机械控制工程理论
机械控制工程理论基础课程教学大纲
“机械控制工程理论基础”课程教学大纲英文名称：Elements of Mechanical Control Theory课程编号：MACH3435学时：56（理论学时：40 实验学时：16 课外学时：20）学分：3适用对象：机械类、动力类本科生先修课程：高等数学，理论力学，电工电子技术使用教材及参考书：[1] 董霞、陈康宁、李天石.机械控制理论基础.西安交通大学出版社,2005.ISBN 7-5605-2041-3.[2] 董景新等.控制工程基础（第二版）.清华大学出版社，2003.ISBN: 9787302063872[3] [美] Katsuhiko Ogata著，卢伯英、于海勋译．现代控制工程（第三版）．电子工业出版社，2000.ISBN 7-5053-5395-0/TN.1247.一、课程性质和目的性质：专业基础目的：1．培养学生从动态和系统的角度建立机械系统数学模型的能力；2．培养学生对机械控制系统进行动态分析的能力；3．培养学生对机械控制系统的设计能力和综合能力；4．培养学生使用计算机仿真能力；5．培养学生系统分析能力和综合能力。
二、课程内容简介机械控制理论是研究“控制论”在“机械工程”中应用的科学，本课程主要介绍机械控制工程的基本概念、机电系统数学模型的建立、机电控制系统的时域分析和频域分析、机电控制系统的稳定性分析和机电控制系统的设计和校正。
通过课程教学和实验，培养学生对机电控制系统进行动态分析的能力和综合能力。
三、教学基本要求1．了解机电系统的数学模型并掌握基本的建模方法；2．掌握机电控制系统时域分析方法；3. 掌握机电控制系统的频域分析方法；4. 掌握机电控制系统稳定性分析方法；5. 初步掌握机械控制系统设计和校正方法。
四、教学内容及安排第一章：绪论1．理解“机械工程控制”的基本含义，本课程的特点，以及学习本课程的目的与任务；2．初步建立系统、反馈、控制、闭环系统等的基本概念。
机械工程控制基础概述
机械工程控制基础概述1. 引言机械工程控制是指通过控制系统对机械设备或机械系统进行监测、调节和控制的过程。
它涵盖了传感器、执行器、控制器等多个组成部分，并利用电子、计算机技术实现对机械系统的精确控制。
本文将对机械工程控制的基础概念和原理进行介绍。
2. 机械工程控制的基本要素机械工程控制的基本要素包括输入信号、控制器和输出信号。
输入信号是指从传感器获得的与被控制对象相关的信息，如温度、压力、速度等。
控制器对输入信号进行处理，并通过指令输出信号给执行器，以控制被控制对象的状态或行为。
3. 传感器与执行器传感器是机械工程控制系统中的重要组成部分。
它可以将物理量转化为电信号，并将信号传递给控制器。
常见的传感器有温度传感器、压力传感器、位移传感器等。
这些传感器可以实时监测被控制对象的状态，并将信息反馈给控制器。
执行器是机械工程控制系统中的另一个重要组成部分。
它接收来自控制器的指令信号，并根据指令信号产生相应的动作来控制被控制对象。
常见的执行器有电动机、气缸、阀门等。
4. 控制器控制器是机械工程控制系统中的核心部件，它接收传感器提供的输入信号，并根据预设的控制算法对信号进行处理。
控制器通常包括数据采集模块、信号处理模块和输出模块。
数据采集模块用于接收并记录传感器提供的输入信号。
信号处理模块通过运算、滤波等操作对输入信号进行处理，生成相应的控制指令。
输出模块将控制指令通过输出信号发送给执行器，实现机械系统的精确控制。
5. 控制算法控制算法是机械工程控制系统中非常重要的部分。
它决定了控制器如何根据输入信号生成输出信号，以实现对被控制对象的控制。
常见的控制算法有比例控制、积分控制、微分控制等。
比例控制是一种简单且常用的控制算法，它根据输入信号与设定值之间的差异来生成输出信号。
积分控制通过积分输入信号与设定值之间的差异来生成输出信号，以减小稳态误差。
微分控制则通过对输入信号变化率的测量来生成输出信号，以快速响应系统的变化。
机械控制工程基础第一章 绪论
3.4
速度（斜坡）函数、加速度（抛物线）函数
x(t) = A ·2 / 2 t F(s)=A/s3
x(t) = At F(s)=A/s2
这两种信号在随动系统分析中最常见。
5. 脉冲函数
, t 0 (t ) 0, t 0
(t )dt 1
L(s)=1 6. 正弦函数 x(t) = Asinwt L(s) = Aw /( s2 + w2 )
三、微分定理
若 L [ f (t) ] = F (s) 当初始条件 f( 0) = 0 当初始条件 f(0) =f ’(0)=f"(0)=…= 0
则 L [d f(t) / dt] = sF(s) L [dnf (t) / dtn ] = snF(s)
例.d3x0(t/) / dt + 2d2x0(t) / dt + 3dx0(t) / dt + x0(t) = 2dxi(t)/dt + xi(t)
六、初值定理
若 则 L [ f (t) ] = F (s)
