机械控制工程基础 自动控制原理第一章 绪论
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第一章自动控制原理绪论
第一章自动控制原理绪论自动控制原理是一门研究物理系统自动调节和控制的科学，主要包括控制系统的建立、控制策略设计和控制器设计等内容。
本章主要介绍了自动控制原理的基本概念和基本方法，以及自动控制的应用领域。
自动控制的基本概念包括系统、控制、反馈和误差等。
系统是由一组互相作用的物理元件构成的实物系统或数学模型，控制是通过调节系统的一些输入信号来达到预期目标的过程，反馈则是从系统的输出信号中获取信息进行调节的过程，而误差是系统输出信号与期望目标之间的差异。
自动控制的基本方法包括建立数学模型、分析系统的性态、设计控制策略和设计控制器等。
在建立数学模型时，可以通过质量、量、位置、能量守恒等原则，采用物理方程、电路方程、状态方程等方法进行建模。
在分析系统的性态时，可以通过系统的输入输出关系、传递函数、稳定性、响应特性等进行分析。
在设计控制策略时，可以根据系统的性质、要求和实际问题的特点进行选择。
在设计控制器时，可以采用比例、积分、微分控制器等方法，通过调节控制器参数和选择控制器结构来实现对系统的控制。
自动控制的应用领域非常广泛，包括工业自动化、航空航天、机器人、医疗设备、交通运输等。
在工业自动化中，自动化生产线、机械设备、电力系统等都需要自动控制来实现精确控制和高效运作。
在航空航天中，自动驾驶系统和导航系统需要自动控制实现飞行控制和航道控制。
在机器人中，自动控制可以实现机械臂的精确运动和姿态控制。
在医疗设备中，自动控制可以实现医学影像的采集和分析，以及手术机器人的操作。
在交通运输中，自动控制可以实现车辆的自动驾驶、交通信号的优化和路线规划等。
总之，自动控制原理是一门重要的学科，对于解决实际问题具有重要意义。
通过学习和应用自动控制原理，可以提高物理系统的控制性能，实现精确定位、稳定运行和高效控制，在各个应用领域都有着广泛的应用前景。
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
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）
自动控制原理 第一章 绪论
执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被
控对象。
放大元件：将比较元件给出的偏差信号放大以驱动执行元件去
控制被控对象。 放大和校正根据系统的性能要求而取舍。 参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。
五、自动控制系统简史
公元前250年，古希腊的浮子阀门调节装置用于控制
水位；
近代最ห้องสมุดไป่ตู้的温度控制装置是荷兰化学家和机械学家考·
2、线性定常离散系统
离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数 码形式，信号在时间上是离散的。如：工业计算机控制系统。
一般用如下所示线性差分方程来描述离散系统：
a0c(k n) a1c(k n 1) …… an 1c(k 1) an c(k ) b0 r(k m) b1r(k m 1) …… bm-1r(k 1) bm r(k )
自动控制原理
Automatic Control Systems
第一章 绪论
自动控制系统的基本概念
自动控制的基本方式 对控制系统的性能要求
第一节 自动控制系统的基本概念
一、 控制系统的基本概念
控制：是使某些物理量按指定的规律变化。
受控对象：工作的机器、设备、生产过程等； 被控量c(t)：表征受控对象状态的物理参量；
例如：
水位高度控制系统原理图
水位高度控制系统原理方框图
三、按偏差调节的闭环控制
特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。 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
计算比较 －
执行
干扰 ＋ 被控量 被控对象
测量 按偏差调节的系统原理方框图
第一章 绪论 机械工程控制基础
自动控制研究的内容： 经典控制理论 现代控制理论
第一章 绪论
