机械控制理论基础15、16课时
机械工程控制基础培训课件
机械工程控制基础培训课件1. 前言欢迎参加机械工程控制基础培训课程！本课程旨在为机械工程学习者提供关于控制基础知识的全面介绍和理解。
掌握机械工程控制基础对于工程师在设计和运维机械系统方面具有至关重要的意义。
本培训课程将涵盖以下内容：•控制系统的基本概念•反馈控制与前馈控制•PID控制器的工作原理•机械控制系统的建模与仿真•控制系统设计与调整•实例分析与实践案例2. 控制系统的基本概念控制系统是由若干个元件和子系统组成的整体，通过对系统输入进行调节来达到期望的输出效果。
了解和掌握控制系统的基本概念对于实现稳定和可靠的机械系统至关重要。
以下是一些控制系统的基本概念：•输入与输出：输入信号是控制系统的参考信号，输出信号是系统对输入信号的响应。
控制系统的目标是使输出信号尽可能接近输入信号。
•控制器：控制器根据当前的系统状态和输入信号来计算输出信号。
常见的控制器包括PID控制器、模糊控制器等。
•过程：过程是控制系统所作用的对象，可以是机械系统中的物理过程，也可以是其他类型的过程。
•反馈：反馈是控制系统中的一种常见机制，用于将系统的实际输出与期望输出进行比较，并调整控制器的输出信号，以减小误差。
•开环控制与闭环控制：开环控制是指控制器的输出信号不考虑系统的实际输出，只根据输入信号来计算。
闭环控制是指控制器的输出信号根据系统的实际输出进行调整。
3. 反馈控制与前馈控制反馈控制与前馈控制是常见的控制系统设计方法。
理解这些方法的工作原理和应用场景有助于设计和实现高效的机械控制系统。
反馈控制是使用当前系统的实际输出来调整控制器的输出信号，以减小系统输出与期望输出之间的误差。
这种控制方法具有很高的稳定性和鲁棒性，适用于许多工程应用。
前馈控制是根据已知的系统特性提前预测和修正系统输出，以尽量减小误差。
前馈控制方法可以在系统输出受到外部扰动时提前调整控制器的输出，以保持系统的稳定性和准确性。
在实际工程应用中，常常会将反馈控制与前馈控制结合起来，以充分利用两种控制方法的优势，提高系统的性能和鲁棒性。
机械控制理论基础课件第1章绪论历史
Harold Black
当 时 的 Black 年 仅 29 岁 ， 从 Worcester Polytechnic Institute获得电子工程学士，毕业 刚六年，是西部电子公司工程部（这个部后来成 为1925年成立的Bell Labs的核心）的工程师，正 在从事电子管放大器的失真和不稳定问题的研究。 Black首先提出了基于误差补偿的前馈放大器，在 此基础上最终提出了负反馈放大器并对其进行了 数学分析。同年Black就其发明向专利局提出了长 达 52 页 126 项的专利申请，但直到九年之后，当 Black和他在AT&T的同事们开发出实用的负反馈放 大器和负反馈理论之后，Black才得到这项专利。
1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法； 在1957年提出了动态规划。
2.1959年卡尔曼（Kalman）和布西创 建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制 系统的研究中成功地应用了状态空间 法，并提出了可控性和可观测性的新 概念。 卡尔曼
3. 1961年庞特里亚金（俄国人）提出 了极小（大）值原理。
H.Harris
1942年，H.Harris引入了传递函数的概念。用 方框图、环节、输入和输出等信息传输的概念来 描述系统的性能和关系。这样就把原来由研究反 馈放大器稳定性而建立起来的频率法，更加抽象 化了，因而也更有普遍意义，可以把对具体物理 系统，如力学、电学、等的描述，统一用传递函 数、频率响应等抽象的概念来研究。1925年英国 电气工程师O.亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解 电网络的问题上，提出了运算微积分。不久拉普 拉斯变换就被应用到分析自动调节系统问题上， 并取得了显著成效。传递函数就是在拉普拉斯变 换的基础上引入的。
至1945年，控制系统设计的频域方法， “波德图”(Bode plots)方法，已基本建 立了。
机械工程控制基础教案
