机械工程控制基础(绪论)
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。
机械工程控制基础绪论教学方法的探究
科技信息“机械工程控制基础”是机械类本科专业学生必修的一门重要专业基础课，课程的主要内容是根据控制论的理论基础，研究机械工程技术中广义系统的动力学问题[1]。
本课程的主要目的在于培养学生以动态、整体、联系的观点研究分析一个机械工程系统，运用控制论中的基本概念和方法，解决机械工程领域中有关自动控制及系统动力学方面的问题，并且也可为后续的机械类相关课程的学习，如测试技术、数控机床、机电一体化系统设计等打下一定的理论基础。
机械工程控制基础研究的问题带有普遍性，对工程实践具有重要的指导意义，该课程的开设对培养学生运用控制原理的基本方法，提高分析和解决各种工程问题的能力奠定扎实的理论基础。
但是，由于该门课程比较抽象，学生的学习热情不高，学习效果也不理想，甚至产生厌学的情绪。
“万事开头难”，而良好的开端，是成功的一半。
教学实践表明，认真讲好绪论课，是激发学生学习兴趣，提高其学习动力的重要途径之一。
通过绪论能让学生明白课程研究的主要内容，了解所学内容的发展过程和重要性，了解课程的特点和学习方法，激发学习兴趣，掌握科学的学习方法。
控制论不仅是一门重要的学科，而且是科学方法论之一[2]。
1.绪论内容安排人的各种活动都是由一定的动机所引发的，学生学习也总是为一定的学习动机所支配。
研究证明，学习动机与学习效率之间遵循“耶尔克兹—道德逊”定律，即一般说来，动机强度大，学习积极性高，学习的潜能就会得到最好的发挥，学习效率也高，而动机强度小或完全缺乏动机，则学习效率就差[3]。
因此，要使学生较好地掌握“机械工程控制基础”的知识乃至此学科方面的理论，那么激发他们的学习兴趣、学习动机至关重要。
绪论是课程的第一堂课，认真上好这堂课，能够极大地激发学生学习兴趣和动机。
绪论课程的教学内容，可以完全抛开课本原有的内容，结合机械类学生的特点，有的放矢地组织内容，循序渐进地安排顺序。
1.1内容一：这门课程讲授的主要内容是什么这是在讲这门课时必须首先要向学生解释清楚的问题。
机械控制工程基础 自动控制原理第一章 绪论
负（正）反馈：如果反馈回去的信号与系统的输入信号方向相反，称之
为负反馈；如果方向相同，则称之为正反馈。
内（外）反馈： 反馈控制：利用反馈信号对系统进行控制。
21
? 英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)。
蒸汽机离心调速器调速系统 结构示意图
22
? 英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)。
动态关系：系统在外界条件作用（输入或激励、包括控制与外界干扰）
下，从一定初始状态出发，所经历由内部的固有特性 （由系 统结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）
12
第一章 绪论
自动控制原理
汽车自动焊装生产线
第一章 绪论
自动控制原理
汽车风挡玻璃涂胶机器人
第一章 绪论
自动控制原理
人造卫星
第一章 绪论
给定n0 比较 机构
-
转换 机构
阀 门
蒸汽 q 系统
T 蒸汽机
实际n
离心机构
蒸汽机离心调速器调速系统 原理方框图
23
第四节 本课程的特点及学习方法
课程特点： 内容抽象、概括性强、涉及知识范围广。
学习方法： 1、准确使用数学结论，不必过分追求数学论证 2、对物理概念要明确掌握 3、做好笔记、作业、实验，有利于概念的理解
1、能满足自动化技术高度发展的需要
2、与信息科学和系统科学紧密相关
3、提供了辩证的系统分析方法
不但从局部，而且从整体认识和分析机械系统，改进 和完善机械系统，以满足科技发展和工业生产的实际需要。
