机械控制工程基础6.6
《控制工程基础》课程教学大纲
《控制工程基础》课程教学大纲课程名称：控制工程基础英文名称：Control Engineering Fundamental课程编码：51510502学时/学分：42/6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．系统的概述、工作原理和一般构成2．系统的基本控制方式和分类3．系统的基本要求和控制工程实践教学方法与手段：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分析、实验研究的能力。
机械工程控制基础（第六版目录）（杨叔子）
机械工程控制基础(第六版)(杨叔子)本书的第一、二、三版曾荣获国家级优秀教学成果二等奖和全国高等学校机电类专业优秀教材一等奖；第四版被列入国家面向21世纪课程教材和国家“九五”重点教材；第五版被定为“普通高等学校‘十五’国家级规划教材”，以此教材为重要支撑的课程被评为国家级精品课程；本版被定为“普通高等学校‘十一五’国家级规划教材”。
本书内容包括机械工程控制的基本概念、系统的数学模型、时间响应分析、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、线性离散系统及系统辨识等。
除第1章外，各章均有利用MATLAB解题的示例。
为使读者对系统设计有一个完整的了解，本书连续地、系统地、循序渐进地结合各章的内容介绍数控直线运动工作台的设计示例。
本书力求在讲清机械工程控制的基本概念的前提下，更多地结合机械工程实际，为帮助读者领悟与学会应用控制理论来解决机械工程的实际问题奠定必要的基础。
本书可供机械工程类专业，特别是机械设计制造及其自动化专业的本科、成教、函授、夜大学生作为教材，也可供有关教师、研究生与工程技术人员参考。
与本书配套出版的《机械工程控制基础学习辅导与解题指南》(修订本)总结了学习本书的基本要求、重点与难点，扩充了例题，并对本书中的所有习题进行了解答，可作为教师的教学参考书，也可作为学生的学习辅导书。
本书附有一张光盘，其内容包括本课程教学大纲、电子教案、自测练习题、仿真实验，以及在MATLAB环境下运行的解题示例等其他资料，供读者参考。
目录总序第六版前言第一至五版前言主要符号说明第1章绪论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1．5 机械制造的发展与控制理论的应用1．6 控制理论发展的简单回顾1．7 设计示例：数控直线运动工作台位置控制系统1．8 本课程的特点与学习方法习题第2章系统的数学模型2．1 系统的微分方程2．2 系统的传递函数2．3 系统的传递函数方框图及其简化2．4 考虑扰动的反馈控制系统的传递函数2．5 相似原理2．6 系统的状态空间模型2．7 数学模型的MATLAB描述2．8 设计示例：数控直线运动工作台位置控制系统习题第3章系统的时间响应分析3．1 时间响应及其组成3．2 典型输入信号3．3 一阶秦缔3．4 二阶系统3．5 高阶系统3．6 系统误差分析与计算3．7 艿函数在时间响应中的作用3．8 利用MATLAB分析时间响应3．9 设计示例：数控直线运动工作台位置控制系统习题第4章系统的频率特性分析4．1 频率特性概述4．2 频率特性的图示方法4．3 频率特性的特征量4．4 最小相位系统与非最小相位系统4．5 利用MATLAB分析频率特性4．6 设计示例：数控直线运动工作台位置控制系统习题第5章系统的稳定性5．1 系统稳定性的初步概念5．2 Routh稳定判据5．3 Nyquist稳定判据5．4 Bode稳定判据5．5 系统的相对稳定性5．6 利用MATLAB分析系统的稳定性5．7 设计示例：数控直线运动工作台位置控制系统习题第6章系统的性能指标与校正6．1 系统的性能指标6．2 系统的校正6．3 串联校正6．4 PID校正6．5 反馈校正6．6 顺馈校正6．7 利用MATLAB设计系统校正6．8 设计示例：数控直线运动工作台位置控制系统 6．9 关于系统校正的一点讨论习题第7章非线性系统初步第8章线性离散系统初步第9章系统辨识初步参考文献。
机械控制工程基础 第一章 第六版
五、控制系统的分类
对控制系统，可从不同的角度分类 1.按反馈情况 开环控制系统：系统没有反馈回路，输出对系统无控制作用。
如：步进驱动的数控机床、普通洗衣机、家用电烤箱、微波炉、 普通电风扇
1.按反馈情况
闭环控制系统： 有反馈回路，输出对系统有控制作用。
如：前例中的离心调速系统
伺服驱动的数控机床 恒温箱(冰箱、空调) 人骑自行车
数控机床全自动洗衣机等开环开环或闭环或闭环系统系统按输出量的变化规律分按输出量的变化规律分连续控制系统连续控制系统离散控制系统离散控制系统线性控制系统线性控制系统非线性控制系统非线性控制系统定常系统定常系统时变系统时变系统位移控制系统位移控制系统温度控制系统温度控制系统速度控制系统速度控制系统按信号类型分按信号类型分按线性性质分按线性性质分按时变情况分按时变情况分按被控量分按被控量分系统的稳定性系统的稳定性系统正常工作的系统正常工作的首要条件首要条件六对控制系统的基本要求六对控制系统的基本要求系统的稳定性系统的稳定性系统恢复平衡状态的能力系统恢复平衡状态的能力稳定性好则稳定性好则系统恢复平衡状态的能力系统恢复平衡状态的能力强强响应响应的快速性的快速性快速性好则消除偏差快或调整时间短
切削运动
刀具刀架系统 力
r
切削
例3.
