机械控制工程基础[1]

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机械控制工程基础[1]
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
问题：
1. 系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)？ 三者之间表现为何种关系？ 求输出
2. 系统确定并已知时，对系统施加何种输入， 能使系统实现预期的响应（即y(t)）？求输入
3. 对于确定的输入，系统应具有什么特性， 才能使系统实现预期的响应？求系统(结构参数)
➢1.1 机械工程控制论的研究对象与任务 ➢1.2 系统及其模型 ➢1.3 反馈 ➢1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求
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第一章 绪论
本章教学大纲
本章教学大纲
1. 了解机械工程控制论的基本概念、研究对象与任务； 2. 掌握系统、模型、反馈、偏差等基本概念； 3. 掌握反馈控制系统工作原理的分析； 4. 掌握控制系统的组成、分类及基本性能要求。
同一系统，不同的输入
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
动力学方程： （令a）p解=d：/dt （微分算子）
系整统理(得a) ：(mp2+ cp + k)y(t)=f(t)
（系b）统解(b：) (mp2+ cp + k)y(t)=(cp + k)x(t)
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
系统——按一定规律联系在一起的元素的集合
元素 系统的要素
元素之间的联系
输入(激励) 干扰(扰动)
系统与外界的交互作用 外界对系统的作用
系统对外界的作用 输出(响应)
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系统的框图
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减速器 调压器
恒温箱自动控制系统
~220V
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机械控制工程基础[1]
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
根据自己的生活和学习经验，列举控制系统的例子 问题：1）普通全自动洗衣机
2）全自动照相机的闪光系统、调焦系统 3）饮水机，微波炉 4）抽水马桶水箱的液面自动调节器
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在农业机械领域的应用
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第一章 绪论
在日常生活中的应用
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
道路交通的应用——车牌自动识别
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第一章 绪论
学习要求
需要大家具备一定的数学、力学、电学方面的基础 知识，还要有一定的机械工程方面的专业知识。需要 大家认真对待每次的课后练习环节。
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主要教学内容
基本概念
机 基础知识 控制系统结构体系
械
控制系统数学模型
控
制
时域分析
工 分析方法 频域分析
程
系统稳定性判据
基
础
系统性能指标 工程应用
越广泛而深入地引入了控制理论。
数控机床、工业机器人、机床动态分析与测试、电气液压伺服系统
是科学方法论之一，强调用系统的、反馈的、控制的 方法来分析研究工程实际问题。
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课程任务与学习要求
课程任务
通过课程教学，使学生掌握经典控制理论的基本原 理和思想方法，初步培养进行系统分析与校正的能力， 结合后续专业课程的学习，为将来在机械电子工程中 解决一些实际问题打下一定的基础。
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
非控制系统
系统
人工控制系统
控制系统
自动控制系统
非控制系统——仅具有由人工开、关两种状态的系统
如：搅拌机 （视频链接） 教室里的照明系统
控制系统——系统的可变输出，能按照要求由参考输 入或控制输入进行调节的系统
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第一章 绪论
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
在雷达领域的应用
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
海洋探测机器人
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1990年日本海洋科技中心 研制的“海沟号”缆控式 无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）
机械控制工程基础
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2020/11/18
机械控制工程基础[1]
参考教材
[1] 杨叔子、杨克冲.《机械工程控制基础》（第五版）. 武汉：华中科技大学出版社，2005年7月 [2]熊良才、杨克冲.《机械工程控制基础学习辅导与题 解》.武汉：华中科技大学出版社，2002年4月 [3]朱骥北.《机械控制工程基础》 (第15版）.北京：机械 工业出版社，2005年 [4]董景新、赵长德.《控制工程基础》(第3版）.北京： 清华大学出版社，2009年6月 [5]刘叔军、樊京. 《MATLAB控制系统应用与实例》.北 京：清华大学出版社，2008年5月
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
三、机械工程控制论的研究任务 动力学问题 —即—输机入械或工激程励技，术包中括的外广加义控系制统与在外一界定干的扰外
界条件作用下，从一定的初始状态出发，经历由其内 部的固有特性所决定的整个动态历程； 研究这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
恒温恒湿试验箱又名环境试验箱，实验各种材料的耐热、耐寒 、耐干、耐湿性能。适合电子、电器、食品、车辆、金属、化 学、建材等实验
输入——激励（外界对系统的作用，如载荷等） 输出——响应（系统对外界的作用，如变形、位移）
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第一章 绪论
(2) 系统的内容比组成系统的各元素的内容要丰富很多; (3) 系统往往具有表现在时间域、频率域或空间域等领
域内的动态特性。
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第一章 绪论
1.2 系统及其模型
二、机械系统 定义——以实现一定的机械运动，承受一定的机械载
荷为目的，由机械元件组成的系统。 如：
