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《机械工程控制基础》(杨叔子主编)第一章+绪论

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机械工程控制基础(绪论)

机械工程控制基础(绪论)

第一章 绪论
补充知识 自动控制理论的发展
自动控制理论是研究自动控制共同规 律的技术科学。既是一门古老的、已臻成 熟的学科，又是一门正在发展的、具有强 大生命力的新兴学科。从1868年马克斯威 尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判 据至今一百多年里，自动控制理论的发展 可分为四个主要阶段：
收音机、汽车电话、业余电台
第一章 绪论 21世纪 绿色 环保汽车EV
EV?
无废气排放 ( 零 排放)
高效率
安全、舒适、可靠
E第V一章 绪论
汽车照明、 电动转向、空调、 音响、雨刷、安全
报警、电动门窗 …….
机 控制 电
机械 控制 电 子
机电一体化
第一章 绪论
基于CAN总线的汽车内部控制示意图
第一章 绪论
广义系统：具备系统要素的一切事物或对象，如机器 系统、生命系统、社会系统、生产系统、思维、学习等。
机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加工 过程、测量、车间、部门、工厂、企业、企业集团等。
第一章 绪论
2、动力学问题:
系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外 界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固 有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历 程（输出或响应）。
第一章 绪论
智能控制
是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控 制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环 境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据 人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能 才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型 的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突 变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格 的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的 过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则

《机械控制工程基础》-1绪论

《机械控制工程基础》-1绪论
2）输出信号（又称输出量、被控制量或被调整 量）：它的变化规律是要加以控制的，应保持与 输入信号之间有一定的函数关系。
3）反馈信号（或称反馈）：从系统（或元件）输出端 取出信号，经过变换后加到系统（或元件）输入端，这 就是反馈信号。
第三十五页，编辑于星期五：点 七分。
控制工程基础
4）偏差信号（或称偏差）：它是控制信号与主反 馈信号之差。有时也称为作用误差。
报警、电动门窗 …….
机 控制 电
机械 控制 电 子
机电一体化
第十二页，编辑于星期五：点 七分。
控制工程基础
1.1 控制系统的工作原理及其组成
1.1.1工作原理 实现恒温控制有人工控制和自动控制两种
办法。
图1.1 人工控制的恒温箱
第十三页，编辑于星期五：点 七分。
控制工程基础
人工调节过程可归结如下： 1．观测由测量元件（温度计）测出的
第八页，编辑于星期五：点 七分。
引言
控制系统的控制：人工控制与自动控制。
自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用
控制器（外加的设备或控制装置），使生产过程 或控制对象（机器、设备）的某个工作状态或参 数（温度、压力、流量、位移速度等）自动地按 照预定的规律运行。
在现代科学技术的众多领域中，自动控制技 术起着越来越重要的作用。
5）误差信号（或称误差）：它是指系统输出量的 实际值与希望值之差。在很多情况下，希望值就是 系统的输入量。这里要注意，误差和偏差不是同一 概念。只有在单位反馈系统中，误差才等于偏差。
6）扰动信号（又称扰动或干扰）：除控制信号以 外，对系统输出量产生影响的因素都叫扰动。如果扰 动产生在系统内部，称为内扰；产生在系统外部，则 称外扰。外扰动也是系统的一种输入量。

机械工程控制基础 华中科大第7版 第1章绪论

机械工程控制基础 华中科大第7版 第1章绪论

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
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
非控制系统
系统
人工控制系统
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 教室里的照明系统
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。
第一章 绪论
1.3 反馈
1.3 反馈
反馈是机械工程控制论中一个最基本、最重要的概念
例1-1 弹簧-质量-阻尼单自由度系统
系统（a）
系统（b）
m-c-k单自由度系统
同一系统，不同的输入
第一章 绪论
1.1 机械工程控制论的研究对象与任务
动力学方程：
(令a)解p=：d/dft(（t) 微k分y(t算) 子cy）(t) my(t)
系整统理(得a) ：(mmpy2(+t)cpc+y(kt))y(tk)=y(ft()t) f (t)
输入——激励（外界对系统的作用，如载荷等） 输出——响应（系统对外界的作用，如变形、位移）
第一章 绪论
1.2 系统及其模型
激 控制输入——人为地、有意识地加上去； 励 扰动——偶然因素产生而一般无法完全人为
控制的（干扰）；
三、数学模型 模型的定义——研究系统、认识系统、描述系统与分
析系统的一种工具。 模型的种类——实物模型、物理模型和数学模型等。

