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07924控制工程基础孔祥东机械工业出版社解析

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控制工程基础教学大纲

控制工程基础教学大纲

控制工程基础教学大纲课程名称：控制工程基础课程编码：1005601学时：34学时学分：2学分开课学期：第六学期适用专业：机械工程及其自动化、包装工程、交通运输课程类别：必修课程性质：专业基础课先修课程：高等数学、工程数学、普通物理学、电路原理、模拟电子技术。

教材：《控制工程基础》王益群孔祥东主编机械工业出版社一、课程的性质、目的与任务：本课程是机械设计制造及自动化、材料成型与控制工程等机械类专业和相关专业的必修课。

通过本课程的学习将为学习自动控制方面的其它课程奠定良好的理论基础。

课程教学所要达到的目的：使学生正确理解和掌握本课程所涉及的基本概念、基本理论和基本分析方法。

能独立地应用这些基本理论、基本方法来分析实际工程中提炼出来的各种控制理论问题；同时强化动态的、系统的思想方法。

并使学生具有一定的工程计算和设计能力。

二、课程的基本内容：1、绪论自动控制理论发展简况，反馈控制理论的研究对象和方法。

自动控制系统的基本概念、术语、自动控制系统的组成和分类，应用举例。

对自动控制系统的基本要求。

2、控制系统的数学模型数学模型的基本概念、表达方式，建模方法简述。

微分方程的列写，微分方程线性化的基本思想。

拉氏变换的简单回顾：拉氏变换的定义、性质，常见的简单函数的拉氏变换式应能记住。

拉氏反变换。

传递函数的概念及基本环节的传递函数。

控制系统的方框图及方框图的简化。

梅逊增益公式（选讲）。

3、控制系统的时域分析控制系统的典型输入信号，及时域响应指标。

一阶系统的瞬态响应及指标。

二阶系统的瞬态响应分析及其与极点之间的关系，二阶系统的瞬态响应指标与参量ζ、ω间的关系及计算。

n高阶系统的瞬态响应的简单分析，闭环主导极点的概念。

4、控制系统的频率特性频率特性的基本概念，频率特性的两种主要表达方式：幅相频率特性、对数频率特性。

典型环节的频率特性。

最小相位系统的概念。

系统开环频率特性（奈奎斯特图和伯德图）的绘制。

系统辨识的概念及利用实测开环幅频特性确定系统的开环传递函数。

控制工程基础 燕山大学 孔祥东 答案与解答4

控制工程基础 燕山大学 孔祥东 答案与解答4

分离角为：
180 2q 1 90 。如图示。 2
3 2
法则 8：虚轴交点：令 s j 代入特征方程 s 7s 10s K1 0 ，得：
j 3 7 2 j10 K1 0
j 3 j10 0 2 7 K1 0
m
渐近线交点： a
p z
i 1 i j 1
j
nm

0 2 1 1 0.5 。 2 2
分离点在原点处，分离角为：
180 2q 1 90 。 2
使根轨迹向左移动进入左半平面，由根轨迹图可知此时除在 K1=0 时处于临界稳定 之外，系统均处于稳定状态。即系统增加的零点使系统的稳定性获得了改善，由原
jω -1+j3
σ -5.16 -2 0
-1-j3
161.6
法则 2：有 1 条趋向无穷的根轨迹。 法则 3：实轴上的根轨迹： -2～-∞。 法则 6：分离点： K1
s 2 2s 10 s2
dK1 2s 2s 2 s 2 2s 10 s 2 4s 6 0 ds s 22 s 22
-4.67 -9 -5
-2.06 -1 0
σ
-j6.7
由根轨迹图可得： （1） 系统无超调的 K1 值范围为保持所有根轨迹在负实轴时（分离点之前的部分） ， 即 K1 0 42.03 。 （2） 确定使系统产生持续振荡的 K1 值为与虚轴交点时，即 K1 630 。此时的振荡 频率为无阻尼自然频率，即闭环极点的虚部： n 6.7 。 （3） 【若 s=-1.5+j3.12 在根轨迹上，则应满足相角条件。 即∠G(s)H(s)=±180º(2q+1).

