机械控制理论基础34课时
《机械工程控制基础》课程教学大纲-版(可编辑修改word版)
《机械工程控制基础》课程教学大纲课程名称：机械工程控制基础英文名称：Control Fundamental of Mechanical Engineering课程编码：51510502学时/学分：36/2课程性质：必修课适用专业：机械类各专业先修课程：高等数学，理论力学，电工与电子技术，复变函数与积分变换（可选）一、课程的目的与任务《机械工程控制基础》是机械设计制造及其自动化专业的机械电子工程及相近专业方向的一门技术基础课。
本课程是在高等数学和工程数学（复变函数与积分变换）的知识基础上，结合力学、电学等相关知识，介绍机械工程类专业的重要理论基础之一——工程控制论。
这门学科既是一门广义的系统动力学，又是一种合乎唯物辩证法的思想论和方法论，对启迪与发展人们的思维与智力有很大的作用。
本课程的基本任务是将自动控制理论应用于机械工程实际，基本要求是在阐明机械工程控制论的基本概念、基本知识与基本方法的基础上，使学生学会建立和变换系统的数学模型，掌握控制系统的时间响应分析和频率特性分析方法，并在此基础上具备讨论控制系统的稳定性，以及系统分析和校正、系统辨识等问题的能力。
使学生以辩证方法冲破形而上学的思想方法，推动这一领域的生产与学科向前发展。
在学习本课程之前，学生应当从先修课程中获得动力学分析、电路分析的能力，了解微分方程求解知识和复变函数的概念，初步掌握积分变换及其逆变换的基本方法。
学习本课程之后，学生还应当注意结合其它机械工程学的知识，将控制理论应用到工程实践中去。
二、教学内容及基本要求第一章绪论教学目的和要求：本章首先阐述了机械工程控制基础这门课程的重要意义，然后介绍控制工程的基本思想、基本概念、控制系统的分类和基本要求，使学生了解机械工程控制论的研究对象与任务和系统、模型等知识，深刻理解反馈和反馈控制，接下来对控制理论的发展进行简单介绍。
教学重点和难点：1．系统及其模型2.反馈和反馈控制3.系统的基本要求教学方法与手段：以课堂讲授为主，注意举例和采用启发式教学，配合适当的课堂练习和课外作业。
机械控制理论基础课件第1章绪论历史
Harold Black
当 时 的 Black 年 仅 29 岁 ， 从 Worcester Polytechnic Institute获得电子工程学士，毕业 刚六年，是西部电子公司工程部（这个部后来成 为1925年成立的Bell Labs的核心）的工程师，正 在从事电子管放大器的失真和不稳定问题的研究。 Black首先提出了基于误差补偿的前馈放大器，在 此基础上最终提出了负反馈放大器并对其进行了 数学分析。同年Black就其发明向专利局提出了长 达 52 页 126 项的专利申请，但直到九年之后，当 Black和他在AT&T的同事们开发出实用的负反馈放 大器和负反馈理论之后，Black才得到这项专利。
1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法； 在1957年提出了动态规划。
2.1959年卡尔曼（Kalman）和布西创 建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制 系统的研究中成功地应用了状态空间 法，并提出了可控性和可观测性的新 概念。 卡尔曼
3. 1961年庞特里亚金（俄国人）提出 了极小（大）值原理。
H.Harris
1942年，H.Harris引入了传递函数的概念。用 方框图、环节、输入和输出等信息传输的概念来 描述系统的性能和关系。这样就把原来由研究反 馈放大器稳定性而建立起来的频率法，更加抽象 化了，因而也更有普遍意义，可以把对具体物理 系统，如力学、电学、等的描述，统一用传递函 数、频率响应等抽象的概念来研究。1925年英国 电气工程师O.亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解 电网络的问题上，提出了运算微积分。不久拉普 拉斯变换就被应用到分析自动调节系统问题上， 并取得了显著成效。传递函数就是在拉普拉斯变 换的基础上引入的。
至1945年，控制系统设计的频域方法， “波德图”(Bode plots)方法，已基本建 立了。
机械控制理论基础讲义.doc