1．古典控制理论
第一章 绪论
出现时间: 40~50年代 研究对象: 单输入、单输出系统（SISO系统） 研究背景: 二战军工技术 研究目标: 反馈控制系统的整定 基本方法: 传递函数，频率法、PID
第一章 绪论
2．现代控制理论
出现时间: 60~70年代 研究对象:多输入、多输出系统（MIMO系统） 研究背景: 冷战时期空间技术，计算机技术 研究目标: 最优控制 基本方法: 状态方程
y (0) =y 0
y (0) =y0
(1)
1）输入信号 2）系统结构参数 3）初始条件 4）输入与系统的关系
第一章 绪论
例2 ：质量——弹簧——阻尼系统，位移x(t)
为输入，求位移为输出y(t)
解: FK = K[x(t) - y(t)]
FC = C [x - y(t)]
x(t)
y(t)
k
c
m
小车运行方程：
第一章 绪论
例: 直流电动机转速开环控制系统。
➢ 输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统
二、闭环控制
第一章 绪论
反馈
图示: 人工电动机转速闭环控制系统
第一章 绪论
控制任务：保持工作机械恒速运行. 控制过程：
n uf u ua n
第一章 绪论
典型闭环系统方框图
反 馈： 输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程
第一章 绪 论
第一章 绪论
主要 内容
1．控制系统的工作原理和基本类型 2．控制系统的基本组成 3．控制系统的基本要求
§1-1 控制工程的研究对象和任务
§1-2 控制系统的分类 §1-3 反馈和反馈控制 §1-4 控制系统的基本要求 本课程是一门技术基础课
1机械工程控制基础-第一章绪论
锅炉气鼓水位控制系统
蒸汽 水位计 气鼓 测量变送器 眼 给定值 控制器 脑 手
执行机构
给水 手阀 控制阀
引 言
一、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； 二、自动控制技术应用于工业生产过程 宇宙飞船。
轧钢过程； 工业窑炉；石油化工； 水泥建材；玻璃、造
纸等 三、自动控制技术应用于现代农业生产
闭环系统的组成
闭环系统的基本组成为：(1)给定环节；(2)测量环 节；（3）比较元件；（4）放大运算元件；(5)执 行环节。
比较环节
给定环节
输入 xi
扰动信号 执行 被控 输出 xo 对象
_
+Ɛ
放大运算 环节
环节
测量环节
控制部分
例3.我们在日常生活中经常遇到的抽水马桶，也是一个典型的闭 环控制系统。
第三节 反馈
外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入 的反馈， 称为外反馈。
内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内
反馈。
内反馈是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。它是造 成机械系统存在一定的动态特性的根本原因，纷繁复杂的内反 馈的存在使得机械系统变得异常复杂。对于机械系统中普遍存 在的内反馈现象应引起足够的重视。
3. 4.
5.
6. –
按输入信号变化规律：恒值、随动、程序控制
按系统内部传输信号的性质：连续与离散 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
第1章 绪论 机械工程控制基础
第1章绪论1.1 概述在科学技术飞速发展的今天，自动控制技术和理论已经成为现代化社会的不可缺少的组成部分。
自动控制技术及理论已经广泛地应用于机械、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应堆等各个学科领域。
近年来，控制学科的应用范围还扩展到交通管理、生物医学、生态环境、经济管理、社会科学和其它许多社会生活领域，并为各学科之间的相互渗透起了促进作用。
自动控制技术的应用不仅使生产过程实现自动化，从而提高了劳动生产率和产品质量，降低生产成本，提高经济效益，改善劳动条件，使人们从繁重的体力劳动和单调重复的脑力劳动中解放出来，而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术和创造人类社会文明等方面都具有十分重要的意义。