控制工程基础第1章绪论

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》)

全套课件控制工程基础课件

全套课件控制工程基础课件

一.自动控制系统的工作原理
• 控制系统:使受控对象的状态按照预期规 律变化
• 反馈控制的基本原理
• 测量、反馈 • 求偏差 • 纠正偏差
实例分析 .1
• 离心式飞球调速器
高压供油路
喷油泵
发动机
离心式飞球调速器
实例分析
• 恒温箱温度自动控制系统
温 度 计
加热电阻丝
调压器
～220V
恒温箱人工控制系统
功率 放大
压
角 电 动机
角 减 速器
压 调 压器
电炉
T
UfT
热 电偶
§1. 拉氏变换和反变换
• 复变函数概念 • 拉氏变换概念 • 拉氏变换性质 • 拉氏反变换 • 用拉氏变换解常系数线性微分方程
一. 复变函数概念
ω
• 复常数、复变量和复变函数
s
– c=a+jb
–
,共轭复数
0
σ
– s j
s j
• 前后课程
– 前续课程《高等数学》、《工程数学》 – 相关课程《理论力学》、《机械设计》、《液压传动》、《电路理论》、《模拟、数字电子技术》、
《电机拖动基础》 、《计算机技术 》 – 后续课程《现代控制理论》、《计算机控制系统》
• 内容与结构 • 学习方法
– 复习和综合运用已学知识 – 注意运用已学知识解决实际问题 – 课程比较抽象和概括，注意物理概念的理解，既要结合实际又要善于思考 – 多看参考书 – 重视习题
给定信号
usT
比较 ⊿u
执行电动机 减速器
ufT
T
电热偶 加热电阻丝
电压 功率 放大器 放大器
调压器
恒温箱自动控制系统

控制工程基础课程简介资料

控制工程基础课程简介资料
“控制工程基础”课程简介
控制工程基础
Control Engineering Foundation
黑龙江大学机电工程学院
毕永利 机电楼305室
控制工程基础
“控制工程基础”课程简介
参考书目
《自动控制原理简明教程》 胡寿松 科学出版社 《自动控制原理习题解析》 胡寿松 科学出版社 《控制工程基础》 董景新 清华大学出版社
考核方式
• 平时考勤和作业上交、完成情况20％ （无
故缺课达到总课时的三分之一者取消考试
资格） • 实验成绩20% • 期末考试成绩60％
控制工程基础
“控制工程基础”课程简介
自动控制技术与人类进步 Automatic Control & Human Civilization
自动控制是人类在认识世界和发明创新的过 程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠 它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解放 出来，从事更富创造性的工作。自动化技术 是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的 高技术之一，是推动新的技术革命和新的产 业革命的关键技术。自动化也即现代化。
•
实验部分（10学时）
– 实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真 – 实验二 线性定常系统的瞬态响应 – 实验三 典型环节和系统频率特性的测量 – 实验四 线性定常系统的串联校正
控制工程基础
“控制工程基础”课程简介
课程目标
• 要求学生初步掌握自动控制系统的基本概念与原 理。
• 掌握经典控制理论中主要的系统分析方法。
H. Hazen
控制工程基础
“控制工程基础”课程简介
(5) 英国A. M. Turine提出图灵计算机的设想(1937) (6) 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小 组工作的C. Shannon提出继电器逻辑自动化理论 (1938)，随后，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(1948)

控制工程基础 燕山大学 孔祥东 答案与解答3

控制工程基础 燕山大学 孔祥东 答案与解答3

c
t
dct
dt
5130
e 2t
sin1.5t
0.6435
2.5e 2t
cos1.5t
0.6435
125 e2t sin1.5t 6
20.833e2t sin1.5t
【由于标准型欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应为：
ct 1
1 1 2
e nt
sind t arctan
1 2
所以系统单位阶跃响应为：
系统为 I 型，可得稳态速度误差系数
R(s) +
E(s)
1
C(s)
为 Kv=K=1/T ， 得 当 输 入 信 号 为
-
18.64s
r(t)=0.1t 时的稳态误差为
essv
0.1 1 Kv
0.1T
1.864 C ）
题 3-2（2）图
3-5．某控制系统如图 3-24 所示，已知 K=125，
试求：
R(s) +
E(s)
K
C(s)
（1）. 系统阶次，类型。
-
4ss 4
批注 [x1]: 1．没有考虑温度计原来的环境温 度。温度的相对变化量给出的是实际 温度的百分比，而不是水温与温度计 所处的环境温度差值的百分比。因此 只能假定温度计原来的环境温度为 0 度。
批注 [x2]: 采用终值定理或误差系数 进行计算时，必须进行稳定性判定， 采用时间响应方法则不必。
（5）.
ts
4
n
2 ， p% e
1 2
0.015
（6）. 因为标准型二阶系统单位阶跃信号的稳态输出为 1，最大值为 1+Mp=1+
σp%=1.015，由于线性系统符合叠加原理，所以可得： c 5 *5=25，

