机械控制理论基础
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。
机械工程控制理论基础 实验报告 附小结与心得
《机械控制理论基础》——实验报告班级：学号：姓名：目录实验内容实验一一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响P3 实验二二阶环节的阶跃响应及时间参数的影响P9 实验三典型环节的频率特性实验P15 实验四机电控制系统的校正P20 实验心得…………………………………………P23实验一 一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响● 实验目的通过实验加深理解如何将一个复杂的机电系统传递函数看做由一些典型环节组合而成，并且使用运算放大器来实现各典型环节，用模拟电路来替代机电系统，理解时间响应、阶跃响应函数的概念以及时间响应的组成，掌握时域分析基本方法 。
● 实验原理使用教学模拟机上的运算放大器，分别搭接一阶环节，改变时间常数T ，记录下两次不同时间常数T 的阶跃响应曲线，进行比较（可参考下图：典型一阶系统的单位阶跃响应曲线）。
典型一阶环节的传递函数：G （S ）=K （1+1/TS ） 其中： RC T = 12/R R K =典型一阶环节的单位阶跃响应曲线：● 实验方法与步骤1）启动计算机，在桌面双击“Cybernation_A.exe ”图标运行软件，阅览使用指南。
2）检查USB 线是否连接好，电路的输入U1接A/D 、D/A 卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D 、D/A 卡的AD1输入。
检查无误后接通电源。
3）在实验项目下拉框中选中本次实验，点击按钮，参数设置要与实验系统参数一致，设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可继续进行实验。
● 实验内容1、选择一阶惯性环节进行实验操作由于一阶惯性环节更具有典型性，进行实验时效果更加明显。
惯性环节的传递函数及其模拟电路与实验曲线如图1-1： G （S ）= - K/TS+1RC T = 12/R R K =2、（1）按照电子电路原理图，进行电路搭建，并进行调试，得到默认实验曲线图1-2图1-2（2）设定参数：方波响应曲线（K=1 ；T=0.1s ）、（K=2；T=1s ），R1=100k Ω 3、改变系统参数T 、K （至少二次），观察系统时间响应曲线的变化。
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
机械控制理论基础课件第2章拉普拉斯变换
械的
控位
移
制定
理理
论
若f(t)的拉氏变换为F(s),对于任一 常数a,有
L[eatf (t)] F(s a)
第二章 拉普拉斯变换的数学方法
机微
械分
控
定 理
制
理
论
设f(t)的拉氏变换为F(s),
则 L[df (t)] L[ f '(t)] sF(s) f (0 )
dt
其中f(0+)由正向使t 0时的f(t)值。
第二章 拉普拉斯变换的数学方法Leabharlann 一、复数和复变函数机
两复数相等当且仅当它们的实部和虚部分别相等.
械
复数 z 等于0当且仅当它的实部和虚部同时等于0.
控
说明 两个数如果都是实数,可以比较它们的大小, 如果 不全是实数, 就不能比较大小, 也就是说, 复数不能比
制 较大小.
理 共轭复数：实部相同而虚部绝对值相等符号相反的两
f (0 ) lim f (t) lim sF(s)
t 0
s
证明技巧：可利用微分定理来进
行证明
第二章 拉普拉斯变换的数学方法
机
械
终 值
控定
制理
理
论
若f(t)的拉氏变换为F(s),则终值
定理表示为：
lim f (t) lim sF(s)
t
s0
第二章 拉普拉斯变换的数学方法
机 拉普拉斯(Laplace)变换:
械 时域的微分方程
复数域的代数方程
控 优点：1、用图解法预测系统性能；
制
2、解微分方程时，可同时获得解的瞬态分量
和稳态分量。
理
机械工程控制基础
8 工程控制论的主体理论即自动控制理论，根据 自动控制理论的发展过程可划分为以下几个阶 段：第一阶段：经典控制理论 20 世纪 40-50 年 代， 是在当时手工计算条件下， 针对工程控制应 用技术论的基本原理建立起来在复数域内以传 递函数概念为基础的理论体系， 主要数学基础是 拉普拉斯变换和傅里叶变换， 主要研究单输入输
称转换。 如机床加工工艺系统， 将工件作为信息， 定元件给出系统的控制指令即输入， 被控对象则 是看得见的实体， 输出即被控量是反映被控对象 工作状态的物理量，