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。
学习和研究自动控制理论是为了探索自动控制系统中变量的运动规律和改变这种运动规律的可能性和途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论根据。
作为现代的工程技术人员和科学工作者，都必须具备一定的自动控制理论基础知识。
在机械工程问题上，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“机械工程控制基础”。
例如，电梯可以不受乘员多少的影响按照人的要求准确地停在任一楼层，机床的数字控制可以实现工件的自动加工，导弹能够击中正在运动的目标，这些都离不开自动控制。
1.2 自动控制系统的基本概念所谓自动控制，是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程等）的某些物理量（或工作状态）(如温度、压力、位置、速度等)准确地按照预期规律变化（或运行）。
如空调能保持恒温；数控机床能加工出预期的几何形状；火炮控制系统能准确击中目标等。
一般地说，如何使被控制量按照给定量的变化规律而变化，这就是控制系统所要完成的基本任务。
机械工程控制基础复习课件
第二章 传递函数
机械系统微分方程的列写
单击此处添加大标题内容
机械系统中部件的运动有直线和转动两种。机械系统中以各种形式出现的物理现象，都可简化为质量、弹簧和阻尼三个要素。列写其微分方程通常用达朗贝尔原理。即：作用于每一个质点上的合力，同质点惯性力形成平衡力系。
第二章 传递函数
第二章 传递函数
第二章 传递函数
第二章 传递函数
2.零点和极点
将G(s)写成下面的形式：
N(s)=a0(s-p1)(s-p2)…(s-pn)=0的根s=pj (j=1, 2, …, n)，称为传递函数的极点； 决定系统瞬态响应曲线的收敛性，即稳定性
式中: M(s)=b0(s-z1)(s-z2)…(s-zm)=0的根s=zi (i=1, 2, …, m)，称为传递函数的零点； 影响瞬态响应曲线的形状，不影响系统稳定性
3）若系统传递函数方框图内有交叉回路，则根据
相加点、分支点等移动规则消除交叉回路，然后 按第2）步进行化简；
第二章 传递函数
Ｘ0
Ｘi
+
A
+
B
G1
+
H2
H1
G2
G3
D
-
Ｅ
Ｆ
-
+
C
解：1）相加点C前移（再相加点交换）
Ｘi
+
A
+
B
G1
H1
G2
G3
D
-
Ｅ
Ｆ
Ｘ0
+
1 G1
H2
-
+
第二章 传递函数
例1 ：
第二章 传递函数
1．比例环节（放大环节）
机械系统微分方程的列写
单击此处添加大标题内容
机械系统中部件的运动有直线和转动两种。机械系统中以各种形式出现的物理现象，都可简化为质量、弹簧和阻尼三个要素。列写其微分方程通常用达朗贝尔原理。即：作用于每一个质点上的合力，同质点惯性力形成平衡力系。
第二章 传递函数
第二章 传递函数
第二章 传递函数
第二章 传递函数
2.零点和极点
将G(s)写成下面的形式：
N(s)=a0(s-p1)(s-p2)…(s-pn)=0的根s=pj (j=1, 2, …, n)，称为传递函数的极点； 决定系统瞬态响应曲线的收敛性，即稳定性
式中: M(s)=b0(s-z1)(s-z2)…(s-zm)=0的根s=zi (i=1, 2, …, m)，称为传递函数的零点； 影响瞬态响应曲线的形状，不影响系统稳定性
3）若系统传递函数方框图内有交叉回路，则根据
相加点、分支点等移动规则消除交叉回路，然后 按第2）步进行化简；
第二章 传递函数
Ｘ0
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A
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B
G1
+
H2
H1
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G3
D
-
Ｅ
Ｆ
-
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解：1）相加点C前移（再相加点交换）
Ｘi
+
A
+
B
G1
H1
G2
