机械工程控制基础
机械工程控制基础第八版课程标准 杨叔子课程标准
机械工程控制基础第八版课程标准杨叔子课程标准机械工程控制是机械工程领域中至关重要的一个学科，它涉及到机械系统的运动、力学特性以及控制方法等方面。
为了使学生更好地学习和掌握机械工程控制基础知识，我们编写了本《机械工程控制基础第八版课程标准杨叔子课程标准》文档，旨在帮助学生系统地学习机械工程控制的基本概念、原理和应用。
2. 课程目标本课程旨在培养学生对机械工程控制的基本理论和方法的理解与应用能力，具体目标如下：2.1 理解机械系统运动学和动力学的基本原理；2.2 掌握机械系统的模型建立与分析方法；2.3 熟悉机械系统的传感器与执行器的特性及应用；2.4 理解控制系统的基本组成与结构；2.5 学会运用控制理论与方法进行机械系统的控制设计与仿真。
3. 教学内容本课程的教学内容包括以下几个方面：3.1 机械系统的运动学与动力学3.1.1 坐标系与描述方法3.1.2 运动参数的定义与表示3.1.3 运动学分析方法3.1.4 动力学分析方法3.2 机械系统的模型建立与分析3.2.1 机械系统的受力分析3.2.2 机械系统的运动方程建立3.2.3 机械系统的状态空间表示3.3 机械系统的传感器与执行器3.3.1 传感器的分类与原理3.3.2 传感器的特性与应用3.3.3 执行器的分类与原理3.3.4 执行器的特性与应用3.4 控制系统的基本组成与结构3.4.1 反馈控制系统的基本概念3.4.2 控制器的种类与性能指标3.4.3 控制系统的闭环与开环结构3.5 控制理论与方法的应用3.5.1 PID控制器的设计与调节3.5.2 状态空间方法的应用3.5.3 多变量控制系统的设计与分析4. 教学方法为了更好地达到课程目标，我们将采用以下教学方法：4.1 理论讲授：通过教师讲解、演示和案例分析，系统地讲解机械工程控制的基本概念和原理。
4.2 实验演示：通过实验演示，让学生亲自操作和实践，提高对机械系统控制的理解和应用能力。
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。
机械工程控制基础试卷及答案
第1页（共9页）《机械工程控制基础》试卷（A 卷）一、填空题（每空1分, 共20分）1.对控制系统的基本要求是 系统的稳定性 、 响应的快速性 、 响应的准确性 。
2.已知f(t)=t+1,对其进行拉氏变换L[f(t)]= 1/s2+1/s 或者（1+s ）/s2 。
3.二阶系统的极点分别为s1=−0.5,s2=−4, 系统增益为2, 则其传递函数G(S)= 2/(s+0.5)(s+_4)4.零频幅值A(0)表示当频率 接近于零时, 闭 环系统输出的幅值与输入幅值之比。
5、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, 机械工程控制就是研究系统、输入、输出三者之间的动态关系。
6、系统的频率特性求取有三种方法: 根据系统响应求取、用试验方法求取和将传递函数中的s 换为 jw 来求取。
8、微分环节的控制作用主要有 使输出提前 、 增加系统的阻尼 、 强化噪声 。
9、二阶系统的传递函数为 , 其中 为系统的 无阻尼固有频率 , 当 时为 欠阻尼 系统。
在阻尼比ξ<0.707时, 幅频特性出现峰值, 称谐振峰值, 此时的频率称谐振频率ωr ＝ 。
10、一般称能够用相同形式的数学模型来描述的物理系统成为相似系统。
11.对自动控制系统按照输出变化规律分为自动调节系统、随动系统、程序控制系统。
12.对积分环节而言, 其相频特性∠G(jw)=-900。
二、名词解释（每个4分, 共20分）1.闭环系统: 当一个系统以所需的方框图表示而存在反馈回路时, 称之为闭环系统。
2、系统稳定性：指系统在干扰作用下偏离平衡位置, 当干扰撤除后, 系统自动回到平衡位置的能力。
3.频率特性: 对于线性定常系统, 若输入为谐波信号, 那么稳态输出一定是同频率的谐波信号, 输出输入的幅值之比及输出输入相位业班级： 姓名： 学号：……………密………………………………封………………………………线…………………………第2页（共9页）之差统称为频率特性。
机械工程控制基础(复习要点)
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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
机械控制工程基础
第一章绪论知识结构图知识结构图第一节机械工程控制论的研究对象与任务一、系统及广义系统系统是由相互联系、相互作用的若干部分构成且具有一定运动规律的一个有机整体。
一个较大系统之内可能包括若干个较小的子系统。
不仅系统的各部分之间存在非常紧密的联系，而且，系统与外界之间也存在一定的联系。
系统与外界之间的联系如图1.1.1所示，其中，输入：外界对系统的作用，它包括给定的输入和干扰；输出：系统对外界的作用。
图1.1.1系统及其与外界的联系系统可大可小，可繁可简，甚至可“实”可“虚”，完全由研究的需要而定，通常将它们统称为广义系统。
二、机械工程控制论的研究对象机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广义系统的动力学问题。
