机械控制工程基础第一章
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控制工程基础第1章绪论
(6) 1954年美国德沃（George Devol）研制出第一台 工业机器人样机，两年后，被称为机器人之父的恩 格尔伯格 （Joseph Engelberger）创立了第一家机器 人公司－通用机器人（Unimation）
R.E. Kalman
(7) 1960年美籍匈牙利人卡尔曼（R. E. Kalman）发 表“控制系统全面理论”（“On the General Theory of Control Systems”）等论文，引入状态空间法分析系 统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础
(5) 1937年英国图灵（A. M. Turine）提出图灵计 算机的设想
(6) 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组 工作的申龙（C. Shannon） 1938年提出继电器逻辑 自动化理论，1948年发表专著《通信的数字理论》 (The Mathematical Theory of Communication)，奠 定了信息论的基础
(13) 1970年英国罗森布拉克（H.H
Rosenbrock ）发表“状态矢量空间与多变
量理论”（State Space and Multivariable
Theory）。 1974年加拿大旺纳姆（W.M
System)
(8) 1948年美国尹文思（W. Evans）提出根轨迹法 (Root Locus Method) ，完成了以单输入线性系统为 对象的经典控制研究工作。
(9) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包 括1942年史密斯（Ed. S. Smith）的《自动控制 工程学》（《Automatic Control Engineering 》）， 1945年H. Bode的《回路分析和反馈放 大器》（ 《 Network Analysis and Feedback Amplifier 》 ）， 1945年麦科尔（L.A. MacColl）的《伺服系统基本原理》（《 Fundamental Theory of Servomechanisms》） ，以及1954年钱学森的《工程控制论》(《 Engineering Cybernetics》)
控制工程基础习题课
按输出量的变化规律：
恒值控制系统（自动调节系统）： 系统的输出为恒定值。如恒温箱、液面控制等 此类系统同时也是闭环系统 程序控制系统： 系统的输出按规定程序变化。如数控加工系统 此类系统同时也是闭环系统
随动系统：
系统的输出相应于输入按任意规律变化。如炮瞄雷达系统 此类系统可以是开环系统，也可以是闭环系统
脉冲信号
等速和等加速信号
自动控制系统方框图的绘制步骤
• 分析控制系统的工作原理，找出被控对象； • 分清系统的输入量、输出量； • 按照控制系统各环节的定义，找出相应的 各个环节； • 按信息流动方向将各个环节用原件方框和 连线连接起来。
试说明如题图 (a)所示液面自动控 制系统的工作原理。若将系统的结 构改为如题图 (b)所示，将对系统 工作有何影响？
线性化的定义：
将一些非线性方程在一定的工作范围内用近似的线性方程来 代替，使之成为线性定常微分方程
2.2 系统的传递函数
传递函数：复数域中描述系统特性的数学模型
2.2 系统的传递函数
传递函数：复数域中描述系统特性的数学模型
E.g. 3 机械系统传递函数的建立：求图式所示系统的传递函数
1 确定系统的输入和输出：输入为f，输出为y。
1.4 自动控制系统的研究方法
基本问题：建立数学模型 、系统性能分析、控制器设计
分析： 在给定系统的条件下，将物理系统抽象成数学模型， 然后用已经成熟的数学方法和先进的计算工具来定性或 定量地对系统进行动、静态的性能分析。 综合： 在已知被控对象和给定性能指标的前提下，寻求控 制规律，建立一个能使被控对象满足性能要求的系统。 典型控制信号： 正弦信号 阶跃信号
1.2 反馈控制系统及其组成
闭环控制系统的组成：给定环节、测量环节、比较环节、放大及运算环 节、执行环节 给定环节：
机械控制工程基础习题集
《机械控制工程基础》习题及解答目录第１章绪论第２章控制系统的数学模型第３章控制系统的时域分析第４章控制系统的频域分析第５章控制系统的性能分析第６章控制系统的综合校正第７章模拟考试题型及分值分布第1章绪论一、选择填空题1。
开环控制系统在其控制器和被控对象间只有（正向作用）.P2A。
反馈作用 B.前馈作用 C。
正向作用 D。
