机械控制工程基础
机械控制工程基础 第一章 控制系统的基本概念
加热电阻丝
调压器
人工控制的恒温箱
~220V
College of mechanical & electronic engineering
第一章 控制系统的基本概念
➢ 被控对象：在控制理论和控制技术中，运动规律或状态需要控制 的装置或元件称为被控对象（控制对象）
➢ 控制器：除被控对象以外的所有装置，统称为控制器 ➢ 被控制量：表征被控对象运动规律或状态的物理量
➢ 偏差：希望的恒温箱的温度与恒温箱的实际温度之差
➢ 控制量：加热电阻丝的输出功率。
➢ 扰动量（干扰）：恒温箱散热量
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第一章 控制系统的基本概念
人工控制恒温箱调节过程： ➢ 观测恒温箱内的温度（被控制量） ➢ 与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度
第一章 控制系统的基本概念
恒温箱自动控制系统工作原理：
➢恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 ➢恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度
u2比较得到温度偏差信号u＝u1 u2
➢温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为
实质上是系统的输出（输出量） ➢ 希望值：希望的被控对象运动规律或状态的物理量
（或称输入量、系统输入） ➢ 偏差：系统的输入量与反馈量之差或之和（比较环节的输出值） ➢ 控制量：被控对象的输入量 ➢ 扰动量（干扰）：指除给定量以外，所有使得被控制量偏离
给定值的因素。扰动包括因系统外部因素发生变化而引起的 外扰和因系统内部因素所引起的内扰。
机械控制工程基础(chp2)
G(s) 1 Ts
→ （零输入条件）
振荡环节（二阶振荡环节）
振荡环节是二阶环节中的0≤ξ＜1
运动方程：Tx0″+T0x0′+x0=kxi
G(s)
k
2 n
Ts 2 T0 s 1
s2
2 n s
2 n
ωn:无阻尼固有频率，T=1/ωn ：时间常数，阻尼比0≤ξ＜1 例：作旋转运动的惯量-阻尼-弹簧系统
讨论：（1） Gk(S)无量纲， GB(S)可有可无量纲； （2）相加点B(S)为负，→分母处为正“+” 相加点B(S)为正，→分母处为正“-”； （3）若H(S)=1（单位反馈系统）则
干扰作用的G(S)
系统干扰N(S)也可以看作一种输入。按线性叠加原理：
N(s)=0时， X 01(s) G1(s)G2 (s)
（2） G(S)可以无量纲；
（3） n≥m 原因：实际系统总有惯性；
（4） 不同系统可用同一G(S)表达；
（5） 系统G(S)可化为各环节Gi(S)的组合。
开环与闭环系统的传递函数
定义：前向通道传递函数 反馈回路传递函数 开环传递函数
开环与闭环系统的传递函数
闭环传递函数 推导如下：
开环与闭环系统的传递函数
b1
dxi (t) dt
b0 xi (t)
若 ai、bj为常数→线性定常系统； ai、bj是t的函数→线性时变系统； ai、bj依赖于xo，xi→非线性系统。
叠加原理：线性系统满足 设 xi1(t)→xo1(t) xi2(t)→xo2(t) 则 a1xi1(t)+a2 xi2(t) →b1x01(t)+b2 x02(t) 各输入产生的输出互不影响。分析多输入的总输出时，可单独分析单
机械控制工程基础课后答案董玉红徐莉萍主编
1-1机械工程控制论的研究对象与任务是什么解机械工程控制论实质上是研究机械一r_程技术中广义系统的动力学问题。
具体地讲，机械工程控制论是研究机械工程广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定初始条件出发，所经历的由内部的固有特性所决定的整个动态历程;研究这一系统及其输入、输出二者之间的动态关系。
机械工程控制论的任务可以分为以下五个方面:(1)当已知系统和输人时，求出系统的输出(响应)，即系统分析。
(2)当已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制。
(3)当已知输入和理想输出，设计系统，即最优设计。
(4)当系统的输人和输出己知，求系统的结构与参数，即系统辨识。
(5)输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，即滤波与预测。
1.2 什么是反馈什么是外反馈和内反馈所谓反馈是指将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，并与输人信号共同作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。
所谓外反馈是指人们利用反馈控制原理在机械系统或过程中加上一个人为的反馈，构成一个自动控制系统。
