《机械工程控制基础》ppt课件
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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》(杨叔子主编)PPT第三章+系统时间响应分析
析系统的特性，时间响应分析（也称之为：时域分析）
是重要的方法之一。 时域分析——给系统施加一输入信号，通过研究系 统的输出（响应）来评价系统的性能。 如何评价一个系统性能的好坏，有一些动态和稳态 的性能指标可以参考。
2
3.1 时间响应及其组成
例1
1 按照微分方程解的结构理论，这一非齐次常微分方程的解由两 部分组成，即： 是与其对应的齐次微分方程的通解 是其一个特解
5
3.1 时间响应及其组成
此方程的解为通解
（即自由响应）与特解
（即强迫响应）所组成，即：
6
3.1时间响应及其组成
这是因为：在定义系统的传递函数时，由于已指明了系统的 初态为零，故取决于系统的初态的零输入响应为零。
7
3.1时间响应及其组成（瞬态响应与稳态响应）
8
3.1时间响应及其组成（瞬态响应与稳态响应）
KH
X o (s) 10K 0 /(0.2 s 1) G(s) K0 X i (s) 1 G ( s ) K H 1 10K H /(0.2s 1) 10K 0 1 10K H 0.2 s 1 1 10K H
若将调节时间减至原来的0.1倍，但 总放大系数保持不变，则：
其拉氏变换的表达式为：
t0 t0
i
式中 , R为常数。 当R＝ 1, x (t)=t为单位斜坡函数 。
通过观察，我们可以发现 因为dx(t)/dt=R, 所以阶 跃函数为斜坡函数对时间的导数。
16
3.2 典型输入信号
3. 抛物线函数（等加速度函数）
抛物线函数(见图)的时域表达式为
Rt 2 xi (t ) 2 0
9
3.1时间响应及其组成（瞬态响应与稳态响应）
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》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
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《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》
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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
机械工程控制基础课件第二节 系统传递函数
1
1
C2 i2 dt i2 R2 C1 (i1 i2 )dt
1
C2
i2dt uc
机械工程控制基础
第三章 系统数学模型
3、在零初始条件下，进行拉氏变换：
1 C1S
( I1
I2 )
I1R1
Ur
1 C2 S
I2
I2 R2
1 C1S
( I1
I2 )
1 C2 S
I2
Uc
4、消除中间变量，并整理得：
-
+K
r (t )
c (t )
R3
输入为r(t)，输出为c(t)
ic
(t)
i1 (t)
r(t) R1
图3－14 积分运算电路
R(s)
1
R1Cs
C(s)
运动方程：
1
1
1
c(t) C ic (t)dt R1C r(t)dt T r(t)dt
传递函数： G(s) C(s) 1 K
四、传递函数的零极点形式
第三章 系统数学模型 （3－5）
机械工程控制基础
第三章 系统数学模型
例3－7：求图示系统的传递函数
图3－9 电网络系统
机械工程控制基础
第三章 系统数学模型
u u 1、确定系统的输入与输出：输入为 r ，输出为 c
2、列写原始微分方程
1
C1
(i1 i2 )dt i1R1 ur
特 点：动态过程中，输出量正比于输入量的变化速度。
一般不能单独存在，能反映系统的变化趋势，可 以强化系统的阻尼，加强系统的噪声。
R(s)
C(s) S
运动方程(s) KS （3－7）
R(s)
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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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。
机械控制工程基础
黄文怡 主讲
工程学院机械设计系
1
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
2
第一章 绪论
第一节 第二节 第三节 第四节
态的而不是静态的观点和方法来思考和解决问 题。 掌握控制理论的基本概念、基本理论和基本方 法并注意结合实际，为解决工程中的控制问题 打下基础。
17
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
随着科技进步特别是计算机科学的发展，
控制论无论是在三要素的内涵上，还是在其深
度与广度上都在发展变化着，对促进生产的发
展和社会进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。
研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关 系．
输入 系统 输出
7
学习控制工程基础要解决的两个问题
