机械工程控制基础
机械工程控制基础
机械工程控制基础一、控制基础概述控制是指对一种现象或过程进行指定的调节或管理。
在机械工程中，控制是指通过对机械系统中的运动、力学等参数进行监测和调节，以满足特定的工作要求。
机械工程中的控制可以分为开环控制和闭环控制两种。
开环控制是指在控制过程中没有对系统输出进行反馈存储的控制方法，也就是说，输出信号与输入信号之间不存在反馈关系。
这种控制方法不适合对系统精度和稳定性要求较高的场合。
而闭环控制则是在系统输出信号与输入信号之间进行反馈控制，以提高系统的精度和稳定性，使系统能够更好地满足要求。
## 二、控制基础理论控制基础理论主要包括控制对象、控制流程、控制算法、控制器等方面。
其中控制对象是进行控制的主要对象，其性能决定了整个控制系统的性能。
控制流程是指对控制对象进行控制的具体过程。
控制算法是指根据控制流程，运用特定的算法对控制对象进行实时调节，以达到控制要求的方法。
另外，控制器是指控制系统的核心部件，其主要功能是对输入信号进行处理和调节，以使输出信号满足要求。
在机械工程中，常见的控制器有比例控制器、积分控制器和微分控制器等。
三、控制技术的应用控制技术在机械工程中的应用较为广泛，主要应用于机床、起重设备、自动化生产线、机器人等领域。
在机床中，常用的控制技术有数控技术和伺服控制技术。
在起重设备中，常用的控制技术有电控制技术和液压伺服控制技术。
在自动化生产线中，常用的控制技术有PLC控制技术和DCS控制技术。
而在机器人领域，控制技术则是重中之重，常用的技术有轨迹规划控制技术和变形控制技术等。
四、控制工程的发展趋势随着科学技术的不断发展，机械工程控制技术也取得了长足的进步。
现在，智能化、高精度、高速度和高可靠性已成为机械工程控制技术的主要发展方向。
同时，控制工程技术还应紧密地与信息技术、计算机技术、通信技术等相关领域结合，以推动控制工程技术的不断发展。
在未来，随着机器人技术的进一步发展，机器人控制技术也将更加成熟。
02240机械工程控制基础
02240机械工程控制基础第一章绪论1.1控制理论的发展简史（了解）1.2机械工程控制论的研究对象1）机械工程控制理论主要是研究机械工程技术为对象的控制论问题。
2）当系统已经确定，且输出已知而输入未知时，要求确定系统的输入以使输出并根据输出来分析和研究该控制系统的性能，此类问题称为系统分析°3）最优控制制：当系统已经确定，且输出已知而输入已施加但未知时，要求识别系统的输入以使输出尽可能满足给定的最佳要求。
4）滤波与预测问题当系统已经确定，且输出已知，输入已施加当未知时，要求识别系统的输入（控制）或输入中的有关信5）当输入与输出已知而系统结构参数未知时，要求确定系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，此类问题及系统辨识。
6）当输入与输出已知而系统尚未构建时，要求设计系统使系统在该输入条件下尽可能符合给定的最佳要求，此类问题即最优设计。
1.3控制系统的系统的基本概念1）信息传递是指信息在系统及过程中以某种关系动态地传递的过程。
2）系统是指完成一定任务的一些部件的组合。
3）制制系统是指系统的可变输出能按照要求的参考输入或控制输入进行调节的系统。
4）系统分类：按照控制系统的微分方程进行分类分为线性系统、非线性系统。
按照微分方程系数是否随时间变化分为定常系统和时变系统。
按照控制系统传递信号的性质分类分为连续、离散系统。
按照系统中是否存在反馈将系统分为开环控制、闭环控制系统。
5）对控制系统的基本要求有稳定性、快速性、准确性第二章拉普拉斯变换的数学方法2.3典型时间函数的拉式变换（必须牢记）1）单位阶跃函数为，2）单位脉冲函数为，单位脉冲函数具有以下性质3）单位斜坡函数为，L（t）?第三章系统的数学模型....3.1概述1）数学模型概念在控制系统中为研究系统的动态特性而建立的一种模型。
2）建立数学模型的方法有分析法和实验法。
3）线性系统最重要的特性是叠加原理,具体内容是系统在几个外加作用下所产生的响应等于各个外加作用单独作用下的响应之和。
机械工程控制基础
机械工程控制基础导言机械工程控制基础是机械工程中不可或缺的一部分。