机械工程控制基础课件第1章

机械工程控制基础课件第1章

数字化的输入指令脉冲对应数字化的位置输出
控制装置发出指令脉冲驱动步进电机，控制工作台的移动 量。
对工作台的实际移动量不作检测。
20
(b)有反馈——采用伺服电动机
将输入的电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。
检测装置随时测定工作台的移动量，反馈到输入端，与控制
指令的期望值比较，根据工作台实际移动量与期望值之间的 偏差决定控制动作，达到消除偏差的目的。
34

拉氏变换是将时间函数f(t)变换为复变函数F(s)，或作 相反变换；是求解常系数线性微分方程的工具。

时域(t)变量t是实数，复频域F(s)变量s是复数。变量s 又称“复频率”。
拉氏变换建立了时域与复频域(s域）之间的联系。 应用拉氏变换： （1）求解方程得到简化。且初始条件自动包含在变 换式里。 （2）拉氏变换将“微分”变换成“乘法”。
程序控制系统：系统的输出按预定程序变化。 开环或闭环系统，如：数控机床、全自动洗衣 机等
24
3.按线性性质分类
线性控制系统：系统由线性元件组成，由线性微分方程描述。 叠加性和齐次性是线性系统的特征。
线性定常系统：线性微分方程的各项系数为常数。 线性时变系统：线性微分方程的系数是时间的函数。 非线性控制系统：由非线性微分方程描述的系统。 非线性微分方程：微分方程的系数与自变量有关。
研究对象：
——研究机械工程技术中广义系统的动力学问题。
研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。 研究的是机械工程技术中的广义系统在一定的外界条件（即输 入或激励）作用下，从系统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。
12

机械工程控制基础_第1章 绪论

机械工程控制基础_第1章 绪论

外界的作用。
机械工程控制基础
第1章 绪论
输入 系统 输出
图1.1-1 系统及其与外界的联系
机械工程控制基础
第1章 绪论
1.2.1 系统方框图及其组成 系统方框图由许多对信号（量）进行单向传递的元件方框
和些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界进行信 息交换的关系。
系统方框图包括以下三个基本的单元： （1）引出点（分支点） 表示信号的引出或信号的分支， 箭头表示信号的传递方向，线上标记信号的名称，如图1.2-1 （a）所示。 （2）比较点（相加点） 表示两个或两个以上的信号进行 相加或相减运算。“+”表示信号相加，“-”表示信号相减， 如图1.2-1（b）所示。 （3）元件方框 方框中写入元件、部件的名称，进入箭头 表示其输入信号，引出箭头表示其输出信号，如图l.2-1（c） 所示。
机械工程控制基础
第1章 绪论
1.2.3 控制系统的基本概念 控制 通过对一定对象实施一定的操作，使其按 照预定的规律运动或变化的过程。 被控对象 在控制理论和控制技术中，运动规律或 状态需要控制的装置称为被控对象（控制对象）。 被控对象可大可小，甚至可“实”可“虚”。 控制器 在控制系统中，除被控对象以外的所有装 置，统称为控制器。 给定元件 控制系统中，主要用于产生给定量（输 入量、希望值）的元件。
机械工程控制基础
第1章 绪论
1.2.3 控制系统的基本概念 人工控制 在人直接参与的情况下，使被榨对象 的被控制量按预定的规律运动或变化的控制方式。 自动控制 在无人直接参与的情况下，利用一组 装置使被控对象的被控制量按预定的规律运动或变 化的控制方式。 自动控制系统 被控对象和参与实现其被控制置 自动控制的装置或元件、部件的组合。

机械工程控制基础-第一章

机械工程控制基础-第一章

主要教学环节
课堂教学 紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解 题方法和技巧。
习题 独立完成作业，按时交作业。
课外补充 复习：复变函数Laplace变换 自学：Matlab编程。
教学形式: 课堂上，多媒体授课为主，板书为辅； 学习模式：预习－>听课－>复习(作业等形式) 希望和要求:
教师严谨治学 学生积极配合
程序控制系统。特点：系统输 入量按预定程序变化。
4、按系统内部传输信号的性质来分
连续系统，各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟 量，可用微分方程来描述各部分输入-输出关系的系统。
离散系统，某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传 递的系统。 离散系统也有线性离散系统和非线性离散系统、 定常离散系统和时变离散系统之分。
反馈信号：输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号称
反馈信号；
偏差信号：输入信号与主反馈信号之差； 误差信号：输出量实际值与希望值之差； 扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号；
反馈控制系统的组成、名词术语和定义 (2)
参考(给定)输入r: 输入到控制系统中的指令信号；
(主)反馈b: 与输出成正比或某种函数关系且与参考 输入量纲相同的反馈信号；
生物系统等。 3. 按系统功能：温度、压力、位置、速度 4. 按系统性能：线性与非线性、定常与时变 5. 按输入信号变化规律：恒值、随动、程序控制 6. 按系统内部传输信号的性质：连续与离散 7. 按输入、输出信号的数目：单输入-单输出系统与多输入-多输出系统
1、按反馈情况
自动控制系统有三种基本控制方式：开环控制方式、闭环控制 方式（反馈控制方式）和复合控制方式，它们都有其各自的特点和 不同的使用场合。其中闭环控制方式是自动控制系统最基本的控制 方式,也是应用最广泛的一种控制方式。