识。 （5）当输入与输出已知而系统尚未构建时， 通过工艺过程的转换， 加工前后工件尺寸分布有 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，此即最优设计 所变化这样， 研究机床加工精度问题， 可通过运 用信息处理的理论和方法来进行。
3.传函的主要特点有哪些？ 答： （1）传递函数反映系统本身的动态特性，只
4，系统数学模型有哪些，采用哪些方法建立 答： 系统的数学模型主要有两种， 对于单输入电
4） ，传递函数的典型环节主要有哪几种？ 答：1）比例环节 k,2）积分环节
与本身参数和结构有关，与外界输入无关； （2） 输出系统采用的是传递函数表达式， 在现代控制 对于物理可实现系统， 传递函数分母中 s 的阶数 必不少于分子中 s 的阶数； （3） 传递函数不说明 系统的物理结构， 不同的物理结构系统， 只要他 们的动态特性相同，其传递函数相同。 二、 传递函数的定义是什么？一个物理可实现的 系统，其传递函数有什么特征？ (5 分) 理论中数学模型采用状态空间表达式。 （1） 分析 法：根据系统本身所遵循的有关定理写 出数学表达式， 在列方程的过程中进行必要的简 化，如线性化等。 （2）实验法：是跟据系统对某 些典型输入信号的响应或其它实验数据建立数 学模型。
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指机械工程中涉及到的控制理论和方法。
下面是机械工程控制基础的详细解释：1. 控制系统：控制系统是指由传感器、执行器和控制器组成的系统，用于监测和调节机械系统的运行状态。
控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统两种类型。
2. 传感器：传感器是用来感知机械系统状态或环境参数的装置，常见的传感器有温度传感器、压力传感器、加速度传感器等。
传感器将物理量转化为电信号，用于控制系统的输入。
3. 执行器：执行器是控制系统中的输出装置，用于根据控制信号执行相应的动作。
常见的执行器包括电动机、液压缸、气动阀等。
4. 控制器：控制器是控制系统中的核心部分，用于根据传感器的反馈信号和设定值进行计算和决策，并生成控制信号送往执行器。
常见的控制器有比例控制器、积分控制器、微分控制器等。
5. 反馈控制：反馈控制是指控制系统中利用传感器的反馈信号进行控制的方法。
通过比较反馈信号和设定值，控制器可以调节执行器的输出，使系统保持稳定。
6. 控制策略：控制策略是指控制系统中的算法和方法，用于决定控制器如何根据传感器信号进行计算和决策。
常见的控制策略有比例控制、积分控制、微分控制、模糊控制、PID控制等。
7. 控制系统的稳定性：控制系统的稳定性是指控制系统在一定条件下能否保持稳定的性质。
稳定的控制系统能够快速、准确地响应输入信号，并保持系统的平衡。
8. 控制系统的性能指标：控制系统的性能指标是衡量控制系统性能好坏的指标，常见的性能指标有超调量、调节时间、稳态误差等。
9. 控制系统的建模与仿真：控制系统的建模与仿真是指利用数学模型和计算机仿真技术来研究和分析控制系统的行为。
通过建立系统的数学模型，可以预测和优化控制系统的性能。
总之，机械工程控制基础涵盖了控制系统的基本原理、传感器和执行器的工作原理、控制器的设计和调节方法，以及控制系统的稳定性和性能评估等内容。
这些基础知识对于机械工程师设计和优化机械系统的控制系统具有重要的指导作用。
机械控制理论基础课件第2章拉普拉斯变换
留数法
利用留数定理和拉普拉斯变换表， 通过计算函数在无穷远处的留数， 得到逆变换的结果。
逆变换的应用实例
控制系统的分析和设计
通过逆变换将传递函数转换为时域函数，便于对控制系统进行分 Байду номын сангаас和设计。
信号处理
在信号处理中，逆变换可以将频域信号转换为时域信号，便于对信 号进行进一步的处理和分析。
电路分析
在电路分析中，逆变换可以将频域响应转换为时域响应，便于对电 路进行模拟和分析。
频率响应。通过拉普拉斯变换，可以将时域中的微分方程转换为复数域
中的代数方程，从而简化系统的分析和设计过程。
02
信号处理
在信号处理中，拉普拉斯变换用于分析信号的频谱和系统对信号的响应。
通过将信号从时域转换到频域，可以更好地理解信号的特性和系统的性
能。
03
电路分析
在电路分析中，拉普拉斯变换用于分析电路的传递函数和频率响应。通
适用范围
适用于具有特定类型的原始函数，如指数函数、幂函数等。
04
拉普拉斯变换在控制系统中的应用
控制系统的传递函数
1 2 3
传递函数定义
传递函数是描述线性时不变系统动态特性的数学 模型，它反映了系统输入与输出之间的数学关系。
传递函数的计算
传递函数可以通过系统的微分方程或差分方程进 行计算，通过拉普拉斯变换将时域函数转换为复 频域函数，便于分析。
过将电路中的微分方程转换为复数域中的代数方程，可以方便地计算电
路的性能指标和设计电路参数。
02
