机械工程控制基础第一章
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外部行为) “外因” (输入、干扰)是运动的条件 “内因”(系统的固有特性)是运动的根据
二、机械工程控制论研究对象与任务
控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科
经济学
经济控制论
控制论
社会学 生物学
社会控制论 生物控制论
工程技术
工程控制论
机械工程
机械工程控制论
共同的本质特点：通过信息传递，处理与反馈进行控制
二、机械工程控制论研究对象与任务
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。
二、机械工程控制论研究对象与任务
可控性与能控性
控制对象有多种运动状态的可能性； 能够通过控制手段使控制对象的状态达到控制目标
控制论的方法论
明确事物发展的多种可能性 确定其中一种可能性为控制目标 实施控制实现控制目标
二、机械工程控制论研究对象与任务
机械工程控制论研究机械工程技术中的广义系统动力学问题。 1.系统：元素按一定规律组合起来的能完成一定 功能的集合。
二、机械工程控制论研究对象与任务
系统的层次性与相对性： 系统的组成元素可以是子系统； 又可是更上一层系统的组成元素。
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
元素 要素 元素之间的联系
外界对系统的作用：输入、干扰 系统与外界的交互作用
系统对外界响应：输出
外界的作用
系统的响应
信息的传递 与交互
二、机械工程控制论研究对象与任务
系统普遍存在信息的传递、交互与反馈是控制论的中心思想 控制论：技术学科、技术哲学、科学方法论
控制论强调： 对象是一个“系统”； 系统不断“运动” (经历动态历程，包括内部状态和
机械工程控制基础
授课人：张来刚
聊城大学 汽车与交通工程学院
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
个人介绍：
姓名：张来刚
家乡：聊城 东阿
学习经历：
本科毕业于吉林大学，大学期间所学专业：电子信息工程； 2007年在中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所就读研 究生，今年7月博士毕业；所学专业：机械电子工程；主要 研究方向：视觉测量，光电测控 业余爱好： 羽毛球，足球，乒乓球
联系方式： 电话：136 0635 4072 E-mail：zhanglaigang@
教材：
杨叔子等,机械工程控制基础,华中科技大学出版社,(第六 版),2011
参考文献：
1.胡寿松等,自动控制原理,国防工业出版社,(第三版),1994. 2.李友善.自动控制原理,国防工业出版社,1980 3.陈康宁.机械工程控制基础.西安交通大学出版社.1997. 4.Matlab使用手册
例：弹簧-质量-阻尼单自由度系统
(a)
(b)
(mp2 cp k) y(t) f (t) (mp2 cp k) y(t) (cp k)x(t)
初始状态
y(0) y0
系统固有特性： mp2 cp k
外界作用： f (t) , x(t)
与外界的关系： 1 , cpk
初始状态、系统 固有特性、外界 作用、与外界的 关系等四大因素 决定系统响应
系统的输出： y(t)
研究任务
➢ 系统分析问题：已知系统和输入，求输出（或响应），并 通过响应来研究系统本身的问题。
➢ 最优控制问题：已知系统和理想输出，求最优输入，使实 际输出满足要求。
➢ 最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。 ➢ 滤波与预测问题：设计或选择合适的系统，以便由输出识
Measured speed
Metal sphere Governor
Boiler Steam
Valve
Output shaft
Engine
图1.1 蒸汽机离心调速器
自动控制：由控制装置自动完成，无需人的参与。
图1.2 液位人工控制
检测偏差
实施控制
图1.3 液位自动控制
消除偏差
控制的三要素
控制对象、控制目标、控制手段（装置、算法等）
别输入或输入中的有关信息。 ➢ 系统辨识问题：已知输入和输出，要识别系统的结构和参
数，建立系统的数学模型。
三、反馈
1.信息
定义1：一切能表达一定意义的信号、符号和密码等。 如：报纸，烽火，电报，记号、手势等等
定义2：能够用来消除不确定性的东西。如： 报纸（过时、适时），情报（过时，适时），足球比赛 （势均力敌，势力悬殊），书籍（好，差）等 定义3：事物运动的状态和方式。如：
轧钢过程、工业窑炉、石油化工、水泥建材、玻璃、造纸等 现代农业生产
自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测等。 其他领域
通信、交通、医学、环境保护、经济管理等
6.个人日常生活和工作 电冰箱、电饭煲、空调器、音响、收音机等等
7. 方法论 “反馈控制的思想”
一、概述
控制：施加某种操作于对象，使其产生所期望的行为。
的动态特性. 使用:系统的动态特
性(安全、性能) 维护：监测与故障预
测、诊断
3.动态测试、信号处理（信号与系统）
传感器的选择、信号预处理器的设计、数字信号的处理、特征提取
加工状态监控
喷气发动机性能监控
4.生产组织管理（过程的优化）
5.其他工程应用
军事、航天领域
火炮、雷达、跟踪系统、人造卫星、宇宙飞船等 流程工业
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
机械工程控制基础
聊城大学 汽车与交通工程学院
本课程的主要内容：
➢第一章 ➢第二章 ➢第三章 ➢第四章 ➢第五章 ➢第六章 ➢第七章 ➢第八章 ➢第九章
绪论 系统的数学模型 系统的时间相应分析 系统的频率特性分析 系统的稳定性 系统的性能指标与校正 非线性系统初步 线性离散系统初步 系统辨识初步
第一章 绪论
为什么要学控制论？
1.机电一体化产品的出现与逐渐普及
“机”+“电”?