f (0) lim f (t ) lim s F (s)
t 0 s
条件： lim f (t ) 存在 t0 应用：确定元件或系统的初始值。
§ 3
拉氏反变换
若 F(s) = F1(s) + F2(s) + F3(s) + … 当 Fi(s) 比较简单，可通过查表求得。
α2 、 … 、 αn可由方法1求得， α11 、 α12 、 α13 可由下式求得
A( s ) ] |s p B(s) d ( s p1 ) F ( s ) 12 [ ] |s p ds 2 1 d ( s p1 ) F ( s ) 13 [ ] |s p 2 2! ds
机械工程控制基础4_机械工程控制论的研究任务
机械工程控制基础4_机械工程控制论的研究任务
1.控制系统设计：机械工程控制论需要研究和设计机械系统的控制系统，包括选取合适的传感器和执行器，建立数学模型，确定控制策略等。
这需要综合考虑机械系统的结构、性能要求以及工作环境等因素，以实现
系统的稳定、高效运行。
2.控制系统分析：机械工程控制论要研究和分析机械系统中的控制系统，包括控制系统的稳定性、鲁棒性、响应速度等性能指标的分析。
通过
分析控制系统的性能，可以对系统进行改进和优化，提高系统的工作效果。
3.控制系统优化：机械工程控制论要研究和优化机械系统中的控制系统，包括控制参数的优化、控制算法的改进等。
通过优化控制系统，可以
提高系统的控制性能、节约能源、减少成本等。
4.控制器硬件设计：机械工程控制论还需要研究和设计控制系统中的
硬件部分，包括控制器的选型、硬件电路设计等。
这需要充分考虑控制系
统的要求，选择合适的硬件设备，并进行电路设计和调试，以实现控制系
统的功能。
5.控制系统应用：机械工程控制论还需要研究控制系统在实际机械工
程中的应用。
这包括研究控制系统在不同机械系统中的适用性、可行性等，并针对具体的应用场景进行改进和优化。
综上所述，机械工程控制论的研究任务主要包括控制系统设计、控制
系统分析、控制系统优化、控制器硬件设计以及控制系统的应用研究。
通
过这些任务的研究，可以为机械工程的控制部分提供理论基础和技术支持，提高机械系统的控制性能和效率。
机械工程控制基础简答题
机械工程控制基础简答题1、简述机械控制工程论的研究对象和研究任务。
【P2】答：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。
研究对象：广义系统研究任务：动力学问题2、什么是时间响应？时间响应由哪几部分组成？【P83】答：（1）系统在输入信号的作用下，其输出随时间的变化过程称为时间响应；（2）时间响应由瞬态响应和稳态响应两个部分组成。
3、任意列写物种典型环节的传递函数。
【P39-P45】答：（1）比例环节：G（s）=K；（2）惯性环节：G（s）=；（3）微分环节：G（s）=Ts；（4）积分环节：G（s）=；（5）振荡环节：G（s）=。
4、什么是最小相位系统？有何特点？与非最小相位系统的区别是什么？【P152】答：（1）在复平面【s】右半部分没有极点和零点的传递函数称为最小相位传递函数，具有最小相位传递函数的系统称为最小相位系统；（2）特点：①稳定系统中最小相位系统的相位变化范围最小；②在复平面【s】右半部分没有极点和零点；（3）区别：最小相位系统在复平面【s】右半部分没有极点和零点，非最小相位系统在复平面【s】右半部分有极点或零点；稳定系统中非最小相位系统的相位变化比最小相位系统的相位变化范围大。
5、对控制系统的基本要求是什么？【P15】答：①系统的稳定性②响应的快速性③响应的准确性（也可这样回答：对控制系统的基本要求一般归纳为稳定性、快速性和准确性。
）6、什么是传递函数的零点、极点和增益？【P38】答：系统传递函数G（s）是以复变数s作为自变量的函数，经因式分解写成一般形式G（s）（K为常数）上式中，当s=（j=1,2…，m）时，均有G（s）=0，故称,, …为G（s）的零点；当s=，G（s）的分母为均为0，即使G（s）取极值，故称为G（s）的极点。
K为系统增益。
7、什么是系统的频率特性？【P126】答：线性定常系统对谐波输入的稳态响应称为频率特性。
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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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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。
机械工程控制基础知识点整合
第一章绪论1、控制论的中心思想、三要素和研究对象。
中心思想：通过信息的传递、加工处理和反馈来进行控制。
三要素：信息、反馈与控制。
研究对象：研究控制系统及其输入、输出三者之间的动态关系。
2、反馈、偏差及反馈控制原理。
反馈：系统的输出信号部分或全部地返回到输入端并共同作用于系统的过程称为反馈。