它涵盖了各种控制方法和技术，用于实现机械系统的运动和操作的精确控制。
本文将介绍机械工程控制基础的一些关键概念和技术，旨在为机械工程师和其他相关领域的专业人员提供一个了解和学习机械控制的起点。
1. 控制系统的基本原理控制系统是指通过传感器和执行器来实现对系统状态的监测和调节的一组设备和组件。
机械控制系统的基本原理是将系统的状态与期望的状态进行比较，并根据差异来调整执行器的输出。
控制系统通常由三个主要组成部分组成：传感器、控制器和执行器。
1.1 传感器传感器是用于测量物理量和状态的设备。
在机械控制系统中，传感器通常用于测量位置、速度、压力、温度等各种参数，以提供反馈信号给控制器。
常见的传感器有光电传感器、压力传感器、编码器等。
1.2 控制器控制器是控制系统的核心部分，它接收传感器的反馈信号，并根据预定的算法和逻辑进行计算和决策。
控制器的主要任务是将反馈信号与期望的状态进行比较，然后产生控制信号来调整执行器的输出。
常见的控制器包括PID控制器、逻辑控制器等。
1.3 执行器执行器是控制系统的输出部分，它根据控制器产生的信号来进行动作。
执行器可以是电动机、液压马达、气动马达等，用于实现机械系统的运动和操作。
2. 控制方法机械工程控制基础涵盖了各种控制方法和技术，下面将介绍一些常用的控制方法。
2.1 开环控制开环控制是一种基础的控制方法，它不考虑系统的实际状态和性能，只根据输入信号的设置来控制执行器的输出。
开环控制不具备反馈机制，容易受到外部干扰和系统参数变化的影响，因此在实际应用中使用较少。
2.2 闭环控制闭环控制是一种基于反馈的控制方法，它通过比较输入和反馈信号之间的差异来决定控制器的输出。
闭环控制可以根据实际的状态和性能调整执行器的输出，使系统更加稳定和准确。
常见的闭环控制方法包括PID控制、模糊控制、自适应控制等。
2.3 PID控制PID控制是一种基于比例、积分和微分的闭环控制方法，广泛应用于机械工程中。
机械工程控制基础试卷及答案
第1页（共9页）《机械工程控制基础》试卷（A 卷）一、填空题（每空1分, 共20分）1.对控制系统的基本要求是 系统的稳定性 、 响应的快速性 、 响应的准确性 。
2.已知f(t)=t+1,对其进行拉氏变换L[f(t)]= 1/s2+1/s 或者（1+s ）/s2 。
3.二阶系统的极点分别为s1=−0.5,s2=−4, 系统增益为2, 则其传递函数G(S)= 2/(s+0.5)(s+_4)4.零频幅值A(0)表示当频率 接近于零时, 闭 环系统输出的幅值与输入幅值之比。
5、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, 机械工程控制就是研究系统、输入、输出三者之间的动态关系。
6、系统的频率特性求取有三种方法: 根据系统响应求取、用试验方法求取和将传递函数中的s 换为 jw 来求取。
8、微分环节的控制作用主要有 使输出提前 、 增加系统的阻尼 、 强化噪声 。
9、二阶系统的传递函数为 , 其中 为系统的 无阻尼固有频率 , 当 时为 欠阻尼 系统。
在阻尼比ξ<0.707时, 幅频特性出现峰值, 称谐振峰值, 此时的频率称谐振频率ωr ＝ 。
10、一般称能够用相同形式的数学模型来描述的物理系统成为相似系统。
11.对自动控制系统按照输出变化规律分为自动调节系统、随动系统、程序控制系统。
12.对积分环节而言, 其相频特性∠G(jw)=-900。
二、名词解释（每个4分, 共20分）1.闭环系统: 当一个系统以所需的方框图表示而存在反馈回路时, 称之为闭环系统。
2、系统稳定性：指系统在干扰作用下偏离平衡位置, 当干扰撤除后, 系统自动回到平衡位置的能力。
3.频率特性: 对于线性定常系统, 若输入为谐波信号, 那么稳态输出一定是同频率的谐波信号, 输出输入的幅值之比及输出输入相位业班级： 姓名： 学号：……………密………………………………封………………………………线…………………………第2页（共9页）之差统称为频率特性。
机械工程控制基础(复习要点)
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2）峰值时间：响应曲线达到第一个峰值所需 的时间。