学习控制工程基础要解决两个问题： 一是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； 二是如何根据实际需要来进行控制系统的
设计，并用机、电、液、光等设备来实现 这一系统。 前者主要是分析系统，后者是综合与 设计，无论解决哪类问题，都必须具有丰 富的控制理论知识。
10
二、控制理论的发展
5、我国著名科学家钱学森从控制论这一 总题目中，把已被当时科学技术和工程 实践所证明的部分分离出来，创立了 “ 工 程 控 制 论 ” ， 并 于 1954 年 出 版 了 《工程控制论》这一名著，这对控制理 论的发展与应用起到了很大的推动作用。
11
二、控制理论的发展
6、50年代末与60年代初，一方面由于工业生 产、火箭和空间技术的发展，出现了多变量、 非线性和时变参数系统，经典控制理论已经不 能满足要求；另一方面由于电子计算机技术的 发展与应用，半导体和电子技术、计算技术的 发展，各种传感器和自动检测技术的发展，使 控制理论发展到了一个新阶段，从而产生了现 代控制理论。
具体的讲研究用控制理论的基本原理解决电 气、机械、测控、化工等一切工程系统中的 控制技术问题。（图1-1）
5
离心调速器原理示意图(图1-1)
稳定、准确、快速
6
工程控制理论的实质
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．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(即输入或激励， 包括外加控制与外加干扰)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；
概述 控制系统的基本概念 控制系统的基本类型 对控制系统的基本要求
3
第一节 概述
一、控制工程研究的主要内容 二、控制理论的发展 三、控制理论在工程中的应用 四、控制理论的学习方法
4
一、控制工程研究的主要内容
控制工程主要研究有关自动控制和系统动力 学的基础理论及其在工程中的应用。它是一 门新兴技术科学，也是一门边缘科学，它的 理论基础是控制理论。
13
二、控制理论的发展
第二阶段： 20世纪60—70年代为现代控制论发展时期，这期间随
着计算机技术的发展和空间技术的进步，产生了把经 典控制论中的高阶常微分方程转化为一阶微分方程组 来描述系统的方法，即所谓状态空间法，这种方法可 以解决多输入、多输出问题，对非线性、时变系统也 有效。 该方法是自适应控制、自学习控制、最优控制、最优 滤波（卡尔曼滤波）的基础。
8
二、控制理论的发展
1、控制理论的产生可以追朔到1788年瓦特(J.Watt) 为控制蒸汽机速度而发明的蒸汽机离心调速器，其原 理示意图如图1-1所示。
2、1868年，英国物理学家马克斯威尔（J.C.Maxwell） 发表了第一篇关于“论调速器”的文章，首先提出了 “反馈控制”的概念。
3、1884年和1895年,劳斯（E.J.Routh）和霍尔维茨 (A.Hurwitz)把马克斯威尔的理论扩展到用高阶微分方 程描述的更为复杂的系统，并分别提出了两种著名的 代数稳定性判据。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）研 制出电子管振荡器，同时提出了著名的Nyquist稳定 性判据。
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三、控制理论在工程中的应用
1、军事 2、数控机床、加工中心 3、机器人 4、机电一体化系统 5、动态测试 6、机械动力系统性能分析 7、液压系统的动态特性分析 8、生产过程控制
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四、控制理论特点及学习方法
本课程特点： （1）比较抽象 （2）起点高 （3）系统性强 学习本门课程应以新的视角分析和考虑问题。 学习本门课程要能以系统的而不是孤立的、动
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二、控制理论的发展
第三阶段：
20世纪70年代末至今，控制论向着“大系统理论”和 “智能控制论”发展。
“大系统理论”是用控制和信息的观点研究大系统的 结构方案、总体设计中的分析方法和协调问题。
“智能控制论”是研究与模拟人类活动的机理。 现 代科学揭示，人体是一个具有高度自组织、自适应、 自调节能力的生命有机体，是具有非线性、时变和随 机性、模糊性的特大系统。研究具有仿人智能的工程 控制和信息处理问题，以使具有高度复杂性、高度不 确定性的系统达到人们对控制系统越来越高的要求。
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。
机械控制工程基础
黄文怡 主讲
工程学院机械设计系
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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
2
第一章 绪论
第一节 第二节 第三节 第四节
态的而不是静态的观点和方法来思考和解决问 题。 掌握控制理论的基本概念、基本理论和基本方 法并注意结合实际，为解决工程中的控制问题 打下基础。
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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
随着科技进步特别是计算机科学的发展，
