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(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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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专业的一门重要基础课程，主要涉及工程控制的基本概念、基本原理和基本方法。
下面将从几个方面展开，分别介绍机械工程控制基础的相关内容。
一、控制系统的基本概念1. 系统：指由若干元件、设备或部件组成的整体，可以接受人为或自然力的作用，从而完成某种功能。
2. 控制系统：指通过一定的被控对象和调节器的相互作用，将被控对象使之按照某一规定的要求进行运动或工作的系统。
3. 控制对象：指参与控制系统中的被控元件（或被控设备），其能够通过控制信号而改变某些物理量。
4. 调节器：指参与控制系统中的控制元件（或控制设备），其能够根据实际输出与期望输出之差来调整控制信号。
二、控制原理与分类1. 控制原理：指控制对象按照要求运动或工作的基本规律，包括开环控制原理和闭环控制原理两种。
- 开环控制原理：即在没有反馈的情况下实现对控制对象的控制，主要通过事先确定的控制规律对控制对象进行控制。
- 闭环控制原理：即通过对控制对象输出结果与设定值之间的比较，通过反馈作用对控制器进行调整，使得控制对象输出结果接近设定值。
2. 控制分类：按照被控对象的性质和控制方式的不同，可以将控制系统分为连续控制系统和离散控制系统两种。
- 连续控制系统：指控制对象输出结果的变化是连续变化的，如温度控制系统、速度控制系统等。
- 离散控制系统：指控制对象输出结果的变化是离散变化的，如开关控制系统、数字化控制系统等。
三、控制过程与控制常用方法1. 控制过程：包括调节过程和追踪过程两种。
- 调节过程：指通过对被控对象的调整，使其输出结果稳定在设定值附近的过程。
- 追踪过程：指通过对被控对象的调整，使其输出结果能够随着设定值的变化而相应变化的过程。
2. 控制常用方法：包括比例控制、积分控制、微分控制和 PID 控制等几种常用控制方法。
- 比例控制：根据被控对象实际输出结果与设定值的差异，通过调节控制信号使得差异减小的控制方法。
机械工程控制基础1.基本概念
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。
负反馈
Hale Waihona Puke 正反馈l1Q1 Q1
l1
H
l2 Q2 l2 Q2
H
College of Mechanical & Material Engineering
三峡大学机械与材料学院
第一章 基本概念
Part 1.3 控制理论的中心问题 稳定性： 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能 力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输 出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。 稳定性是控制系统正常工作的先决条件。控制系 统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。 稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突 变所产生的惯性滞后作用所导致。 气动伺服实例
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三峡大学机械与材料学院
第一章 基本概念
第一章 绪论
本章主要内容: I.1 控制的定义
I.2 系统的工作原理和组成
I.3 控制理论的中心问题
I.4 控制理论基础(Ⅰ)的学习内容
I.5 控制理论的历史发展
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三峡大学机械与材料学院
第一章 基本概念
系统原理方块图
[实质] 检测偏差 纠正偏差。
机械工程控制基础 第1章
反馈控制系统
• 反馈控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。 所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行 控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间 的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈 控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路， 也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成 一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控 制系统。
1.4 系统的几种分类及对控制系统的基本要求
补充：系统方框图的绘制
几个定义
控制：通过对一定对象实施一定的操作，以使 其按照预定的规律运动或变化的过程。
温度计
加热电阻丝
调压器
~220V
人工控制的恒温箱
对象定义
对象 是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合 在一起的，其作用是完成一个特定的动作．我们称任 何被控物体 ( 如加热炉，化学反应器或宇宙飞船 ) 为对 象。
动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。
静态模型和动态模型分析示例——机器隔振系统
F(t) F(t) x(t)
机器 隔振垫
m N(t)
m k c
x(t)
y(t)
y(t)
F(t)：外力，即激励 N(t)：隔振垫对机器的支反力 y(t)：地基的位移，亦可作激励 x(t)：机器的位移，即响应
若以机器m为隔离体，以F(t) 为激励(不考虑y(t))，以位 移x(t)为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学方 程为：
外界作用:输入f(t) (t ) cy (t ) ky(t ) f (t ) my
(1.1.1)
y(0) y0 (0) y 0 y
外界作用:输入x(t)