tp d 1 2 n
3）最大超调量 M p ：常用百分比值表示为：
Mp x0 (t p ) x0 () x0 ( )
( / 1 2 )
第四章 频率特性分析
1、频率响应与频率特性
频率响应：线性定常系统对谐波输入的稳态响应。 幅频特性：线性定常系统在简谐信号激励下，其稳 态输出信号和输入信号的幅值比，记为A(ω)； 相频特性：线性定常系统在简谐信号激励下，其稳 态输出信号和输入信号的相位差，记为φ(ω)； 频率特性：幅频特性与相频特性的统称。即：线性 定常系统在简谐信号激励下，其稳态输出信号 和输入信号的幅值比、相位差随激励信号频率 ω变化特性。记为
G B s 1 Gk s G q s
第三章 时间响应分析
1、时间响应及其组成 时间响应：系统在激励作用下，系统输出随 时间变化关系。 时间响应可分为零状态响应和零输入响应或 分为自由响应和强迫响应。 零状态响应：“无输入时的系统初态”为零 而仅由输入引起的响应。 零输入响应：“无输入时的系统初态”引起 的自由响应。 控制工程所研究的响应往往是零状态响应。
K 增益 T 1Fra bibliotekn 时间常数 n 固有频率
阻尼比
6)一阶微分环节： G s s 1 7)二阶微分环节： G s s 2 s 1
2 2
8)延时环节： G s e s
7、系统各环节之间的三种连接方式：
串联：
G s Gi s
G ( j ) A e
j
频率特性又称频率响应函数，是激励频率ω的函数。 频率特性：在零初始条件下，系统输出y(t)的傅里叶 变换Y(ω)与输入x(t)的傅里叶变换X(ω)之比，即 Y j G ( j ) A e X
机械工程控制基础
机械工程控制基础机械工程控制基础是机械工程中非常重要的一部分，涉及到机械工程中各种机器的控制、调整和维护等问题。
机械工程控制基础也包括了机械设计、机械加工和机械维护等方面的知识。
下面将从基础概念、控制系统组成、控制模式和控制环节四个方面来介绍机械工程控制基础。
一、基础概念机械工程控制是通过对机器、设备和系统的控制和调节，使其满足特定的工作要求，保证设备稳定运行，并能对设备的使用进行优化，提高生产效率。
机械工程控制的关键技术是使用电子、仪表和计算机等技术手段，对机械设备和系统进行控制和优化。
二、控制系统组成机械工程控制系统通常由三个部分组成：检测部件、执行部件和控制部件。
1. 检测部件是用来检测控制对象运行状态的传感器和检测器等，如温度传感器、压力传感器、速度检测器等。
2. 执行部件是用来控制控制对象的执行器和驱动器等，如电动机、气缸、伺服电机等。
3. 控制部件则是用来处理检测到的数据，计算出控制指令并送到执行部件，实现对控制对象的控制。
三、控制模式机械工程控制模式通常有三种：开环控制、闭环控制和单自由度控制。
1. 开环控制是一种没有反馈控制的控制方法，控制信号只由输入端产生，不考虑输出端的反馈对控制信号的影响。
开环控制适用于对输出准确性要求不高、对象本身有稳定性和协调性的机械系统。
2. 闭环控制是一种有反馈控制的控制方法，通过检测目标物理量，将实际控制量与给定控制量进行比较，产生偏差，再依照比例、积分、微分控制等方法来调整控制量。
闭环控制适用于对输出准确性要求较高、对象自身性质不稳定、环境变化大或对干扰敏感的机械系统。
3. 单自由度控制是一种对单个目标变量进行控制的控制方式，通过测量系统的某个关键物理量进行控制。
单自由度控制适用于只需要对单个变量进行控制，如升降台、旋转台等。
四、控制环节机械工程控制环节主要有以下几个：1. 检测和传感器：检测和传感器是机械控制中非常重要的一环，它可以实时监测装置的工作情况以及运行时的状态，对于数据的采集、分析和处理等过程起到了很关键的作用。
机械工程控制基础概述
机械工程控制基础概述1. 引言机械工程控制是指通过控制系统对机械设备或机械系统进行监测、调节和控制的过程。
它涵盖了传感器、执行器、控制器等多个组成部分，并利用电子、计算机技术实现对机械系统的精确控制。
本文将对机械工程控制的基础概念和原理进行介绍。
2. 机械工程控制的基本要素机械工程控制的基本要素包括输入信号、控制器和输出信号。
输入信号是指从传感器获得的与被控制对象相关的信息，如温度、压力、速度等。