•当研究某台机床切削加工过程中的动力学问题时；切削加工过程 •当研究此台机床加工的工件的某些质量指标时；工件 •当研究此台机床的操作者在加工过程中的作用时； 操作者
(4)滤波与预测问题 (5)系统辨识问题
输出已知，确定系统，以识别 输入或输入中的的有关信息
已知系统的输入与输出，求系统的结构 与参数，即建立系统的数学模型
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第一章 绪论
1.2 系统及其模型
1.2 系统及其模型
一、系统 系统具有如下特性：
(1)系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的 结构有关；
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
广义系统——具备系统要素的一切事物或对象
机器系统
生命系统
社会经济系统
如:
生产系统
思维、学习、工作
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、全球制造行业等
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
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 工程技术
社会控制论 生物控制论 工程控制论
机械工程
机械工程控制论
控制论的中心思想——通过信息的传递、加工处理
并利用反馈来进行控制。
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授课方式与考核方式
授课方式
以电子工业出版社、玄兆燕编写的《机械工程控制
基础》为指导，利用多媒体课件为主、板书为辅进行
理论教学；
利用MATLAB/Simulink软件开展实验教学。
考核方式
平时作业5次，占总评成绩的20%；
实验2次，占总评成绩的10%；
期末闭卷考试，占总评成绩的70%。
系统校正
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课程章节
➢绪论 （2学时） ➢拉普拉斯变换（2学时） ➢系统的数学模型 （8+2学时） ➢系统的时间响应分析 （8+2学时） ➢系统的频率特性分析 （8+2学时） ➢系统的稳定性 （4学时） ➢复习 （2学时）
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第一章 绪 论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
如: 空调
自动控制系统
教室中的风扇
人工控制系统
温度计
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加热电阻丝
调压器
人工控制的恒温箱
~220V
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
给定信号
比较
u1
电压 功率 放大器 放大器
u
u2
执行 电动机
Biblioteka Baidu
热电偶 加热电阻丝
即由系统的结构与参数所决定的特性 态关系。
下面，我们通过一个简单的例子，让大家更深刻的理解 “机械工程控制论的研究任务”这一问题。
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
例1-1 弹簧-质量-阻尼单自由度系统
系统（a）
系统（b）
m-c-k单自由度系统
教学重点：反馈的基本概念、控制系统工作原理分析、 控制系统的分类
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
一、控制论概述 控制论是关于控制原理与控制方法的学科，它研究
事物变化和发展的一般规律。 “控制论”的两个核心是信息论和反馈控制。 首先创立控制论学科的是美国的数学家、信息理论 家(Norbert Wiener)诺伯特·维纳，他于1948年发表了 “控制论”。
出勤率低于1/3取消期末考试资格。
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机械控制工程基础[1]
课程性质
经典控制理论 控制论
现代控制理论
本课程的主要内容
“机械控制工程基础”是控制论(Cybernetics)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。
机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势——越来
液面控制
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
应用范围
工业：数控机床、轧钢机、恒温箱等 农业：恒温大棚、农业自动化机械 日常：冰箱、洗衣机、空调 道路交通：信号灯控制、车牌自动识别 宇航：火箭、飞船、卫星 机器人、导弹制导、核动力等高新领域 生物、医学、环境、经济管理等其它
（a）
系统的固有特性: mp2 + cp + k
系统的输入或激励: f(t)， x(t)
系系统统对代与输表外入了界的系之响统间应在的（一关定系系外统: 界的1，条输c件出p+下）k的：动y(t态) 历程
（b）
y(t)即微分方程的解，它是由系统的初始条件、系统的
固有特性、系统的输入及系统与输入之间的关系所决定。
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
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人形机器人
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
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勇气号火星探测器（美国，2004）
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
自动火炮、导弹制导等高新领域的应用
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第一章 绪论
工业：
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
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蒸汽机离心调速器
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
数控机床进给系统模拟图
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
1954年我国科学家钱学森出版专著《工程控制论》 (英文版)，首先把控制论推广到工程技术领域。 二、机械工程控制论的研究对象
机械工程控制论 研究机械工程技术中广义系统的动力学问题
研究的对象：系统（广义系统） 研究的任务：动力学问题 研究的领域：机械工程领域
基本的动力学问题
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第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
研究任务:
已知系统和输入，求系统的响应(或输出)， 并通过响应来研究系统本身的问题
(1)系统分析问题
已知系统和系统的理想输出，设计输入
(2)最优控制问题
(3)最优设计问题 已知输入和理想输出时，设计系统