机械工程控制基础课件
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机械工程控制基础复习课件
实质是检测偏差再纠正偏差。
College of Mechanical & Material Engineering
1.2 反馈控制系统及其组成
反馈控制：建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。
反馈控制系统的组成：
特点：利用偏差控制系统的输出。 基本物理量：
被控量（即系统的输出量）：表征被控对象运动规律或状态的物理量。 给定量（即系统的输入量）：希望的被控对象的运动规律或状态。 控制量：直接作用于被控对象的物理量，即被控对象的输入量。 扰动量：所有被控对象偏离给定值的作用量。
College of Mechanical & Material Engineering
1.2 反馈控制系统及其组成
闭环控制系统的组成：给定环节、测量环节、比较环节、放大及运算环 节、执行环节
给定环节：
是给出输入信号的环节， 用于确定被控对象的“目标 值”，给定环节可以用电量、 非电量、数字量、模拟量等 发出信号。
测量环节：用于测量被控变量，并将被控变量转换为便于传送的另一物理量。
比较环节：通过输入信号与测量环节发出来的有关被控变量的反馈量相比较，
并得到一个小功率的偏差信号。
放大及运算环节：为了实现控制，要将偏差信号作必要的校正，然后进行功
率放 大，以便推动执行环节。
执行环节：接收放大环节送来的控制信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。
理想 转速
调节 弹簧
杠杆 机构
液压比例 控制器
活塞 油缸
油门
干 扰
发动机
实际 转速
离心机构
College of Mechanical & Material Engineering
College of Mechanical & Material Engineering
1.2 反馈控制系统及其组成
反馈控制：建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。
反馈控制系统的组成：
特点：利用偏差控制系统的输出。 基本物理量：
被控量（即系统的输出量）：表征被控对象运动规律或状态的物理量。 给定量（即系统的输入量）：希望的被控对象的运动规律或状态。 控制量：直接作用于被控对象的物理量，即被控对象的输入量。 扰动量：所有被控对象偏离给定值的作用量。
College of Mechanical & Material Engineering
1.2 反馈控制系统及其组成
闭环控制系统的组成：给定环节、测量环节、比较环节、放大及运算环 节、执行环节
给定环节：
是给出输入信号的环节， 用于确定被控对象的“目标 值”，给定环节可以用电量、 非电量、数字量、模拟量等 发出信号。
测量环节：用于测量被控变量，并将被控变量转换为便于传送的另一物理量。
比较环节：通过输入信号与测量环节发出来的有关被控变量的反馈量相比较，
并得到一个小功率的偏差信号。
放大及运算环节：为了实现控制，要将偏差信号作必要的校正，然后进行功
率放 大，以便推动执行环节。
执行环节：接收放大环节送来的控制信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。
理想 转速
调节 弹簧
杠杆 机构
液压比例 控制器
活塞 油缸
油门
干 扰
发动机
实际 转速
离心机构
College of Mechanical & Material Engineering
机械工程控制基础课件第5章
n
(s s1 )( s s2 )(s sn ) sn ( si )sn1 ( si s j )sn2 (1)n si
i 1
i j
i 1
i1, j2
11
比较系数，得出根与系数的关系：
an1
an
n
i 1
si ,
an3
an
n
si s j sk ,
i jk
i 1, j 2,k 3
自由响应
强迫响应
n
n
xo(t )
A1i e si t
A2i e si t B(t )
i 1
i 1
初态引起的 输入引起的自由响
自由响应
应
si:系统的特征根
5
1) 当系统所有的特征根si（i=1,2,…,n)均具有负实部 （位于[s]复平面的左半平面）
ltim
n i 1
A1i e si t
a2>0, a1>0, a0>0 三阶系统（n=3）稳定的充要条件： a3>0, a2>0, a1>0，a0>0, a1a2－a0a3>0
17
【例2】已知=0.2，n=86.6，K取何值时，系统能稳定?