控制器对输入信号进行处理，并通过指令输出信号给执行器，以控制被控制对象的状态或行为。
3. 传感器与执行器传感器是机械工程控制系统中的重要组成部分。
它可以将物理量转化为电信号，并将信号传递给控制器。
常见的传感器有温度传感器、压力传感器、位移传感器等。
这些传感器可以实时监测被控制对象的状态，并将信息反馈给控制器。
执行器是机械工程控制系统中的另一个重要组成部分。
它接收来自控制器的指令信号，并根据指令信号产生相应的动作来控制被控制对象。
常见的执行器有电动机、气缸、阀门等。
4. 控制器控制器是机械工程控制系统中的核心部件，它接收传感器提供的输入信号，并根据预设的控制算法对信号进行处理。
控制器通常包括数据采集模块、信号处理模块和输出模块。
数据采集模块用于接收并记录传感器提供的输入信号。
信号处理模块通过运算、滤波等操作对输入信号进行处理，生成相应的控制指令。
输出模块将控制指令通过输出信号发送给执行器，实现机械系统的精确控制。
5. 控制算法控制算法是机械工程控制系统中非常重要的部分。
它决定了控制器如何根据输入信号生成输出信号，以实现对被控制对象的控制。
常见的控制算法有比例控制、积分控制、微分控制等。
比例控制是一种简单且常用的控制算法，它根据输入信号与设定值之间的差异来生成输出信号。
积分控制通过积分输入信号与设定值之间的差异来生成输出信号，以减小稳态误差。
微分控制则通过对输入信号变化率的测量来生成输出信号，以快速响应系统的变化。
机械工程控制基础教学大纲
机械工程控制基础教学大纲(实用版)编制人：__________________审核人：__________________审批人：__________________编制单位：__________________编制时间：____年____月____日序言下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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机械工程控制基础复习资料
一、填空1.机械工程控制基础：是研究一机械工程技术为对象的控制论问题；是研究在这一工程领域中广义系统的动力学问题，也就是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。
2.系统分析：当系统已定，输入知道时，求出系统的输出（响应），并通过输出来研究系统本身的有关问题。
3.最优控制：当系统已定，且系统的输出也已给定，要确定系统的输入应使输出尽可能符合给定的最佳要求。
4.最优设计：当输入已知，且输出也是给定时，确定系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求。
5. 系统识别或系统的辨识：当输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即建立系统的数学模型。
6.信息传递：是指信息在系统及过程中以某种关系动态地传递，或称转换。
7.信息的反馈：就是把一个系统的输出信号不断直接地或经过中间变换后全部或部分地返回，再输入到系统中去。
8.控制系统：是指系统的输出，能按照要求的参考输入或控制输入进行调节的。
9.按系统是否存在反馈，将系统分为开环系统和闭环系统。
10.开环系统：系统的输出量对系统无控制作用，或者说系统中无反馈回路。
11.闭环系统：系统的输出量对系统有控制作用，或者说，系统中存在反馈的回路。
12.数学模型：是系统动态特性的数学表达式。
13.分析法：是依据系统本省所遵循的有关定律列写数学表达式。
14.实验法：是根据系统对某些典型输入信号的响应或其它实验数据建立数学模型。
15.线性系统：系统的数学模型表达式是线性。
16.非线性系统的最重要特性，是不能运用叠加原理。
17. 传递函数：线性定常系统的传递函数，是初始条件为零时，系统输出地拉氏变换比输入的拉氏变换。
18. 传递函数：是通过输入与输出之间信息的传递关系，来描述系统本省的动态特性。
19.方块图：是系统中各环节的功能和信号流向的图解表示方法。
20.串联：各个环节传递函数一个个顺序连接。