反向作用2.闭环控制系统的主反馈取自（被控对象输出端）。
P3A.给定输入端B.干扰输入端 C。
控制器输出端 D。
系统输出端3。
闭环系统在其控制器和被控对象之间有（反向作用）。
P3A.反馈作用B.前馈作用 C。
正向作用 D.反向作用A。
输入量 B。
输出量 C。
反馈量 D。
干扰量4.自动控制系统的控制调节过程是以偏差消除(偏差的过程）。
P2-3A。
偏差的过程 B。
输入量的过程 C.干扰量的过程 D.稳态量的过程5.一般情况下开环控制系统是（稳定系统)。
P2A.不稳定系统B.稳定系统 C。
时域系统 D。
频域系统6.闭环控制系统除具有开环控制系统所有的环节外，还必须有（B)。
p5A.给定环节B.比较环节 C。
放大环节 D.执行环节7.闭环控制系统必须通过（C）。
p3A.输入量前馈参与控制 B。
干扰量前馈参与控制C。
输出量反馈到输入端参与控制 D。
输出量局部反馈参与控制8.随动系统要求系统的输出信号能跟随(C的变化)。
P6A。
反馈信号 B。
干扰信号 C。
输入信号 D。
模拟信号9。
若反馈信号与原系统输入信号的方向相反则为（负反馈）。
P3A。
局部反馈 B。
主反馈 C.正反馈 D.负反馈10．输出量对系统的控制作用没有影响的控制系统是（开环控制系统)。
P2A。
开环控制系统 B。
闭环控制系统 C.反馈控制系统 D.非线性控制系统11。
自动控制系统的反馈环节中一般具有（ B ）。
p5A。
.给定元件 B.检测元件 C．放大元件 D．执行元件12. 控制系统的稳态误差反映了系统的〔B 〕p8A. 快速性B.准确性C. 稳定性 D。
机械控制工程基础-总复习
推论：
d n xt n 0 sx n 2 0 x n 1 0 L n s X s s n 1 x0 s n 2 x dt
零初始条件
0 若：x 0 x x 0 x n 2 0 x n 1 0 0 d n x t n L s X s n dt
一、典型输入信号（掌握）
1. 阶跃函数 2. 斜坡函数 3. 加速度函数 4. 脉冲函数
5. 正弦函数
二、一阶系统的瞬态响应（掌握）
闭环传递函数 输入信号 输出响应
t 1 T e T
ess
0 0
(t )
(t 0)
1 Ts 1
1(t )
1e
t T
(t 0)
t T
t
t
1 2 t 2
t T Te
t 0
T
∞
1 2 2 t Tt T (1 e T ) t 0 2
等价关系： 系统对输入信号导数的响应，就等于系统对该输入信号响应的导数； 系统对输入信号积分的响应，就等于系统对该输入信号响应的积分。
三、二阶系统的瞬态响应
X i s
-
×
n ss 2 n
jV
0 2
G j
K U 0
0 0
jV
[G j ]
nm 3
nm 2
0
U
0 1
n m 1
乃氏图的终点
乃氏图的起点
三、频率响应的对数坐标图—伯德图
1.伯德图的定义（掌握）
由两张图组成。纵坐标分别为
对数幅频特性： L 20lg G j
机械控制基础第1章课件
执行环节——它接收放大环节送 来的控制信号，驱动被控对象按 照预期的规律运行。
编辑版pppt
66
闭环自动控制系统的特点：
利用输入信息与反馈至输入 处的信息之间的偏差对系统的输 出进行控制，使被控对象按一定 的规律运动。
编辑版pppt
67
反馈作用：
力图减小反馈信息与输入信息之 间的偏差，尽可能获得所希望的输 出。因为只要偏差存在，系统的输 出就要受到偏差的校正。偏差越大， 校正作用越强；偏差越小，校正作 用越弱，直至偏差趋向最小。
编辑版pppt
47
图1.3.3 (a) 系统本身的信息传输与交换
编辑版pppt
48
图1.3.3 (b) 系统本身信息传输与交换
编辑版pppt
49
图1.3.3 © 系统本身信息传输与交换
编辑版pppt
50
（四）系统的分类及 对控制系统的基本要求
编辑版pppt
51
一、系统的分类
编辑版pppt
52
3）当系统的输入f(t），x(t)与输出y(t) 已知时，求系统的m，c，k。
编辑版pppt
12
线性系统的动力学方程可用 高阶线性微分方程表示如下：
编辑版pppt
13
1）
为
方程的左端的算子，它反映了系
统本身的固有特性。
2）
为
方程的右端的算于，它反映了系
统与外界之间的关系。
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14
3）
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64
测量环节——它用于测量被控变 量，并将被控变量转换为便于传 送的另一物理量(一般为电量)。
比较环节——在这个环节中，输 入关被信控号变xi与量测x0量的环反节馈发量出xb来相的比有较， 并得到一个小功率的偏差信号。