偏差：输出信号与反馈信号之差。
反馈控制原理：检测偏差，并纠正偏差的原理。
3、反馈控制系统的基本组成。
控制部分：给定环节、比较环节、放大运算环节、执行环节、反馈（测量）环节被控对象基本变量：被控制量、给定量（希望值）、控制量、扰动量（干扰）4、控制系统的分类1）按反馈的情况分类a、开环控制系统：当系统的输出量对系统没有控制作用，即系统没有反馈回路时，该系统称开环控制系统。
特点：结构简单，不存在稳定性问题，抗干扰性能差，控制精度低。
b、闭环控制系统：当系统的输出量对系统有控制作用时，即系统存在反馈回路时，该系统称闭环控制系统。
特点：抗干扰性能强，控制精度高，存在稳定性问题，设计和构建较困难，成本高。
2）按输出的变化规律分类自动调节系统随动系统程序控制系统3）其他分类线性控制系统连续控制系统非线性控制系统离散控制系统5、对控制系统的基本要求1）系统的稳定性：首要条件是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。
2）系统响应的快速性是指当系统输出量与给定的输出量之间产生偏差时，消除这种偏差的能力。
3）系统响应的准确性（静态精度）是指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差大小。
第二章系统的数学模型1、系统的数学模型：描述系统、输入、输出三者之间动态关系的数学表达式。
时域的数学模型：微分方程；时域描述输入、输出之间的关系。
→单位脉冲响应函数复数域的数学模型：传递函数；复数域描述输入、输出之间的关系。
频域的数学模型：频率特性；频域描述输入、输出之间的关系。
2、线性系统与非线性系统线性系统：可以用线性方程描述的系统。
机械工程控制论
机械工程控制论实质上是研究机械工程中广义系统的动力学问题。
具体地说，它研究的是机械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；研究这一系统及其输入、输出三者之问的动态关系。
从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械工程控制论的任务可以分为以下五方面：
(1)已知系统、输入，求系统的输出，即系统分析问题；
(2)已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；
(3)已知输入和理想输出，设计系统，即最优设计问题；
(4)输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题；。
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飞球升高，使阀门开的小些，蒸汽机会减速。
瓦特发明离心式调速器——蒸汽机的速度调节，被认为是自动控制技术走向大规模应用的一个标志性事件。
瓦特发明的蒸汽机离心式调速器，就属于一种负反馈控制器，随着蒸汽机转速发生变化而偏离给定值时，离心式调速器的平衡锤的位置也随之发生变化，带动蒸汽阀门开度改变，从而使推动蒸汽机旋转的蒸汽流量随之变化，使蒸汽机的转速达到了新的平衡，实现了转速的自动控制。
这属于一种根据偏差实现控制的闭环控制，它是过程控制的主要形式。
瓦特的这项发明开创了自动调节装置的应用和研究。
这项发明的成功表明自动化技术已具雏形。
但是这些发明都是在人们工作检验中产生的，没有形成理论的指导。
直到一百多年后，一些理论逐渐形成。
◆英国. . 发表“论调速器”( )论文(年)。
指出控制系统的品质可用微分方程来描述，系统的稳定性可用特征方程根的位置和形式来研究。
◆年劳斯（，～）和年瑞士数学教授赫尔维茨（）先后找到了系统稳定性的代数
判据，即系统特征方程根具有负实部的充分必要条件。
◆俄国. 博士论文“论运动稳定性的一般问题” (年)
.经典控制理论(世纪年代年代)
美国著名的控制论创始人维纳（，～）系统地总结了前人的成果，年发表了“控制论或关于在动物和机器中控制和通讯的科学”著作，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科的产生奠定了基础，标志着控制论学科的诞生。
控制论一词，来自希腊语，愿意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的涵义。
后来西方学者将它改为
控制论是多门科学综合的产物也是许多科学家共同合作的结晶。
但是，控制论的诞生和发展是与美国数学诺伯特.维纳的名字联系在一起的。
维纳少年时是一位天才的神童，他岁上大学，学数学，但喜爱物理、无线电、生物和哲学，岁考进哈佛大学研究生院学动物学，后又去学哲学，岁时获得了哈佛大学的数理逻辑博士学位。
年刚刚毕业的维纳又去欧洲向罗素和希尔伯特这些数学大师们学习数学。
正是多种学科在他头脑里的汇合，才结出了控制论这颗综合之果。
维纳在年研究勒贝格积分时，就从统计物理方面萌发了控制论思想。
第二次世界大。