机械工程控制基础 第1章 20120905 - 副本
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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。
机械控制工程基础 第一章 控制系统的基本概念
温度计
加热电阻丝
调压器
人工控制的恒温箱
~220V
College of mechanical & electronic engineering
第一章 控制系统的基本概念
➢ 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）
➢ 控制器：除被控对象以外的所有装置，统称为控制器 ➢ 被控制量：表征被控对象运动规律或状态的物理量
➢ 偏差：希望的恒温箱的温度与恒温箱的实际温度之差
➢ 控制量：加热电阻丝的输出功率。
➢ 扰动量（干扰）：恒温箱散热量
College of mechanical & electronic engineering
第一章 控制系统的基本概念
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
第一章 控制系统的基本概念
恒温箱自动控制系统工作原理：
➢恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 ➢恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度
u2比较得到温度偏差信号u＝u1 u2
➢温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为
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（比较环节的输出值） ➢ 控制量：被控对象的输入量 ➢ 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。
加热电阻丝
调压器
人工控制的恒温箱
~220V
College of mechanical & electronic engineering
第一章 控制系统的基本概念
➢ 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）
➢ 控制器：除被控对象以外的所有装置，统称为控制器 ➢ 被控制量：表征被控对象运动规律或状态的物理量
➢ 偏差：希望的恒温箱的温度与恒温箱的实际温度之差
➢ 控制量：加热电阻丝的输出功率。
➢ 扰动量（干扰）：恒温箱散热量
College of mechanical & electronic engineering
第一章 控制系统的基本概念
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
第一章 控制系统的基本概念
恒温箱自动控制系统工作原理：
➢恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 ➢恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度
u2比较得到温度偏差信号u＝u1 u2
➢温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为
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（比较环节的输出值） ➢ 控制量：被控对象的输入量 ➢ 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。
1机械工程控制基础(第五版)__第一章绪论概论
①对机电系统中存在的问题能够以控制论 的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题 的本质和有效的解决方法；
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）
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）
机械工程控制基础第一章
论 经典控制理论期 (20 世纪 40 ～ 60 年代 1945 年美国人波德 (Bode)写了“网络分析和反馈放大器设计”一文, 奠定了经典
控制理论基础, 在西方国家开始形成了自动控制学科; 1947年美
国出版了第一本自动控制教材“伺服机件原理”; 1948年美国 麻省理工学院出版了另一本“伺服机件原理”教材, 建立了现 在广泛使用的频率法。20世纪50年代是经典控制理论发展和成 熟的时期。主要内容为频率法 ( 拉氏变换及 Z变换 ) 、根轨迹法、
论
扰动信号 指令输入 参考输入元件 r ＋ － y 测量元件 控制器 e 执行元件 控制对象 c 被控变量 输出信号
图 1 - 2 室温控制系统功能框图
论
由外部加到系统中的变量称为输入信号 , 它不受系统中其 他变量的影响和控制。由系统或元件产生的变量称为输出信号, 其中最受关注的输出信号又称为被控变量。由某一个输入信号 产生的输出信号又称为该输入信号的响应。控制器的输出信号 称为控制变量 , 它作用在控制对象 (执行元件、功率放大器) 上, 影响和改变被控变量。 反馈信号是被控变量经传感器等元件变 换并返回到输入端的信号, 一般与被控变量成正比。 给定值又 称为指令输入信号, 它与被控变量是同一物理单位, 用来表示被 控变量的设定值。代表指令输入信号与反馈信号进行比较的基 准信号称为参考输入信号。 参考输入信号与反馈信号之差称为 偏差信号。扰动信号是加于系统上的不希望的外来信号, 它对 被控变量产生不利的影响。将指令输入信号变成参考输入信号 的元件可称为参考输入元件。
(3) 反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。 虽然在实际系统中, 反馈控制系统的形式是多样的, 但一般 均可化为图1 - 4的形式。
论
1.2.2
机械工程控制基础-第1章
1.2.4自动控制系统的组成
偏差信号（简称偏差）
输出量（又称输出信号 或被控量）
给定元件
输入量 +
r(t) -
e(t)
串联校正 元件
+ -
放大变换 元件
执行元件
b(t) 负反馈 局局部部反反馈馈