所谓内反馈是指许多机械系统或过程中存在的相互藕合作用，形成非人为的“内在”反馈，从而构成一个闭环系统。
1.3 反馈控制的概念是什么为什么要进行反馈控制所谓反馈控制就是利用反馈信号对系统进行控制。
在实际中，控制系统可能会受到各种无法预计的干扰。
为了提高控制系统的精度，增强系统抗干扰能力，人们必须利用反馈原理对系统进行控制，以实现控制系统的任务。
1.4闭环控制系统的基本工作原理是什么闭环控制系统的基本工作原理如下:(1)检测被控制量或输出量的实际值;(2)将实际值与给定值进行比较得出偏差值;(3)用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。
这种基于反馈原理，通过检测偏差再纠正偏差的系统称为闭环控制系统。
通常闭环控制系统至少具备测量、比较和执行三个基本功能。
1.5对控制系统的基本要求是什么对控制系统的基本要求是稳定性、准确性和快速性。
稳定性是保证控制系统正常工作的首要条件。
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
自考 30587 机械控制工程基础
高纲1514江苏省高等教育自学考试大纲30587 机械控制工程基础扬州大学编江苏省高等教育自学考试委员会办公室Ⅰ课程性质与课程目标一、课程性质和特点《机械控制工程基础（含实践）》是机械制造及自动化专业的主要专业基础课程。
通过学习，获得机电控制系统分析及设计的基本理论、基本知识和方法；通过理论学习和仿真课程设计，具备对机电控制系统的稳定性、稳态性以及快速性等性能的分析能力，初步掌握机电控制系统的设计方法。
本课程的先修课程为：工程力学、机械设计、机械工程材料、机械制造技术；后续课程为：其它专业课程、课程设计、毕业设计。
二、课程目标1. 使考生掌握分析已有机电控制系统的结构、组成以及工作原理的方法；2. 掌握机电控制系统数学模型的建立、动态性能及稳态性能等的分析和计算以及系统的综合校正等基本原理和方法；3. 通过理论学习、物理实验和仿真实验，训练考生对机电控制系统的综合分析和设计能力；4. 理解机械、电气以及控制工程各领域之间的联系。
三、与相关课程的联系与区别《机械控制工程基础》是一门新兴技术科学，也是一门边缘学科，以控制理论为基础，以有关自动控制和系统动力学的理论及其在机械工程中应用为主要研究对象。
学习本课程应具备自动控制理论、高等数学、积分变换、复变函数、电工电子技术、理论力学、机械振动等课程。
四、课程的重点和难点1.课程的学习重点1）建立机械控制工程的微分方程、传递函数及其方框图、频率特性等数学模型；2）机械控制工程的一阶系统、二阶系统以及高阶系统的时间响应，时域性能指标等时域分析；3）机械控制工程的频率响应、频率特性、开环频率特性（极坐标）图、开环对数频率特性（伯德）图；4）机械控制系统的劳斯稳定性判据、奈奎斯特稳定性判据、增益裕量和相位裕量等相对稳定性的分析计算，系统稳态误差的分析和计算等；5）机械控制系统的相位超前、相位滞后、相位滞后-超前以及PID等串联校正。
2.课程的学习难点1）机械控制系统的开环频率特性、以及稳定性和相对稳定性的分析与计算；2）机械控制系统的相位滞后-超前串联校正、PID校正，以及并联校正的分析与计算。
机械控制工程基础和自动控制原理的区别
机械控制工程基础和自动控制原理的区别在工程学领域，机械控制工程基础和自动控制原理是两个重要的概念。
虽然它们在某些方面具有相似性，但它们之间存在着本质的区别。
本文将详细探讨这两个概念的区别，帮助读者更好地理解它们。
一、机械控制工程基础1.定义：机械控制工程基础主要研究如何利用机械系统来实现预期的控制目标。
它关注于机械结构、传动装置、传感器、执行器等组件的设计、分析和优化。
2.研究内容：- 机械系统的建模与仿真：研究如何建立机械系统的数学模型，并通过仿真分析系统性能。
- 控制器设计：根据控制目标，设计合适的控制器，实现对机械系统的有效控制。
- 传感器与执行器：研究如何选择和应用传感器、执行器等组件，以满足控制系统的需求。
3.应用领域：机械控制工程基础广泛应用于工业机器人、汽车、航空航天、精密制造等领域。
二、自动控制原理1.定义：自动控制原理主要研究如何利用控制理论、方法和技术，实现系统的自动控制。
它关注于控制系统的稳定性、准确性和快速性。
2.研究内容：- 控制理论：研究控制系统的数学模型、稳定性、线性与非线性控制、最优控制等理论。
- 控制方法：研究PID控制、模糊控制、自适应控制、鲁棒控制等具体控制方法。
- 控制技术：研究如何将控制理论和方法应用于实际控制系统，实现预期的控制效果。
3.应用领域：自动控制原理广泛应用于电力系统、化工、冶金、生物医学、交通等领域。
三、区别1.研究对象：机械控制工程基础关注于机械系统本身，而自动控制原理关注于控制系统的整体性能。
2.研究内容：机械控制工程基础侧重于机械结构、传动装置、传感器、执行器等组件的设计和分析；自动控制原理侧重于控制理论、方法和技术的应用。
3.应用领域：虽然两者在某些领域有交叉，但机械控制工程基础主要应用于机械领域，而自动控制原理广泛应用于各种工业、农业、生物医学等领域。