课程的体系结构
1
一般 概念
2
系统 模型
时域法 3
《机械工程控制基础》课程教学大纲-版(可编辑修改word版)
《机械工程控制基础》课程教学大纲课程名称：机械工程控制基础英文名称：Control Fundamental of Mechanical Engineering课程编码：51510502学时/学分：36/2课程性质：必修课适用专业：机械类各专业先修课程：高等数学，理论力学，电工与电子技术，复变函数与积分变换（可选）一、课程的目的与任务《机械工程控制基础》是机械设计制造及其自动化专业的机械电子工程及相近专业方向的一门技术基础课。
本课程是在高等数学和工程数学（复变函数与积分变换）的知识基础上，结合力学、电学等相关知识，介绍机械工程类专业的重要理论基础之一——工程控制论。
这门学科既是一门广义的系统动力学，又是一种合乎唯物辩证法的思想论和方法论，对启迪与发展人们的思维与智力有很大的作用。
本课程的基本任务是将自动控制理论应用于机械工程实际，基本要求是在阐明机械工程控制论的基本概念、基本知识与基本方法的基础上，使学生学会建立和变换系统的数学模型，掌握控制系统的时间响应分析和频率特性分析方法，并在此基础上具备讨论控制系统的稳定性，以及系统分析和校正、系统辨识等问题的能力。
使学生以辩证方法冲破形而上学的思想方法，推动这一领域的生产与学科向前发展。
在学习本课程之前，学生应当从先修课程中获得动力学分析、电路分析的能力，了解微分方程求解知识和复变函数的概念，初步掌握积分变换及其逆变换的基本方法。
学习本课程之后，学生还应当注意结合其它机械工程学的知识，将控制理论应用到工程实践中去。
二、教学内容及基本要求第一章绪论教学目的和要求：本章首先阐述了机械工程控制基础这门课程的重要意义，然后介绍控制工程的基本思想、基本概念、控制系统的分类和基本要求，使学生了解机械工程控制论的研究对象与任务和系统、模型等知识，深刻理解反馈和反馈控制，接下来对控制理论的发展进行简单介绍。
教学重点和难点：1．系统及其模型2.反馈和反馈控制3.系统的基本要求教学方法与手段：以课堂讲授为主，注意举例和采用启发式教学，配合适当的课堂练习和课外作业。
机械工程控制基础(第一章)
形式也不同，下面分三种情况讨论：
•F(s)只含有不相同的极点
•F(s)包含共轭复数极点
•F(s)中包含有多重极点
6. Laplace变换的应用：解微分方程
用拉氏变换求解微分方程的一般步骤是： •对线性微分方程的每一项进行拉氏变换，使微分方程
变成以s变量的代数方程； •求解代数方程，得到输出变量象函数的表达式； •将象函数展开成部分分式； •对部分分式进行拉氏反变换，得到微分方程的解。
• 1948年：N. Wiener发表《控制论》，标志经 典控制理论基本形成。
• 1950年：W. R. Evans提出根轨迹法，并应用 于反馈控制系统的设计。
• 1954年：钱学森发表《工程控制论》。
在频域内，用传递函数分析单输入单输出系统 的稳定性和校正问题。
现代控制理论的发展（1954---至今）
1）脉冲信号
2）阶跃信号
3）斜坡信号------也称速度信号
4）抛物线信号----也称加速度信号
5）正弦信号
6）余弦信号
3. Laplace变换的基本定理
（一）线性定理 设F1(s)= L[f1(t)],F2(s)= L[f2(t)],a和b为常数，
则有：
L[af1(t)+bf2(t)]=aL[f1(t)]+bL[f2(t)] =aF1(s)+bF2(s)
1. laplace变换的定义
常称F(s)为f(t) 的变换函数或象函数，而f(t)为F(s) 的原函数。 在上式中，其积分下限为零，但严格说有0-和0+之分 。 对于在t=0处连续或只有第一类间断点的函数，0-和0+型的拉 氏变换是相同的，但对于在t=0处有无穷跳跃的函数，两种拉氏 变换的结果是不一致的。 为反映这些函数在[0-，0+]区间的表现，我们约定式中的积分 下限为0-。