反馈的实质： 信息的传递与交互
外反馈(反馈控制)：附加反馈控制装置引起信息交互作用。
内反馈：
负反馈：输出(被控量)偏离设定值(目标值)时，反馈作用使 输出偏离程度减小，并力图达到设定值。
如：离心调速系统 检测偏差 液面控制 实施控制 动物捕食 纠正偏差 火炮自动瞄准 反馈的作用：消除偏离 学习和工作中的负反馈 。。。。 正反馈： 输出偏离初始值（或稳定值）时，反馈作用使输 出偏离程度加剧 如：三极管 倒立摆 反馈的作用：加剧偏离 疾病、火药爆炸、热核反应 学习和工作中的正反馈 。。。。
机械控制工程基础教学大纲
机械控制工程基础教学大纲机械控制工程基础教学大纲机械控制工程是现代工程领域中的重要学科之一，它涉及到机械系统的设计、控制和优化。
为了帮助学生全面掌握机械控制工程的基础知识和技能，制定一份科学合理的教学大纲至关重要。
本文将探讨机械控制工程基础教学大纲的内容和结构。
一、课程目标机械控制工程基础课程的目标是培养学生对机械系统的控制原理和方法有基本的了解和掌握，能够应用所学知识解决实际问题。
通过该课程的学习，学生应具备以下能力：1. 理解机械系统的基本结构和工作原理；2. 掌握机械控制系统的建模和仿真方法；3. 熟悉常见的控制器设计方法；4. 能够应用所学知识进行机械系统的控制和优化。
二、课程内容1. 机械系统基础知识介绍机械系统的组成部分和基本工作原理，包括机械元件、传动系统、传感器等。
2. 信号与系统讲解信号的基本概念和特性，介绍系统的数学建模和分析方法，为后续的控制系统设计打下基础。
3. 控制系统基础主要介绍控制系统的基本概念和分类，包括开环控制和闭环控制，以及控制系统的性能指标和稳定性分析方法。
4. 传感器与执行器详细介绍常见的传感器和执行器的原理和应用，包括光电传感器、压力传感器、电机等。
5. 控制器设计介绍常见的控制器设计方法，包括比例积分控制器、PID控制器等，以及控制器参数调整和优化方法。
6. 系统建模与仿真讲解机械系统的建模方法，包括基于物理原理的建模和基于数据的建模，以及仿真工具的使用。
7. 控制系统实验进行基于实际机械系统的控制系统实验，培养学生的动手能力和实际应用能力。
三、教学方法1. 理论授课通过课堂讲解和案例分析，向学生传授机械控制工程的基础理论知识。
2. 实践操作安排实验课程，让学生亲自操作实际的机械系统，加深对所学知识的理解和应用能力。
3. 课程设计布置课程设计任务，要求学生独立完成机械控制系统的设计和优化，培养学生的综合能力。
四、评估方式1. 平时成绩包括课堂表现、作业完成情况和实验报告等。
控制工程基础第六章
例 两个不同的系统，其传递函数分别为
G1 s T2 s 1 T1s 1 G2 s T2 s 1 T1s 1
式中，T1>T2>0，试判断它们是否为最小相位 系统，并分别画出它们的Bode图，比较其相 频特性与幅频特性。
解 G1 (s ): G2 (s ): 1 零点为 z = T2 1 零点为 z = T2 1 极点为 p = T1
若系统对数幅频曲线的斜率变化为-20dB/dec，则传 递函数中包含惯性环节：
1 G (s) 1 Ts
若斜率变化为20dB/dec，则传递函数中包含一阶微 分环节：
1 Ts 1 渐近线交点频率即为转角频率： T T
若系统对数幅频曲线的斜率变化为-40dB/dec，则传 递函数中包含震荡环节：
r M
/( rad s 1 ) r b
频宽（或称带宽）表征系统响应的快速性，也反 映了系统对噪声的滤波性能。
1 例 6-13 已知一阶系统传递函数为G (s )= ， Ts + 1 求该系统的 w b。
解 1 G (j w )= 1 + jT w 1 1 1 = 1 + jT w w = w b 2 1 + jT w 1 故 1+ w b T 1 w b = =w T T
Kn Ts 1 Gs 2 2 s s 2n s n