初始状态
(t ) cy (t ) ky(t ) cx (t ) kx(t ) my
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开环系统与闭环系统
实际的控制系统根据有无反馈作用可分为： 开环系统：系统的输出量对系统无控制作用， 即无反馈回路的系统 闭环系统：系统的输出量对系统有控制作用， 即存在反馈回路的系统
������
开环控制系统特点：系统仅受输入量和扰 动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路； 输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任 何影响。
2.反馈、反馈控制（闭环控制）
将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利 用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏 差的目的。
____ 构成闭环控制系统的核心
闭环(反馈)控制系统的特点：
(1) 系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路 (2) 偏差起调节作用
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。 人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。 ������
2.机械工程控制论 控制论+机械工程=机械工程控制论/机 械工程控制 研究对象 研究系统、输入、输出三者之间的动态关系 研究问题：系统分析；最优控制；最优设计； 系统识别或系统辨识；；滤波与预测
1-2机械工程系统中的信息传递、反馈以及反馈控制 的概念 1.信息、信息传递 信息（information）是客观事物状态和运动特征的 一种普遍形式，客观世界中大量地存在、产生和传 递着以这些方式表示出来的各种各样的信息。 信 号、密码、情报、消息。。。 信息传递:信息在系统及过程中以某种关系动态地传递 或称转换
第1章 绪论
1-1机械工程控制论的基本含义
1-2反馈控制的概念
1-3控制系统应用实例 1-4课程内容简介
1-1机械工程控制论的基本含义
1.控制论 是研究生物系统、机器、人类社会组织等系 统之中的控制与通信的一般规律的学科，着 重于研究过程中的数学关系。 1948 年诺伯特· 维纳发表了著名的《控制论— —关于在动物和机中控制和通讯的科学》
控制论是现代科学技术的一个新的边缘学科。它是自 动控制、电子技术、无线电通讯、神经生理学、生 物学、心理学、数理逻辑、计算机技术、统计力学 等多种学科相互渗透的产物。
控制论撇开对象的物质和能量的具体形态，撇开过程 的物质或能量交换的方面，仅从生物机体和技术装 置中控制的功能类比方面，研究对象和过程的各组 成部分间信息的传递过程。
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。
水位控制系统 正反馈 负反馈
3.系统及控制系统
系统-系统指由相互关联和相互作用的若干部分组合而成的具 有特定功能的整体 控制-掌握住对象不使其任意活动或超出范围；或使其按控制 者的意愿活动 控制系统- 其输出能按照要求的参考输入或控制输入进行调节 的系统 自动控制-是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备 或装置，使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状 态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。例如，无人驾 驶飞机按照预定的飞行航线自动升降和飞行，这是典型的自动控 制技术应用的结果。
二战前后，自动控制技术在军事装备和工业设备中开 始应用，实现了对某些机械系统和电气系统的自动化 操纵。20世纪30年代末美国、日本和苏联的科学家们 先后创立了用仅有两种工作状态的继电器组成的逻辑 自动机的理论，并被迅速用于生产实践。在这一时期 前后又出现了关于信息的计量方法和传输理论。在这 些科学成就的推动下，曾亲自参加过自动化防空系统 研制工作的美国数学家N.维纳于1948年把这些概念和 理论应用于动物体内自动调节和控制过程的研究，并 把动物和机器中的信息传递和控制过程视为具有相同 机制的现象加以研究，建立了一门新的学科，称为控 制论(cybernetics)。
3).电子计算机理论。即与人类思维过程相似的自动组 织逻过程的理论。
控制论从解决生产实践问题过程中形成、 发展，是方法论，提供了一套思想和技术， 反过来又向自然科学和社会科学的各个领 域渗透。
控制论+工程技术实践=工程控制论
工程控制论的目的是把工程实践中所经常运 用的设计原则和试验方法加以整理和总结，取 其共性，提高成科学理论，使科学技术人员获 得更广阔的眼界，用更系统的方法去观察技术 问题，去指导千差万别的工程实践。 从纯技术领域溢出,涌进了许多非技术部 门,派生出 生物控制论、神经控制论、经济 控制论以及社会控制论。。。。
控制论的三个基本部分 1).信息论。主要是关于各种通路（包括机器、生 物机体）中信息的加工传递和贮存的统计理论。 信息论是一门用数理统计方法来研究信息的度量、 传递和变换规律的科学。它主要是研究通讯和控制 系统中遍存在着信息传递的共同规律以及研究最 佳解决信息的获限、度量、变换、储存和传递等问 题的基础理论。
2).自动控制系统的理论。主要是反馈论，包括从功能 的观点对机器和物体中的调节和控制的一般规律的 研究。根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制 理论一般可分为“经典控制理论”和“现代控制理论” 两大部分。
经典控制理论的内容主要以传递函数为基础，研究单输入、单输出一类自 动控制系统的分析和设计问题。由于发展较早，现已成熟。在工程上，相 当成功地解决了大量实际问题，因此它是研究自动控制系统的重要理论基 础。 现代控制理论的内容主要以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、定 常数或变参数、线性或非线性一类自动控制系统的分析和设计问题。随着 现代科学技术的发展，已出现最优控制、最佳滤波、模糊控制、系统辩识、 自适应控制等一些新的控制方式。因此它也是研究庞大的系统工程和模仿 人类的智能控制等方面必不可少的理论基础。