Fundamentals of Mechanical Control Theory机械控制理论基础（Bilingual Course 双语教学）吴吉平School of Mechanical Engineering机械工程学院Teaching Material: Linear Control System Analysis and Design Fourth Edition教材：线性控制系统分析与设计第4版References 参考书目1. 杨叔子，《机械工程控制基础》，第四版，武汉，华中理工大学出版社2. 绪方盛彦, 《现代控制工程》, 科学出版社，19783. 李友善, 《自动控制原理(上册) 》, 国防工业出版社4. 张伯鹏, 《控制工程基础》, 机械工业出版社5. 阳含和, 《机械控制工程(上册) 》, 机械工业出版社6. 姚伯威, 《控制工程基础》, 电子科技大学出版社7. 薛定宇, 《控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言及应用》, 清华大学出版社Learning requirement 学习要求1. All exercises and experiment reports must be done in English, and all questions must be answered in English. 所有的作业和实验报告必须用英文完成，所有的问题必须用英文回答。
2. must be present (must not be absent) 上课不能缺席3. taking notes：Don’t merely copy the blackboard, trying to write down what you consider is important. 作笔记：不能仅仅抄黑板，而是要记下你认为重要的东西。
4. preview 预习5. review 复习6. do exercises and experiments independently 独立完成作业和实验7. summarizing, concluding 总结，概括8. Don’t read the book word by word, the emphases should be put on the understanding the concepts, terminologies as well as their logic relations. 不要一个单词一个单词地读书，应该将重点放在概念、术语以及它们之间的逻辑关系的理解上9. Daring to put forward questions. 勇于提出问题10. If you have any question, please contact me. 如果你有什么问题，请联系我Final examination result 考试成绩评定1. Daily behaves: 30%. Including: present, exercises, experiments.平时成绩占30%，包括：到课率，作业，实验2. Final examination: 70%. 考试成绩占70%Well, we will get to business（言归正传）, we’ll begin the first chapter.CHAPTER 1 INTRODUCTION 第一章绪论1.1 INTRODUCTION 引言1.2 INTRODUCTION TO CONTROL SYSTEMS 控制系统引言1.3 DEFINITIONS 定义1.4 HISTORICAL BACKGROUND 历史背景1.5 DIGITAL CONTROL DEVELOPMENT 数字控制的发展1.6 MATHEMATICAL BACKGROUND 数学背景（基础）1.7 GENERAL NATURE OF THE ENGINEERING CONTROL PROBLEM 工程控制问题的一般特点1.8 COMPUTER LITERACY 计算机文化1.9 OUTLINE OF TEXT 全文概括1.1 Introduction 引言With the rapidly development of the modern science and technologies, man created many miracles. One of them is the invention of automatic control equipments. Today, we can’t live on without the hel p of these auto-machines.随着现代科技的迅速发展，人类创造了很多奇迹。
机械控制理论基础课程教学大纲