机械工程控制基础教案第一章：绪论1.1 课程介绍了解机械工程控制基础课程的背景和意义理解控制系统的定义和基本组成1.2 控制系统的基本概念掌握系统的数学模型和分类理解物理可实现系统的条件和稳定性第二章：线性系统理论2.1 线性系统的描述学习系统的微分方程和差分方程表示掌握系统的传递函数和状态空间表示2.2 线性系统的性质学习系统的可控性和可观测性理解系统的稳定性和收敛性第三章：反馈控制系统3.1 反馈控制原理学习反馈控制系统的组成和作用掌握反馈控制系统的类型和特点3.2 反馈控制系统的分析与设计学习系统的稳定性分析和判据掌握PID控制器和的状态反馈设计方法第四章：非线性控制系统4.1 非线性系统的描述学习非线性系统的数学模型和分类掌握非线性系统的相平面分析方法4.2 非线性控制系统的分析与设计学习非线性控制系统的稳定性分析和设计方法掌握非线性PID控制器和滑模控制设计方法第五章：机械工程应用实例5.1 机械臂的控制系统设计学习机械臂的数学模型和控制需求掌握机械臂的控制系统设计和实现5.2 路径跟踪控制系统设计学习路径跟踪的数学模型和控制目标掌握的路径跟踪控制系统设计和仿真第六章：控制系统的稳定性分析6.1 稳定性的基本概念理解系统稳定性的定义和重要性学习李雅普诺夫稳定性理论和劳斯-赫尔维茨准则6.2 线性系统的稳定性分析掌握线性时不变系统的稳定性分析方法应用劳斯-赫尔维茨准则判断系统稳定性第七章：控制系统的控制器设计7.1 控制器设计的基本概念理解控制器的作用和设计目标学习控制器设计的基本方法和步骤7.2 比例积分微分控制器设计掌握PID控制器的设计原理和方法应用Ziegler-Nichols方法进行PID参数的整定第八章：控制系统的仿真与实验8.1 控制系统仿真的基本概念理解控制系统仿真的意义和作用学习仿真软件的使用和仿真方法8.2 控制系统的实验与验证掌握实验设备的使用和实验步骤分析实验结果并与理论分析进行对比第九章：现代控制理论简介9.1 现代控制理论的基本概念了解现代控制理论的发展和应用领域学习线性系统的状态空间表示和特性9.2 现代控制方法的应用掌握现代控制方法如鲁棒控制和自适应控制的应用了解这些方法在实际机械工程中的应用案例第十章：机械工程控制系统的综合应用10.1 机械工程控制系统的案例分析分析机械工程中控制系统的实际应用案例理解控制系统在提高机械性能和效率中的作用10.2 控制系统在机械工程中的挑战和发展趋势探讨控制系统在机械工程中面临的挑战和问题了解控制系统在机械工程中的未来发展趋势重点和难点解析：一、控制系统的基本概念：重点关注系统数学模型和分类的讲解，以及物理可实现系统的条件和稳定性。
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。
机械控制理论基础讲义.doc
Fundamentals of Mechanical Control Theory机械控制理论基础（Bilingual Course 双语教学）吴吉平School of Mechanical Engineering机械工程学院Teaching Material: Linear Control System Analysis and Design Fourth Edition教材：线性控制系统分析与设计第4版References 参考书目1. 杨叔子，《机械工程控制基础》，第四版，武汉，华中理工大学出版社2. 绪方盛彦, 《现代控制工程》, 科学出版社，19783. 李友善, 《自动控制原理(上册) 》, 国防工业出版社4. 张伯鹏, 《控制工程基础》, 机械工业出版社5. 阳含和, 《机械控制工程(上册) 》, 机械工业出版社6. 姚伯威, 《控制工程基础》, 电子科技大学出版社7. 薛定宇, 《控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言及应用》, 清华大学出版社Learning requirement 学习要求1. All exercises and experiment reports must be done in English, and all questions must be answered in English. 所有的作业和实验报告必须用英文完成，所有的问题必须用英文回答。
2. must be present (must not be absent) 上课不能缺席3. taking notes：Don’t merely copy the blackboard, trying to write down what you consider is important. 作笔记：不能仅仅抄黑板，而是要记下你认为重要的东西。