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66
闭环自动控制系统的特点：
利用输入信息与反馈至输入 处的信息之间的偏差对系统的输 出进行控制，使被控对象按一定 的规律运动。
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67
反馈作用：
力图减小反馈信息与输入信息之 间的偏差，尽可能获得所希望的输 出。因为只要偏差存在，系统的输 出就要受到偏差的校正。偏差越大， 校正作用越强；偏差越小，校正作 用越弱，直至偏差趋向最小。
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图1.3.3 (a) 系统本身的信息传输与交换
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图1.3.3 (b) 系统本身信息传输与交换
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图1.3.3 © 系统本身信息传输与交换
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50
（四）系统的分类及 对控制系统的基本要求
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51
一、系统的分类
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52
3）当系统的输入f(t），x(t)与输出y(t) 已知时，求系统的m，c，k。
编辑版pppt
12
线性系统的动力学方程可用 高阶线性微分方程表示如下：
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13
1）
为
方程的左端的算子，它反映了系
统本身的固有特性。
2）
为
方程的右端的算于，它反映了系
统与外界之间的关系。
编辑版pppt
14
3）
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64
测量环节——它用于测量被控变 量，并将被控变量转换为便于传 送的另一物理量(一般为电量)。
比较环节——在这个环节中，输 入关被信控号变xi与量测x0量的环反节馈发量出xb来相的比有较， 并得到一个小功率的偏差信号。
机械控制工程基础复习课
例2：系统传递函数方框图简化
前向通道 ： G1G2G3
反馈回路： L1：G1、G2、G3 相加点处 "" L2：G1、G2、H1 相加点处 "" L3：G2、G3、H 2 相加点处 ""
各反馈回路有公共传递 函数方框
例3：求如图所示系统的传递函数
Gs
X O s 前向通道的传递函数之 积 X i s 1 （每一反馈回路的开环 传递函数之积）
自动控制系统的基本组成： 输 入 串联 校正 元件 输 对 出 象
给定 元件
+
-
+
-
放大 元件
执行 元件
反馈校正 元件
测量变送 元件
给定元件：其职能是给出与期望的输出相对应的 系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。
测量元件：其职能是检测被控量，如果测出的物 理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，以 便利用电的手段加以处理。 比较元件：其职能是把测量元件检测到的实际输 出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之 间的偏差。 放大元件：其职能是将过于微弱的偏差信号加以 放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。 执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被 控量发生变化。 校正元件：为改善或提高系统的性能，在系统基 本结构基础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称 为调节器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。
第三章
☆ ☆ ☆ ☆
时间响应分析
☆ ☆ ☆ ☆
本章主要内容 典型时间信号 一阶系统的时间响应 二阶系统的时间响应 系统的误差分析与计算 本章重点与难点 一阶系统的单位阶跃响应 二阶系统的单位阶跃响应 二阶系统的性能指标 稳态误差分析与计算
机械控制工程基础习题集