“机械控制理论基础”课程教学大纲英文名称：Foundation of Mechanical Control Theories课程编号：MACH3435学时：52 （理论学时：44 实验学时：8 上机学时：0 课外学时：0）学分：3适用对象：机械学院机自专业和车辆工程专业三年级本科生先修课程：机械设计、机械原理、材料力学、理论力学、电工学、流体力学、热工基础使用教材及参考书：[1] 董霞，陈康宁，李天石.机械控制理论基础.西安：西安交通大学出版社，2005.[2] 董明晓，李娟，杨红娟等.机械工程控制基础.北京：电子工业出版社，2010.[3] 胡寿松.自动控制原理.北京：国防工业出版社，2000.一、课程性质和目的（100字左右）性质：专业基础课目的：机械控制理论是研究“控制论”在“机械工程”中应用的科学，因而它也是一门跨“控制论”与“机械工程”技术理论领域的边缘学科。
本课程使学生能以动力学的观点而不是静态观点去看待一个机械工程系统，特别重要的是，能够从整体的而不是分离的角度，从整个系统中信息之传递、转换和反馈等角度来分析系统的“动态行为”。
具体地讲，就是使学生在掌握机械工程控制论的基本概念、基本知识和基本方法的基础上，密切结合机械工程实际，为将控制理论应用于工程实际打下基础。
二、课程内容简介（200字左右）拉普拉斯变换的数学方法。
力学、电学基础知识对系统建模的方法、传递函数、方块图、信号流图、状态方程等重要概念。
一阶、二阶系统的瞬态响应特性，以及瞬态响应的性能指标，各型系统的位置、速度和加速度误差系数以及系统类型、开环增益与系统稳态误差的关系。
对数坐标图(伯德图)的概念以及各典型环节的对数坐标图，系统伯德图的一般步骤及其特点，以及由伯德图估计最小相位系统传递函数的方法；极坐标图(乃奎斯特图)的概念以及各典型环节的极坐标图；频域中的性能指标及其与时域性能指标的关系。
系统用频率法设计控制系统的特点，串联校正的各种方式和方法。
机械控制基础课件
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扰动 温度t 电压 ua 减 v 调 u 恒温箱 (被控量) 给定 u1 u 控制 n 功率 速 压 (控制 信号 电机 放大器 器 器 对象) u2 热电偶 恒温箱自动控制系统功能框图
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从恒温箱控制系统功能框图可见： 给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。 也称为参考输入量（信号）。 被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的 输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号 与返回的输出信号之差）信号。 输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出 信号称为反馈信号。
25
例.控制实例-液面控制
人工控制
自动控制
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二、控制系统的工作原理及其组成
例：
温度计
加热电阻丝
调压器 ~220V
人工控制的恒温箱
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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，得到温度偏差的 大小和方向；
根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的 电流以调节温度回复到要求值。
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1956年：蓬特里亚金（Pontryagin）提出极大值原理
1957年：R. I. Bellman提出动态规划理论 1960年：R. E. Kalman提出卡尔曼滤波理论 1960～1980年：确定性系统的最优控制、随机系统的 最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制 1980迄今：鲁棒控制、H控制、非线性控制、智能控 制、模糊控制等
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1. 概述