G3
D
-
Ｅ
Ｆ
Ｘ0
+
1 G1
H2
-
+
第二章 传递函数
例1 ：
第二章 传递函数
1．比例环节（放大环节）
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。
精品课件-自动控制原理-第1章 绪论
1876年，俄国学者N.A.维什涅格拉诺基发表著作《论调速器的 一般理论》，对调速器系统进行了全面的理论阐述。
1927年，布莱克（H.S.Black）发现了采用负反馈线路的放大 器，放大器系统对扰动和放大器增益变化的敏感性大为降低。
1932年，奈奎斯特（H.Nyquist）采用频率特性表示系统，提
出了频域稳定性判据，很好地解决了Black放大器的稳定性问
第一章 绪论
8
自动控制 原理
1.2 反馈控制的基本原理
动态系统的反馈控制的概念,其核心思想是对一个系统的输 出量进行检测, 然后反馈到输入端与参考输入相比较，得到 的偏差信号经控制器的变换运算后,驱动执行机构,以使被控 对象的输出量能按照参考输入的要求变化。为了实现精确的 控制,应满足四个基本的要求。第一， 系统必须一处于稳定 状态。第二，系统输出必须跟踪控制输入信号。 第三， 系 统输出必须尽量克服来自扰动输入的响应 。虽然在设计中 使用的模型不是完全精确的, 或者物理系统的动态特性随时 间变化或者因环境变化而变化,但是这些目标是必须满足的。
的输出电压U对应不同的电机转速。图中反馈量 由编码器采集
的Δ信V为号V负期计值望算，速得控度到制。器当输实出际到速驱度动大器于的设u定值值减时小，，控从制而器减的小输了入输量出
电压，电机减速；当实际速度小于设定值时，控制器的输入量
ΔV为正值，控制器输出到驱动器的u值增大，从而增大了输出
电压，电机加速。
自动控制 原理
第一章 绪 论
2020/12/14
第一章 绪论
1
自动控制 原理
1.1 引言
本章的目的使读者熟悉和理解以下几个方面的内容：
• 1.什么是自动控制和控制系统。 • 2.控制理论发展史。 • 3.控制系统的工作原理是什么？ • 4.控制系统的组成和分类。 • 5.几个控制系统的应用实例。
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。
控制工程基础ppt教案第一章绪论文档ppt
频域法
多层次
模糊集法 复杂对象
11
标志性事件：
18世纪，James Watt 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，劳斯;
1895年霍尔维茨;
提出确定系统的稳定性的代数判据
1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确 定闭环系统稳定性的方法。
30
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：系统的输出相应于系统的输入按任意规律变化。 如：炮瞄雷达系统 放形加工等。 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。
控制三要素： 被控对象、控制目标、控制装置
可控与能控： 1. 被控对象（或其被控量）必须存在着多种发 展的可能性。如果事物的未来只有一种可能 性，就无所谓控制了; 2. 被控制的对象不仅必须存在多种发展的可能 性，而且，可以在这些可能性中通过一定的 手段进行选择，才谈得到控制。
6
控制论方法： 1. 了解事物面临的可能性空间是什么; 2. 在可能性空间中选择某一状态为目标 （控制目标）； 3. 控制条件，使事物向既定的目标转化。
3
1.1 引言
回答三个问题：
1、什么是“机械工程控制论”? 2、自动控制与自动控制理论 3、控制论的发展 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。
控制：对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。 自动控制: 在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地
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同作用于系统的过程。