系统开环传递函数：
GK (s)
Xo( s ) E(s)
2 n
(
s
K
)
s2 (s 2 n )
系统闭环传递函数：
对其求导得零行系数。 继续计算Routh表的其余各元。
劳斯表出现零行系统一定不稳定
24
【例5】系统特征方程 D(s)=s5+2s4+24S3+48s2-25s-50=0 试用Routh表判别系统的稳定性。
机械工程控制基础(第六版)课件复习
(n) ( n 1) o (t ) a0 xo (t ) an xo (t ) an1 xo (t ) a1 x
i (t ) b0 xi (t ) bm xi( m) (t ) bm1xi( m1) (t ) b1x
(a) f (t ) ky(t ) m y (t )
f (t ) L [ F ( s)]= 2 j c j 查表法 、有理函数法、部分分式法
1
1
c j
F ( s)e st ds
求法
表1 拉氏变换对照表
2.3 拉氏变换与拉氏反变换
二、拉氏变换的定理 1. 线性定理 L[af1(t)＋bf2(t)]＝aF1(s)＋bF2(s) 2. 平移定理（复数域的位移定理） L[e at f(t)]＝F(s + a) 3. 延时定理（实数域的位移定理） L[f(t-T)]＝e-Ts F(s) 4. 微分定理 df (t ) 若L[f(t)]＝F(s)，则有L[ ]＝s F(s) - f(0) dt
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
考虑扰动的反馈控制系统的传递函数
只考虑给定输入时：
N ( s)
X i ( s ) E ( s) G ( s ) 1
G1G2 GxB 1 G1G2 H
只考虑干扰输入时：
G2 ( s )
X o (s)
B(s)
X i ( s ) E ( s)
H ( s)
G1 ( s )
二、控制系统的基本组成
输入 偏差 信号 信号 给定 环节 反馈 信号 控制 信号 运算及放 大环节 比较 环节 执行 环节 干扰 信号 被控 对象 输出 信号
－
测量 环节 被控制部分
控制部分
i (t ) b0 xi (t ) bm xi( m) (t ) bm1xi( m1) (t ) b1x
(a) f (t ) ky(t ) m y (t )
f (t ) L [ F ( s)]= 2 j c j 查表法 、有理函数法、部分分式法
1
1
c j
F ( s)e st ds
求法
表1 拉氏变换对照表
2.3 拉氏变换与拉氏反变换
二、拉氏变换的定理 1. 线性定理 L[af1(t)＋bf2(t)]＝aF1(s)＋bF2(s) 2. 平移定理（复数域的位移定理） L[e at f(t)]＝F(s + a) 3. 延时定理（实数域的位移定理） L[f(t-T)]＝e-Ts F(s) 4. 微分定理 df (t ) 若L[f(t)]＝F(s)，则有L[ ]＝s F(s) - f(0) dt
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
考虑扰动的反馈控制系统的传递函数
只考虑给定输入时：
N ( s)
X i ( s ) E ( s) G ( s ) 1
G1G2 GxB 1 G1G2 H
只考虑干扰输入时：
G2 ( s )
X o (s)
B(s)
X i ( s ) E ( s)
H ( s)
G1 ( s )
二、控制系统的基本组成
输入 偏差 信号 信号 给定 环节 反馈 信号 控制 信号 运算及放 大环节 比较 环节 执行 环节 干扰 信号 被控 对象 输出 信号
－
测量 环节 被控制部分
控制部分
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）
机械工程控制基础课件 第2章： 系统的数学模型
统，而闭环控制系统则是指系统中存在反馈环节的控制系统。
控制系统的状态空间模型
要点一
总结词
控制系统的状态空间模型
要点二
详细描述
状态空间模型是一种描述控制系统动态行为的数学模型， 它通过建立系统的状态方程和输出方程来描述系统的动态 特性。在状态空间模型中，系统的状态变量、输入变量和 输出变量都被表示为矩阵和向量的形式，从而能够方便地 描述系统的动态行为。状态空间模型具有直观、易于分析 和设计等优点，因此在控制工程中得到了广泛应用。
传递函数模型的求解