控制理论是在产业革命的背景下，在生产和军 事需求的刺激下，自动控制、电子技术、计算机科学 等多种学科相互交叉发展的产物。 根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控 制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论” 两大部分。
机械工程控制理论基础PPT课件
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
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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
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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。
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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
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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。
华中科技大学版机械工程控制基础(第六版)第1章绪论
动态模型
研究系统在迅变载荷或在系统 不平衡状态下的特性。 现时输出由其以前的历史决定
以代数公式描述 简 单
微分方程或差分方程描述 复 杂
2014年8月20日10时24分
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
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。
2014年8月20日10时24分
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。
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
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;系统闭环频率特性。
(五) 控制系统的稳定性分析
2014年8月20日10时24分
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
2014年8月20日10时24分
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
例：弹簧-质量-阻尼单自由度系统
(a)
(b)
初始状态： y(0) y0 , 系统固有特性： mp 2 cp k 外界作用： f (t ) , x(t ) 与外界的关系： 1 , cp k
广义系统： 具备系统要素的一切事物或对象
如：机器系统、生产系统、生命系统、 思维、学习、工作， 社会、经济系统等
机械工程中的广义系统： 元件、部件、仪器、设备、加工过程、操作设备、测量、车 间、部门、工厂、企业、企业集团、全球制造业
《机械控制工程基础》课程教学大纲
《机械控制工程基础》课程教学大纲一、课程基本信息1．课程编号：MACH4008012．课程体系/类别：专业类/专业核心课3．学时/学分：56学时/ 3学分4．先修课程：高等数学、积分变换、理论力学、电工电子技术、机械设计基础、大学计算机基础、高级程序设计5．适用专业：机械大类专业（包括机械工程、车辆工程、测控技术与仪器、能源与动力工程和工业工程）二、课程目标及学生应达到的能力《机械控制工程基础》是西安交通大学机械类专业的一门专业核心课程，主要授课内容是运用现代数学知识、自动控制理论和信息技术来分析、设计典型机电控制系统。
旨在培养学生运用科学方法和工具来解决机械工程基本问题的系统分析设计能力、综合创新能力。
本课程的主要任务是通过课堂教学、计算机仿真实训、实验教学等教学方式，使学生掌握实现机械系统自动控制的基本理论；学会典型机电系统的数学建模、运行性能分析和系统设计、校正与补偿等基本知识和基本技能；具有基本的机电控制系统分析设计能力，以及对复杂机械系统的控制问题进行分析、求解和论证的能力，并了解机械控制领域的新理论和新技术，支撑毕业要求中的相应指标点。
课程目标及能力要求具体如下：课程目标1. 掌握机械控制系统的基本概念和组成原理，具备自动控制原理与系统的基础概念；掌握典型机电传动单元与系统的数学建模方法；掌握机电系统的时域和频域分析设计校正方法。