机械工程控制基础
拉氏变换与反变换关系
t s
自动控制原理及其应用
复习
第二章 自动控制系统的数学模型 2.1 控制系统的微分方程
一、建立微分方程的步骤 � 确定系统的输入变量和输出变量； � 建立初始微分方程：即根据各环节所遵循的基本 物理规律，分别列出相应的微分方程，并构成微 分方程组； � 消去中间变量，写成标准形式。将与输入量有关 的各项写在方程的右边；与输出量有关的各项写 在方程的左边，方程两边变量的各导数项均按降 幂排列。
C ( s ) = R( s )G ( s )
自动控制原理及其应用
复习
例2-5，右图所示电路， 建立系统的微分方程 设初始条件为零，求 RLC网络传递函数。
L ui (t)
R C uo (t)
解：设电流如图所示，列写方程并整理得： d 2 uo ( t ) du o ( t ) LC + RC + uo ( t ) = ui ( t ) 2 dt dt 2 ( LC s + RCs + 1)U o ( s) = U i ( s ) 零初始条件下取拉氏变换得：
自动控制原理及其应用
复习
第三章 时域分析法 3.1 控制系统的性能指标
稳： 系统受脉冲扰动后能回到原来的平衡位置 稳：( ( 基本要求 基本要求 ) ) 系统受脉冲扰动后能回到原来的平衡位置
( ) 准 稳态输出与理想输出间的误差( 稳态误差) (稳态误差 )要小 : ( 准: ( 稳态要求 稳态要求 ） ）稳态输出与理想输出间的误差 稳态输出与理想输出间的误差 稳态输出与理想输出间的误差( 稳态误差 稳态误差) 要小
扰 动 期 望 液 位 浮子连杆 电位器 电 机 减速器 控制阀 出 水
C
机械工程控制基础
本章主要学习内容： 本章主要学习内容：
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 控制及自动控制系统的概念 控制及自动控制系统的概念 自动控制方式 控制系统的分类 控制系统的基本要求 控制理论发展概况
5
控制原理
武汉科技大学机械自动化学院
第一章 绪论
本章教学要求： 本章教学要求：
1. 2. 3. 4. 掌握控制系统的基本概念， 掌握控制系统的基本概念，了解自动控制系统的 基本结构、 基本结构、特点及工作原理 学会分析自动控制系统的类型及其本质特征 了解控制系统系能的基本要求 能够定性分析一般机电控制系统工作原理
2
控制原理
武汉科技大学机械自动化学院
第一章 绪论
课程性质及特点
本课程与其它课程的关系： 本课程与其它课程的关系：
信号与系统 电路理论 电机与拖动 大学物理 复变函数 电子技术 线性代数 微积分
自动控制理论
各 类 专业课 线性系统 现代控 制理论
3
控制原理
武汉科技大学机械自动化学院
第一章 绪论
本课程理论教学内容： 本课程理论教学内容：
15
控制原理
武汉科技大学机械自动化学院
第一章 绪论
1.2 自动控制方式
1、基本概念 例如对于图a所示系统, 例如对于图a所示系统,似 乎没有明显的反馈通道。 乎没有明显的反馈通道。 但由其力平衡方程： 但由其力平衡方程： F = m&& + ky y 以其质量m的位移y 以其质量m的位移y为系统 的输出，则上式可改写为： 的输出，则上式可改写为： y F m (a) k
1. 绪论 2. 系统的数学模型 3. 系统的时域分析 4. 系统的频率特性分析 5. 系统的稳定性 6. 系统的性能指标与校正
机械工程控制基础教案 第五版
机械工程控制基础
外反馈控制系统举例
第一章绪论
附加的反馈控制装置
机械工程控制基础 2.广义系统 广义系统—— 广义系统