《机械控制工程基础》习题及解答目录第１章绪论第２章控制系统的数学模型第３章控制系统的时域分析第４章控制系统的频域分析第５章控制系统的性能分析第６章控制系统的综合校正第７章模拟考试题型及分值分布第1章绪论一、选择填空题1.开环控制系统在其控制器和被控对象间只有（正向作用）。
P2A.反馈作用B.前馈作用C.正向作用D.反向作用2.闭环控制系统的主反馈取自（被控对象输出端）。
P3A.给定输入端B.干扰输入端C.控制器输出端D.系统输出端3.闭环系统在其控制器和被控对象之间有（反向作用）。
P3A.反馈作用B.前馈作用C.正向作用D.反向作用A.输入量B.输出量C.反馈量D.干扰量4.自动控制系统的控制调节过程是以偏差消除（偏差的过程）。
P2-3A.偏差的过程B.输入量的过程C.干扰量的过程D.稳态量的过程5.一般情况下开环控制系统是（稳定系统）。
P2A.不稳定系统B.稳定系统C.时域系统D.频域系统6.闭环控制系统除具有开环控制系统所有的环节外，还必须有(B)。
p5A.给定环节B.比较环节C.放大环节D.执行环节7.闭环控制系统必须通过（C）。
p3A.输入量前馈参与控制B.干扰量前馈参与控制C.输出量反馈到输入端参与控制D.输出量局部反馈参与控制8.随动系统要求系统的输出信号能跟随（C的变化）。
P6A.反馈信号B.干扰信号C.输入信号D.模拟信号9.若反馈信号与原系统输入信号的方向相反则为（负反馈）。
P3A.局部反馈B.主反馈C.正反馈D.负反馈10．输出量对系统的控制作用没有影响的控制系统是（开环控制系统）。
P2A.开环控制系统B.闭环控制系统C.反馈控制系统D.非线性控制系统11.自动控制系统的反馈环节中一般具有（ B ）。
p5A..给定元件B.检测元件 C．放大元件 D．执行元件12. 控制系统的稳态误差反映了系统的〔 B 〕p8A. 快速性B.准确性C. 稳定性D.动态性13.输出量对系统的控制作用有直接影响的系统是（ B ）p3A.开环控制系统B.闭环控制系统C.线性控制系统D.非线性控制系统14.通过动态调节达到稳定后，被控量与期望值一致的控制系统为（无差系统）。
《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。
控制工程基础—第1章绪论
三 .反馈控制系统的基本组成
一个典型的反馈控制系统应该包括给定元件、反 馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正 元件等。
给定 元件 比较元件 扰动 串联校正 元 件 +放大变 换元件 执行 元件 输出 控制 信号 对象 xo
+输入 偏差 信号 xi 信号 e
并联校正 元 件 局部反馈 反馈元件 主反馈
图1-2 人工控制的恒温箱
人工控制恒温的过程可归结如下：
1. 观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱（被 控制元件）的温度； 2. 与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏 差的大小和方向； 3. 根据偏差大小和方向再进行比较控制：当温度 高于所要求的给定温度值时，就调节调压器动 触头使电压减小，温度降低；若温度低于给定 的值，则调节调压器动触头，使电压增加，温 度升高； 4. 如温度还达不到要求时，要反复进行上面的步 骤操作。 因此，人工控制的过程就是测量、求偏差、再控 制以纠正偏差的过程。也就是“检测偏差用以 纠正偏差”的过程。
自动控制？
是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器 （机械装臵、电气装臵或电子计算机）使生产 过程或被控制对象（机器、设备）的某一物理 量（温度、压力、液面、流量、速度、位移等） 自动地按照预定的规律运行。
例如： 电冰箱自动地控制冰箱中的温度恒定； 无塔供水系统保证楼宇自动恒压供水； 加工中心根据加工工艺的要求，能够自动地 按照一定的加工程序加工出所需要的工件。
所谓系统的动态性能，主要分如下三类 1.已知系统的参数m、k、f及输入x(t)，确 定输出y(t)； 2.已知输入x(t)及输出y(t)，确定系统的参数 m、k及f； 3.已知系统的参数m、k及f，给定输出y(t)时， 确定输入x(t)。
机械工程控制基础chapter1精品PPT课件
➢控制理论形成基础
控制论中的三要素：同构理论，信息的流动与交换，反
馈机制。 控制论中的同构理论：小孩取物
感觉器官：眼、耳… 中枢决策器官：大脑 执行器官：手、脚…
火炮打飞机
➢小结
• 尽管机器与动物在本质上有着天壤之别，有着有生 命和无生命的差别，但从机器控制的动作和人的行 为过程来看，他们有着相当确切的“同构性”，这 就是在实现机器动作和人的行为过程中，无一例外 的经过了检测、决策、执行三个环节。