控制工程基础第4版孔祥东课后习题答案

控制工程基础第4版孔祥东课后习题答案

控制工程基础第4版孔祥东课后习题答案第一章控制系统概述1. 在控制系统中，反馈是什么？在控制系统中，反馈是指从输出端采集到的信息再反馈给输入端，用于校正系统输出与期望输出之间的误差。

通过反馈，控制系统可以对输出进行调整，以达到期望的控制效果。

2. 什么是开环和闭环系统？开环系统是指输出不会对系统的输入产生反馈影响的系统。

开环系统的控制过程是单向的，只能由输入来决定输出。

闭环系统是指输出会对系统的输入产生反馈影响的系统。

闭环系统的控制过程是双向的，可以通过输出的反馈来调整输入。

3. 开环控制和闭环控制有什么区别？开环控制和闭环控制的区别在于是否存在输出的反馈。

开环控制没有输出的反馈，输入和输出之间的关系是固定的，依赖于系统的数学模型。

闭环控制有输出的反馈，可以不断根据输出的反馈信息来调整输入，使输出更接近期望值。

开环控制的优点是简单、快速，但容易受到外界干扰的影响，稳定性较差。

闭环控制可以更精确地控制输出，具有较好的稳定性和鲁棒性。

4. 什么是控制对象和控制器？控制对象是指需要控制的物理系统或过程，它是待控制的主体。

控制对象可以是机械系统、电气系统、化工过程等等。

控制器是指用来控制控制对象的设备或算法。

控制器可以根据输入和反馈信息来计算出适当的输出，以实现对控制对象的控制。

5. 什么是开环传递函数和闭环传递函数？开环传递函数是指在开环控制下，从控制器的输入到控制对象输出之间的传递函数关系。

它反映了输入和输出之间的数学关系。

闭环传递函数是指在闭环控制下，从控制器的输入到控制对象输出之间的传递函数关系。

闭环传递函数考虑了输出的反馈，更准确地描述了控制系统的动态特性。

第二章传递函数与系统稳定性1. 什么是传递函数？传递函数是指输入和输出之间的数学关系函数，可以用来描述线性时不变系统的动态特性。

传递函数通常用符号G(s)表示，其中s为复变量。

传递函数可以通过对系统进行数学建模和信号处理等方法得到。

它可以表示系统的频率响应和时域响应等信息。

控制工程基础 燕山大学 孔祥东 答案与解答2

控制工程基础 燕山大学 孔祥东 答案与解答2
x0(t) k1 k2 f m Fi(t) x1(t)
U0(s)
2-17． 组合机车动力滑台铣平面时， 当切削力 F（ i t） 变化时，滑台可能产生振动，从而降低被加工工件 的切削表面质量。可将动力滑台连同铣刀抽象成如 图所示的质量-弹簧-阻尼系统的力学模型。其中 m 为受控质量，k1，k2 分别为铣刀系统，x0（t）为输 出位移。试建立数学模型。 解：微分方程为：
I1
1.可采用框图法求解。 2.注意电流和电压的正方向定义。
+
U0(s)
1 u 0 i3 R4 C i3 dt i2 R3 2 ui i1 R 1 i i i 2 1 3 1 1 d i3 R 4 i3 dt i3 R4 C i3 dt u C 2 i 2 C 1 R2 dt R1
T2(s)
1 J 2 s 2 fs
θ0(s)
θi(s) + -
k1
T1(s)
+
-
1 J1s 2
k2 J 2 s 2 fs J 2 s 2 fs k2
Βιβλιοθήκη T2(s)1 J 2 s 2 fs
θ0(s)
k2 J 2 s 2 fs J 2 s 2 fs k2