《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。

机械工程控制基础ppt课件

16
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
五、本课程参考书
杨叔子主编 版社
朱骥北主编 胡寿松主编 董景新编著
王积伟编著
《机械工程控制基础》
《机械控制工程基础》 《自动控制原理》 《控制工程基础》 《控制工程基础》
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
机械设计制造(教材)
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
绪论 拉普拉斯变换的数学方法 系统的数学模型 系统的瞬态响应与误差分析 系统的频率特性 系统的稳定性分析 机械工程控制系统的校正与设计
二、控制理论的发展
控制理论发展大体可分三个阶段： 第一阶段： 20世纪40～50年代为经典控制论发展时期。经
典控制论的内容是以微分方程、传递函数为基 础，主要研究单输入、单输出控制系统的分析 和设计问题，对线性定常系统，这种方法是成 熟而有效的。
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为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
实现控制的三个基本步骤
•不论采用人工控制还是自动控制都具有以下的共同点： •一是要检测被控制量的实际值； •二是被控制量的实际值要与给定值进行比较得出 偏差值； •三是要用偏差值产生控制调节作用再去消除偏差。
• 总结：检测偏差，消除偏差
23
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益

机械控制工程基础第一章

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
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
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
系统的输出： y ( t )
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
稳定性好，则系统恢复平衡状态的能力强 系统的快速性
快速性好，则消除偏差快，或调整时间短。