4. preview 预习5. review 复习6. do exercises and experiments independently 独立完成作业和实验7. summarizing, concluding 总结，概括8. Don’t read the book word by word, the emphases should be put on the understanding the concepts, terminologies as well as their logic relations. 不要一个单词一个单词地读书，应该将重点放在概念、术语以及它们之间的逻辑关系的理解上9. Daring to put forward questions. 勇于提出问题10. If you have any question, please contact me. 如果你有什么问题，请联系我Final examination result 考试成绩评定1. Daily behaves: 30%. Including: present, exercises, experiments.平时成绩占30%，包括：到课率，作业，实验2. Final examination: 70%. 考试成绩占70%Well, we will get to business（言归正传）, we’ll begin the first chapter.CHAPTER 1 INTRODUCTION 第一章绪论1.1 INTRODUCTION 引言1.2 INTRODUCTION TO CONTROL SYSTEMS 控制系统引言1.3 DEFINITIONS 定义1.4 HISTORICAL BACKGROUND 历史背景1.5 DIGITAL CONTROL DEVELOPMENT 数字控制的发展1.6 MATHEMATICAL BACKGROUND 数学背景（基础）1.7 GENERAL NATURE OF THE ENGINEERING CONTROL PROBLEM 工程控制问题的一般特点1.8 COMPUTER LITERACY 计算机文化1.9 OUTLINE OF TEXT 全文概括1.1 Introduction 引言With the rapidly development of the modern science and technologies, man created many miracles. One of them is the invention of automatic control equipments. Today, we can’t live on without the hel p of these auto-machines.随着现代科技的迅速发展，人类创造了很多奇迹。
机械控制理论基础课程教学大纲
“机械控制理论基础”课程教学大纲英文名称：Foundation of Mechanical Control Theories课程编号：MACH3435学时：52 （理论学时：44 实验学时：8 上机学时：0 课外学时：0）学分：3适用对象：机械学院机自专业和车辆工程专业三年级本科生先修课程：机械设计、机械原理、材料力学、理论力学、电工学、流体力学、热工基础使用教材及参考书：[1] 董霞，陈康宁，李天石.机械控制理论基础.西安：西安交通大学出版社，2005.[2] 董明晓，李娟，杨红娟等.机械工程控制基础.北京：电子工业出版社，2010.[3] 胡寿松.自动控制原理.北京：国防工业出版社，2000.一、课程性质和目的（100字左右）性质：专业基础课目的：机械控制理论是研究“控制论”在“机械工程”中应用的科学，因而它也是一门跨“控制论”与“机械工程”技术理论领域的边缘学科。
本课程使学生能以动力学的观点而不是静态观点去看待一个机械工程系统，特别重要的是，能够从整体的而不是分离的角度，从整个系统中信息之传递、转换和反馈等角度来分析系统的“动态行为”。
具体地讲，就是使学生在掌握机械工程控制论的基本概念、基本知识和基本方法的基础上，密切结合机械工程实际，为将控制理论应用于工程实际打下基础。
二、课程内容简介（200字左右）拉普拉斯变换的数学方法。
力学、电学基础知识对系统建模的方法、传递函数、方块图、信号流图、状态方程等重要概念。
一阶、二阶系统的瞬态响应特性，以及瞬态响应的性能指标，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。
对数坐标图(伯德图)的概念以及各典型环节的对数坐标图，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；极坐标图(乃奎斯特图)的概念以及各典型环节的极坐标图；频域中的性能指标及其与时域性能指标的关系。