4.目标：机械控制工程基础的目标是实现机械系统的精确控制，而自动控制原理的目标是实现控制系统的稳定性、准确性和快速性。
《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.(毕业要求中的第4）三、课程教学内容与学时分配）四、课程教学方法(一)课堂讲授（40学时）1．采用启发式教学，通过结合具体如机器人控制系统、机床运动控制系统、液压伺服控制系统等实例教学，激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，引导学生主动通过实践和自学获得自己想学到的知识。
机械控制工程基础
机械控制工程基础1. 引言机械控制工程是研究机械系统的运动和控制的学科。
它涉及到机械工程、电子工程和自动化控制等多个领域的知识，并且在现代制造业中具有重要的应用价值。
本文将介绍机械控制工程的基础知识和概念，包括机械系统的建模与分析、控制理论与方法以及实际应用等方面。
机械系统的建模是指将机械系统抽象为数学模型，以便进行分析和控制。
常见的机械系统包括旋转系统、平动系统和复杂的组合系统等。
对于旋转系统，可以使用角度、角速度和转矩等参数来描述；对于平动系统，可以使用位移、速度和力等参数来描述。
机械系统的分析可以通过应用牛顿力学、动力学和控制理论等方法来进行。
旋转系统是机械系统中常见的一种形式，例如电机、发动机和风力发电机等。
旋转系统的建模通常使用惯性、阻尼和刚度等参数来描述系统的特性。
旋转系统的分析可以通过应用扭矩方程和旋转动力学方程等方法来进行。
2.2. 平动系统的建模与分析平动系统是机械系统中另一种常见的形式，例如汽车、电梯和运输机械等。
平动系统的建模通常使用质量、阻尼和刚度等参数来描述系统的特性。
平动系统的分析可以通过应用牛顿第二定律和平衡方程等方法来进行。
2.3. 复杂系统的建模与分析复杂系统是由多个旋转系统和平动系统组合而成的系统，例如机器人和生产线等。
复杂系统的建模可以通过将旋转系统和平动系统进行耦合，并考虑其间的相互作用来进行。
复杂系统的分析可以通过应用联立方程和状态空间方法等方法来进行。
3. 控制理论与方法控制理论是机械控制工程中的重要内容，它研究如何设计控制器以稳定和优化机械系统的运动。
控制方法包括经典控制和现代控制两种类型。
3.1. 经典控制经典控制方法是机械控制工程中最早发展的一种控制方法，主要包括比例控制、积分控制和微分控制等。
经典控制方法适用于线性系统和稳定系统，但对于非线性系统和时变系统则效果有限。
3.2. 现代控制现代控制方法是机械控制工程中较新发展的一种控制方法，主要包括状态反馈控制、最优控制和鲁棒控制等。
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机械控制工程基础（专升本）
多选题
1. 微分环节的特点和作用是_______.(5分)
(A) 输出提前于输入
(B) 干扰噪声放大
(C) 高通滤波
(D) 作为反馈环节，可改善系统的稳定性
(E) 作为校正环节，使系统的剪切频率增大
标准答案是：A,B,C,D,E
2. 闭环控制系统必不可少的环节有_______.(5分)
(A) 输入输出
(B) 被控对象
(C) 测量环节
(D) 校正环节
(E) 比较环节
标准答案是：A,B,C,D,E
3. 若系统的传递函数为G(s)=10(s+5)/[s2(s+2)(s2+0.2s+100)]，则其特性是_______.(5分)
(A) 其奈奎斯特曲线在频率趋于零时的起点处，应平行于负实轴
(B) 其奈奎斯特曲线在频率趋于无穷大的终点处，应平行于正实轴，并进入坐标原点
(C) 其Bode图的转折频率依次为2，3.14，10，50
(D) 其Bode图的幅频特性的斜率依次为[-40],[-60],[-100],[-80]dB/Dec
(E) 系统的增益为5/2
标准答案是：A,B,C,D
4. 工程实际中常用的典型测试信号有________.(5分)
(A) 脉冲信号
(B) 阶跃信号
(C) 斜坡信号
(D) 抛物线信号
(E) 正弦信号
标准答案是：A,B,C,D,E
5. PID调节器与无源器件的相位滞后-超前校正器在原理上的区别有_______.(5分)
(A) PID调节器在低频段的斜率为-20dB/Dec，相位滞后-超前校正器的低频段斜率为0dB/Dec
(B) PID 调节器的高频段的斜率为+20dB/Dec，相位滞后-超前校正器的高频段斜率为0dB/Dec
(C) PID调节器对高频噪声敏感，无源器件的相位滞后超前校正器则不放大高频噪声
(D) PID调节器构成带阻滤波器
(E) PID调节器是带通滤波器
标准答案是：A,B,C
6. 单位负反馈系统的闭环传递函数为G(s)=9(0.2s+1)(0.5s+1)/[s2(0.1s+1)]，则系统特性为_______.(5分)
(A) 它是II型系统
(B) 闭环系统包含的典型环节有六个
(C) 闭环系统跟踪斜坡信号的稳态误差为零
(D) 闭环系统跟踪阶跃信号的稳态误差为零
1。