21.并联：凡是几个环节的输入相同，输出相加或想减的连接形式。
22.反馈：是将系统或某一环节的输出量，全部或部分地通过传递函数回输到输入端，又重新输入到系统中去。
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》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
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
机械工程控制基础机械工程控制基础是研究机械系统在各种输入信号作用下的运动规律，以及如何通过控制手段使机械系统实现预定运动或操作目标的学科。
它是机械工程领域中一门重要的基础课程，涵盖了机械系统建模、控制器设计、系统稳定性分析、控制策略优化等方面的内容。
机械工程控制基础的核心思想是通过数学模型来描述机械系统的动态行为，并通过控制器的设计来调整系统的输入信号，使其输出满足特定的要求。
这个过程需要考虑系统的非线性、时变性、不确定性等因素，并采用合适的控制算法来实现对系统的精确控制。
在机械工程控制基础中，常见的控制方法包括比例积分微分（PID）控制、模糊控制、自适应控制、滑模控制等。
这些控制方法各有优缺点，适用于不同类型的机械系统。
选择合适的控制方法需要考虑系统的特性、控制目标以及控制器的实现难度等因素。
机械工程控制基础还涉及到系统稳定性分析。
稳定性是衡量控制系统性能的重要指标，它决定了系统在受到扰动或输入信号变化时是否能够保持稳定运行。
稳定性分析的方法包括李雅普诺夫稳定性理论、频率域分析等。
在实际应用中，机械工程控制基础的知识可以应用于各种机械系统的控制，如、汽车、飞机、船舶等。
通过对机械系统进行精确控制，可以提高系统的性能、可靠性和安全性，满足各种工业和日常生活的需求。
机械工程控制基础是一门研究机械系统控制和稳定性的学科，它为机械工程师提供了理论和方法，使他们能够设计和实现各种复杂的作具有重要意义。
机械工程控制基础机械工程控制基础是研究机械系统在各种输入信号作用下的运动规律，以及如何通过控制手段使机械系统实现预定运动或操作目标的学科。
它是机械工程领域中一门重要的基础课程，涵盖了机械系统建模、控制器设计、系统稳定性分析、控制策略优化等方面的内容。
在机械工程控制基础中，我们不仅要关注机械系统的静态性能，还要关注其动态性能。
静态性能主要指系统在平衡状态下的性能，如静态误差、稳态误差等；而动态性能则关注系统在受到扰动或输入信号变化时的响应特性，如过渡过程时间、超调量等。
机械工程控制基础
对控制系统，可从不同的角度加以分类。 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 系统的输出相应于输入按任意规律变化。 如：炮瞄雷达系统，仿形加工等。 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。
动力学方程：
d 2 y(t ) dy(t ) m c ky(t ) f (t ) 2 dt dt d 2 y(t ) dy(t ) 或 m f (t ) c ky(t ) 2 dt dt
信息交互（反馈）：
m-c-k 单自由度系统
系统本身信息传输与交换
外反馈（反馈控制）： 相对于被控对象而 言，由附加的反馈 控制装置引起的信 息交互。
控制论方法：
控制论：既是一门技术学科，又是一种技术哲学和 一种科学方法论。 控制论强调：
所研究的对象是一个“系统”； 系统在不断地“运动”(经历动态历程，包括内部状态 和外部行为；
产生运动的根据是“内因”(系统的固有特性)。 信息传递与交互 元素间的相互作用
状态变化 动态历程
控制论实质上研究的是广义的系统动力学，其核心 是系统内部以及系统与外界环境的信息交互、传递 和反馈。
例：弹簧—质量—阻尼单自由度系统
（同一系统，不同的外界作用）
动力学方程：
系统（a）
2
(mp cp k)y(t) f(t)
(mp2 cp k)y(t) (cp k ) x(t )
系统（b）
初始状态： y (0) y0 ， y(0) y 0 系统的固有特性：mp
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。