（毕业要求中的第1）课程目标2. 培养学生对机械控制工程中复杂问题的分析能力，能够对复杂机械控制系统进行分析、设计，并能够采用相关软件进行模拟仿真，能够构建实验控制系统进行分析研究，具有研究和解决机械控制工程问题的能力。
（毕业要求中的第2、4）课程目标3. 初步了解机械系统常用的控制方法，以及现代控制和智能控制的原理，了解机械控制理论的现状与发展趋势。
培养学生运用机械控制工程领域新技术新方法对复杂机械工程中的系统控制问题进行理论三、课程教学内容与学时分配）四、课程教学方法（一）课堂讲授（40学时）1．采用启发式教学，通过结合具体如机器人控制系统、机床运动控制系统、液压伺服控制系统等实例教学，激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，引导学生主动通过实践和自学获得自己想学到的知识。
机械控制理论基础课件第2章拉普拉斯变换
留数法
利用留数定理和拉普拉斯变换表， 通过计算函数在无穷远处的留数， 得到逆变换的结果。
逆变换的应用实例
控制系统的分析和设计
通过逆变换将传递函数转换为时域函数，便于对控制系统进行分 Байду номын сангаас和设计。
信号处理
在信号处理中，逆变换可以将频域信号转换为时域信号，便于对信 号进行进一步的处理和分析。
电路分析
在电路分析中，逆变换可以将频域响应转换为时域响应，便于对电 路进行模拟和分析。
频率响应。通过拉普拉斯变换，可以将时域中的微分方程转换为复数域
中的代数方程，从而简化系统的分析和设计过程。
02
信号处理
在信号处理中，拉普拉斯变换用于分析信号的频谱和系统对信号的响应。
通过将信号从时域转换到频域，可以更好地理解信号的特性和系统的性
能。
03
电路分析
在电路分析中，拉普拉斯变换用于分析电路的传递函数和频率响应。通
适用范围
适用于具有特定类型的原始函数，如指数函数、幂函数等。
04
拉普拉斯变换在控制系统中的应用
控制系统的传递函数
1 2 3
传递函数定义
传递函数是描述线性时不变系统动态特性的数学 模型，它反映了系统输入与输出之间的数学关系。
传递函数的计算
传递函数可以通过系统的微分方程或差分方程进 行计算，通过拉普拉斯变换将时域函数转换为复 频域函数，便于分析。
过将电路中的微分方程转换为复数域中的代数方程，可以方便地计算电
路的性能指标和设计电路参数。
02
拉普拉斯变换的数学基础
复数及其性质
实部与虚部
复数由实部和虚部组成，表示为 a+bi，其中a是实部，b是虚部，i
《机械工程控制基础》概论教案
《机械工程控制基础》概论教案学时分配总学时：32学时授课学时：28学时实验：4学时。
基础课程先修课：大学物理、理论力学、工程数学、电工学、高等数学、机械原理。
课程性质《机械工程控制基础》是高等工业院校机械类专业普遍开设的一门重要的技术基础课，在整个教学计划中，以主干课程的角色，起着承上启下的作用，具有十分重要的地位。
本课程是一门专业基础理论课程,详述了研究对象的建模方法、系统响应分析方法，系统介绍了单输入单输出线性定常系统的时域性能分析、频域性能分析、系统的稳定性分析方法，介绍系统性能校正方法，为《机电一体化系统设计》、《机电传动控制》、《计算机控制技术》等机械电子工程专业的后续课程打下基础。
课程的主要任务通过本课程的学习，使学生掌握经典控制理论的基本概念和基础知识, 掌握机械工程中的研究对象的建模方法；掌握一阶、二阶系统的时域性能分析和频域性能分析方法；能熟练地根据Nyquist图、Bode图判断系统的稳定性；掌握系统性能校正方法；使学生能分析系统的性能,能改进或设计简单的控制系统。
第一次课第1章绪论第1章绪论基本内容介绍控制论的研究对象与任务，控制系统的分类及控制论的发展史。
使学生能以控制、系统的观点而不是静止、局部的观点去看待一个机械工程系统，培养学生从整体的而不是分散的角度,从整个系统中信息传递,转换和反馈等角度来分析系统的“动态行为”。
重点难点自我测验1控制工程论的研究对象和任务? 2什么是反馈?3对控制系统的基本要求使什么?作业1.1机械控制基础的研究对象、课程的基本任务、控制系统的基本要求一、机械控制基础的研究对象：系统、输入、输出1、自动控制系统基本组成控制器能够对控对象起控制作用的设备总称。
控制对象被控制的机器设备或生产过程。
系统的输入作用于系统的激发信号，其中包括参考输入（激励信号）和扰动输入。
要求：1.保持系统的输出只参考输入指定的数值2.保持系统的输出尽量不受扰动的影响。
《机械控制理论基础》