通过求解传递函数模型中的代数方程或超 越方程，得到系统在给定输入下的输出响 应。
04
控制系统的数学模型
控制系统的定义与分类
总结词
控制系统的定义与分类
详细描述
控制系统的定义是：控制系统是一种能够实现自动控制和调节的装置或系统，它能够根 据输入信号的变化，自动调节输出信号，以实现某种特定的控制目标。控制系统可以分 为开环控制系统和闭环控制系统两类。开环控制系统是指系统中没有反馈环节的控制系
状态空间模型的求解
通过数值计算方法求解状态空间模型中的微分方程或差分方程，得到 系统状态变量的时间响应。
非线性系统的传递函数模型
总结词
传递函数模型的建立、性质和求解
传递函数模型的性质
传递函数模型是非线性的，具有频率响应 特性，可以描述系统在不同频率下的行为
特性。
传递函数模型的建立
通过拉普拉斯变换将非线性系统的微分方 程或差分方程转换为传递函数的形式，从 而建立非线性系统的传递函数模型。
03
非线性系统的数学模型
非线性系统的定义与性质
总结词
非线性系统的定义、性质和特点
非线性系统的定义
控制系统的状态空间模型
要点一
总结词
控制系统的状态空间模型
要点二
详细描述
状态空间模型是一种描述控制系统动态行为的数学模型， 它通过建立系统的状态方程和输出方程来描述系统的动态 特性。在状态空间模型中，系统的状态变量、输入变量和 输出变量都被表示为矩阵和向量的形式，从而能够方便地 描述系统的动态行为。状态空间模型具有直观、易于分析 和设计等优点，因此在控制工程中得到了广泛应用。
传递函数模型的求解
通过求解传递函数模型中的代数方程或超 越方程，得到系统在给定输入下的输出响 应。
04
控制系统的数学模型
控制系统的定义与分类
总结词
控制系统的定义与分类
详细描述
控制系统的定义是：控制系统是一种能够实现自动控制和调节的装置或系统，它能够根 据输入信号的变化，自动调节输出信号，以实现某种特定的控制目标。控制系统可以分 为开环控制系统和闭环控制系统两类。开环控制系统是指系统中没有反馈环节的控制系
状态空间模型的求解
通过数值计算方法求解状态空间模型中的微分方程或差分方程，得到 系统状态变量的时间响应。
非线性系统的传递函数模型
总结词
传递函数模型的建立、性质和求解
传递函数模型的性质
传递函数模型是非线性的，具有频率响应 特性，可以描述系统在不同频率下的行为
特性。
传递函数模型的建立
通过拉普拉斯变换将非线性系统的微分方 程或差分方程转换为传递函数的形式，从 而建立非线性系统的传递函数模型。
03
非线性系统的数学模型
非线性系统的定义与性质
总结词
非线性系统的定义、性质和特点
非线性系统的定义
机械工程控制理论基础PPT课件
• 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
8
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 输入引起的定态偏差 • 第三节 输入引起的动态偏差
9
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
反馈环节
图6-2
22
开环系统 优点：结构简单、稳定性能好； 缺点：不能纠偏，精度低。 闭环系统：与上相反。
23
第三节 典型控制信号
输入信号是多种多样的，为了对各种控制 系统的性能进行统一的评价，通常选定几种 外作用形式作为典型外作用信号，并提出统 一的性能指标，作为评价标准。
1．阶跃信号 x(t)=0 t＜0 x(t)=A t≥0
机械工程控制理论基础
张 克 仁 教授
1
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
2
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
24
X i(t)
A
0
t
图7
当A=1时，称为单位阶跃信号，写为1(t)。
阶跃信号是一种对系统工作最不利的外作用形式。例 如，电源突然跳动，负载突然增加等。因此，在研究过渡 过程性能时通常都选择阶跃函数为典型外作用，相应的过 渡过程称为阶跃响应。
8
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 输入引起的定态偏差 • 第三节 输入引起的动态偏差
9
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