系统用频率法设计控制系统的特点，串联校正的各种方式和方法。
机械工程控制理论基础PPT课件
8
第八章 控制系统的偏差 • 第一节 控制系统的偏差概念 • 第二节 输入引起的定态偏差 • 第三节 输入引起的动态偏差
9
第九章 控制系统的设计和校正
• 第一节 综述 • 第二节 希望对数幅频特性曲线的绘制 • 第三节 校正方法与校正环节 • 第四节 控制系统的增益调整 • 第五节 控制系统的串联校正 • 第六节 控制系统的局部反馈校正 • 第七节 控制系统的顺馈校正
反馈环节
图6-2
22
开环系统 优点：结构简单、稳定性能好； 缺点：不能纠偏，精度低。 闭环系统：与上相反。
23
第三节 典型控制信号
输入信号是多种多样的，为了对各种控制 系统的性能进行统一的评价，通常选定几种 外作用形式作为典型外作用信号，并提出统 一的性能指标，作为评价标准。
1．阶跃信号 x(t)=0 t＜0 x(t)=A t≥0
机械工程控制理论基础
张 克 仁 教授
1
目录
第一章 自动控制系统的基本原理
• 第一节 控制系统的工作原理和基本要求 • 第二节 控制系统的基本类型 • 第三节 典型控制信号 • 第四节 控制理论的内容和方法
2
第二章 控制系统的数学模型
• 第一节 机械系统的数学模型 • 第二节 液压系统的数学模型 • 第三节 电气系统的数学模型 • 第四节 线性控制系统的卷积关系式
24
X i(t)
A
0
t
图7
当A=1时，称为单位阶跃信号，写为1(t)。
阶跃信号是一种对系统工作最不利的外作用形式。例 如，电源突然跳动，负载突然增加等。因此，在研究过渡 过程性能时通常都选择阶跃函数为典型外作用，相应的过 渡过程称为阶跃响应。
机械工程控制基础教案
机械工程控制基础教案教案主题：机械工程控制基础授课对象：机械工程专业大一本科生教学目标：1.了解机械工程控制的基本概念和原理；2.掌握机械工程中常用的控制设备和技术；3.能够应用所学知识解决机械工程中的控制问题。
教学重点：1.机械工程控制的基本概念和原理；2.机械工程中常用的控制设备和技术。
教学难点：1.机械工程中的控制问题的实际应用；2.控制设备和技术的选择和配置。
教学准备：1.讲台及黑板、白板；2.计算机及投影仪；3.课本及其他参考教材。
教学过程：一、引入（5分钟）1.介绍机械工程控制的基本概念和作用；2.通过图示展示机械工程中的控制问题。
二、机械工程控制的基本原理（15分钟）1.介绍机械工程中常用的控制原理，如反馈控制、前馈控制等；2.讲解控制系统的基本组成部分，包括传感器、执行器、控制器等。
三、机械工程中常用的控制设备（20分钟）1.介绍常见的机械工程控制设备，如PLC、伺服驱动器等；2.讲解每种控制设备的特点和应用场景。
四、机械工程中常用的控制技术（20分钟）1.介绍常见的机械工程控制技术，如PID控制、模糊控制等；2.讲解每种控制技术的原理和适用范围。
五、机械工程控制的实际应用（15分钟）1.分析机械工程中的实际控制问题，并提供相应的解决方案；2.通过实例演示控制设备和技术在机械工程中的应用。
六、小结与讨论（10分钟）1.总结本节课的内容；2.对学生提出的问题进行解答，并与学生进行相关讨论。
七、作业布置（5分钟）1.布置与机械工程控制相关的小作业，要求学生用所学知识解决实际问题；2.提供课外阅读材料，以拓宽学生对机械工程控制的认识。
教学反思：本节课通过理论讲解和实例演示相结合的方式，使学生能够全面了解机械工程中的控制问题及其解决办法。
在教学过程中，需要加强与学生的互动，鼓励学生主动提问和参与讨论，以提高他们的学习积极性和理解能力。
并且，教师需要提前准备好相关的教学资料和实例，以确保教学的顺利进行。
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的切线斜率（响应速度）等于1/T。
4、指数曲线的斜率，即速率 x&ou (t)
是随时间t的增大而单调减小的，当t为
时，其响应速度为零； 5、当 t 4T
时，响应已达到稳态值的98%以上，过渡过程时间 ts=4T。
6、时间常数T 反映了固有特性，其值愈小，系统
)]
1 s
响应函数的Laplace变换式为：
X
0
(s)
G(s)
Xi
(s)
1• Ts 1
1 s
1 s
T Ts 1
1 s
s
1
1
Tபைடு நூலகம்
其时间响应函数记为：
xou (t) L1[Xo (s)] 1 et/T (t 0)
xou (t) L1[Xo (s)] 1 et/T (t 0)
对比可知： 一阶系统在理想的单位阶跃函数作用下，
当输入信号为理想单位脉冲函数时，Xi(s)＝1，输出量的拉氏变 换与系统的传递函数相同，即