并联校正 元件
比较元件
主主反反馈馈
反馈信号
正反馈 +
误差信号（简称误差） (t)
测量元件
反馈元件 扰动信号n ( t )
基本控制方式？ ——开环控制、闭环控制、复合控制
机械工程控制基础
第 1 章 绪论
1 . 2 自动控制的基本控制方式及自动控制系统的组成
1.2.1开环控制
被控对象
FD
ur
K
Ia
ua
SM
工作机
输入元件或给定元件
被控量（输出量或输出信号)
机械工程控制基础
第 1 章 绪论
1 . 2 自动控制的基本控制方式及自动控制系统的组成
输出量
被控对象
c(t)
机械工程控制基础
第 1 章 绪论
1 . 3 自动控制系统的类型 1.3.1 按输入信号的运动规律进行分类 （1）恒值控制系统（又称自动调节系统）
(2）程序控制系统 (3）随动系统（又称自动跟踪系统）
机械工程控制基础
第 1 章 绪论
1 . 3 自动控制系统的类型 1.3.2 按系统元件的反应特性或描述系统动态特性的数学模型分类 （1）线性系统和非线性系统 （2）连续系统和离散系统 （3）定常系统和时变系统 （4）单输入单输出系统和多输入多输出系统
机械工程控制基础
第 1 章 绪论
《机械工程控制基础》课后答案.pdf
第二节 拉普拉斯变换
第三节 拉普拉斯变换的基本定理
第四节 拉普拉斯逆变换
第四章 传递函数
第一节 传递函数的概念与性质
第二节 线性控制系统的典型环节
第三节 系统框图及其运算
第四节 多变量系统的传递函数
第五章 时间响应分析
第一节 概述
第二节 单位脉冲输入的时间响应
第三节 单位阶跃输入的时间响应
第四节 高阶系统时间响应
X(t)=0
其它
X(t)
一 AT
0
t
图8
脉冲函数的强度为 A，即图形面积。 单位脉冲函数（δ 函数）定义为 δ(t)= d 1(t)
dt
性质有: δ(t)=0 t≠0
δ(t)=∞ t＝0
且
(t)dt = 1
−
5
X(t)
δ(t)
0
t
图9
强度为 A 的脉冲函数 x(t)也可写为 x(
t)=Aδ(t) 必须指出，脉冲函数 δ(t)在现实中是不存在的，它只有数学上的意
第六章
频率响应分析
第一节 谐和输入系统的定态响应
第二节 频率特性极坐标图
第三节 频率特性的对数坐标图
第四节 由频率特性的实验曲线求系统传递函数
第七章
控制系统的稳定性
第一节 稳定性概念
第二节 劳斯判据
第三节 乃奎斯特判据
第四节 对数坐标图的稳定性判据
第八章
控制系统的偏差
第一节 控制系统的偏差概念
1
第二节 输入引起的定态偏差 第三节 输入引起的动态偏差 第九章 控制系统的设计和校正 第一节 综述 第二节 希望对数幅频特性曲线的绘制 第三节 校正方法与校正环节 第四节 控制系统的增益调整 第五节 控制系统的串联校正 第六节 控制系统的局部反馈校正 第七节 控制系统的顺馈校正
机械工程控制基础笔记
目录第一章自动控制系统的基本原理第一节控制系统的工作原理和基本要求第二节控制系统的基本类型第三节典型控制信号第四节控制理论的内容和方法第二章控制系统的数学模型第一节机械系统的数学模型第二节液压系统的数学模型第三节电气系统的数学模型第四节线性控制系统的卷积关系式第三章拉氏变换第一节傅氏变换第二节拉普拉斯变换第三节拉普拉斯变换的基本定理第四节拉普拉斯逆变换第四章传递函数第一节传递函数的概念与性质第二节线性控制系统的典型环节第三节系统框图及其运算第四节多变量系统的传递函数第五章时间响应分析第一节概述第二节单位脉冲输入的时间响应第三节单位阶跃输入的时间响应第四节高阶系统时间响应第六章频率响应分析第一节谐波输入系统的稳态响应第二节频率特性的极坐标图第三节频率特性的对数坐标图第四节由频率特性的实验曲线求系统传递函数第七章控制系统的稳定性第一节稳定性概念第二节劳斯判据第三节乃奎斯特判据第四节对数坐标图的稳定性判据第八章控制系统的偏差第一节控制系统的偏差概念第二节 输入引起的稳态偏差 第三节 输入引起的动态偏差 第九章 控制系统的设计和校正第一节 综述第二节 希望对数幅频特性曲线的绘制 第三节 校正方法与校正环节 第四节 控制系统的增益调整 第五节 控制系统的串联校正 第六节 控制系统的局部反馈校正 第七节 控制系统的顺馈校正第一章 自动控制系统的基本原理定义：在没有人的直接参与下，利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。
第一节控制系统的工作原理和基本要求一、 控制系统举例与结构方框图例1． 一个人工控制的恒温箱，希望的炉水温度为100C °, 利用表示函数功能的方块、信号线，画出结构方块图。
图1解：人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度，通过大脑分析、比较，利用手和锹上煤炭助燃。
煤炭给定的温度100 C手和锹眼睛比较图2例2． 图示为液面高度控制系统原理图。
试画出控制系统方块图和相应的人工操纵的液面控制系统方块图。
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-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。
机械控制工程基础第一章
例：弹簧-质量-阻尼单自由度系统
(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。
(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(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
机械工程控制基础课件第1章
机械工程控制基础课件第1章第1章绪论什么是控制？控制：为达到某种目的，对某一对象施加所需的操作。
如温度控制、人口控制、压力控制等控制实例1：发电机供电发电机要正常供电，就必须维持其输出电压恒定，尽量不受负荷变化和原动机转速波动的影响。
发电机是被控制的设备称为控制对象。
输出电压是被控制的物理量称为被控制量。
额定电压称为输入量。
控制的基本任务：使控制对象的被控制量等于输入量。
控制实例2：水位人工控制期望水位：输入量实际水位：被控制量图1.1水位人工控制检测偏差实施控制消除偏差控制器进水阀浮球出水阀图1.2水位自动控制系统控制实例3：水位自动控制自动控制：在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵控制对象。