《机械控制理论基础》《机械控制理论基础》课程研究报告姓名：郭龙博学号：4708130299 成绩：1 课程研究背景1.1研究⽬的机械控制理论基础是控制论与机械⼯程技术理论之间的边缘学科，侧重介绍机械⼯程的控制原理，同时密切结合⼯程实际，是⼀门技术基础课程。
本课程内容较抽象，概括性强，⽽且涉及知识范围⼴。
学习本门课要有良好的数学、⼒学、电学和计算机⽅⾯的荃础，还要有⼀定的机械⼯程⽅⾯的专业知识。
学习本课程不必过分追求数学论证上的严密性，但应充分注意数学结论的准确性与物理概念的明晰性。
既要抽象思维，⼜要注意联系专业，学会⽤⼴义系统动⼒学的抽象来解决专业实际问题，为开拓分析与解决问题的思路打下初步基础。
1.2研究意义《机械理论控制基础》主要阐述“机械⼯程控制论”中的基础理论及其在机械⼯程中的应⽤。
“机械⼯程控制论”是⼀门技术科学，它是研究“控制论”在“机械⼯程”中应⽤的科学。
当前机械制造技术正向着⾼度⾃动化的⽅向发展，各种先进的⾃动控制加⼯系统不断出现，过去那种只侧重于局部和静态的研究⽅法已不能符合要求，应将机械加⼯过程各个环节的组合看作是⼀个动⼒系统，从控制论的⾓度来研究和解决加⼯中所出现的各种技术问题。
由于机械⼯程控制论是⼀门新兴学科，⼤量的问题，从概念到⽅法，从定义到公式，从理论的应⽤到经验的总结，都需要进⼀步的探讨。
1.3研究对象机械⼯程控制论是研究以机械⼯程技术为对象的控制论问题。
具体地讲，是研究在这⼀⼯程领域中⼴义系统的动⼒学问题，即研究系统在⼀定的外界条件（即输⼊与⼲扰）作⽤下，系统从某⼀初始状态出发，所经历的整个动态历程，也就是研究系统及其输⼊、输出三者之间的动态关系。
例如，机床数控技术中，调整到⼀定状态的数控机床就是系统，数控指令就是输⼊，⽽数控机床的运动就是输出。
因为输⼊的结果是改变系统的状态，并使系统的状态不断改变，这就是⼒学中所讲的强迫运动；⽽当系统的初始状态不为零时，即使没有输⼊，系统的状态也会不断改变，这也就是⼒学中所讲的⾃由运动。
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
专业认证大纲参考机械控制工程基础
机械控制工程基础教学大纲课程名称：机械控制工程基础英文名称：Mechanical control Engineering课程编号：05课程性质：必修学分/学时：40;其中,讲授 34学时,实验 6学时,上机 0学时,实训 0学时;课程负责人：唐宏宾先修课程：高等数学、大学物理、电工与电子技术、理论力学一、课程目标机械控制工程基础主要介绍经典控制理论的基本概念、基本原理、基本分析方法、工程设计方法及控制理论在机械工程中的应用;本课程不仅为学生学习有关专业课程提供必要的基础理论知识,也为从事相关专业技术工作、科学研究工作及管理工作提供重要的理论基础;通过本课程的学习,达到以下教学目标：1.工程知识掌握必要的机械控制工程理论知识;能够应用械控制工程理论知识解决复杂工程技术问题;2.问题分析能够理解并恰当表述机械控制工程实际问题;能够找到合适的解决机械控制工程实际问题的程序与方法;在一定的限制条件下能够合理解决机械控制工程实际问题;3.设计/开发解决方案能够运用机械控制工程理论知识进行产品规划与设计并体现创新意识;4.研究能够采用机械控制工程理论知识进行研究并合理设计实验方案;5.使用现代工具能够有效使用MATLAB软件对机械控制工程实际问题进行模拟、分析与预测;二、课程内容及学时分配如表1所示;三、教学方法课程教学以课堂教学、实验教学、课外作业、综合讨论、网络课程等共同实施;本课程将以“机械控制系统建模及性能分析”为主线,主要介绍机械控制系统建模及性能分析的相关知识,重点培养学生应用机械控制工程理论知识并使用现代工具软件分析、研究、解决复杂工程问题的能力;表1 机械控制工程基础课程内容及学时分配本课程采用国家“十二五”规划教材,结合学生个性特点,因材施教;本课程的课堂教学将充分利用数字化技术、网络技术制作丰富多彩的教学课件和辅导材料,调动学习积极性,提高教学效率;本课程课堂教学流程如图1所示;图1 机械控制工程基础课堂教学流程本课程安排5次课外作业：1.控制系统的数学模型2.控制系统的时域分析3.控制系统的频率特性分析4.控制系统的稳定性分析5.控制系统的误差分析四、考核内容及考核方式1.考核内容1机械控制工程理论基本概念的理解和掌握;如反馈、快速性、稳定性、准确性、传递函数、频率特性、校正设计等;2控制系统数学模型微分方程、传递函数、频率特性的建立方法;3求取复杂控制系统方块图传递函数的方法;4控制系统的时域分析方法及时域性能指标的求取;5控制系统的频域分析方法及开环奈氏图、波德图的画法;6应用劳斯判据、奈氏判据、波德判据判断控制系统的稳定性;7控制系统稳误差的计算;8常用的校正设计方法;2.