2
(1) 求K 对数幅频特性曲 线的起始线段是比例积分 环节。当ω=1时，幅值即 为20lgK，因此，由 20lgK=15.6dB，求得K=6。
（3）求n 在图中，由积分环节到 振荡环节的转折频率 T1 0.2, 此即振荡环节的固有频 率n 0.2 （3）求 当 n时，振荡环节的峰值（ 最大误差值）为 10dB, 1 即20log 10, 0.158 2
机械控制工程基础习题集
《机械控制工程基础》习题及解答目录第１章绪论第２章控制系统的数学模型第３章控制系统的时域分析第４章控制系统的频域分析第５章控制系统的性能分析第６章控制系统的综合校正第７章模拟考试题型及分值分布第1章绪论一、选择填空题1。
开环控制系统在其控制器和被控对象间只有（正向作用）。
P2A.反馈作用B。
前馈作用C。
正向作用D。
反向作用2.闭环控制系统的主反馈取自（被控对象输出端)。
P3A.给定输入端B。
干扰输入端C。
控制器输出端 D.系统输出端3.闭环系统在其控制器和被控对象之间有(反向作用）。
P3A。
反馈作用B。
前馈作用C。
正向作用 D.反向作用A。
输入量 B.输出量C。
反馈量D。
干扰量4。
自动控制系统的控制调节过程是以偏差消除（偏差的过程）。
P2—3A.偏差的过程B。
输入量的过程 C.干扰量的过程 D.稳态量的过程5.一般情况下开环控制系统是（稳定系统）。
P2A.不稳定系统B.稳定系统C.时域系统D。
频域系统6.闭环控制系统除具有开环控制系统所有的环节外，还必须有(B）.p5A.给定环节B。
比较环节C。
放大环节 D.执行环节7.闭环控制系统必须通过（C）。
p3A.输入量前馈参与控制B。
干扰量前馈参与控制C。
输出量反馈到输入端参与控制D。
输出量局部反馈参与控制8.随动系统要求系统的输出信号能跟随（C的变化）。
P6A。
反馈信号 B.干扰信号 C.输入信号D。
模拟信号9。
若反馈信号与原系统输入信号的方向相反则为（负反馈）。
P3A.局部反馈B.主反馈C。
正反馈D。
负反馈10．输出量对系统的控制作用没有影响的控制系统是(开环控制系统)。
P2A。
开环控制系统B。
闭环控制系统 C.反馈控制系统D。
非线性控制系统11.自动控制系统的反馈环节中一般具有（B )。
p5A.。
给定元件B。
检测元件C．放大元件D．执行元件12. 控制系统的稳态误差反映了系统的〔 B 〕p8A. 快速性B.准确性C. 稳定性D.动态性13.输出量对系统的控制作用有直接影响的系统是（B ）p3A.开环控制系统B.闭环控制系统C。
控制工程基础实验步骤内容
实验一典型环节的模拟研究一. 实验要求了解和掌握各典型环节的传递函数及模拟电路图，观察和分析各典型环节的响应曲线。
二．实验原理(典型环节的方块图及传递函数)三．实验内容及步骤在实验中欲观测实验结果时，可用普通示波器，也可选用本实验机配套的虚拟示波器。
如果选用虚拟示波器，只要运行W A VE程序即可，WA VE程序的详细使用说明见W A VE软件的帮助文本。
1．观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模似电路如图2-1-1所示，该环节用A和C单元构建；在A单元中分别选取R1=100K和R1=200K的反馈阻值。
实验步骤：（1）将信号发生器（U）的插针‘TD2’用“短路套”短接，使模拟电路中的场效应管夹断，这时运放处于工作状态。
注：‘TB41'不能用“短路套”短接！（2）构造0~5V阶跃信号：I单元中的电位器右上边用‘短路套’短接GND，G单元中的OV/5V测孔连线到I单元的RN2测孔，按下G单元中的按键，在I单元中的电位器中心KV测孔可得到阶跃信号输出，其值为OV~5V可调。