杠杆——水位控制器当水位处于平衡位置时，进水量=出水量当水位H下降时，进水阀门增大，进水量增大∴水位H上升自动控制系统:在无人直接操作的情况下，通过控制器使控制对象自动地按照给定的规律运行，使被控制量按照给定的规律变化。
问题：水位自动控制系统能准确的控制水位吗？系统存在振动现象，很难预测其何时停止控制使水位到达目标位置。
自动控制理论:以自动控制系统为研究对象，采用数学方法进行分析与综合。
自动控制理论的发展18世纪，JamesWatt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器是自动控制领域的第一项重大成果；1877年，提出线性系统稳定性的判据;1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应，确定闭环系统稳定性的方法——Nyquist稳定性判据；1948年，出版《控制论》，标志这门学科的正式诞生。
1954年，钱学森出版《工程控制论》经典控制理论在复数域内利用传递函数研究单输入—单输出线性定常系统的稳定性、响应快速性与响应准确性的问题。
20世纪50年代及其以前的控制理论属于经典控制理论数学基础：拉普拉斯变换基本数学模型：传递函数主要的分析与综合方法：时域分析法、频率响应法现代控制理论在时间域内利用状态空间分析研究多输入—多输出系统的最优控制问题。
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河南理工机械学院
控制系统分析和设计一般包括：
建立控制对象的数学模型（线性化模型） 对象的性能分析、仿真 选择控制方案（开环/闭环等） 选择性能指标，设计控制器
全系统性能分析、仿真
研制控制器，构建控制系统 试验验证
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热力系统的人工反馈控制
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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
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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：
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引言
在工程和科学的发展过程中，自动控制起 着重要的作用．除了在宇宙飞船、导弹制导和 飞机驾驶系统等领域中，自动控制系统具有特 别重要的作用之外，它巳变成现代机器制造业 和工业生产过程中的重要而不可缺少的组成部 分．例如，在生产过程中对压力、温度、湿度、 粘性和流量的控制，自动控制都是其重要的组 成部分；在机器制造业和其它许多部门中，象 机器零件的加工、处理和装配，都广泛地采用 着自动控制．
温度计
加热电阻丝
调压器
~220V
人工控制的恒温箱
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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，化学反应器或宇亩飞船)为对 象。
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过程定义
过程 宾里亚-韦伯斯特(Merrriam-Webster)字典 对过程的定义是：一种自然的逐渐进行地运转或发 展， 其特征是，有一系列逐渐的变化以相对固定的方法 相继发生在运转或发展状态中，并且最后导致一个 特定的结果或状态；或者也可以定义为人为的或随 意的连续运行状态，这种运行状态由一系列被控制 的动作和一直进行到某一特定结果或状态的有规则 的运动构成．我们称任何被控制的运行状态为过 程．其具体例子如化学过程，经济学过程和生物学 过程．
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解：分析质量块m受力，有外力F, 弹簧恢复力 Ky（t） 阻尼力 fd y ( t ) / d t 2 2 惯性力 m d y / d t 由于m受力平衡，所以
Fi 0
式中：Fi是作用于质量块上的 主动力，约束力以及惯性力。 将各力代入上等式，则得
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m d y (t ) dt
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自动控制研究的内容
经典控制理论 现代控制理论 经典控制理论
以传递函数为基础 ，以频率法和根轨迹 法作为分析和综合系统基本方法
主要研究对象:对单输入单输出线性定常 系统的分析和设计问题。 现代控制理论 以状态空间为基础，依靠高性能计算机进 行复杂的矩阵计算求解。 主要研究对象:多输入、多输出、时变参 数、高精度复杂系统的分析和设计问题。
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控制理论在机械制造中的应用
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课程主要内容
本课程是一门非常重要的技术基本课程， 是机械学院平台课程。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, 更突出 了机电控制的特点。
• • • • • 系统的数学模型 系统的时间响应分析（时域分析） 系统的频率特性分析（频域分析） 系统的稳定性 系统的性能指标与校正
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本课程在高等数学、理论力学、 电工电子学 等知识的基础上，使学生掌握机电控制系统的基
本原理及必要的实用知识。值得指出的是，尽管
经典控制理论在六十年代已完全发展成熟，但它
(b)
方程(a),(b)即为该系统的动态模型。
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若系统运动很慢，即有：
x(t ) c x (t ) 0; y (t ) 0