比如： 比如： 、 、 、
第一章绪论 。
机械工程中的广义系统： 机械工程中的广义系统： 以实现一定的机械运动、承受一定的机械载荷为目的， 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，称为机械系统 机械系统。 由机械元件组成的系统，称为机械系统。 如：
机械工程控制基础
第一章绪论
机械工程控制基础
第一章绪论
（a） ）
（b） ）
同一系统，不同的输入 同一系统，不同的输入 系统
机械工程控制基础
（a）解： ）
第一章绪论
& f (t ) − ky (t ) − cy (t ) = m&&(t ) y
（a） ）
& 整理得： y 整理得： m&&(t ) + cy (t ) + ky (t ) = f (t )
全闭环反馈
机械工程控制基础
正反馈： 正反馈 加大偏差 加大偏差 如：自激振荡器、机器疲劳破坏 自激振荡器、
第一章绪论
检测偏差， 纠正偏差。 检测偏差，并纠正偏差。 偏差 如： 机床伺服系统
机械工程控制基础 负反馈举例
机床伺服控制系统
第一章绪论
负反馈控制原理图
负反馈控制方框图
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控制工程基础
4、主要参考书及其特点
作者：胡寿松 科学出版社
董景新、赵长德等编著 清华大学出版
控制工程基础
4、主要参考书及其特点
《工程控制论（新世纪版）》 钱学森
上海交通大学出版社
控制工程基础
5、课程各章节间的相互关系
控制系统的基本概念（1） 控制系统的数学模型（2） 控制系统的的分析（3、4、5）
• 理论性强、抽象程度高，知识点多，而且习题多 、难度大。
2、课程主要内容的讲授方式 • 依据教学大纲，适当补充一些内容。 • 根据不同章节内容分别采取叙述式、启发式、案
例式、讨论式、跳跃式、研究性等方法讲授。
控制工程基础
3、课程的教学目标和基本要求
• 了解控制系统的基本组成与结构的基础上， 学习建立系统的动态数学模型；对数学模型 的求解衍生出三种分析方法（时域分析法， 根轨迹法 ，频域分析法）；掌握控制系统 稳定性判别方法；具备根据控制系统性能指 标的要求进行系统校正和设计的能力。为今 后从事机电一体化大系统的分析和研究奠定 基础。
控制工程基础
1、什么是控制？
人操控开关点燃灯是不是控制？ “人猿相揖别，只几个石头磨过，小儿时节。”
人---控制者 工具---被控制者（被控对象） ---控制目标 控制（人工控制）--人制造或使用工具的有目的的行为。
工具（机器或设备）或生产过程能否可以脱离人自动的 工作 ？ 人类很早以前就进行过自动化的尝试，产生了许多早期成 果。
控制论的创始人是著名美国数学家维纳（WienerN）。 著作《控制论—关于动物和机器中的控制与通信的 科学》--1948年。控制论为人们对系统的管理和控 制提供了一般方法论的指导。
信息论是由美国数学家香农创立的。著作《通信的数 学理论》--1948年。信息论认为,系统正是通过获取、 传递、加工与处理信息而实现其有目的的运动的；信 息是一切系统保持一定结构、实现其功能的基础。
控制工程基础
维纳其人
• 1893年生，天才神童，美国人，哲学家、数学家。
• 3岁开始读书上，生物学和天文学的初级科学 读物成了他在科学方面的启蒙书籍。
• 11岁写出感知理论的哲学论文。 • 14岁塔夫茨学院大学毕业。 • 18岁哈佛大学哲学博士。 大器晚成的科学家 • 代表作：《人有人的用处》，《行为、目的、
控制工程基础
3、什么是自动控制？
• 机器、设备或生产过程（统称被控对象）自动地按照预
定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指 的是在没人参与的情况下，被控对象在控制装置干预下， 自动地按预定规律运行。