具体地说，它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；研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系。
三、机械工程控制论的研究任务从系统、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种：（1）已知系统和输入，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时，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；（5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。
第二节系统及其模型一、系统的特性系统具有如下特性：（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；（2）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；（3）系统往往具有表现出在时域、频域或空域等域内的动态特性。
二、机械系统以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。
对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。
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
机械工程控制基础简介机械工程控制是指对机械设备、系统或过程进行监控和管理的过程。
它涉及到各种控制方法和技术，以确保机械系统的正常运行和性能优化。
本文将介绍机械工程控制的基础知识和常用的控制方法。
1. 控制系统基础控制系统是由传感器、执行器、控制器和反馈回路组成的。
传感器用于检测系统的状态或环境变量，并将其转化为电信号。
执行器根据控制器的指令执行相应的动作。
控制器根据传感器的反馈信号和设定值进行计算和决策，以控制执行器的运动。
反馈回路将执行器的输出信号反馈给控制器，以实现闭环控制。
2. 控制方法2.1 反馈控制反馈控制是一种常用的控制方法，它通过比较系统的实际输出与设定值之间的差异，来调整控制器的输出信号。
反馈控制可以稳定系统并抑制系统的扰动。
2.2 前馈控制前馈控制是指在控制系统中引入一个预测模型，通过预测系统的输出来调整控制器的输出信号。
前馈控制可以提前预测系统的响应，从而更快地抵消外部扰动。
2.3 PID控制PID控制是一种常用的反馈控制方法，它通过比较系统的实际输出与设定值之间的差异，并根据比例、积分和微分三个参数来调整控制器的输出信号。
PID控制可以对系统的静态误差、动态响应和稳定性进行优化。
2.4 模糊控制模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，它模拟人的直觉和经验，通过模糊集和模糊规则来描述系统的行为。
模糊控制可以应对非线性、不确定性和模糊性等问题，适用于复杂的控制系统。
2.5 自适应控制自适应控制是一种根据系统的动态变化和参数不确定性来调整控制器的输出信号的方法。
它可以根据系统的反馈信息和模型参数的估计值来自动调整控制器的参数，以适应系统的变化。
3. 控制系统设计控制系统设计是指根据系统的需求和性能指标，选择合适的控制方法和参数，并进行系统模型建立、控制器设计和参数调整的过程。
在控制系统设计中，需要考虑系统的稳定性、鲁棒性、响应速度和控制精度等方面的要求。
4. 控制系统应用机械工程控制广泛应用于各种机械设备和系统中，包括工业生产线、机械加工、自动化生产等。
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第一章
自动控制，指的是在没有人直接参与的情况下，利用控制器自动调节和控制机器设备或生产过程(统称为被控对象)的工作状态、使之保持不变或按预定规律变化的一种技术.
自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论作为一门独立的学科，根据发展阶段的特点，这一理论体系可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三大部分三大部分三大部分三大部分。
自动控制的基本控制方式自动控制的基本控制方式自动控制的基本控制方式自动控制的基本控制方式有三种，即开环控制、闭环控制、复合控制.。
复合控制系统复合控制系统复合控制系统复合控制系统是在闭环控制系统的基础上再附加一条开环控制通路而形成的一种控制系统。
什么是开环控制什么是开环控制什么是开环控制什么是开环控制、、、、闭环控制和复合控制闭环控制和复合控制闭环控制和复合控制闭环控制和复合控制？
1.1.1.1.信号的传递是单方向的，只存在输入端对输出端的顺向作用，而没有输出端对输入端的反作用，这样的控制称为开环控制，相应的系统称为开环控制系统。
2.2.2.2.信号的传递不再是单方向的，而是从输入端传输到输出端，又从输出端传输到输入端，形成了一个封闭的环链，这样的控制称为闭环控制，相应的系统称为闭环控制系统。
