机械控制工程基础.
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。
文档下载后可定制修改，请根据实际需要进行调整和使用，谢谢!并且，本店铺为大家提供各种类型的实用资料，如工作总结、工作报告、工作计划、心得体会、讲话致辞、教育教学、书信文档、述职报告、作文大全、其他资料等等，想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by this editor.I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you!Moreover, our store provides various types of practical materials for everyone, such as work summaries, work reports, work plans, reflections, speeches, education and teaching, letter documents, job reports, essay summaries, and other materials. If you want to learn about different data formats and writing methods, please stay tuned!机械工程控制基础教学大纲《机械工程控制基础》课程教学大纲一、本课程性质、地位和任务性质：《机械工程控制基础》是机电一体化专业本科段计划规定必考的一门专业基础课。
机械控制工程基础
动力学方程：(mp2+cp+k)y(t)=（cp+k)x(t) 左端算子:(mp2+cp+k)由系统本身结构与参数决定， 固有特性，与外界无关。 右端算子:（cp+k)反映系统与外界关系，与输入有关。
系统数学模型
对一般线性系统，可建立微分方程：
(anpn+an-1 pn-1+…+a1p1+a0)y(t)= (bmpm+bm-1 pm1+…+b1p1+b0)x(t) y(0)=y0 y′(0)=y0′ … yn-1(0)=y0(n-1)
系统中的量
1、 输出量（被控量、被控参量）x0：最终控制的目标值。 2 、控制量（给定量） xi ：根据设计要求与输出量相适应的 预先给定信号。 3、干扰量（扰动量）：引起输出变化的各种外部和内部条 件，属于一种偶然的无法人为控制的随机输入信号。 4、 输入量：控制量与干扰量的总称，一般多指控制量。 5、 反馈量：由输出端引回到输入端的量。 6、 偏差量：控制量与反馈量之差。 7、 误差量：实际输出量与希望输出量之差值。 e (t)=x0 (t)—x0*(t)
研究对象与任务
分析系统，就是分析x(t)、g(t)、y(t)三者关系（动态历程）
（3）初始条件：系统在x(0-)时的状态。 x(0-）视为一种特殊 的输入。 （4）动态历程：即系统的输出y(t)随t而变化的过程， 或系统从一种稳态到另一稳态之间所经历的过程。 动态特性：系统在过渡过程中，输出响应的快速性和平稳性 静态特性：过渡过程结束后，系统工作的准确性（稳态误差） 稳定性、快速性、准确性是系统设计的三大指标要求。
系统分类
闭环系统：通过反馈环节调节输入，高精度。 例：数控机床 附加检测（反馈）装置
《机械控制工程基础》
控制工程基础
2.1.5 拉普拉斯(Laplace)反变换
（1）拉普拉斯反变换的定义
1 j st f (t ) L [ F ( s)] F ( s ) e ds 2j j
1
（2）拉普拉斯反变换的应用
求解微分方程 求原函数
2.2 典型环节的传递函数
控制工程基础
控制工程基础
3.1 时间响应的概念
时间响应可分为瞬态响应与稳态响 应。
控制工程基础
瞬态响应的性能指标
表3-3
阻尼比
极点与阶跃响应的关系
极 点 极点在s平面的位置 阶跃响应形式
>1 =1
0<<1
s1 , s 2 n n 2 1
s1 , s 2 n
s1 , s2 n j n 1 2
（1）静态误差系数
ess lim e(t ) lim sE ( s)
t s 0
1 lim s X ( s) s 0 1 G ( s ) H ( s )
（3-56）
K ( 1s 1)( 2 s 1)......( m s 1) G(s) H (s) N （3-57） s (T1s 1)(T2 s 1)......(Tn s 1)
i 1 j 1
注意 ：开环传递函数和开环系统传递函数是不 一样的。
闭环传递函数
Y ( s) X (s)
n
G ( s)
i i 1 m i 1 j 1
n
1 Gi ( s) H i ( s)
当H(s)=1时，我们将系统称为单位反馈系统或全 反馈系统。
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。
机械控制工程基础习题答案
机械控制工程基础习题答案机械控制工程是一门涉及机械系统控制的学科，它主要研究如何设计和实现机械系统的自动化控制。
在学习机械控制工程的过程中，习题是不可或缺的一部分，它可以帮助我们巩固所学的知识，并提高解决实际问题的能力。
下面，我将为大家提供一些机械控制工程基础习题的答案，希望对大家的学习有所帮助。
1. 什么是机械控制系统？机械控制系统是由传感器、执行器、控制器和反馈环路组成的系统，它能够对机械系统进行自动化控制。
传感器用于感知机械系统的状态，执行器用于执行控制信号，控制器根据传感器的反馈信号对执行器进行控制，从而实现对机械系统的控制。
2. 什么是闭环控制系统？闭环控制系统是一种通过反馈信号来调整控制器输出的控制系统。
它通过比较实际输出与期望输出之间的差异，并根据差异的大小来调整控制器的输出，从而使实际输出逐渐接近期望输出。
3. 什么是开环控制系统？开环控制系统是一种没有反馈信号的控制系统。
