9.3 控制系统设计软件的应用控制系统的参数调整和优化控制系统的实时监控和调试9.4 控制系统设计案例分析典型控制系统的分析和设计控制系统设计过程中的注意事项第十章：机械工程控制实验与实践10.1 控制系统实验流程与要求实验目的和实验内容的确定10.2 控制系统实验案例分析实验数据的处理和分析方法实验结果的评估和总结10.3 控制系统设计实践控制系统设计方案的制定和实施控制系统设计的改进和优化10.4 控制系统实验与实践的总结实验与实践过程中遇到的问题和解决方法控制系统实验与实践的经验教训第十一章：现代控制理论简介11.1 现代控制理论概述现代控制理论的概念和发展历程线性时变系统和非线性系统的控制方法11.2 李雅普诺夫理论李雅普诺夫第一和第二定理稳定性分析和李雅普诺夫函数的选取11.3 哈密顿原理和最优控制哈密顿原理和拉格朗日方程最优控制问题的提法和求解方法11.4 状态反馈和观测器设计状态反馈的定义和作用观测器的类型和设计方法第十二章：控制12.1 控制概述的运动学和动力学控制的目标和挑战12.2 路径跟踪控制路径跟踪的数学模型PID控制器和模糊控制器的应用12.3 姿态控制姿态控制的概念和重要性姿态控制算法和实现方法12.4 视觉伺服控制视觉伺服系统的原理和结构视觉伺服控制算法的实现和优化第十三章：自适应控制13.1 自适应控制概述自适应控制的概念和特点自适应控制的应用领域13.2 自适应控制算法自适应控制器的设计方法自适应控制算法的仿真和实验13.3 自适应控制的应用工业过程控制和控制汽车控制和飞行器控制13.4 自适应控制的挑战和发展趋势自适应控制面临的挑战自适应控制的未来发展趋势第十四章：鲁棒控制14.1 鲁棒控制概述鲁棒控制的概念和重要性鲁棒控制的数学基础14.2 鲁棒控制算法鲁棒控制算法的设计方法鲁棒控制算法的仿真和实验14.3 鲁棒控制的应用工业控制系统和控制汽车控制和飞行器控制14.4 鲁棒控制的挑战和发展趋势鲁棒控制面临的挑战鲁棒控制的未来发展趋势第十五章：控制系统教学案例分析15.1 控制系统教学案例的选择选择具有代表性的教学案例教学案例的难度和复杂性15.2 控制系统教学案例的分析和讨论分析案例中的控制问题和解决方案讨论控制系统的设计和实现方法15.3 控制系统教学案例的实践和实验实践和实验的安排和指导实践和实验的结果和总结15.4 控制系统教学案例的反馈和改进学生对教学案例的反馈和评价教学案例的改进和优化方法重点和难点解析本文主要介绍了机械工程控制基础教案，内容包括机械工程控制的基本概念、原理和应用，控制系统的数学模型，分析和设计方法，以及机械工程控制的应用案例和实验实践等。
机械工程控制基础(绪论)
第一章 绪论
补充知识 自动控制理论的发展
自动控制理论是研究自动控制共同规 律的技术科学。既是一门古老的、已臻成 熟的学科，又是一门正在发展的、具有强 大生命力的新兴学科。从1868年马克斯威 尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判 据至今一百多年里，自动控制理论的发展 可分为四个主要阶段：
收音机、汽车电话、业余电台
第一章 绪论 21世纪 绿色 环保汽车EV
EV?
无废气排放 ( 零 排放)
高效率
安全、舒适、可靠
E第V一章 绪论
汽车照明、 电动转向、空调、 音响、雨刷、安全
报警、电动门窗 …….
机 控制 电
机械 控制 电 子
机电一体化
第一章 绪论
基于CAN总线的汽车内部控制示意图
第一章 绪论
广义系统：具备系统要素的一切事物或对象，如机器 系统、生命系统、社会系统、生产系统、思维、学习等。
机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加工 过程、测量、车间、部门、工厂、企业、企业集团等。
第一章 绪论
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）。
第一章 绪论
智能控制
是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控 制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环 境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据 人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能 才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型 的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突 变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格 的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的 过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则
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Chp.1 绪论
基本要求
（1）了解机械工程控制论的基本含义和研究对象,学习本课程的目的和任务；掌握广义
系统动力学方程的含义。
（2）了解系统、广义系统的概念，了解系统的基本特性；了解系统动态模型和静态模
型之间的关系。
（3）掌握反馈的含义，学会分析动态系统内信息流动的过程，掌握系统或过程中存在的反馈。
（4）了解广义系统的几种分类方法；掌握闭环控制系统的工作原理、组成；学会绘制
控制系统的方框图。
（5）了解控制系统中基本名词和基本变量。
（6）了解正反馈、负反馈、内反馈、外反馈的概念。
（7）了解对控制系统的基本要求。
重点与难点
本章重点
（1）学会用系统论、信息论的观点分析广义系统的动态特性、信息流，理解信息反馈的含义及其作用。
（2）掌握控制系统的基本概念、基本变量、基本组成和工作原理；绘制控制系统方框
图。
本章难点
广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制。
一、课程简介
性质：机械设计制造及其自动化专业的一门技术基础课。
学时：32h
先修课程：复变函数、机械动力学、交流电路理论
后续课程：为专业基础和专业课打下一定基础。
如：机械工程测试技术、机电传动控制、数控机床等。
主要内容：本课程是数理基础课与专业课程之间的桥梁。
主要内容包括：控制理论的研究对象与任务、物理系统数学模型建立、时间响应分析、频率特性分析、系统的稳定性、系统的性能分析与校正、系统辩识、控制系统的计算机辅助分析.