都江堰水利工程、指南车、地动仪，兰州水车都是离开 人的干预自动工作的。
控制工程基础
4、控制技术的现代应用
瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人
控制工程基础
火炮系统
控制工程基础
航天工程
控制工程基础
高铁技术
控制工程基础
四轴数控机床
控制工程基础
5、控制论简介
老三论（简称SCI ）
系统论的创始人是美籍奥地利生物学家贝塔朗菲。 著作《关于一般系统论》--1945年。系统论是研究 系统的模式、性能、行为和规律的一门科学。
控制工程基础
2、我国自动控制技术的早期成果
• 人类社会的历史就是改造自然、控制自然的历史。 • 始建于公元前256年
由分水鱼嘴、飞沙堰、
宝瓶口等部分组成。，
• 都江堰水利工程科学 地解决了江水自动分 流、自动排沙、控制 进水流量等问题，消 除了水患。
控制工程基础
2、我国自动控制技术的早期成果
• 相传早在5000多年前,黄 帝时代就已经发明了指南 车,当时黄帝曾凭着它在 大雾弥漫的战场上指示方 向,战胜了蚩尤。
时域分析（3） 根轨迹分析 频3） 根轨迹法 频域分析法（4）
控制工程基础
6、学时安排
序号
0 1 2 3 4 5 6
教学内容
教学环节（课时） 讲课 习题 讨论
前言
1
绪论
4
系统数学模型
14
1
系统时间响应分析
10
1
系统频率特性分析
8
1
系统的稳定性
请假。 • 尊重课堂，尊重劳动，也尊重自己。
控制工程基础
第1章 绪论
控制工程基础
第一章 绪论
主要内容：
• 控制与自动控制技术的应用成果 • 控制论简介 • 反馈控制系统的基本结构与组成 • 机械工程控制论的研究对象与任务 • 控制系统的分类与控制系统的基本要求（性能指标） • 自动控制的发展及现状
控制工程基础
2、我国自动控制技术的早期成果
• 地动仪是我古代汉族科学家 创造的一传世杰作，由东汉 时期天文学家张衡在阳嘉元 年(公元132年)发明，称为候 风地动仪，这也是世界上的 第一架地动仪。
控制工程基础
2、我国自动控制技术的早期成果
• 明嘉靖年间(公元一五二二年 至一五六六年)兰州人段续所 造,是一种利用黄河水流自然 的冲击力冲动车轮叶板，推动 水车转动，水斗便舀满河水， 将水提升20米左右，等转至顶 空后再倾入木槽，源源不断， 流入园地，以利灌溉。这种通 过水车转动，自动提水灌溉农 田的水利设施，是古代的“自 来水工程"。
7
1
系统的性能指标与校正 4
48
4
课外 2 3 26 10 10 8 12 71
小计 3 5 38 18 19 16 20 119
控制工程基础
8、其它要求
• 课前做好预习，带着问题听讲。 • 独立完成作业，杜绝抄袭作业现象。 • 保证课外自习的学习时间，培养独立学习的能力。 • 遵守纪律，不迟到、早退，更不能缺课。特殊情况必须
控制工程基础
0章 前言
控制工程基础
• 前言
1、课程简介 2、课程主要内容的讲授方式 3、课程的教学目标和基本要求 4、主要参考书及其特点 5、课程各章节间的相互关系 6、学时安排 7、其它要求
控制工程基础
1、课程简介 • 《控制工程基础》课程是机械工程类专业的一门
重要的学科基础课程，既是基础课的深入，又是 专业课的理论基础。
控制工程基础
4、主要参考书及其特点
中文名: 现代控制工程 原名: Modern Control Engineering Fifth Edition 作者: Katsuhiko Ogata 2003年电子工业出版社
中文名: 现代控制系统 原名: Modern Control Systems 作者: Richard C. Dorf Robert H. Bishop 2007年电子工业出版社