反馈环节
图6-2
22
开环系统 优点：结构简单、稳定性能好； 缺点：不能纠偏，精度低。 闭环系统：与上相反。
23
第三节 典型控制信号
输入信号是多种多样的，为了对各种控制 系统的性能进行统一的评价，通常选定几种 外作用形式作为典型外作用信号，并提出统 一的性能指标，作为评价标准。
1．阶跃信号 x(t)=0 t＜0 x(t)=A t≥0
机械工程控制理论基础
张 克 仁 教授
1
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
2
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
24
X i(t)
A
0
t
图7
当A=1时，称为单位阶跃信号，写为1(t)。
阶跃信号是一种对系统工作最不利的外作用形式。例 如，电源突然跳动，负载突然增加等。因此，在研究过渡 过程性能时通常都选择阶跃函数为典型外作用，相应的过 渡过程称为阶跃响应。
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
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）
《机械工程控制基础》课件
二、开环、闭环和复合控制系统
控制系统按其有无反馈作用和反馈作用 的方式可分为三类： 1、开环控制系统 2、闭环控制系统 3、复合控制系统
开环控制系统
如果系统的输出量和输入量之间没有反 馈作用，输出量对系统的控制过程不发 生影响时，这样的系统称为开环控制系 统。 图1-5是数控线切割机的进给系统.
二、控制理论的发展
4、1948年美国数学家维纳（N.Wiener）出版了 著名的《控制论—关于在动物和机器中控制和通 讯的科学》一书，他揭示了无论机器系统、生命 系统甚至社会和经济系统中，都存在一个共同本 质的特点，它们都是通过信息的传递、处理与反 馈这三个要素来进行控制，这就是控制论的中心 思想。1950年伊万斯（W.R.Evans）提出的根轨 迹法提供了寻找特征方程根的比较简易的图解方 法，至此，形成了完整的经典控制理论。
控制系统中常用的概念和术语的含义说明
• 输出量（或称输出信号、被控制量）：是指控制系统中需要
加以控制的物理量。系统的输出量常用符号xo(t)表示。 • 输入量（或称输入信号、给定值、给定量）：是指输入给控 制系统用以控制输出量变化规律的物理量它作用于系统输入端 ，直接地或间接地表示系统输出量的期望值（给定值）。系统 的输入量常用符号xi(t)表示. • 扰动量（或称扰动信号）：指那些能使输出量偏离预定要求 （期望值）的意外干扰因素。 • 反馈量（或称反馈信号）：是指把输出量取出并直接或经转 换以后送回到输入端与输入信号进行比较的物理量。
一、控制系统的基本工作原理
系统：是由相互制约的各个部分组成的具有一 定功能的有机整体。 自动控制系统：能够进行自动控制的一整套设 备或装置。通常由控制器（控制装置）和被控 对象两大部分组成。 被控对象是指系统中需要加以控制的机器、设 备或生产过程； 控制器是指能够对被控对象产生控制作用的设 备的总体。 控制系统的任务就是使被控制对象的物理量按 照预先给定的控制规律变化。
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
16
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。
12
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
23
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
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
机械工程控制基础-课件
0, t 0 I (t ) 1 , t 0
1 I (t )e dt s
, t 0 (t )} 0 , t 0
st
• 2 单位脉冲函数
L[ (t )] (t )e dt 1
0
• 3 单位斜坡函数
L[( t )]
t
0
f (t ) g ( )d f (t ) * g (t ) 叫做
of f (t ) and g (t ).
