机械工程控制基础
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。
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
机械工程控制基础导言机械工程控制基础是机械工程中不可或缺的一部分。
它涵盖了各种控制方法和技术，用于实现机械系统的运动和操作的精确控制。
本文将介绍机械工程控制基础的一些关键概念和技术，旨在为机械工程师和其他相关领域的专业人员提供一个了解和学习机械控制的起点。
1. 控制系统的基本原理控制系统是指通过传感器和执行器来实现对系统状态的监测和调节的一组设备和组件。
机械控制系统的基本原理是将系统的状态与期望的状态进行比较，并根据差异来调整执行器的输出。
控制系统通常由三个主要组成部分组成：传感器、控制器和执行器。
1.1 传感器传感器是用于测量物理量和状态的设备。
在机械控制系统中，传感器通常用于测量位置、速度、压力、温度等各种参数，以提供反馈信号给控制器。
常见的传感器有光电传感器、压力传感器、编码器等。
1.2 控制器控制器是控制系统的核心部分，它接收传感器的反馈信号，并根据预定的算法和逻辑进行计算和决策。
控制器的主要任务是将反馈信号与期望的状态进行比较，然后产生控制信号来调整执行器的输出。
常见的控制器包括PID控制器、逻辑控制器等。
1.3 执行器执行器是控制系统的输出部分，它根据控制器产生的信号来进行动作。
执行器可以是电动机、液压马达、气动马达等，用于实现机械系统的运动和操作。
2. 控制方法机械工程控制基础涵盖了各种控制方法和技术，下面将介绍一些常用的控制方法。
2.1 开环控制开环控制是一种基础的控制方法，它不考虑系统的实际状态和性能，只根据输入信号的设置来控制执行器的输出。
开环控制不具备反馈机制，容易受到外部干扰和系统参数变化的影响，因此在实际应用中使用较少。
2.2 闭环控制闭环控制是一种基于反馈的控制方法，它通过比较输入和反馈信号之间的差异来决定控制器的输出。
闭环控制可以根据实际的状态和性能调整执行器的输出，使系统更加稳定和准确。
常见的闭环控制方法包括PID控制、模糊控制、自适应控制等。
2.3 PID控制PID控制是一种基于比例、积分和微分的闭环控制方法，广泛应用于机械工程中。
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)
1
1
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中非常重要的一部分，涉及到机械工程中各种机器的控制、调整和维护等问题。
机械工程控制基础也包括了机械设计、机械加工和机械维护等方面的知识。
下面将从基础概念、控制系统组成、控制模式和控制环节四个方面来介绍机械工程控制基础。
一、基础概念机械工程控制是通过对机器、设备和系统的控制和调节，使其满足特定的工作要求，保证设备稳定运行，并能对设备的使用进行优化，提高生产效率。
机械工程控制的关键技术是使用电子、仪表和计算机等技术手段，对机械设备和系统进行控制和优化。
二、控制系统组成机械工程控制系统通常由三个部分组成：检测部件、执行部件和控制部件。
1. 检测部件是用来检测控制对象运行状态的传感器和检测器等，如温度传感器、压力传感器、速度检测器等。
2. 执行部件是用来控制控制对象的执行器和驱动器等，如电动机、气缸、伺服电机等。
3. 控制部件则是用来处理检测到的数据，计算出控制指令并送到执行部件，实现对控制对象的控制。
三、控制模式机械工程控制模式通常有三种：开环控制、闭环控制和单自由度控制。
1. 开环控制是一种没有反馈控制的控制方法，控制信号只由输入端产生，不考虑输出端的反馈对控制信号的影响。
开环控制适用于对输出准确性要求不高、对象本身有稳定性和协调性的机械系统。
2. 闭环控制是一种有反馈控制的控制方法，通过检测目标物理量，将实际控制量与给定控制量进行比较，产生偏差，再依照比例、积分、微分控制等方法来调整控制量。
闭环控制适用于对输出准确性要求较高、对象自身性质不稳定、环境变化大或对干扰敏感的机械系统。
3. 单自由度控制是一种对单个目标变量进行控制的控制方式，通过测量系统的某个关键物理量进行控制。
单自由度控制适用于只需要对单个变量进行控制，如升降台、旋转台等。
四、控制环节机械工程控制环节主要有以下几个：1. 检测和传感器：检测和传感器是机械控制中非常重要的一环，它可以实时监测装置的工作情况以及运行时的状态，对于数据的采集、分析和处理等过程起到了很关键的作用。
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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控制系统能实际应用的首要条件—系统稳定。 判别系统稳定性的准则—系统的稳定性判据。
劳斯判据 :依据闭环系统特征方程式 对系统的 稳定性做出判别，是一种代数判据。
奈奎斯特判据 : 依据系统的开环极坐标图与 （? 1，0）点之间的位置关系对闭环系统的稳 定性作出判别，是一种几何判据。
i?1
i?1
(2)可改写成：
? ? ? ? y(t) ?
k
Di e si t ?
r e?jt ( E icos
it ? Fisin
it)
(4)
i?1
i?1
由(3)、 (4)可知，若si、δi都是负的，则当t → ∞时， y(t) → 0。这说明控。
s n-1 an-1 an -3 an-5 an -7 ?
sn -2 b1
b2
b3
劳斯稳定判据是基于特征方程根的分布与系数
间的关系来判别系统的稳定性。 无需解特征方
程而能迅速判定根的分布情况。这是一种简单
而实用的稳定性判据。
13
1. 劳斯稳定判据的必要条件
设系统的特征方程式为：
an sn ? an-1sn-1 ? ? a1s ? a0 ? 0
则系统稳定的必要条件是：
1.特征方程的各项系数 an , an-1 ,? 均, a不1,为a0零。
2. 不稳定平衡点b ：只要有干扰力作用于小球，小 球就不会再回到这点；
3. 若控制系统在任何足够小的初始偏差作用下，其 过渡过程随着时间的推移，逐渐衰减并趋于零， 具有恢复原平衡状态的性能，则该系统稳定。7
二．系统稳定的条件
N(s)
X(s)
G1(s)
G2(s)
Y (s)
H(s)
Y (s) ?