负（正）反馈：如果反馈回去的信号与系统的输入信号方向相反，称之
为负反馈；如果方向相同，则称之为正反馈。
内（外）反馈： 反馈控制：利用反馈信号对系统进行控制。
21
? 英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)。
蒸汽机离心调速器调速系统 结构示意图
22
? 英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)。
动态关系：系统在外界条件作用（输入或激励、包括控制与外界干扰）
下，从一定初始状态出发，所经历由内部的固有特性 （由系 统结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）
12
第一章 绪论
自动控制原理
汽车自动焊装生产线
第一章 绪论
自动控制原理
汽车风挡玻璃涂胶机器人
第一章 绪论
自动控制原理
人造卫星
第一章 绪论
给定n0 比较 机构
-
转换 机构
阀 门
蒸汽 q 系统
T 蒸汽机
实际n
离心机构
蒸汽机离心调速器调速系统 原理方框图
23
第四节 本课程的特点及学习方法
课程特点： 内容抽象、概括性强、涉及知识范围广。
学习方法： 1、准确使用数学结论，不必过分追求数学论证 2、对物理概念要明确掌握 3、做好笔记、作业、实验，有利于概念的理解
1、能满足自动化技术高度发展的需要
2、与信息科学和系统科学紧密相关
3、提供了辩证的系统分析方法
不但从局部，而且从整体认识和分析机械系统，改进 和完善机械系统，以满足科技发展和工业生产的实际需要。
课程的体系结构
1
一般 概念
2
系统 模型
时域法 3
复域法* 性 能 频域法 4 指标
6
5
稳定性
6
第一章 绪论
4）系统辨识： 系统的输入、输出均已知，分析 系统由哪些环节组成，并求出各环节参数，建立 系统的数学模型。
5）滤波与预测： 系统已定，输出已知，要识别 输入或输入中的有关信息。
20
三、反馈及反馈控制
控制论的核心内容是通过信息的传递、加工处理和反馈 来进行控制。
反馈：将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，并与输入信号共
第一章 绪论
自动控制原理
自动控制的特点：
? 无人直接参与 ? 机器、设备或生产过程的工作状态或参数若发生变化 ? 自动实现某种规律运行
自动控制技术应用实例：
? 数控车床按照规定程序自动地切削工件； ? 化学反应炉自动地维持温度或压力的恒定； ? 导弹发射和制导系统自动地把导弹引向敌方目标；
二、机械工程控制论的研究对象与任务
和基本方法的运用。
第二节 控制系统的工作原理与组成
? 课程类型： 专业限选课。
2
课程的性质和特点
? 机械控制工程是研究 控制论 在机械工程中应用的科
学。它是一门 技术科学，也是一门跨控制论和机械工程
领域的边缘学科。《机械控制工程基础》是本学科的技
术基础课。
电工电子 复变函数
理论力学
线性代数 微积分
机械控制工程基础
电机与拖动
检测技术 数控技术
等
? 理论性非常强但又和实际应用紧密结合。
3
第一章 绪论
二、成绩评定：
自动控制原理
? 平时成绩 30%
按100分制：出勤 30分，缺课扣分； 课堂表现 10分； 作业+笔记35分，只允许补上一次的作业； 实验25分，实验操作表现和实验报告。
? 考试成绩 70%：闭卷
4
第一章 绪论
自动控制原理
机械工程控制论
随着工业生产和科学技术的不断发展，机械工程控制 论—自动控制原理这门新兴学科越来越为人们所重视：
自动控制原理
导弹
第一章 绪论
洗衣机
自动控制原理
第一章 绪论
自动控制原理
普通车床
第一章 绪论
自动控制原理
数控加工中心
2、机械工程控制论的任务 1）系统分析： 系统已定、输入已知，求输出。
2）最优控制： 系统已确定、输出已知，求输入， 要求输出符合给定最佳值 。 3）最优设计： 已知输入，输出给定，要确定系统， 使输出尽可能符合给定最佳要求。
机械控制工程基础
（自动控制原理）
1
第一章 绪论
自动控制原理
一、课程的性质
? 课程地位： 电气工程及自动化专业的主干课程， 也是一些硕士点考研的必修课程，各个专业方向的 专业课，均离不开自动控制理论。
? 课程特点： 学时多，理论性强，是一门专业基础 课（核心课程），以高数、物理、复变函数、电工 电子等课程为基础，同时又是后续一些课程的基础 课和先导课，因而起着承上启下的作用。