译者：卢伯英 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 译者：沈卫红 2007年电子工业出版社
控制技术的应用
控制技术的应用
控制技术的应用
控制技术的应用
控制技术的应用
5、关联知识：高数、工程力学、电工电子技术、液压传动等。
6、服务课程： 传感器与检测技术、电液控制技术、机电一体化系统、计算
机控制技术，数控技术Байду номын сангаас。
参考资料
中文名: 现代控制工程 原名: Modern Control Engineering Fifth Edition 作者: Katsuhiko Ogata
控制技术的应用
第一章 绪论
1.1 控制论概述
➢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、
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- 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)。
别输入或输入中的有关信息。 ➢ 系统辨识问题：已知输入和输出，要识别系统的结构和参
数，建立系统的数学模型。
三、反馈
1.信息
定义1：一切能表达一定意义的信号、符号和密码等。 如：报纸，烽火，电报，记号、手势等等
定义2：能够用来消除不确定性的东西。如： 报纸（过时、适时），情报（过时，适时），足球比赛 （势均力敌，势力悬殊），书籍（好，差）等 定义3：事物运动的状态和方式。如：
轧钢过程、工业窑炉、石油化工、水泥建材、玻璃、造纸等 现代农业生产
自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测等。 其他领域
通信、交通、医学、环境保护、经济管理等
6.个人日常生活和工作 电冰箱、电饭煲、空调器、音响、收音机等等
7. 方法论 “反馈控制的思想”
一、概述
控制：施加某种操作于对象，使其产生所期望的行为。
二、机械工程控制论研究对象与任务
2. 系统的动力学问题 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。 研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。
二、机械工程控制论研究对象与任务
机械工程控制基础
教材：
杨叔子等,机械工程控制基础,华中科技大学出版社,(第六 版),2011
参考文献：
1.胡寿松等,自动控制原理,科学出版社,(第五版),2009. 2.李友善.自动控制原理,国防工业出版社,2010. 3.陈康宁.机械工程控制基础.西安交通大学出版社.2005. 4.Matlab使用手册
控制的三要素
控制对象、控制目标、控制手段（装置、算法等）
可控性与能控性
控制对象有多种运动状态的可能性； 能够通过控制手段使控制对象的状态达到控制目标
控制论的方法论
明确事物发展的多种可能性 确定其中一种可能性为控制目标 实施控制实现控制目标
二、机械工程控制论研究对象与任务
机械工程控制论研究机械工程技术中的广义系统动力学问题。 1.系统：元素按一定规律组合起来的能完成一定 功能的集合。
如：离心调速系统 液面控制 动物捕食 火炮自动瞄准 学习和工作中的负反馈
检测偏差 实施控制 纠正偏差
M easured speed
M etal sphere G overnor
B oiler S te a m
Valve
O utput shaft
E n g in e
图1.1 蒸汽机离心调速器
自动控制：由控制装置自动完成，无需人的参与。
图1.2 液位人工控制
检测偏差
实施控制
图1.3 液位自动控制
消除偏差
的动态特性. 使用:系统的动态特
性(安全、性能) 维护：监测与故障预
测、诊断
3.动态测试、信号处理（信号与系统）
传感器的选择、信号预处理器的设计、数字信号的处理、特征提取
加工状态监控
喷气发动机性能监控
4.生产组织管理（过程的优化）
5.其他工程应用
军事、航天领域
火炮、雷达、跟踪系统
研究任务
➢ 系统分析问题：已知系统和输入，求输出（或响应），并 通过响应来研究系统本身的问题。
➢ 最优控制问题：已知系统和理想输出，求最优输入，使实 际输出满足要求。
➢ 最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。 ➢ 滤波与预测问题：设计或选择合适的系统，以便由输出识
第一章 绪论
为什么要学控制论？
1.机电一体化产品的出现与逐渐普及
“机”+“电”?