θi(s) + -
C1 R1 s 1C2 R2 s 1 C 2 R1 s C1 R1 s 1C 2 R2 s 1
I4
R2
U(s)
R4 I3 C2 ∝ + R3
U s 2-16 试求图 2-30 所示有源网络传递函数 0 。 U i s
解：
C1 I5
批注 [x5]:

控制工程基础 燕山大学 孔祥东 答案与解答6

控制工程基础 燕山大学 孔祥东 答案与解答6
取ε=-180°+14.5°-（-172.4°）=6.9° φm =γ-γ0+ε =45°-14.5°+6.9° =37.4°
1 sin m 1 sin 37.4 0.244 （4） 1 sin 1 sin 37.4 m
（5） 超前校正装置在ωm 处的对数幅频值为 Lc(ωm)=10 lg(1/α)=10 lg(1/0.244)=6.13 dB ωm=5.4 rad/s 由于要求ωc=7.5 rad/s，因此应取ωm=7.5 rad/s ωc=7.5 rad/s 处原系统的幅值为：
55 arctan c 2 arctan 0.2 c 2 35 1.2 c 2 1 0.2 c 2
2
tan 35 0.7
c 2 0.55 rad / s
取ωc= ωc2=0.55rad/s （4）未校正系统在ωc 处的幅值为：
L0 c 20 lg K
c
20lg 8 lg 0.55 23.25dB
20 lg 23.25dB 14.55
（5）计算滞后校正装置的转折频率，作出校正装置的伯德图。
2 1
1

1

c
4

0.55 0.14 4

0.0096
Gc s
s 1 7.14s 1 s 1 104.17 s 1
（2）画出原系统的伯德图，
L0(ω) Lc(ω)
L(ω)
Φc(ω) γ Φ(ω)
Φ0 ( ω)
如图中的 L0(ω)及φ0(ω)所示。 其中 20 lgK=20 lg15=23.5 dB。
从图中可以看出，该系统未校正系统的穿越频率

控制工程基础 燕山大学 孔祥东 答案与解答5

控制工程基础 燕山大学 孔祥东 答案与解答5





或： E s
1 5s 1 5s 1 0.1 1 Gs 5s 10 0.5s 1
5 j 1 2.5 2 1 0.45 0.1 j 2 0.5 j 1 0.25 1 0.25 2 1
E j 0.1
E j 0.1 E j 2 0.1
6 6 11 K 幅 2 3 60 2 6 6 11 11 11 11

值单调下降；全部为惯性环节，相位单调减少； 4 0 270


对应的图形为 a)。 （5）.
G5 s
K ss 10.5s 1
et E j 2 5 cos2t 30 E j 2 3.55 cos2t 9.29
若 r t 5 cos 2t 30 sin t 45 时：





稳态输出：
5 A2 cos 2t 30 2 A1sin t 45 1



起点： 0 ： G1 j ， 1 2 90 180 ； 终点： ： G1 j 0 ， 1 m n 90 2 3 90 90 ；
从起点和终点的相位变化即可知找不到对应的图形。 （3）.





出。 解：闭环传递函数为： s
批注 [xxl1]: 输入时余弦时， 幅值和相位的变化和正弦是相
Gs 9 0.9 1 Gs 5s 10 0.5s 1
同的；可以采用叠加原理分别求出相应后再加；稳态误差 可用直接频率特性求 e（t） 。

控制工程基础 第九章 孔祥东

控制工程基础 第九章 孔祥东

1) 方框图法 该法首先将系统的各个环节变换成相应的模拟 结构图，并把每个积分器的输出选作一个状态变量 x i，其输 入便是相应的 x i ；然后，由模拟图直接写出系统的状态方 程和输出方程。
第九章 现代控制理论基础
§ 9-2控制系统的状态空间描述
例9-3 系统方框图如图9-4a所示，输入为u，输出为y。试求其状态 空间表达式。
第九章 现代控制理论基础
§9-2 控制系统的状态空间描述 一、基本概念
状态变量： 能够完全表征某系统运动状态的最小个数的一 组变量 xi (t ) i 1...n 。 状态向量： 若这些状态变量写成向量 x(t) x (t) x (t) 式，则就称为此系统的状态向量。
1 2
B bij i 1 n, j 1 r 输入(或控制)矩阵；
第九章 现代控制理论基础
§9-2 控制系统的状态空间描述
对于式(9-8)和式(9-9)所描述的系统，它们的方框图分别如图 9-3a和图9-3b所示。
d
u
D
x
x b

