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)
1
1
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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（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：