机械控制工程基础
机械控制工程基础机械控制工程基础是机械工程中很重要的一个分支，它的主要目的是通过控制技术来实现机械系统中各种运动、位置和力量等参数的控制。
在机械系统中，控制是必不可少的，因为控制能够帮助机械系统按照既定的规划和要求运作，从而实现高效生产。
本篇文档将对机械控制工程基础的相关知识进行简单介绍。
机械控制工程基础概述机械控制工程基础是应用电子技术、计算机技术、信息技术和控制技术等知识对机械设备进行控制的技术系统。
它是将传感器、执行机构、控制电路等组成合理的控制系统来实现机械设备的各种控制和监测功能的一门技术学科。
机械控制工程基础是包括机械系统控制的各种领域，例如传感技术、控制策略、控制器、单片机和电机控制等。
机械控制工程的学习主要包括以下三个方面：1.了解机械系统中各种控制器的工作原理和结构，熟悉控制技术的方法和应用。
2.了解或学习仪表、传感器和执行机构等的基本原理、调整与维护技术，理解它们对机械系统的控制有着重要的作用。
3.熟悉数字电路与模拟电路的基本特征和分类，掌握单片机技术的基础知识以及编程和操作技术。
机械控制系统的结构机械控制系统由数个功能模块组成，包括传感器、执行机构、控制器和输入/输出设备等组成。
在机械控制系统中，传感器接收和测量被控量，执行机构接受控制信号，并进行动作以控制被控制量的值。
机械控制系统中的控制器主要是利用信号处理和控制方法来进行被控量的控制和监测。
输入和输出设备用于与人机交互，有利于机械控制系统的控制和调整。
机械控制系统的结构可以简单分为以下几个部分：1.传感器模块：用于检测物理量，将物理量转换成电信号或非电信号。
2.控制器模块：用于控制执行机构来改变被控量的状态。
3.执行机构模块：用于控制和实现被控制量的变化和运动。
4.供电系统模块：提供能量和电源，保证机械控制系统正常的工作。
5.输入与输出模块：用于控制设备与人机交互，方便调试和控制。
机械传感技术传感器是机械控制系统的重要部分，它负责收集各种机械量、力学物理量、化学物理量等的数据，并将其转化为可读的电信号或非电信号。
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（2）
（3）
求系统的稳态输出。
解：
依题意：
（1）当
（2）当
（3）
当
依据叠加原理可可知：
4-9某单位反馈的二阶Ⅰ型系统，其最大百分比超调量为 ，峰值时间 ，试求其开环传递函数，并求出闭环谐振峰值 和谐振频率 。
解：依题意：
由
由
4-10画出下列传递函数的极坐标图。
(1) (2)
解：（1）
依题意：
实频特性： 虚频特性：
则特征方程式：
故
（2）令U=S+1，则特征方程为：
则
6-5
解：依题意：
故
故
故系统的特征方程式为：
令U=s+a,则U的特征方程式为：
故
故
6-6
解：
故
由
6-7
（1）
（2）
6-8
解：
故特征方程式：
6-9
（1） 不稳定（5） 不稳定
（2） 稳定（6） 稳定
（3） 不稳定（7） 不稳定
（4） 不稳定（8） 稳定
（1） ，无积分环节
惯性环节： 一阶微分环节： ；惯性环节：
故传递函数：
（2）
惯性环节：
故
（3） 积分环节有两个为： 一阶微分环节：
惯性环节： 故
（4）
，积分环节： ，惯性环节:
一阶微分环节： ；惯性环节：
故
（5）பைடு நூலகம்
无积分环节
惯性环节： 一阶微分环节：2s+1
故
第六章控制系统的稳定性分析
6-1
（1）
解：由必要条件： ，而 ，可知系统不稳定。
（9） 不稳定
第七章控制系统的误差分析与计算
7-1（1）
（2）
（3）
解：（1）
（2）
（3）
7-2
（1） （2）
（3）
解：（1）
（2）
（3）
7-3
解：依题意：
7-4
解：依题意：
当t=4T时，达到98%，故T=15s，故
则 ，故
而
故
7-5
解：（1）
依题意：
则
（2）
（3）
显然 对阶跃信号对影响，
由于 ，故可知当K增大时，误差减小， 减小时，误差减小。
7-6
解：（1）由于为 型系统，故
（2）
7-7
解：依题意：
温馨提示：由于输入过程比较匆忙，加上本人较粗心，答案提示中错误可能不少，请见谅。如有疑问，请向老师请教~~