3.3.3.3.复合控制系统是在闭环控制系统的基础上再附加一条开环控制通路而形成的一种控制系统。
控制系统有哪些基本组成元件控制系统有哪些基本组成元件控制系统有哪些基本组成元件控制系统有哪些基本组成元件？
输入元件(又称给定元件), 反馈元件, 比较元件, 放大变换元件, 执行元件, 被控对象, 校正元件(又称校正装置)在工程实际中，比较元件、放大元件及校正元件常常合并在一起形成一个装置，这样的装置称为控制元件或控制器。
按输入信号的运动规律来分类，控制系统可分为以下控制系统可分为以下控制系统可分为以下控制系统可分为以下 3 种类型种类型种类型种类型: 1. 恒值控制系统(又称自动调节系统) 2. 程序控制系统3. 随动控制系统(又称自动跟踪系统）
第二章
控制系统的数学模型就是用来描述系统内部物理量间相互关系的数学表达式，是物理模型的数学描述，或系统特性的数学表示形式。
建立系统数学模型的方法有分析法和实验法两种
第三章
1系统稳定的充分必要条件是:系统的所有极点都在复平面[s]的左半部。
只要有一个极点位于[s]的右半部，那么系统就不稳定，如果系统的一个或几个极点位于[s]的虚轴上，其余极点都位于[s]的左半部，那么系统就处于临界稳定，所示。
由此可见，系统的稳定性只与系统的极点分布位置有关，而系统的极点又只与系统本身的结构和参数有关，反映了系统本身的固有属性。
2.系统的稳定性只取决于系统特征根实部的正负号而不论系统有没有重特征根。
3实际的控制系统，除了具有良好的稳定性外，还必须具有较快的响应速度。
5稳态误差的大小事衡量系统稳态品质的一个重要指标，标志着系统准确性和控制精度的高低。
6在实际中，通常直接把偏差当误差。
7.Tr Tp反映的是瞬态响应速度的快慢，它们的值越小，系统瞬态响应速度就越快；反之，其值越大，瞬态响应速度就越慢。
第四章
1.开环系统的对数频率特性等于其组成环节的对数频率特性的叠加。
2.凡是在【s】右半部没有零点和极点的传递函数称为最小相位传递函数，由最小相位传递函数所描述的系统（或单元）称为最小相位系统，反之，凡是在【S】右半部有零点或极点的传递函数称为非最小相位传递函数，由非最小相位传递函数所描述的系统称为非最小相位传递系统。
第五章
1.系统综合简单地说就是系统构造，其任务是寻求满足设计指标要求的控制规律和能提供这种规律的元件，以便在理论上构造出一个在物理上能实现的控制系统。
2.系统校正指的是系统的修正，其任务是在已定的系统基本组成结构(称为不可变部分或固有部分)的基础上，通过调整结构参数或以某种方式加入一些新元件(即校正元件)来改变系统的参数或结构，使修正后的系统符合设计指标要求。
3.通常把系统综合与系统校正合并称为系统的综合与校正。
4.系统综合与系统校正的过程是一个不断完善、逐步逼近的过程，其最终目的是构造一个符合给定设计指标要求的控制系统。
5.系统设计指标：在进行系统综合时，首先要系统稳定性、响应速度、稳态精度等品质特性提出量化指标要求，这些具体的量化指标要求是系统设计的依据和技术约束条件，称为设计指标。
6.系统校正的任务一是选择校正方式，二是选择校正装置。
校正方式常用的系统校正方式有三种，即串联校正、反馈(并联)校正和顺馈(前馈)校正。
串联校正是把校正装置串接在系统前向通路中的一种校正方式,，反馈(并联)校正是把校正装置并联置于主反馈回路内部、形成局部反馈校正回路的一种校正方式，顺馈(前馈)校正是在主反馈回路之外，在给定信号(控制信号)与主反馈信号引出点之前，顺着前向通路方向引入校正装置，形成另一开环控制通路的一种校正方式。
7.选择校正装置校正装置校正装置校正装置的方法有两种，一是分析法，二是综合。
8.比例p控制律,用比例控制律来进行系统校正，可提高系统的开环增益，从而可提高系统的控制精度，但同时会使统的稳定性裕量减小，甚至可能导致系统失去稳定。
因此，比例控制律一般不单独使用。
9.比例微分（PD）控制律, 用PD控制律进行系统校正，可有效改善系统的动态性能, 校正作用使不稳定系统变为稳定系统，增益交界频率也比校正前增大。
10.积分（III）控制律,用I控制律进行系统校正，可提高系统的无差度，从而可消除或减小稳态误差，改善系统的稳态性能，但同时也给系统增加了一个开环0极点，使系统开环产生的相位滞后量，从而将导致相位裕量减小，相对稳定性下降。
11. 串联超前校正是把超前校正装置串接于未校正系统前向通路低功率部位的一种校正方案。
12. 超前校正装置是相频特性值为正的一种校正装置，其输出量的相位超前于输入量的相位，按照对信号有无增益作用，分为有源和无源两种类型。
第六章
1.离散控制系统有采样控制系统和数数字控制系统两种类型。
连续模拟信号--离散数字信号（A/D）离散数字信号--连续模拟信号（D/A）
2.香农采样定理提出并证明了采样频率的取值原则最高频率Wmax,采样频率Ws>=2Wmax.
3.保持器用来把采样信号转换成连续信号的一种信号转换装置系统动态特性不能用微分方程来描述，只能用差分方程。
4.与连续控制系统相比，离散控制系统有如下优：(1) 校正作用由计算机软件实现，可随时随意修改校正作用，校正效果既好又灵活。
(2) 数字信号的传递可有效抑制噪声，从而可有效提高系统的抗干扰能力。
(3) 可采用一台计算机分时控制几个系统，可有效提高设备利用率和经济效益。
(4) 可采用光栅、码盘、磁栅等高灵敏度元件来提高系统的灵敏度。