“信息传递与交换” 控制论、系统论、 信息论、微电子技 术（计算机技术） 相结合的产品
2.机械系统朝高速、高负载、超精密、超大型或超微型等方向 发展。（设计、制造、使用、维护）“动态”
设计: 动态设计 制造: 关注制造过程
外部行为) “外因” (输入、干扰)是运动的条件 “内因”(系统的固有特性)是运动的根据
二、机械工程控制论研究对象与任务
控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科
经济学
经济控制论
控制论
社会学 生物学
社会控制论 生物控制论
工程技术
工程控制论
机械工程
机械工程控制论
共同的本质特点：通过信息传递，处理与反馈进行控制
例：弹簧-质量-阻尼单自由度系统
(a)
(b)
(m p2cpk)y(t)f(t) (m p 2 c p k )y (t) (c p k )x (t)
初始状态：
y(0)y , 0
.
.
y(0) y0
系统固有特性： mp2 cpk
外界作用： f (t) , x(t)
与外界的关系： 1, cpk
初始状态、系统 固有特性、外界 作用、与外界的 关系等四大因素 决定系统响应
离心滑套下移 滑阀回复中位，
w回到设定值
w反过来对系统产生作用
例2. 加工过程
理想零件
加工过程示意图
s-a
切削运动
+
+
y
力 刀具刀架系统
切削
零件
r
例3.
外反馈(反馈控制)：附加反馈控制装置引起信息交互 内反馈：
负反馈：输出(被控量)偏离设定值(目标值)时，反馈作用使输 出偏离程度减小，并力图达到设定值。
元素 要素 元素之间的联系
外界对系统的作用：输入、干扰 系统与外界的交互作用
系统对外界响应：输出
外界的作用
系统的响应
信息的传递 与交互
二、机械工程控制论研究对象与任务
系统普遍存在信息的传递、交互与反馈是控制论的中心思想 控制论：技术学科、技术哲学、科学方法论
控制论强调： 对象是一个“系统”； 系统不断“运动” (经历动态历程，包括内部状态和
体温——人体状态； 设备的振动、噪声、温度等——设备的状态 设计图纸——产品状态（产品信息） 工艺卡——制造过程状态（工艺信息）
反馈：系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分地返回， 并作用于系统。 例1. 控制原理：
负载减小，使w增加
离心机构滑套上移
液压滑阀上移， 动力活塞下移，
油门关小，w减小
二、机械工程控制论研究对象与任务
系统的层次性与相对性： 系统的组成元素可以是子系统； 又可是更上一层系统的组成元素。
广义系统： 具备系统要素的一切事物或对象 如：机器系统、生产系统、生命系统、 思维、学习、工作， 社会、经济系统等
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、全球制造业
数，建立系统的数学模型。
三、反馈
1.信息
定义1：一切能表达一定意义的信号、符号和密码等。 如：报纸，烽火，电报，记号、手势等等
定义2：能够用来消除不确定性的东西。如： 报纸（过时、适时），情报（过时，适时），足球比赛 （势均力敌，势力悬殊），书籍（好，差）等 定义3：事物运动的状态和方式。如：
轧钢过程、工业窑炉、石油化工、水泥建材、玻璃、造纸等 现代农业生产
自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测等。 其他领域
通信、交通、医学、环境保护、经济管理等
6.个人日常生活和工作 电冰箱、电饭煲、空调器、音响、收音机等等
7. 方法论 “反馈控制的思想”
一、概述
控制：施加某种操作于对象，使其产生所期望的行为。
二、机械工程控制论研究对象与任务
2. 系统的动力学问题 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。 研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。
二、机械工程控制论研究对象与任务
机械工程控制基础
教材：
杨叔子等,机械工程控制基础,华中科技大学出版社,(第六 版),2011
参考文献：
1.胡寿松等,自动控制原理,科学出版社,(第五版),2009. 2.李友善.自动控制原理,国防工业出版社,2010. 3.陈康宁.机械工程控制基础.西安交通大学出版社.2005. 4.Matlab使用手册
控制的三要素
控制对象、控制目标、控制手段（装置、算法等）
可控性与能控性
控制对象有多种运动状态的可能性； 能够通过控制手段使控制对象的状态达到控制目标