W (s) X0(s) G(s)Xi(s)
Xi (s) L[ (t)] 1
W (s) G(s)
这时相同的输出称为脉冲响应记作w(t):
w(t) L1[G(s)] L1[ 1 ] Ts 1
w(t) 1 et /T (t 0) T
例题：
解：已知输入是单位脉冲信号，即R(s)=1， 则系统的脉冲响应的拉式变换即系统的闭环传递函数。
(s) L1[k(t)] 0.0125 0.01
s 1.25 0.8s 1
本节作业：
3.3（2）（3） 请同学们按照步骤书写，并在4月20日前提交到群相册中备
查。
3.3 二阶系统的单位阶跃响应 请同学们提前预习
机械控制理论基础 主讲教师：程爽
具体定义
提问十人
3.2 一阶系统的时间响应
一阶系统
可用一阶微分方程描述的 系统称为一阶系统。
其微分方程和传递函数的 一般形式为：
T
dx0 (t) dt
x0 (t)
xi
(t)
G(s) X 0 (s) 1 X i (s) Ts 1
在线推导
式中：T称为一阶系统的时间常数，它表达了一阶系统本身的与外界无关 的固有特性，故也称为一阶系统的特征参数。
的惯性就愈小，系统的响应也就愈快。
Unit-impulse response of first-order systems
输入信号为单位斜坡函数时，即
R(s) 1 S2
C(s)
(s)R(s)
1 TS
1
1 S2
1 S2
T S
T2 1 TS
1t
1t
响应函数的Laplace变换式为：c(t) t T (1 e T ) t T Te T
w(t) 1 et /T (t 0) T
对比可知： 一阶系统在理想的单位脉冲函数作用下， 其响应函数中只有自然响应项， 没有强迫响应项。
w(t) 1 et /T (t 0) T
分析3.3.1
1、一阶系统的单位脉冲响应函数是一 单调下降的指数曲线。 2、过渡过程： 将指数曲线衰减到初值的2%之前的过 程定义为过渡过程，相应的时间为4T， 记为ts。 3、由2可见，系统的时间常数T越小, 其过渡过程的持续时间越短,系统的惯 性越小，反应的快速性能越好。
1t
1t
c(t) t T (1 e T ) t T Te T
对比可知：
-t
一阶系统在理想的单位斜坡函数作用下，Te T
是瞬态项，t-T是稳态项
分析表明：
1、一阶系统的单位斜坡响应的稳态 分量，是一个与输入斜坡函数斜率相 同但时间滞后T的斜坡函数，因此在 位置上存在稳态跟踪误差，其值正好 等于时间常数T。 2、一阶系统单位斜坡响应的瞬态分 量为衰减非周期函数。
在实际应用时，由于理想的脉冲信号不可能得到， 为了得到近似程度较高的脉冲响应函数， 就要求脉冲宽度h与系统的时间常数T相比足够小，一般为:
h 0.1T
Unit-Step Response of First-order System
输入信号为单位阶跃函数时，即
xi
(t
)
u(t
),
L[u(t
(1) 实际系统的输入信号不可知性 (2) 典型试验信号的响应与系统的实际响应，存在某种关系（卷积） (3) 电压试验信号是时间的简单函数，便于分析。
有哪些常用的典型试验(输入)信号 ？
单位脉冲函数、单位阶跃函数、单位斜坡函数、单位抛物线函数、 正弦函数等。
（单位）阶跃函数（Step function） （单位）斜坡函数（Ramp function） （单位）加速度函数（Acceleration function） （单位）脉冲函数（Impulse function） 正弦函数（Simusoidal function）
et /T 是瞬态项，1是稳态项
xou (t) L1[Xo (s)] 1 et/T (t 0)
1、表示的一阶系统的单位阶跃响应是一条单调上 升指数曲线，稳态值为 xou () 。 曲线有两个重要的特征点。
2、A点：其对应的时间t为T 时，系统的响应xou (t) 达到了稳态值的63.2%；
信号
确定性信号和非确定性信号: 确定性信号：变量和自变量之间的关系能够用一确定性函数描述。 非确定性信号：变量与自变量之间的关系是随机的，只服从某些 统计规律。
分析和设计系统:采用典型输入信号，比较其时间响应。
典型试验(输入)信号 Typical test signals
为什么要选取典型输入信号？
1(t) , t 0
t , t0
1t2 , t 0 2
(t) , t 0
Asinwt
提问 十人
下面我们就分别以 单位阶跃函数 单位脉冲函数 单位斜坡函数 作为输入信号，来研究一阶系统的时间响应。
Unit-impulse response of first-order systems