拉普拉斯变换的数学基础
复数及其性质
实部与虚部
复数由实部和虚部组成，表示为 a+bi，其中a是实部，b是虚部，i
机械控制工程基础复习课
例2：系统传递函数方框图简化
前向通道 ： G1G2G3
反馈回路： L1：G1、G2、G3 相加点处 "" L2：G1、G2、H1 相加点处 "" L3：G2、G3、H 2 相加点处 ""
各反馈回路有公共传递 函数方框
例3：求如图所示系统的传递函数
Gs
X O s 前向通道的传递函数之 积 X i s 1 （每一反馈回路的开环 传递函数之积）
自动控制系统的基本组成： 输 入 串联 校正 元件 输 对 出 象
给定 元件
+
-
+
-
放大 元件
执行 元件
反馈校正 元件
测量变送 元件
给定元件：其职能是给出与期望的输出相对应的 系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。
测量元件：其职能是检测被控量，如果测出的物 理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，以 便利用电的手段加以处理。 比较元件：其职能是把测量元件检测到的实际输 出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之 间的偏差。 放大元件：其职能是将过于微弱的偏差信号加以 放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。 执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被 控量发生变化。 校正元件：为改善或提高系统的性能，在系统基 本结构基础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称 为调节器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。
第三章
☆ ☆ ☆ ☆
时间响应分析
☆ ☆ ☆ ☆
本章主要内容 典型时间信号 一阶系统的时间响应 二阶系统的时间响应 系统的误差分析与计算 本章重点与难点 一阶系统的单位阶跃响应 二阶系统的单位阶跃响应 二阶系统的性能指标 稳态误差分析与计算
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机械控制理论基础
机械控制理论基础
一、参考书目
“机械控制理论基础”参考教材为陈康宁主编《机械控制理论基础》，西安交通大学出版社。
二、考试科目大纲
本科目的主要考核内容为：经典控制理论的基本概念、定义、方法以及应用于解决机械工程问题的基本原理与知识。
考核采用闭卷考试方式，考试题型有填空、选择、判断正误、辨析、简答、论述、计算分析、绘图等。
考试大纲与命题范围如下：
第一章：机械控制工程的基本定义
1.“机械工程控制”的含义
2.系统、反馈、控制、闭环系统等的基本概念
第二章：拉普拉斯变换的数学方法
1.拉普拉斯变换的基本性质和拉氏反变换的基本方法
2.典型时间函数的拉氏变换以及它们的特点和相互关系
第三章：系统的数学模型
1.线性与非线性、定常与时变等不同系统之主要区别
2.运用力学、电学基础知识对系统建模的方法
3.传递函数、方块图、信号流图、状态方程等概念
第四章：控制系统的时域分析
1.时间响应、脉冲响应函数的概念以及时间响应的组成
2.一阶、二阶系统的瞬态响应特性，以及瞬态响应的性能指标
3.二阶系统的不同阻尼特性（欠阻尼、过阻尼等）
4.系统的误差与稳态误差的概念，各型系统的位置、速度和加速度误差系数以及系
统类型、开环增益与系统稳态误差的关系
第五章：系统的频率特性
1.频率特性的基本概念以及频率特性与系统传递函数、脉冲响应
函数之间的关系
2.对数坐标图(伯德图)的概念以及各个典型环节的对数坐标图，绘制系统伯德图的
一般步骤及其特点，以及由伯德图估计最小相位系统传递函数的方法
3.极坐标图(乃奎斯特图)的概念以及各典型环节的极坐标图；绘制系统极坐标图的
一般步骤及其特点
4.频域中的性能指标及其与时域性能指标的关系
5.最小相位系统与非最小相位系统的概念
6.频域法系统辨识的基本原理以及实验方法、实验曲线拟和的基本原理
7.闭环频率响应的意义
第六章：系统的稳定性
1.系统稳定性的基本概念及稳定性判断的基本准则
2.劳斯－胡尔维茨判据判别稳定性的基本方法以及某些特殊情况的处理方法
3.奈奎斯特判据的基本原理，乃奎斯特图的作法以及如何由它来判别稳定性
4.相位裕量和幅值裕量、系统的相对稳定性等概念，“条件稳定系统”的概念
5.根轨迹法的基本概念
第七章：控制系统的校正与设计
1.系统的性能指标及进行补偿和校正的一般概念
2.用频率法设计控制系统的方法，串联校正的各种方式和方法
3.控制系统的反馈校正和顺馈校正的基本概念与方法。