它只根据输入信号来决定控制器的输出，而不考虑实际输出与期望输出之间的差异。
开环控制系统的输出结果受到外部干扰和系统参数变化的影响较大。
4. 什么是传感器？传感器是一种能够感知环境或物体特定参数的装置。
在机械控制系统中，传感器用于感知机械系统的状态，如位置、速度、力等，并将感知到的信息转化为电信号，供控制器使用。
5. 什么是执行器？执行器是一种能够执行控制信号的装置。
在机械控制系统中，执行器用于根据控制器的输出信号来执行相应的动作，如控制电机的转速、控制阀门的开关等。
6. 什么是PID控制器？PID控制器是一种常用的控制器，它根据误差、误差变化率和误差积分来调整控制器的输出。
PID控制器通过比较实际输出与期望输出之间的差异，并根据差异的大小来调整控制器的输出，使实际输出逐渐接近期望输出。
7. 什么是控制系统的稳定性？控制系统的稳定性是指在一定的输入条件下，系统的输出能够有限地保持在某个范围内，不会出现无限增长或发散的现象。
《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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
学习要求
需要大家具备一定的数学、力学、电学方面的基础
知识，还要有一定的机械工程方面的专业知识。需要
大家认真对待每次的课后练习环节。
主要教学内容
基本概念
机 械 控 制 工 程 基 础
基础知识
控制系统结构体系
控制系统数学模型 时域分析
分析方法
频域分析 系统稳定性判据
工程应用
数控机床、工业机器人、机床动态分析之一，强调用系统的、反馈的、控制的 方法来分析研究工程实际问题。
课程任务与学习要求 课程任务
通过课程教学，使学生掌握经典控制理论的基本原 理和思想方法，初步培养进行系统分析与校正的能力，
结合后续专业课程的学习，为将来在机械电子工程中
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
蒸汽机离心调速器
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
数控机床进给系统模拟图
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
在农业机械领域的应用
第一章 绪论
在日常生活中的应用
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
1954年我国科学家钱学森出版专著《工程控制论》 (英文版)，首先把控制论推广到工程技术领域。
二、机械工程控制论的研究对象
机械工程控制论 研究机械工程技术中广义系统的动力学问题 研究的对象：系统（广义系统） 研究的任务：动力学问题 研究的领域：机械工程领域
第一章 绪论
元素
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
授课方式与考核方式
授课方式
以电子工业出版社、玄兆燕编写的《机械工程控制
基础》为指导，利用多媒体课件为主、板书为辅进行
理论教学；
利用MATLAB/Simulink软件开展实验教学。
考核方式
平时作业5次，占总评成绩的20%；
实验2次，占总评成绩的10%；
期末闭卷考试，占总评成绩的70%。 出勤率低于1/3取消期末考试资格。
教室里的照明系统
控制系统——系统的可变输出，能按照要求由参考输
入或控制输入进行调节的系统
第一章 绪论
如: 空调
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
自动控制系统 教室中的风扇 人工控制系统
温度计
加热电阻丝
调压器
~220V
人工控制的恒温箱
第一章 绪论
比较 给定信号 u1
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
恒温恒湿试验箱又名环境试验箱，实验各种材料的耐热、耐寒 、耐干、耐湿性能。适合电子、电器、食品、车辆、金属、化 学、建材等实验
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
三、机械工程控制论的研究任务 动力学问题 即输入或激励，包括外加控制与外界干扰 ——机械工程技术中的广义系统在一定的外
界条件作用下，从一定的初始状态出发，经历由其内
域内的动态特性。
第一章 绪论
1.2 系统及其模型
二、机械系统 定义——以实现一定的机械运动，承受一定的机械载 荷为目的，由机械元件组成的系统。 如：
•当研究某台机床切削加工过程中的动力学问题时； 切削加工过程 •当研究此台机床加工的工件的某些质量指标时；工件
•当研究此台机床的操作者在加工过程中的作用时； 操作者
道路交通的应用——车牌自动识别
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
人形机器人
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
勇气号火星探测器（美国，2004）
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
自动火炮、导弹制导等高新领域的应用
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
生产系统
思维、学习、工作
机械工程中的广义系统: 元件、部件、仪器、设备; 加工过程、操作设备、测量;
车间、部门、工厂、企业、
企业集团、全球制造行业等
第一章 绪论
非控制系统 系统 控制系统
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
人工控制系统 自动控制系统
非控制系统——仅具有由人工开、关两种状态的系统