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控制论中的三大要素： 同构理论 信息的流通、交换 反馈机制
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接着短短的几十年里，在各国科学家和科 学技术人员的共同努力下，又相继出现了生物 控制论 、经济控制论和社会控制论等 控制理 论等，控制理论已经渗透到各个领域，并伴随 着其它科学技术的发展 极大地改变了整个世 界。控制理论自身也在创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、 加工处理并加以反馈来进行控制，控制理论是 信息学科的重要组成
1.2 系统及其模型
1.3 反馈 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
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回顾自动控制理论的发展
自动控制
在没有人直接参与的情况下，采用控制装 臵或机械使被控制对象达到预期的目标 。
发展简史
• 1765年，瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制 蒸气机 • 1948年，维纳《控制论－或关于在动物和机器中 控制和通信的科学》产生 • 40－60年代 经典控制理论（频域法为主） • 60－70年代 现代控制理论（时域法为主) • 70年代以后 大系统控制理论
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输入F(t)
y (0) y 0
外界作用
m y(t ) c y (t ) ky (t ) f (t )
初始状态
y (0) y 0
输入x(t)
（位移）外界作用
m y(t ) c y (t ) ky (t ) c x (t ) kx (t )
2 2
f
d y (t ) dt
K y (t ) F (t )
式中：y——m的位移（m）； f——阻尼系数（N〃s/m); K ——弹簧刚度（N/m)。
将上式的微分方程标准化
m d y (t ) K dt
2 2
f d y (t ) K dt
y (t )
1 K
F (t )
m y(t ) c y (t ) ky (t ) f (t )
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机械工程控制基础
• 第一章 自动控制的一般概念 • 第二章 控制系统的数学模型 • 第三章 控制系统的时域分析法 • 第四章 频域分析法 • 第五章 控制系统的稳定性
• 第六章 控制系统的校正
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第1章 绪论
回顾自动控制理论的发展
本课程的主要内容和任务
1.1 控制理论的研究对象与任务
工业干扰通常是由各种电气装臵（例如电动机、 电焊机、电疗机、电气开关等 ）中发生的电流 （或电压）的急剧变化所形成的电磁波辐射，并 作用在接收机天线上所产生的干扰。也有的电气 设备正常工作，也产生电磁波辐射，对接收机产 生干扰。
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1.1 控制论的研究对象与任务
广义系统动力学问题
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。
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温度计
k
加热电阻丝
u
开关闭合后，不 同的输入电压u对应于 不同的温度t。
~220V
炉温开环控制系统
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系统定义
系统 系统是一些部件的组合，这些部件组合在 一起，完成一定的任务．系统不限于物理系统．系 统的概念可以应用于抽象的动态现象，如在经济学 中遇到的一些现象．因此，“系统”这个词应当理 解为包含了物理学，生物学和经济学等现象的系 统．广义系统可大可小，可繁可简，甚至可实可虚， 完全由研究的需要而定。 系统的特性: •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； •系统的内容比组成系统各元素的内容丰富得多； •系统往往表现出在时域、频域或空域等域内的动态特 性。
y (0) y 0 y (0) y 0
初始状态
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1.2 系统及其模型
机械系统
机械系统：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。 概念说明
机械系统中的“激励” 激励：外界对系统的作用。 与“响应”分别代表着 响应：系统的变形或位移。 系统的输入和输出。
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静态模型：反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系 统平衡状态下的特性，表现为代数方程。如弹簧模型。
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，表现为微分方程或差分方程。 静态模型—现时输出决定于现时输入；
动态模型—现时输出决定于以前输入的历史。
动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。
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研究对象 数学工具 分析方法
局限性
单I/O 微分方程， 时域法 对复杂多变 经典 控制 线性定常 传递函数 频域法 量系统、时 系统 理论 根轨迹法 变和非线性
现代 控制 理论
多输入- 线性代数、 状态 多输出变 矩阵理论 空间法 系数，非 线性等系 统
系统无能为 力 比较繁琐 （但由于计 算机技术的 迅速发展， 已克服)
m x(t ) c x (t ) kx (t ) F (t )
(a)