1、机械工程控制论的研究对象
是机械工程技术中广义系统的动力学问题。即研究系统及其 输入、输出三者之间的动态关系。
系统：由相互联系、相互作用的若干部分构成且有一定运动规律的有机
整体。
广义系统：通常机械工程控制论简称机械控制工程，其所研究的系统
可大可小，可繁可简，完全由研究的需要决定，因而称之为广义系统。
SISO
时域、复域、频域
反馈控制 分析法
线性定常系统
系统稳定
微分方程 拉氏变换
?现代控制理论 ( 20世纪60-70年代 )
传递函数
MIMO 非线性系统、时变系统
最优控制 状态空间分析法
矩阵理论 （线性代数）
?智能控制理论 ( 20世纪70年代至今 )
状态 方程
模糊控制
神经网络 人工智能
遗传算法
10
控制论
控制论、相对论和量子论---20世纪上半叶的三项科学革命， 也是人类认识客观世界的三大飞跃。
控制论是研究各类系统的调节和控制规律的科学，是由 自动控制、电子技术、计算机科学、神经生理学、医学、统 计学等多种学科相互渗透而产生的一门交叉科学，是在20世 纪40年代逐渐形成的。
1948年，美国数学家N·维纳发表了《控制论》，基本上
第一节 机械工程控制论的基本含义 第二节 控制系统的工作原理与组成 点及学习方法
7
学习重点
? 理解掌握自动控制和自动控制系统的基本概念； ? 重点掌握闭环控制系统的原理和组成；
? 掌握反馈控制系统的基本要求 ；
8
第一章 绪论
自动控制原理
第一节 机械工程控制论的基本含义
形成了经典控制理论，维纳在他的《控制论》一书的副标题 这样写道，控制论是“关于在动物和机器中控制和通讯的科 学”。
1954年我国科学家钱学森运用控制论的思想和方法，首 创了工程控制论，把控制论推广到工程控制领域，奠定了工 程控制论这一技术科学的基础。
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一、自动控制原理的发展概况
? 经典控制理论 ( 20世纪30-50年代 )
负（正）反馈：如果反馈回去的信号与系统的输入信号方向相反，称之
为负反馈；如果方向相同，则称之为正反馈。
内（外）反馈： 反馈控制：利用反馈信号对系统进行控制。
21
? 英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)。
蒸汽机离心调速器调速系统 结构示意图
22
? 英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)。
动态关系：系统在外界条件作用（输入或激励、包括控制与外界干扰）
下，从一定初始状态出发，所经历由内部的固有特性 （由系 统结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）
12
第一章 绪论
自动控制原理
汽车自动焊装生产线
第一章 绪论
自动控制原理
汽车风挡玻璃涂胶机器人
第一章 绪论
自动控制原理
人造卫星
第一章 绪论
给定n0 比较 机构
-
转换 机构
阀 门
蒸汽 q 系统
T 蒸汽机
实际n
离心机构
蒸汽机离心调速器调速系统 原理方框图
23
第四节 本课程的特点及学习方法
课程特点： 内容抽象、概括性强、涉及知识范围广。
学习方法： 1、准确使用数学结论，不必过分追求数学论证 2、对物理概念要明确掌握 3、做好笔记、作业、实验，有利于概念的理解
1、能满足自动化技术高度发展的需要
2、与信息科学和系统科学紧密相关
3、提供了辩证的系统分析方法
不但从局部，而且从整体认识和分析机械系统，改进 和完善机械系统，以满足科技发展和工业生产的实际需要。
课程的体系结构
1
一般 概念
2
系统 模型
时域法 3
复域法* 性 能 频域法 4 指标
6
5
稳定性
6
第一章 绪论
4）系统辨识： 系统的输入、输出均已知，分析 系统由哪些环节组成，并求出各环节参数，建立 系统的数学模型。
5）滤波与预测： 系统已定，输出已知，要识别 输入或输入中的有关信息。
20
三、反馈及反馈控制
控制论的核心内容是通过信息的传递、加工处理和反馈 来进行控制。
反馈：将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，并与输入信号共