如：搅拌机 （视频链接）
控制工程基础
主讲教师：王晓云
参考教材
[1] 杨叔子、杨克冲.《机械工程控制基础》（第五版）. 武汉：华中科技大学出版社，2005年7月 [2]熊良才、杨克冲.《机械工程控制基础学习辅导与题 解》.武汉：华中科技大学出版社，2002年4月 [3]朱骥北.《机械控制工程基础》 (第15版）.北京：机械 工业出版社，2005年 [4]董景新、赵长德.《控制工程基础》(第3版）.北京： 清华大学出版社，2009年6月 [5]刘叔军、樊京. 《MATLAB控制系统应用与实例》.北 京：清华大学出版社，2008年5月
一、反馈的定义
系统的输出不断直接或经过中间变换后全部或部分 系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间之所 以有动态关系，就是由于系统本身存在着信息的反馈。 地返回到输入端，并与输入共同作用于系统的过程。 二、反馈的种类
1. 内反馈与外反馈 例1-2 发动机离心调速系统
在雷达领域的应用
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
海洋探测机器人
1990年日本海洋科技中心 研制的“海沟号”缆控式 无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
（ a）
2 cy (t ) (t+ (t+ y ) c x ) k kx (( tt )) （系统 b）解： (b) m (mp + cp kky )y( (tt) )=( cp )x
系统的固有特性: mp 2 + cp + k 系统的输入或激励: f(t)， x(t) 系统与外界之间的关系: 1， cp+k 代表了系统在一定外界条件下的动态历程 系统对输入的响应（系统的输出）：y(t)
反馈
1.4
系统的分类及对控制系统的基本要求
第一章 绪论
本章教学大纲
本章教学大纲
1. 了解机械工程控制论的基本概念、研究对象与任务；
2. 掌握系统、模型、反馈、偏差等基本概念；
3. 掌握反馈控制系统工作原理的分析；
4. 掌握控制系统的组成、分类及基本性能要求。
教学重点：反馈的基本概念、控制系统工作原理分析、
功率 电压 放大器 放大器 u
执行 电动机
减速器
u2 调压器
热电偶 加热电阻丝
~220V
恒温箱自动控制系统
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
根据自己的生活和学习经验，列举控制系统的例子 问题：1）普通全自动洗衣机 2）全自动照相机的闪光系统、调焦系统 3）饮水机，微波炉 4）抽水马桶水箱的液面自动调节器
3. 对于确定的输入，系统应具有什么特性，
才能使系统实现预期的响应？ 求系统(结构参数)
基本的动力学问题
第一章 绪论
研究任务:
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
已知系统和输入，求系统的响应(或输出)， 并通过响应来研究系统本身的问题 已知系统和系统的理想输出，设计输入 已知输入和理想输出时，设计系统 输出已知，确定系统，以识别 输入或输入中的的有关信息
部的固有特性所决定的整个动态历程； 研究这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动 即由系统的结构与参数所决定的特性 态关系。
下面，我们通过一个简单的例子，让大家更深刻的理解
“机械工程控制论的研究任务”这一问题。
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
例1-1 弹簧-质量-阻尼单自由度系统
（ b）
y(t)即微分方程的解，它是由系统的初始条件、系统的 固有特性、系统的输入及系统与输入之间的关系所决定。
第一章 绪论
问题：
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
1. 系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)？ 三者之间表现为何种关系？ 求输出 2. 系统确定并已知时，对系统施加何种输入， 能使系统实现预期的响应（即y(t)）？ 求输入
液面控制
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
工业：数控机床、轧钢机、恒温箱等
农业：恒温大棚、农业自动化机械 日常：冰箱、洗衣机、空调
应用范围
道路交通：信号灯控制、车牌自动识别
宇航：火箭、飞船、卫星 机器人、导弹制导、核动力等高新领域 生物、医学、环境、经济管理等其它
第一章 绪论
工业：
课程性质
控制论
经典控制理论
本课程的主要内容
现代控制理论 “机械控制工程基础”是控制论(Cybernetics)与机械工程 技术理论之间的边缘学科，侧重介绍机械工程的控制原 理，同时密切结合工程实际，是一门技术基础课程。 机械制造技术发展的一个明显而重要的趋势——越来 越广泛而深入地引入了控制理论。
系统——按一定规律联系在一起的元素的集合 元素之间的联系 外界对系统的作用 系统与外界的交互作用 系统对外界的作用 系统的要素
输入(激励) 干扰(扰动)
输出(响应)
系统的框图
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
广义系统——具备系统要素的一切事物或对象
机器系统
生命系统 社会经济系统
如:
在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。
动态模型是描述系统的动态历程的，机械工程控制 论研究的是机械工程技术中广义系统的动力学问题， 所以往往需要采用动态数学模型，即需要建立微分方 程或差分方程来描述系统的动态特性。