机械工程控制基础
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
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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
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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统具有什么样的频率特性，取决于系统结构本身，与 外界因素无关。
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4.1.2 频率特性的求法
频率特性的求法有三种 １．根据已知系统的微分方程，把输入以正弦函数 代入，求其稳态解，取其输出的稳态分量与输入正 弦的复数比即得系统的频率特性。
２．根据传递函数求取，将传递函数G(s)中的s用j 替代 ，即为频率特性G(j)。
控制工程基础
4. 频率特性分析
频率特性分析方法具有如下特点： 这种方法可以通过分析系统对不同频率的稳态响
应来获得系统的动态特性。 频率特性有明确的物理意义，可以用实验的方法
获得。这对那些不能或难于用分析方法建立数学 模型的系统或环节，具有非常重要的意义。 不需要解闭环特征方程。由开环频率特性即可研 究闭环系统的瞬态响应、稳态误差和稳定性。
达形式，记为：
G( j) | G( j) | e jG( j) A() e j() (4-3)
控制工程基础
4.1.1 频率特性及物理意义
由于频率特性G(j)是一个复变量，因此它还可以写成实部
和虚部之和，即：
G(j) Re() jIm()
(4-4)
式中Re()是G(j)的实部，称为实频特及物理意义
系统的相频特性定义：输出信号与输入信号的相位之差随频
率的变化，记为()。 幅频特性A()和相频特性()统称为系统的频率特性，记作 G(j)。频率特性G(j)是一个以频率为自变量的复变函数， 它是一个矢量。如图4-2所示，矢量G (j )的模|G(j)|即为系 统的幅频特性A()；矢量Ｇ(j)与正实轴的夹角∠G(j)即为 系统的相频特性()。因此，频率特性按复变函数的指数表
控制工程基础
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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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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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。
同时，智能化控制技术、传感器技术以及网络技术的不断发展，也将为机械工程控制技术的实现提供更加强大的支持。
五、控制工程的挑战
与发展前景并行的是，目前机械工程控制工程也面临着一些挑战。
其中，最主
要的挑战是产品的智能化和高可靠性。
为了提高智能化控制系统的可靠性，需要许多领域的专家和工程师的协同研究。
此外，控制工程技术还需要适应新兴技术、掌握新的方法和技能以及领悟新的理念。
六、
机械工程控制技术是机械工程领域中的一项关键技术。
它涵盖了控制基础的概
念和理论，控制技术的应用以及未来的发展趋势和挑战。
在未来，机械工程控制技术将进一步发展和创新，为机械工程的高效和智能化发挥更加重要的作用。