“信息传递与交换” 控制论、系统论、 信息论、微电子技 术（计算机技术） 相结合的产品
2.机械系统朝高速、高负载、超精密、超大型或超微型等方向 发展。（设计、制造、使用、维护）“动态”
设计: 动态设计 制造: 关注制造过程
二、机械工程控制论研究对象与任务
控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科
经济学
经济控制论
控制论
社会学 生物学
社会控制论 生物控制论
工程技术
工程控制论
机械工程
机械工程控制论
共同的本质特点：通过信息传递，处理与反馈进行控制
二、机械工程控制论研究对象与任务
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。
二、机械工程控制论研究对象与任务
可控性与能控性
控制对象有多种运动状态的可能性； 能够通过控制手段使控制对象的状态达到控制目标
控制论的方法论
明确事物发展的多种可能性 确定其中一种可能性为控制目标 实施控制实现控制目标
二、机械工程控制论研究对象与任务
机械工程控制论研究机械工程技术中的广义系统动力学问题。 1.系统：元素按一定规律组合起来的能完成一定 功能的集合。
二、机械工程控制论研究对象与任务
系统的层次性与相对性： 系统的组成元素可以是子系统； 又可是更上一层系统的组成元素。
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
元素 要素 元素之间的联系
外界对系统的作用：输入、干扰 系统与外界的交互作用
系统对外界响应：输出
外界的作用
系统的响应
信息的传递 与交互
二、机械工程控制论研究对象与任务
系统普遍存在信息的传递、交互与反馈是控制论的中心思想 控制论：技术学科、技术哲学、科学方法论
控制论强调： 对象是一个“系统”； 系统不断“运动” (经历动态历程，包括内部状态和
机械工程控制基础
授课人：张来刚
聊城大学 汽车与交通工程学院
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
个人介绍：
姓名：张来刚
家乡：聊城 东阿
学习经历：
本科毕业于吉林大学，大学期间所学专业：电子信息工程； 2007年在中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所就读研 究生，今年7月博士毕业；所学专业：机械电子工程；主要 研究方向：视觉测量，光电测控 业余爱好： 羽毛球，足球，乒乓球
联系方式： 电话：136 0635 4072 E-mail：zhanglaigang@
教材：
杨叔子等,机械工程控制基础,华中科技大学出版社,(第六 版),2011
参考文献：
1.胡寿松等,自动控制原理,国防工业出版社,(第三版),1994. 2.李友善.自动控制原理,国防工业出版社,1980 3.陈康宁.机械工程控制基础.西安交通大学出版社.1997. 4.Matlab使用手册
例：弹簧-质量-阻尼单自由度系统
(a)
(b)
(mp2 cp k) y(t) f (t) (mp2 cp k) y(t) (cp k)x(t)
初始状态
y(0) y0
系统固有特性： mp2 cp k
外界作用： f (t) , x(t)
与外界的关系： 1 , cpk
初始状态、系统 固有特性、外界 作用、与外界的 关系等四大因素 决定系统响应
系统的输出： y(t)
研究任务
➢ 系统分析问题：已知系统和输入，求输出（或响应），并 通过响应来研究系统本身的问题。
➢ 最优控制问题：已知系统和理想输出，求最优输入，使实 际输出满足要求。
➢ 最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。 ➢ 滤波与预测问题：设计或选择合适的系统，以便由输出识
Measured speed
Metal sphere Governor
Boiler Steam
Valve
Output shaft
Engine
图1.1 蒸汽机离心调速器
自动控制：由控制装置自动完成，无需人的参与。
图1.2 液位人工控制
检测偏差
实施控制
图1.3 液位自动控制
消除偏差
控制的三要素
控制对象、控制目标、控制手段（装置、算法等）
别输入或输入中的有关信息。 ➢ 系统辨识问题：已知输入和输出，要识别系统的结构和参
数，建立系统的数学模型。
三、反馈
1.信息
定义1：一切能表达一定意义的信号、符号和密码等。 如：报纸，烽火，电报，记号、手势等等
定义2：能够用来消除不确定性的东西。如： 报纸（过时、适时），情报（过时，适时），足球比赛 （势均力敌，势力悬殊），书籍（好，差）等 定义3：事物运动的状态和方式。如：
轧钢过程、工业窑炉、石油化工、水泥建材、玻璃、造纸等 现代农业生产
自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测等。 其他领域
通信、交通、医学、环境保护、经济管理等
6.个人日常生活和工作 电冰箱、电饭煲、空调器、音响、收音机等等
7. 方法论 “反馈控制的思想”
一、概述
控制：施加某种操作于对象，使其产生所期望的行为。
的动态特性. 使用:系统的动态特
性(安全、性能) 维护：监测与故障预
测、诊断
3.动态测试、信号处理（信号与系统）
传感器的选择、信号预处理器的设计、数字信号的处理、特征提取
加工状态监控
喷气发动机性能监控
4.生产组织管理（过程的优化）
5.其他工程应用
军事、航天领域
火炮、雷达、跟踪系统、人造卫星、宇宙飞船等 流程工业
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
机械工程控制基础
聊城大学 汽车与交通工程学院
本课程的主要内容：
➢第一章 ➢第二章 ➢第三章 ➢第四章 ➢第五章 ➢第六章 ➢第七章 ➢第八章 ➢第九章
绪论 系统的数学模型 系统的时间相应分析 系统的频率特性分析 系统的稳定性 系统的性能指标与校正 非线性系统初步 线性离散系统初步 系统辨识初步
第一章 绪论
为什么要学控制论？
1.机电一体化产品的出现与逐渐普及
“机”+“电”?
“信息传递与交换” 控制论、系统论、 信息论、微电子技 术（计算机技术） 相结合的产品
2.机械系统朝高速、高负载、超精密、超大型或超微型等方向 发展。（设计、制造、使用、维护）“动态”
设计: 动态设计 制造: 关注制造过程