控制论的方法论
明确事物发展的多种可能性 确定其中一种可能性为控制目标 实施控制实现控制目标
二、机械工程控制论研究对象与任务
机械工程控制论研究机械工程技术中的广义系统动力学问题。 1.系统：元素按一定规律组合起来的能完成一定 功能的集合。
如：离心调速系统 液面控制 动物捕食 火炮自动瞄准 学习和工作中的负反馈
检测偏差 实施控制 纠正偏差
M easured speed
M etal sphere G overnor
B oiler S te a m
Valve
O utput shaft
E n g in e
图1.1 蒸汽机离心调速器
自动控制：由控制装置自动完成，无需人的参与。
图1.2 液位人工控制
检测偏差
实施控制
图1.3 液位自动控制
消除偏差
的动态特性. 使用:系统的动态特
性(安全、性能) 维护：监测与故障预
测、诊断
3.动态测试、信号处理（信号与系统）
传感器的选择、信号预处理器的设计、数字信号的处理、特征提取
加工状态监控
喷气发动机性能监控
4.生产组织管理（过程的优化）
5.其他工程应用
军事、航天领域
火炮、雷达、跟踪系统
研究任务
➢ 系统分析问题：已知系统和输入，求输出（或响应），并 通过响应来研究系统本身的问题。
➢ 最优控制问题：已知系统和理想输出，求最优输入，使实 际输出满足要求。
➢ 最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。 ➢ 滤波与预测问题：设计或选择合适的系统，以便由输出识
第一章 绪论
为什么要学控制论？
1.机电一体化产品的出现与逐渐普及
“机”+“电”?
“信息传递与交换” 控制论、系统论、 信息论、微电子技 术（计算机技术） 相结合的产品
2.机械系统朝高速、高负载、超精密、超大型或超微型等方向 发展。（设计、制造、使用、维护）“动态”
设计: 动态设计 制造: 关注制造过程
外部行为) “外因” (输入、干扰)是运动的条件 “内因”(系统的固有特性)是运动的根据
二、机械工程控制论研究对象与任务
控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科
经济学
经济控制论
控制论
社会学 生物学
社会控制论 生物控制论
工程技术
工程控制论
机械工程
机械工程控制论
共同的本质特点：通过信息传递，处理与反馈进行控制
例：弹簧-质量-阻尼单自由度系统
(a)
(b)
(m p2cpk)y(t)f(t) (m p 2 c p k )y (t) (c p k )x (t)
初始状态：
y(0)y , 0
.
.
y(0) y0
系统固有特性： mp2 cpk
外界作用： f (t) , x(t)
与外界的关系： 1, cpk
初始状态、系统 固有特性、外界 作用、与外界的 关系等四大因素 决定系统响应
离心滑套下移 滑阀回复中位，
w回到设定值
w反过来对系统产生作用
例2. 加工过程
理想零件
加工过程示意图
s-a
切削运动
+
+
y
力 刀具刀架系统
切削
零件
r
例3.
外反馈(反馈控制)：附加反馈控制装置引起信息交互 内反馈：
负反馈：输出(被控量)偏离设定值(目标值)时，反馈作用使输 出偏离程度减小，并力图达到设定值。
元素 要素 元素之间的联系
外界对系统的作用：输入、干扰 系统与外界的交互作用
系统对外界响应：输出
外界的作用
系统的响应
信息的传递 与交互
二、机械工程控制论研究对象与任务
系统普遍存在信息的传递、交互与反馈是控制论的中心思想 控制论：技术学科、技术哲学、科学方法论
控制论强调： 对象是一个“系统”； 系统不断“运动” (经历动态历程，包括内部状态和
体温——人体状态； 设备的振动、噪声、温度等——设备的状态 设计图纸——产品状态（产品信息） 工艺卡——制造过程状态（工艺信息）
反馈：系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分地返回， 并作用于系统。 例1. 控制原理：
负载减小，使w增加
离心机构滑套上移
液压滑阀上移， 动力活塞下移，
油门关小，w减小
二、机械工程控制论研究对象与任务
系统的层次性与相对性： 系统的组成元素可以是子系统； 又可是更上一层系统的组成元素。
广义系统： 具备系统要素的一切事物或对象 如：机器系统、生产系统、生命系统、 思维、学习、工作， 社会、经济系统等
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、全球制造业