考核方式期末考试+平时成绩+实验成绩;其中：期末考试占总成绩80%,采用闭卷考试；平时成绩占总成绩10%,根据出勤、作业、质疑、课堂讨论等情况评定；实验成绩占总成绩10%,根据实验态度、实验方案、实验技能、实验报告等进行评定;五、教材与主要参考书1.推荐教材1 王显正．控制理论基础第二版 M．北京：科学出版社,20082 韩柳．机械控制工程基础实验教程M．北京：国防工业出版社,20102.主要参考书1 杨叔子．机械工程控制基础M．华中科技大学出版社,20072 王益群. 控制工程基础M．北京：机械工业出版社,20083 王仲民．机械工程控制基础M．北京：国防工业出版社,2010六、附课程教学目标—毕业要求关系表如表2所示;表2 机械控制工程基础课程教学目标—毕业要求关系表注：表中“H高、M中、L弱”表示课程与各项毕业要求的关联度;。
(完整版)《机械工程控制基础》课程教学大纲-2012版
《机械工程控制基础》课程教学大纲课程名称：机械工程控制基础英文名称：Control Fundamental of Mechanical Engineering课程编码：51510502学时/学分：36/2课程性质：必修课适用专业：机械类各专业先修课程：高等数学，理论力学，电工与电子技术，复变函数与积分变换（可选）一、课程的目的与任务《机械工程控制基础》是机械设计制造及其自动化专业的机械电子工程及相近专业方向的一门技术基础课。
本课程是在高等数学和工程数学（复变函数与积分变换）的知识基础上，结合力学、电学等相关知识，介绍机械工程类专业的重要理论基础之一——工程控制论。
这门学科既是一门广义的系统动力学，又是一种合乎唯物辩证法的思想论和方法论，对启迪与发展人们的思维与智力有很大的作用。
本课程的基本任务是将自动控制理论应用于机械工程实际，基本要求是在阐明机械工程控制论的基本概念、基本知识与基本方法的基础上，使学生学会建立和变换系统的数学模型，掌握控制系统的时间响应分析和频率特性分析方法，并在此基础上具备讨论控制系统的稳定性，以及系统分析和校正、系统辨识等问题的能力。
使学生以辩证方法冲破形而上学的思想方法，推动这一领域的生产与学科向前发展。
在学习本课程之前，学生应当从先修课程中获得动力学分析、电路分析的能力，了解微分方程求解知识和复变函数的概念，初步掌握积分变换及其逆变换的基本方法。
学习本课程之后，学生还应当注意结合其它机械工程学的知识，将控制理论应用到工程实践中去。
二、教学内容及基本要求第一章绪论教学目的和要求：本章首先阐述了机械工程控制基础这门课程的重要意义，然后介绍控制工程的基本思想、基本概念、控制系统的分类和基本要求，使学生了解机械工程控制论的研究对象与任务和系统、模型等知识，深刻理解反馈和反馈控制，接下来对控制理论的发展进行简单介绍。
教学重点和难点：1．系统及其模型2．反馈和反馈控制3．系统的基本要求教学方法与手段：以课堂讲授为主，注意举例和采用启发式教学，配合适当的课堂练习和课外作业。
机械工程控制理论概要
机械工程控制理论Mechanical Engineering Control Theory一、总学时：40学时（讲课40学时，实验0学时）学分：2学分二、教学目的机械工程控制理论是研究控制论在机械工程中应用的科学，即研究在这一工程领域中广义系统的动力学问题，包括系统本身的动态关系。
本课程内容丰富，理论性、系统性强。
研究生通过本课程的学习，能掌握经典控制理论的基本理论和复域、频域中的基本分析方法，熟悉有关的算法，能从事机械工程中自动控制系统的设计、研究和开发工作。
三、课程内容及学时分配第一章机械工程控制论的基本概念（4学时）1.1机械工程控制论的研究对象与任务1.2机械工程系统中的信息传递、反馈及反馈控制1.3控制系统的分类与基本要求第二章机械工程系统的数学模型（8学时）2.1系统的微分方程2.2传递函数2.3系统的传递函数方框图及其简化第三章系统的时间响应分析（6学时）3.1时间响应的概念3.2一阶系统的时间响应3.3二阶系统的时间响应3.4高阶系统的响应分析第四章系统的频率响应分析（6学时）4.1频率特性概述4.2频率特性的极坐标图（乃奎斯特图）4.3频率特性的对数坐标图（伯德图）4.4最小相位系统的概念4.5闭环频率特征和频率特性特征量第五章系统的稳定性（6学时）5.1系统的稳定性概念5.2劳斯稳定判据5.3乃奎斯特稳定判据5.4系统的相对稳定性第六章系统的性能分析与校正（6学时）6.1系统的时域和频域性能指标6.2串联校正6.3反愦及顺馈校正第七章系统辨识（4学时）7.1单位脉冲响应的估计7.2伯德图与乃奎斯特图的估计四、适用专业机械工程及自动化五、先修课程线性代数、复变函数、积分变换、微分方程、电路、电工学六、教材及主要参考书1、杨叔子、杨克冲等编著，机械工程控制基础，华中理工大学出版社，1993.42、孙亮、杨鹏主编，自动控制原理，北京工业大学出版社，2000 .93、王积伟、吴振顺，控制工程基础，2001 .8。