2-5 拉氏逆变换
• 1 拉氏逆变换的三种方法 • (1)查表法 由拉氏变换表直接查出与像函数 F(s)对应的原函数f(t). • (2)留数定理法 利用留数定理计算像函数的 原函数。 • (3) 部分分式法 先把像函数分解为部分分式，
L[ f (t )] F (s)
0
f (t )e st dt, t 0
• 2 拉氏逆变换 • 定义式
s j,
f (t ) 原函数，F (s) 像函数
2-3 典型时间函数的拉氏变换
• 1 单位阶跃函数
L[ I (t )}
st 0
其中， p1 , p 2 , p n 是极点， k1 , k 2 , k n 是待定常数 .则
• 例题2-6 p22
• （2）F(s)有重极点
F (S ) k11 B( S ) a n ( s p1 ) r ( s p r 1 ) ( s p n )
kn k12 k1r k r 1 r r 1 s p1 s p r 1 s pn ( s p1 ) ( s p1 ) 其中， p1 , p 2 , p n 是极点， k11 , k12 , k n 是待定常数 . k11 F ( s )(s p1 ) r k12
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二节 系统传递函数
LC d2c(t) RC dc(t) c(t) r(t)
dt 2
dt
传递函数： G(s)
1
LCs2 RCs 1
机械工程控制基础
例3-17：
第三章 系统数学模型
ui
L
diL dt
uo
1
uo RiR C icdi
LCu&&o
L R
u&o
uo
ui
iL ic iR
机械工程控制基础
机械工程控制基础
第三章 系统数学模型
•电枢回路电压平衡方程：
Ua
(t)
La
dia (t) dt
Ra ia
(t)
Ea
①
Ea 是电枢反电势，它是当电枢旋转时产 生的反电势，其大小与激磁磁通及转速 成正比，方向与电枢电压Ua(t)相反，即 Ea=Ceωm(t) ② Ce－反电势系数(v/rad/s)
机械工程控制基础
储能元件的能量进行交换，使输出带有振荡的性质。
R(s)
1
C(s)
T 2s2 2V Ts 1
运动方程：
T2
d 2c(t) dt2
2ζT
dc(t) dt
c(t)
Kr(t)
（3－10）
传递函数： R(s)
1
C(s)
T 2s2 2V Ts 1
式中：——阻尼比， T——振荡环节的时间常数。
机械工程控制基础
U a (s) Tm S 1
B 令 U a (t) 0
Tm Sm (s) m (s) K2 M c (s)
Gm(s) m (s) K 2 M c (s) Tm S 1
机械工程控制基础
机械工程控制基础【共81张PPT】精选全文完整版
2、传递函数确定
（1）对实验测得的系统对数幅频曲线进行分段处理。即用斜率 为20dB/dec整数倍的直线段来近似测量到的曲线。
（2）当某处系统对数幅频特性渐近线的斜率发生变化时，此 即为某个环节的转折频率。①当斜率变化+20dB/dec时,可知处 有一个一阶微分环节Ts+1; ②若斜率变化+40dB/dec时，则处 有一个二阶微分环节 (s2/ 2n+2s/n+1) ③ 若斜率变化 20dB/dec时,则处有一个惯性环节1/(Ts+1);③若斜率变化40dB/dec时，则处有一个二阶振荡环节1/ (s2/ 2n+2s/n+1) 。
系统开环的对数幅频特性:
n
L() 20 lg A() 20 lg[ Ai ()]
n
20 lg Ai ()
i 1
i 1 n
Li ()
开环相频特i性1 :
n
() G( j) i ()
由此看出，系统的开环i对1 数幅频特性L(ω)等于各
个串联环节对数幅频特性之和；系ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的开环相频特
性 等于各个环节相频特性之和。
即用斜率为 20dB/dec整数倍的直线段来近似测量到的曲线。
绘图制4-1系7 统纯开微环分2对环数节幅的频Bo特de性图曲线的一般步骤：
2
(2) 将各环节的对数幅频特性和相频特性曲线分别画于半对数
极坐标图在 时，在实轴上的投影为实频特性 ，在虚轴上的投影为虚频特性
对数相频特性横轴采用对数分度，纵轴为线性分度，单位为度。
曲线。
对数幅频特性的纵轴
为L(ω)=20lgA(ω)采用线 性分度，A(ω)每增加10 倍，L(ω)增加20dB；横坐 标采用对数分度，即横 轴上的ω取对数后为等 分点。
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参考教材