第一章 绪论
自动控制原理
自动控制的特点：
? 无人直接参与 ? 机器、设备或生产过程的工作状态或参数若发生变化 ? 自动实现某种规律运行
自动控制技术应用实例：
? 数控车床按照规定程序自动地切削工件； ? 化学反应炉自动地维持温度或压力的恒定； ? 导弹发射和制导系统自动地把导弹引向敌方目标；
二、机械工程控制论的研究对象与任务
和基本方法的运用。
第二节 控制系统的工作原理与组成
? 课程类型： 专业限选课。
2
课程的性质和特点
? 机械控制工程是研究 控制论 在机械工程中应用的科
学。它是一门 技术科学，也是一门跨控制论和机械工程
领域的边缘学科。《机械控制工程基础》是本学科的技
术基础课。
电工电子 复变函数
理论力学
线性代数 微积分
机械控制工程基础
电机与拖动
检测技术 数控技术
等
? 理论性非常强但又和实际应用紧密结合。
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第一章 绪论
二、成绩评定：
自动控制原理
? 平时成绩 30%
按100分制：出勤 30分，缺课扣分； 课堂表现 10分； 作业+笔记35分，只允许补上一次的作业； 实验25分，实验操作表现和实验报告。
? 考试成绩 70%：闭卷
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第一章 绪论
自动控制原理
机械工程控制论
随着工业生产和科学技术的不断发展，机械工程控制 论—自动控制原理这门新兴学科越来越为人们所重视：
自动控制原理
导弹
第一章 绪论
洗衣机
自动控制原理
第一章 绪论
自动控制原理
普通车床
第一章 绪论
自动控制原理
数控加工中心
2、机械工程控制论的任务 1）系统分析： 系统已定、输入已知，求输出。
2）最优控制： 系统已确定、输出已知，求输入， 要求输出符合给定最佳值 。 3）最优设计： 已知输入，输出给定，要确定系统， 使输出尽可能符合给定最佳要求。
机械控制工程基础
（自动控制原理）
1
第一章 绪论
自动控制原理
一、课程的性质
? 课程地位： 电气工程及自动化专业的主干课程， 也是一些硕士点考研的必修课程，各个专业方向的 专业课，均离不开自动控制理论。
? 课程特点： 学时多，理论性强，是一门专业基础 课（核心课程），以高数、物理、复变函数、电工 电子等课程为基础，同时又是后续一些课程的基础 课和先导课，因而起着承上启下的作用。
1、机械工程控制论的研究对象
是机械工程技术中广义系统的动力学问题。即研究系统及其 输入、输出三者之间的动态关系。
系统：由相互联系、相互作用的若干部分构成且有一定运动规律的有机
整体。
广义系统：通常机械工程控制论简称机械控制工程，其所研究的系统
可大可小，可繁可简，完全由研究的需要决定，因而称之为广义系统。
SISO
时域、复域、频域
反馈控制 分析法
线性定常系统
系统稳定
微分方程 拉氏变换
?现代控制理论 ( 20世纪60-70年代 )
传递函数
MIMO 非线性系统、时变系统
最优控制 状态空间分析法
矩阵理论 （线性代数）
?智能控制理论 ( 20世纪70年代至今 )
状态 方程
模糊控制
神经网络 人工智能
遗传算法
10
控制论
控制论、相对论和量子论---20世纪上半叶的三项科学革命， 也是人类认识客观世界的三大飞跃。
控制论是研究各类系统的调节和控制规律的科学，是由 自动控制、电子技术、计算机科学、神经生理学、医学、统 计学等多种学科相互渗透而产生的一门交叉科学，是在20世 纪40年代逐渐形成的。
1948年，美国数学家N·维纳发表了《控制论》，基本上
第一节 机械工程控制论的基本含义 第二节 控制系统的工作原理与组成 点及学习方法
7
学习重点
? 理解掌握自动控制和自动控制系统的基本概念； ? 重点掌握闭环控制系统的原理和组成；
? 掌握反馈控制系统的基本要求 ；
8
第一章 绪论
自动控制原理
第一节 机械工程控制论的基本含义
形成了经典控制理论，维纳在他的《控制论》一书的副标题 这样写道，控制论是“关于在动物和机器中控制和通讯的科 学”。
1954年我国科学家钱学森运用控制论的思想和方法，首 创了工程控制论，把控制论推广到工程控制领域，奠定了工 程控制论这一技术科学的基础。
9
一、自动控制原理的发展概况
? 经典控制理论 ( 20世纪30-50年代 )