（3）反馈阻值R1=100K时，A单元中的TA15和TA112用“短路套”短接，C单元中的TA36和TA313用“短路套”短接；反馈阻值R1=200K时，A单元中的TA15和TA111用“短路套”短接，C单元中的TA36和TA313用“短路套”短接。
（4）把A单元的AOUT1测孔连线到C单元的1H3测孔；将模拟电路输入端Ui（1H1）与阶跃信号的输出KV相联接；模拟电路的输出端Uo（AOUT3）接至示波器。
（5）按下G单元中按钮时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo（t）,且将结果记下。
改变比例参数，重新观测结果, 它们的理想曲线和实际响应曲线见表2-1-1。
6．观察PID（比例积分微分）环节的响应曲线PID（比例积分微分）环节模似电路如图2-1-6所示，该环节用B，D单元构建；在B单元或D单元中分别选取R1=10K和R1=20K的反馈阻值。
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图所示是一个单位反馈系统。其中图是一般的 闭环反馈系统， E(s) ≠0若要使E(s) =0 ，即使 Xo(s)=Xi(s) ，则可在系统中加入顺馈校正环节Gc(s) ， 如图所示，加入Gc(s)后，
Xi(s) + E(s)
Xi(s) + E(s)
G1(s)
G2(s)
Xo(s)
Gc(s)
-
+ G1(s) +
影响，因为系统的特征方程仍然是1+ G1(s)G2(s)=0 。 这是由于顺馈补偿为开环补偿，其传递路线没有参 加到原闭环回路中去。
例 我国古代指南车的工作原理如第一章第节中图所示。从 自动控制角度分析，这是一个顺馈校正系统。被控制量j 即 是木仙人所指的方向。这个系统(指南车的齿轮系等)保证； 在车子朝任意方向转弯时(即有扰动作用Df 时)，被控制量j 不变。其方框图如图所示。 K1为车转弯时影响方向j 的转移 系数。 K2为车转弯时通过齿轮系影响方向j 的转移系数。当 出现扰动Df 时 Dj K Df K Df
6.6 顺馈校正(或称顺馈补偿)
前面所讨论的闭环反馈系统，控制作用由偏差
e(t)产生，而E(s) = E1(s)H(s) ，即闭环反馈系统是靠
误差来减少误差的。因此 ，从原则上讲，误差是不 可避免的。 顺馈校正的特点是不依靠偏差而直接测量干扰，
在干扰引起误差之前就对它进行近似补偿，及时消
除干扰的影响。因此，对系统进行顺馈补偿的前提 是干扰可以测出。
此式表示顺馈补偿为开环补偿，相当于系统通 过Gc(s)G2(s)增加了一个输出Xo2(s) ，以补偿原来的 误差。图所示系统的等效闭环传递函数为
X o s G1 s G2 s Gc s G2 s G s X i s 1 G1 s G2 s
齿轮系
K 1 K 2 Df
由于指南车设计、制作时
2
1K2Biblioteka DfK1车身
+
Dj
保证 K2=-K1 ，所以
+
Dj 0
即指南车不论朝何方向运动，木仙人指向不变指向南方。
为减小顺馈控制信号的功率，大多将顺馈控制 信号加在系统中信号综合放大器的输入端。同时，
为了使Gc(s)的结构简单，在绝大多数情况下，不要
G2(s)
Xo(s)
X o s G1 s G2 s E s G1 s G2 s X i s X o1 s X o 2 s
Gc(s)
Xi(s) + E(s)
-
+ G1(s) +
G2(s)
Xo(s)
X o s G1 s G2 s E s G1 s G2 s X i s X o1 s X o 2 s
求实现全补偿，只要通过部分补偿将系统的误差减
小至允许范围之内便可。
X o s G1 s G2 s Gc s G2 s G s X i s 1 G1 s G2 s
当Gc(s)=1/G2(s)时， Gc(s)=1，即Xo(s)=Xi(s) ，所以 E(s) =0 。这称为全补偿的顺馈校正。
上述系统虽然加了顺馈校正，但稳定性并不受