《机械控制工程基础》 朱骥北主编，机械工业出版社 《自动控制理论》 邹伯敏主编，机械工业出版社 《自动控制原理》 胡松涛主编，国防工业出版社
第一章 绪论
第一节 机械工程控制论的研究对象与任务 第二节 系统及其模型 第三节 反馈 第四节 系统的分类及对控制系统的基本要求 第五节 机械制造的发展与控制理论的应用 第六节 控制理论发展的简单回顾 第七节 本课程的特点与学习方法
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。 5、按输入、输出信号的数目来分 单输入－单输出系统（SISO, Single Input Single Output)：只有一个输入量和一个输出量的控制系统，也称为 单变量系统。如前述的水箱水位控制系统。 多输入－多输出系统（MIMO, Multiple Inputs Multiple Outputs): 有多个输入量和多个输出量的控制系统，也称为 多变量系统。如后述的火力发电厂综合控制系统 。
（1）开环控制方式 开环控制方式是指控制装臵与被控对象之间只有顺向作用而 没有反向联系的控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制 系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。
特点：结构简单，容易实现，成本低；但是精度低，抗干扰能力差。
点击下图查看Flash动画
（2）闭环控制方式（反馈控制） 需要控制的是受控对象的被控量，而测量的是被控量对给定 值的偏差。无论是由干扰造成的，还是由结构参数的变化引起的， 只要被控量出现偏差，系统自行纠偏。 特点：抗干扰能力强，稳态精度高；但是存在稳定性问题，并 且结构复杂，实现不易，成本高。
图1-2 水箱水位的自动控制系统原理图
h0
电 u 0 位 器
u u1
功 率 放 ud 大 器
2、按系统性能来分
线性系统是指组成系统的元器件的静态特性为直线，能用 线性常微分方程描述其输出与输入关系的系统。线性系统的主 要特点是具有叠加性和齐次性。 本课程研究线性定常系统（或称为线性时不变系统、自治 系统），简单涉及非线性系统。 非线性系统是指组成系统的元器件中有一个以上具有非直 线的静态特性的系统。非线性系统还可分为非线性时变系统与 非线性定常系统。 严格地说，实际上不存在线性系统，这是因为各种实际的 物理系统总是具有不同程度的非线性，但只要非线性不严重， 在一定范围内能用线性系统的理论和方法对待的系统都可视为 线性系统。
自动控制系统的一般组成形式
比较 环节 给定环节 扰动
u(t)
r(t)
e(t)
串联校正
放大元件
执行元件
被控对象
c(t)
b(t)
并联校正
反馈环节 比较 环节
扰动
给定环节
r(t)
e(t) b(t)
控制器
u(t)
被控对象
c(t)
反馈环节
名词术语
被控对象 输入信号 输出信号 反馈信号 比较环节 反馈环节 偏差信号 放大环节 误差信号 扰动信号 串联校正 校正环节 并联校正
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
自动灌溉；农产品质量检测等。
四、自动控制技术应用于其他领域 生物：人口控制，药物动力学
系统方框图
元件方框：方框中写入元、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。
系统方框图
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。
系统方框图
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。
在的内反馈现象应引起足够的重视。
第三节 反馈
例1 发动机离心调速系统
第三节 反馈
第三节 反馈
第三节 反馈
第三节 反馈
第四节 系统的分类及对控制系统的基本要求
一、系统的几种分类
对控制系统，可从不同角度加以分类。 1. 2. 按反馈情况：开环控制、闭环控制、复合控制 按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、 生物系统等。 按系统功能：温度、压力、位臵、速度 按系统性能：线性与非线性、定常与时变
一定的目的或一定运动规律的一个整体。
特点：
1）整体性：系统由许多要素组成，各个组成部分是不可分割的。