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齐次性：对于一个y=f(t)的系统，若满足f(Kt)=Kf(t)，则称系统具有齐次性。
本节作业
请同学们在3月30日前，将答案书写至笔记本上，并上传至自己的群相册中待 查。
下节课预告
本节结束
2020年3月26日
上节讲解作业
请上节课上台的同学，将自己学号后两位在评论区留言，我要记 录！
普通电冰箱属于（A ）控制系统。 A单变量输入\输出 B多变量输入\输出 C单变量输入\多变量输出 D以上二者都不对
课程导入： 这是什么图？
这又是什么图？
1 简述 2 LAPLACE积分变换 3 线性时不变系统 4 传递函数 5 典型机电系统建模 6 系统方框图
建立数学模型的步骤 即列写微分方程的一般步骤
划分环节
写出每一步的 物理方程式
消去中间变量
写成标准形式
3、微分方程和方框图
当我们用分析法或者实验法分析完机械系统的一个实际问题后，其动力学
方程一般都呈现为微分方程的形式。但是微分方程用于控制系统的分析与设计
并不方便，因为在方程中无法直接地表达输入和输出之间的关系。方框图较为
线性
量与量之间按比例、呈直线的关系。
线性函数
在数学上可以理解为一阶导数为常数的代数函数。 f（x）=kx+b
线性系统
一个系统的数学模型表达式是线性的， 则称为线性系统。
微分方程的分类
线性时不变系统
线性时变系统
讨论3
线性系统的基本特性
讨论4
叠加性：对于一个y=f(t)的系统，若满足f(t1+t2)=f(t1)+f(t2)，则称系统具有 叠加性。
机械控制理论基础 主讲教师：程爽
课前复习：（大纲要求）
第一章 绪论
1、（了解）引言 2、（了解）开环控制与闭环控制 3、（了解）自动控制系统的构成 4、（了解）自动控制系统的分类 5、（了解）对控制系统的性能的要求
教学重点： 自动控制系统的组成，分类，闭环系统及反馈的概念
教学难点：闭环系统及反馈的概念
教学难点：系统方框图
2.1 数学模型简述
1、数学模型： 为了某种目的，用字母、数字及其他数学符号建立起的等式或不等式，
以及图表、图像、框图等描述客观事物的特征及其内在逻辑联系的数学结 构表达式。举例如下：
数学模型表达方法：
传递函数法（频域） 状态方程法（时域） 经典控制理论主要采用第一种方法。
目
录
数学建模
大纲要求：
第二章 数学建模
1、（了解）微分方程 2、（会求）补充内容：拉普拉斯变换求解微分方程 3、（掌握）传递函数 4、（掌握）典型环节及其传递函数 5、（会用）系统方框图的绘制、合成、化简 6、（掌握）建立机电系统数学模型
教学重点：建立系统数学模型(传递函数，方框图)的基本方法
拉普拉斯变换是工程数学中
常用的一种积分变换，又名
拉氏变换。
拉氏变换是一个线性变换，
可将一个有参数实数t（t≥ 0）
的函数转换为一个参数为复
数s的函数。
f(t)
F(s)
问题：有拉式变换有没有逆拉式变换呢？
有！
Laplace变换定理
典型时间函数的拉氏变换
例题
讨论1
讨论2
习题1
下面典型时域信号中，拉普拉斯变换式为1的是（ ）。 A 单位阶跃信号 B 单位脉冲信号 C 正弦函数
2、数学建模： 就是用数学的抽象理论来描述现实问题。
建立控制系统数学模型的方法： 理论法（又称分析法）+实验法
分析法： 对系统各部分的运动机理进行分析，根据它们所依据的物
理规律或化学规律分别列出相应的运动方程。
实验法： 人为地对系统施加某种测试信号，记录其输出响应，并用
适当的数学模型进行逼近。
B
D 指数函数
习题2
1 下面典型时域信号中，拉普拉斯变换式为 S 的是（ ）。
A 单位阶跃信号
B 单位脉冲信号
C 正弦函数
A
D 指数函数
习题3 1
下面典型时域信号中，拉普拉斯变换式为 S 2 的是（ ）。
A 单位阶跃信号
B 单位脉冲信号
C 单位斜坡信号
C
D 指数函数
2.3 线性时不变系统
理想。
习题1
在自动控制理论中，数学模型有多种形式，属于时域中 常用的数学模型的是（ ）。
A微分方程
B传递函控制理论中，数学模型有多种形式，属于频域中 常用的数学模型的是（ ）。
A微分方程
B传递函数
C结构图
D
D频率特性
定义
2.2 Laplace 积分变换