图2-36题2-2图
解：依题意：
对 ：
对两边拉氏变换： ①
对 ：
对两边拉氏变换： ②
故：
故得：
故求 到 的传递函数令：
求 到 的传递函数令：
2-3试求图2-37所示无源网络传递函数。
图2-37题2-3图
解（a）系统微分方程为
拉氏变换得
消去中间变量 得：
（b）设各支路电流如图所示。
系统微分方程为
由（1）得：
拉式反变换得
（2）
拉式反变换得
（3）
所以
拉式反变换得
2-7绘制图2-38所示机械系统的方框图。
图2-38题2-7图
解
依题意：
两边拉氏变换得：
故得方块图：
2-8如图2-39所示系统，试求
（1）以X(s)为输入，分别以Y(s)、X1(s)、B(s)、E(s)为输出的传递函数。
（2）以N(s)为输入，分别以Y(s)、X1(s)、B(s)、E(s)为输出的传递函数。
3-2
解：依题意：
则
3-3
解：依题意：
3-4
解：依题意：
由于阶跃值为2，故可知
而
3-5
解：依题意：
故可知：
3-6
解：依题意
第四章频率特性分析法
4-5用分贝数(dB)表达下列量：
（1）10；（2）100；（3）0.01；（4）1；
解：（1）10；L()=20lg10=20 dB（3）0.01；L()=20lg0.01=-40 dB
图2-39题2-8图
解
（1）
故
（2）
2-9化简如图2-40所示各系统方块图，并求其传递函数。
图2-40题2-9图
解：
（a）第三回路传递函数：
第二回路传递函数：
第一回路传递函数：
故原图可化简为：
（b）
(c)
(d)
2-10
解：
△
而 与 都不接触，所以
故综上：
第三章时间特性分析法
3-1
解：依题意，系统的闭环传递函数为：
（2）
解：由于 ，故劳斯陈列为：
由于第一列的所有元素都为整，因此系统是稳定的。
（3）
解：由于 ，故劳斯陈列为：
系统稳定
（4）
解：
由于当 时，
故第一列元素符号有两次变化，表明特征方程在【S】平面的右半平面内有两个根，故该闭环系统不稳定。
（5）
解：
由于 ，故系统稳定。（临界状态）。
6-2
（1）
解：
辅助方程： 一对纯虚根
则由
当且仅当 时取等号，此时=8.
将=8代入U中得到，
故可得到如图所示的极坐标图。
（2）依题意
随着的增大，U()，V()都增大。
故可得到其极坐标图如图所示：
4-11试绘出具有下列传递函数的系统的波德图。
（1）
（2）
（3）
解：（1）
4-12已知各最小相位系统的对数幅频渐近特性曲线如图4-39所示。试分别写出对应的传递函数。
（2）100；L()=20lg100=40dB（4）1；L()=20lg1=0dB
4-6当频率 和 时，试确定下列传递函数的幅值和相角。
（1） （2）
解(1)
(2)
故
4-7试求下列函数的幅频特性 ，相频特性 ，实频特性 和虚频特性 。
（1） （2）
（1）
解：
（2）
解：
4-8设单位反馈系统的开环传递函数为 ，当系统作用有以下输入信号：
由（2）得：
由（3）得：
由（4）得：
由（5）得：
由（6）得：
故消去中间变量 得：
2-4证明
证明：设
由微分定理有 （1）
由于 ， ， （2）
将式（2）各项带入式（1）中得
即
整理得
2-5求 的拉氏变换。
解：
令 ，得
由于伽马函数 ，在此
所以
2-6求下列象函数的拉氏反变换。
（１）
（２）
（３）
解：（1）
同理 ，
机械控制工程基础答案提示
第二章系统的数学模型
2-1试求如图2-35所示机械系统的作用力 与位移 之间微分方程和传递函数。
图2-35题2-1图
解：依题意：
故
传递函数:
2-2对于如图2-36所示系统，试求出作用力F1(t)到位移x2(t)的传递函数。其中，f为粘性阻尼系数。F2(t)到位移x1(t)的传递函数又是什么？
故 故符号无变化，故无正根。
（2）
解：
辅助方程：
求导： 故 符号有两次变化，故右半平面有2个特征根。
虚根值为
（3）
解：
故右半平面无虚根，只有一对特征纯虚根，
6-3
（1）
解：
故
（2）
解：
故
由于
故 恒大于0.综上所述，k无论何值都不稳定。
（3）
解：
故
而4+k>0，故k>-4,k>-2
（4）
解：
故
6-4
（1）依题意：