机 械 工 程 控 制 基 础


1 σ + jω L [F(s)] = f (t ) = F(s)est ds（2-2） ） ∫σ jω 2π j
1
式中，σ为大于F(s)的所有奇异点实部的实常数。 式中， 为大于F 的所有奇异点实部的实常数。 所谓奇异点， 在该点不解析，也就是F 所谓奇异点，即F(s)在该点不解析，也就是F(s) 在该点及其邻域不处处可导。 在该点及其邻域不处处可导。
= 1 ∑ La + ∑ Lb Lc ∑ Ld Le L f + L
复习
自动控制原理及其应用
复习
1- 4
ub
ur
u
E
220
该系统中，炉子的温度需要被控制，因此，炉子为被控对象， 该系统中，炉子的温度需要被控制，因此，炉子为被控对象，炉子的实际 温度为被控制量（系统的输出量），希望的炉子的温度为系统的输入量， ），希望的炉子的温度为系统的输入量 温度为被控制量（系统的输出量），希望的炉子的温度为系统的输入量，而 炉子的散热量为系统的扰动输入量。 炉子的散热量为系统的扰动输入量。 炉子的温度是由给定的电压信号u0和热电偶输出的电压信号uf之间的偏差 控制的。当炉子的实际温度等于希望的炉温时，此时系统不工作， 控制的。当炉子的实际温度等于希望的炉温时，此时系统不工作，当外界因 素引起箱内温度变化时，偏差经电压和功率放大后， 素引起箱内温度变化时，偏差经电压和功率放大后，使电机的转速和转向发 生变化，并通过传动装置拖动调压器的动触头。当温度偏高时， 生变化，并通过传动装置拖动调压器的动触头。当温度偏高时，动触头向着 减少电流的方向移动，反之加大电流，直到温度达到希望值为止。 减少电流的方向移动，反之加大电流，直到温度达到希望值为止。
2）闭环控制系统 ）
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36
课后习题
课后作业：P23
1.1、1.3、1.7(1)、1.8、1.10、 1.13、1.14、1.15（最后3题题目文字
可以不写，只写答案）
37
4
引言 (Introduction)
4、自动控制理论的发展 1）经典控制理论(20世纪40~60年代):
研究对象: 单输入单输出(SISO)、线性定常系统; 研究方法: 传递函数、根轨迹、频率特性 2）现代控制理论(20世纪60~70年代): 研究对象: 多输入多输出(MIMO)、非线性、时变系统; 研究方法: 状态空间法. 3）智能控制与大系统理论(20世纪70年代----): 研究对象: 多输入多输出(MIMO)、非线性、时变复杂 系统; 研究方法: 模糊规则、神经网络模型等智能方法.
6.
可用线性微分方程描述的系统称为线性系统。 如果微分方程的系数全为常数，则称为线性定 常系统。否则称为线性时变系统。 用非线性方程描述的系统称为非线性系统。
33
对控制系统，可从不同的角度加以分类
34
对控制系统的基本要求
稳－快－准
35
自学
1.5 机械制造的发展与控制理论的应用 (自学) 1.6 控制理论发展的简单回顾(自学) 1.7 本课程的特点与学习方法
机械工程控制基础
主编 杨叔子
1
参考教材：
陈康宁 《机械工程控制基础 》西安交通大学 胡寿松 《自动控制原理》（第四版）科学出版社 梅晓榕 《自动控制原理》 科学出版社
2
课程的主要内容：
◆ 绪论
◆ 系统性能指标与校正
◆ 系统的数学模型 ◆ 非线性系统初步
◆ 系统时间响应分析 ◆ 线性离散系统初步
◆ 系统频率特性分析 ◆ 系统辨识初步
10
11
P4
12
ห้องสมุดไป่ตู้ 13
14
15
对于上例需要研究的问题归为三大类：
系统分析问题 最优控制问题 最优设计问题
16
P4
17
反馈
概念：系统的输出，不断地、直接或间接地、全部
或部分地反过来用于控制系统的输入，这个过程称 为反馈。
输入
系统
控制器
被控对象
检测元件
输出
反馈在自然界，人类社会，人的本身、工程等方面， 无不存在。
18
（习题1.12）
19
(P10)
20
21
负载，有牵连
22
23
反馈控制系统的组成及其框图
以发动机离心调速系统为例： 被控对象：发动机 被控量：转速w 被控量的目标值设定：预紧弹簧设定
控制器
运算放大
执行
比较
被控对象
控制部分
检测
被控部分
24
反馈控制系统的组成及其框图
特点：利用偏差控制系统的输出 给定环节：它是给出输入信号的环节，用于确定被控 对象的目标值（给定值，系统的输入量） 希望被控对象按照给定的输入信号而有规律运动。
放大及运算环节：为了实现控制，要将偏差信号作必要的校正， 然后进行功率放大，以便于推动执行环节。如：电流放大，电器 －液压放大等。 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。
27
反馈控制系统的组成及其框图
28
对控制系统，可从不同的角度加以分类
开环控制系统和闭环控制系统
25
反馈控制系统的组成及其框图
测量环节：它用于测控被控变量，并将被控变量转换为便于传 送的另一个物理量（一般为电量）
x 比较环节：在这个环节中，输入信号 与测量环节发出来的 i
有关被控变量
x
的反馈量
0
xb 相比较，并得到一个小功率
x 的偏差信号ε＝ － i 。xb
偏差信号是比较环节的输出。
26
反馈控制系统的组成及其框图
8
第一章 绪 论
◆ 机械工程控制论的研究对象与任务 ◆ 系统及其模型 ◆ 反馈 ◆ 系统的分类及对控制系统的基本要求 ◆ 机械制造的发展与控制论的应用 ◆ 控制理论发展的简单回顾 ◆ 本课程的特点与学习方法
9
机械工程控制论 研究的是机械工程中广义系统的动 力学问题。
1、系统（广义系统） 2、动力学问题
5
引言 (Introduction) 5、重要概念
控制：就是对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。 自动控制: 指在没有人直接参与的情况下,利用控制器(控制装 置),使被控对象(或过程)的被控量(物理量或状态)自动地按照预定的 规律运行.
6
7
控制论与其他学科结合，形成众多的分支学科
共同的本质特点： 通过信息的传递、处理与反馈进行控制。
◆ 系统的稳定性
3
引言 (Introduction)
1、理论形成的背景 1765年，瓦特(英国Watt，1736 - 1819 )发明蒸汽机，
工业与军事的需要，电子技术的发展，···，推动了控制 理论的不断地向前发展。 2、控制理论创始人：（美）维纳（Wiener） P15 3、代表人物：劳斯（Routh) ，胡尔维茨(Hurwitz）， 奈奎斯特（Nyquist），李雅普诺夫, 扎德(Zadeh) ,傅京 孙等.
29
对控制系统，可从不同的角度加以分类
30
对控制系统，可从不同的角度加以分类
31
对控制系统，可从不同的角度加以分类
3.
4.
若系统的输入量和输出量都是时间的连续函数， 则称其为连续系统。
若系统中信号有一处和一处以上为离散的时间 函数，则称其为离散系统。
32
对控制系统，可从不同的角度加以分类
5.