控制论无论是在三要素的内涵上，还是在其深
度与广度上都在发展变化着，对促进生产的发
展和社会进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。
研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关 系．
输入 系统 输出
7
学习控制工程基础要解决的两个问题
学习控制工程基础要解决两个问题： 一是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； 二是如何根据实际需要来进行控制系统的
设计，并用机、电、液、光等设备来实现 这一系统。 前者主要是分析系统，后者是综合与 设计，无论解决哪类问题，都必须具有丰 富的控制理论知识。
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二、控制理论的发展
5、我国著名科学家钱学森从控制论这一 总题目中，把已被当时科学技术和工程 实践所证明的部分分离出来，创立了 “ 工 程 控 制 论 ” ， 并 于 1954 年 出 版 了 《工程控制论》这一名著，这对控制理 论的发展与应用起到了很大的推动作用。
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二、控制理论的发展
6、50年代末与60年代初，一方面由于工业生 产、火箭和空间技术的发展，出现了多变量、 非线性和时变参数系统，经典控制理论已经不 能满足要求；另一方面由于电子计算机技术的 发展与应用，半导体和电子技术、计算技术的 发展，各种传感器和自动检测技术的发展，使 控制理论发展到了一个新阶段，从而产生了现 代控制理论。
具体的讲研究用控制理论的基本原理解决电 气、机械、测控、化工等一切工程系统中的 控制技术问题。（图1-1）
5
离心调速器原理示意图(图1-1)
稳定、准确、快速
6
工程控制理论的实质
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．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(即输入或激励， 包括外加控制与外加干扰)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；
概述 控制系统的基本概念 控制系统的基本类型 对控制系统的基本要求
3
第一节 概述
一、控制工程研究的主要内容 二、控制理论的发展 三、控制理论在工程中的应用 四、控制理论的学习方法
4
一、控制工程研究的主要内容
控制工程主要研究有关自动控制和系统动力 学的基础理论及其在工程中的应用。它是一 门新兴技术科学，也是一门边缘科学，它的 理论基础是控制理论。
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二、控制理论的发展
第二阶段： 20世纪60—70年代为现代控制论发展时期，这期间随
着计算机技术的发展和空间技术的进步，产生了把经 典控制论中的高阶常微分方程转化为一阶微分方程组 来描述系统的方法，即所谓状态空间法，这种方法可 以解决多输入、多输出问题，对非线性、时变系统也 有效。 该方法是自适应控制、自学习控制、最优控制、最优 滤波（卡尔曼滤波）的基础。
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二、控制理论的发展
1、控制理论的产生可以追朔到1788年瓦特(J.Watt) 为控制蒸汽机速度而发明的蒸汽机离心调速器，其原 理示意图如图1-1所示。
2、1868年，英国物理学家马克斯威尔（J.C.Maxwell） 发表了第一篇关于“论调速器”的文章，首先提出了 “反馈控制”的概念。
3、1884年和1895年,劳斯（E.J.Routh）和霍尔维茨 (A.Hurwitz)把马克斯威尔的理论扩展到用高阶微分方 程描述的更为复杂的系统，并分别提出了两种著名的 代数稳定性判据。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）研 制出电子管振荡器，同时提出了著名的Nyquist稳定 性判据。
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三、控制理论在工程中的应用
1、军事 2、数控机床、加工中心 3、机器人 4、机电一体化系统 5、动态测试 6、机械动力系统性能分析 7、液压系统的动态特性分析 8、生产过程控制
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四、控制理论特点及学习方法
本课程特点： （1）比较抽象 （2）起点高 （3）系统性强 学习本门课程应以新的视角分析和考虑问题。 学习本门课程要能以系统的而不是孤立的、动
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二、控制理论的发展
第三阶段：
20世纪70年代末至今，控制论向着“大系统理论”和 “智能控制论”发展。
“大系统理论”是用控制和信息的观点研究大系统的 结构方案、总体设计中的分析方法和协调问题。
“智能控制论”是研究与模拟人类活动的机理。 现 代科学揭示，人体是一个具有高度自组织、自适应、 自调节能力的生命有机体，是具有非线性、时变和随 机性、模糊性的特大系统。研究具有仿人智能的工程 控制和信息处理问题，以使具有高度复杂性、高度不 确定性的系统达到人们对控制系统越来越高的要求。