教材：杨叔子主编，《机械工程控制基础》，华中科技大学出版社，2004 参考书目：
（1）Katsuhiko Ogata. 卢伯英等译，现代控制工程（第四版）.北京：电子工业出版社，
2003
（2）李友善主编：《自动控制原理》，国防工业出版社，2003
教材结构：1）对研究对象（机械工程）问题建立数学模型chp.2
2）在一定输入下分析系统的输出：
时间响应（时域分析）chp.3
频率响应(频率分析) chp.4
3) 系统性能分析：稳定性判据chp.5
4) 系统校正：使系统全面满足性能指标要求
chp.6
二、对象与任务
控制论+工程技术T工程控制论
控制论+机械工程T机械工程控制
研究对象：研究广义系统在一定外界条件下，从系统初始条件出发的整个动态过程，以及在这个历程中和历程结束后所表现出来的动态特性和静态特性。
分析:( 1)广义系统:
(a )可大可小，可繁可简，可虚可实。
(b)—般可建立数学模型：微分方程、传递函数、频率响应函数等
(c)系统具有固有特性，由结构和参数决定
( 2 )外界条件：指对系统的输入(激励) 包括认为激励、控制输入、干扰输入等
分析系统，就是分析x(t)、h(t)、y(t)三者关系(动态历程)
三、反馈
控制论的中心思想就是“反馈控制”
1、定义：将系统输出全部或部分返回到输入端。
2、从微分方程中体现反馈
3、实例：蒸汽机离心调速器
4、说明：( 1)人为增加，
( 2)外反馈与内反馈
( 3)正反馈与负反馈
( 4)都引起信息传输与交换
四、系统分类
1、按反馈分：开环系统：无反馈回路。
无反向信息交换，不能进行输出校正(精度低)
例：Fig 1.31 数控机床进给系统闭环系统：通过反馈环节调节输入，获得高精度输出。
例：Fig 1.32 附加检测(反馈)装置
2、按输出变化：自动调节系统(恒值系统)：在外界干扰下，系统输出基本保持为常量(给定量为恒值)。
随动系统：输出相应于输入按任意规律变化(给定量为变量)。
程序控制系统：系统输出按预定程序变化。
五、控制系统基本组成环节
系统中的环节：
1、控制环节（给定环节）：产生控制信号，可各种形式。
2、测量环节：测量被控参量，起反馈作用，一般为非电量电测。
比较
3、比较环节：
输入和反馈量，产生偏差信号。
£ =X i —X b （同一种量）
4、放大环节：用以推动执行元件工作。
5、校正元件：改善系统性能的调节元件。
6、执行元件：对被控对象直接操作。
系统中的量：
1、输出量（被控量、被控参量）X0：最终控制的目标值。
2、控制量（给定量）x i：根据设计要求与输出量相适应的预先给定信号。
3、干扰量（扰动量）：引起输出变化的各种外部和内部条件，属于一种偶然的无法人为控制的
随机输入信号。
4、输入量：控制量与干扰量的总称，一般多指控制量。
5、反馈量：由输出端引回到输入端的量。
6、偏差量：控制量与反馈量之差。
7、误差量：实际输出量与希望输出量之差值。
e (t)=X0 (t)—X0*(t)
六、基本要求
“稳、快、准”
1、稳定性：系统x o（t）对给定目标值x o*（t）的偏离，应随t增长逐渐趋近于零。
绝对为零不可能T给出一定的稳定裕度
若系统不稳定，X o波动较大或发散，则不能正常工作。
不同受控对象对系统稳定性要求不同。
2、快速性：指X o达到给定目标值的快速性
两种指标衡量：
①瞬态响应时间t s （过渡过程时间，调整时间）
即P：l x o （t）—X o X o（m）的时间t》t s
△ 为可靠度指标。
一般△取0.02或0.05
②超调量M p：欠阻尼下一般有振荡衰减，产生M p
M p 较小，则过渡过程平稳，M p 过大，则系统过渡过程较长。
无振荡则无M p，但较大t s。
3、准确性（稳态精度）：
过渡过程结束后，x0 与给定输入量的偏差。