N (s)
11
例：某单位负反馈系统的开环传递函数为：
k GK (s) ? s(Ts ? 1)
其中T、K均大于零，且 1 ? 4,T则k 系? 0统的
闭环传递函数：
?
(s) ?
GK (s) 1? GK (s)
?
Ts
2
k ? s?
k
特征方程式为： Ts 2 ? s ? k ? 0
特征根为：
s1, 2
?
? 1?
1 ? 4Tk 2T
G2 (s)
?
1 ? G1(s)G2 (s)H (s)
bm sm ? bm ?1s m ?1 ? ? ? ? b1s ? b0 an sn ? an? 1sn? 1 ? ? ? ? a1s ? a0
即： (an sn ? an? 1sn? 1 ? ? ? ? a1s ? a0 )Y (s) ? (bm sm ? bm? 1sm ? 1 ? ? ? ? b1s ? b0 )N (s)
若系统承受的外界扰动终止作用后，系统输出不 能再恢复原先的平衡状态位置，或发生不衰减的 持续振荡，这样的系统就是不稳定的。
控制系统的稳定性是由系统本身的结构所决定的， 而与输入信号的形式无关。
5
y1(t)
x(t)
x (t)
系系1 y1(t)
y2(t)
t
x(t)
系系2 y2(t)
y3(t)
t
t
x (t)
波德判据 : 是奈奎斯特判据的另一种描述法，它 们之间有着相互对应的关系。
1
第一节 控制系统稳定性的基本概念
跨越华盛顿州塔科马峡谷的首座大桥，开通 于1940年7月1日。只要有风，这座大桥就会 晃动。
2
1940年11月7日，在一
阵 每 小 时 42 英 里 的
“和风”吹拂下坍塌
了。
彩色图为 1949 年重建
因为特征方程根具有负实部，所以该闭环系 统稳定。
12
第二节 劳斯稳定判据
判别系统是否稳定，就是要确定系统特征方程的 根是否全部具有负的实部，或者说特征根是否全
部位于[s]平面的虚轴左侧。有两种判别方法：
?解特征方程确定特征根，对于高阶系统来说是 困难的；
?讨论根的分布，研究特征方程的根是否包含 右根及有几个右根。（逆向思维）
系系3 y3(t)
t
系统的稳定性 ：系统存在干扰，干扰信号为脉 冲信号。
?系统1：衰减振荡，系统稳定；
?系统2：等幅振荡，系统处于临界状态；
?系统3：发散振荡，系统不稳定。
6
系 系 系
系
系 系 系 系
小球的稳定性
b
系 系 系 系
a
1. 稳定平衡点a ：作用在小球上的有限干扰力消失 以后，小球总能回到a点；
an s n ? an?1sn?1 ? ? ? ? a1s ? a0 ? 0
(1)
y(t ) ? c1e s1t ? c2e s2t ? ? ? cn e snt
(2)
cn为由初始条件决定的积分常数，sn为特征方程 的根。
9
如果(1)中有k个实根，2r个复根，则(1)可改写成：
k
r
? an ?s ? si ?? ?s ? ??i ? ?j i ????s ? ??i ? ?j i ??? 0(3)
的塔科马。
3
一．稳定性概念
y(t)
1
2
?曲线1：系统经过衰 减振荡后趋于稳定
?曲线2：系统达到一 定的峰值后趋于稳定
0 t
控制系统的稳定性： ①系统在给定信号作用下，输出应能达到新 的平衡状态； ②在扰动去掉之后，系统的输出能以足够的 精度恢复到原来的平衡状态。
4
y(t)
2
1
1－等幅振荡
t 2－发散振荡
8
撤除扰动： (an sn ? an?1sn?1 ? ? ? ? a1s ? a0 )Y (s) ? 0
即： an
dn y dt n
?
an?1
d n?1 y dt n? 1
?
an? 2
d n?2 y dt n? 2
?
??
?
a1
dy dt
?
a0
y
?
0
根据齐次微分方程的有关定义知道，该齐次微分 方程的特征方程和解的一般形式为：
2.特征方程的各项系数符号一致。
以上只是系统稳定的必要条件而非充要条件。
14
二．劳斯稳定判据的充要条件
设系统的特征方程式为：
an sn ? an-1sn -1 ? an-2 sn-2 ? an-3 sn-3 ? ? ? a1 s ? a0 ? 0
特征方程系数的劳斯阵列：
sn
an an-2 an-4 an-6 ?
10
线性定常系统稳定的充要条件（三种说法）：
①该系统全部极点必须位于复平面的左半部分。
②该系统闭环传递函数特征方程的所有根必须 是负实数或具有负实部的共轭复根。
③对于闭环传递函数的特征根来说，下述四个条 件缺一不可：
?没有零根； ?没有共轭纯虚根：Re(s)=0，系统等幅振荡； ?所有实根都是负的； ?共轭复根具有负实部。