2）相关性：系统内部各要素之间相互以一定规律联系着。 3）层次性：系统可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层 次结构。 4）目的性：系统具有某种目的，要达到既定的目的，系统必须 具有一定的功能（如控制、调节和管理的功能）。
•
•
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。
图1-1
水箱水位的人工控制系统原理图
实例一 水箱水位
2、自动控制： 当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且 其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号 将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际 水位重新与水位要求值相等时为止。
在科学和工程技术的发展过程中，自动控制技术起着重
要的作用。除了在宇宙飞船、导弹发射和飞机驾驶等系统中， 自动控制技术具有特别重要的作用之外，它在现代机器制造
和工业生产过程中也是不可缺少的重要组成部分。
随着自动控制理论和技术的不断发展，给人们提供了获 得动态系统最佳性能的方法，提高了产品质量，降低了生产 成本，提高了劳动生产率，使人们从繁重的体力劳动和重复 的手工操作中解放出来。
系统方框图
为了使控制系统的表示既简单又明了，在控制工程中一 般采用方框图来表示系统的组成及各组成部分之间信号的传输 关系。 系统方框图由许多对信号（ 量） 进行单向传递的元件 方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之 间进行信息交换的过程。它包括三个基本的单元， 即
元件方框 比较点（ 相加点） 引出点（ 分支点）
金融：货币控制
家庭：电饭煲，洗衣机，空调，冰箱
自动控制技术已成为促进当代生产发展和科学技术进步 的重要因素，是最有发展前途的技术科学之一。 自动控制往往是参考人工控制而建立起来的，以下通过 一些简单的、典型例子，来说明控制系统的工控制： 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。
本章将对本课程的主要内容作一个简介，使同学们对自
动控制理论的内容有一个基本了解，以便更好地学习以后各 章节。
引 言
控制：对对象施加某种操作，使其产生所预期的行为。 自动控制：该操作由控制装臵自动完成，无须人直接参与。即， 在人不直接参与的情况下，通过控制器使被控对象（如机器设 备、生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预 定的规律变化（或运行）。
二、机械系统
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”。
第二节 系统及其模型
三、系统模型 模型: 就是对系统的一种客观描述，它通常是真实系统的一
种简化。
实物模型 物理模型 数学模型 动态模型
3、按输入信号变化规律来分 恒值控制系统又称为定值调 节系统或自动镇定系统。特点： 系统输入量（即给定值）不变， 但由于扰动使被控量偏离要求值， 该系统能根据偏差产生控制作用， 使被控量恢复到要求值，并以一 定的准确度保持在要求值附近。 随动系统又称为伺服系统。 特点：给定值是预先未知的、随 时间任意变化，要求系统被控量 以尽可能小的误差跟随给定值变 化。 程序控制系统。特点：系统 输入量按预定程序变化。
图1-2 水箱水位的自动控制系统原理图
引言
第一节 机械工程控制论的研究对象与任务
—— 具体地说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的 外界条件作用下，从系统一定的初始状态出发，所经历的由其 内部的固有特性所决定的整个动态历程；
—— 换句话说，就是研究系统及其输入、输出三者之间的动 态关系。
第一节 机械工程控制论的研究对象与任务
3. 4.
5.
6. 7.
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。
第一节 机械工程控制论的研究对象与任务
第一节 机械工程控制论的研究对象与任务
对上例，需研究的问题可归纳为以下三类：
第一类，系统、输入
输出
第二类，系统、输出
第三类，输入、输出
输入
系统
第一节 机械工程控制论的研究对象与任务
第二节 系统及其模型
一、系统 系统：就是由相互联系、相互作用的若干部分构成，而且有
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