A
C
y
u
B
x

A
x
C
y
a)
图9-3 系统信号传递方框图
0 K 3 3 x 0 2 0 K1 K 4 1 y 1 0 0 x
0 0 0 u K 2 2 x 1 K1 1
2) 机理法 一般常见的控制系统，按其能量属性，可分为 电气、机械、机电、气动、液压、热力等系统。根据其 物理规律，如基尔霍夫定律、牛顿定律、能量守恒定律 等，即可建立系统的状态方程。当指定系统的输出时， 也很容易写出系统的输出方程。

《控制工程基础》教学大纲

《控制工程基础》教学大纲

《控制工程基础》教学大纲课程名称：控制工程基础适用班级： 2016级机电一体化（专科函授1 业余2）、机械制造与自动化（专科函授2 业余3）汽车运用技术（业余3）辅导教材：《控制工程基础》（第3版）孔祥东等编著机械工业出版社一、本课程的地位、任务和作用《控制工程基础》作为机械工程类专业尤其是机械设计制造及其自动化专业的一门重要理论基础之一，既是一门广义的系统动力学，又是一种合乎唯物辩证法的方法论，在培养学生综合设计能力、工程实践能力和启迪与发展学生思维与智力方面均占有重要地位，为培养机械工程人才，特别是机电（液）一体化人才方面，发挥着重要作用。

本课程的任务是通过课堂教学，使学生获得机械工程控制论的基本概念、基本知识与基本方法，培养学生紧密结合机械工程实际，特别是机械制造工程实际，使自动控制的理论知识与实践知识相统一，支撑专业学习成果中相应指标点的达成。

二、本课程的相关课程先修课程：《电工技术》、《高等数学》、《机械原理》、《机械设计》等。

三、本课程的基本内容及要求第一章绪论1、了解自动控制理论研究的对象、作用；2、掌握自动控制系统结构、工作原理及系统结构方框图；3、掌握输入量、输出量、反馈、偏差等基本概念；4、了解控制系统的组成、分类及基本要求。

重点是自动控制系统工作原理、系统结构方框图及输入量、输出量、反馈、偏差等基本概念。

第二章控制系统的数学模型1、掌握机械、电气系统微分方程的建立方法；2、了解非线性方程的线性化；3、熟悉拉普拉斯变换及反变换、线性定常微分方程的解法；4、熟悉传递函数；5、掌握系统传递函数方框图的化简。

重点是微分方程、传递函数、拉普拉斯变换及反变换、解微分方程、化简传递函数方框图；难点是建立微分方程及化简传递函数方框图。

第三章控制系统的时间响应分析1、掌握一阶系统的时间响应；2、掌握二阶系统的时间响应与性能指标；3、了解高阶系统零、极点对时间响应的影响；4、掌握控制系统稳定性分析与劳斯判据；5、掌握控制系统稳态误差分析、计算。

浅析控制工程基础课程教学与实践

浅析控制工程基础课程教学与实践

浅析控制工程基础课程教学与实践作者：陈东菊范晋伟来源：《课程教育研究》2018年第46期【摘要】《控制工程基础》是机械类专业一门重要的专业基础课。

作为专业基础课，具有较强的理论性和实践性。

本文针对学生教学模式，突出实践和作业环节，强化学生动手思考、理论转化为实践能力，提高学生学习积极性，适应国家发展需要，显著提高教学质量。

【关键词】《控制工程基础》课程教学实践【基金项目】本科重点建设课程资助项目（KC2017SB038， KC2017MT010）。

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）46-0241-011.《控制工程基础》课程重要性《控制工程基础》课程是机械学院本科生的一门专业基础课，它对学生在整个专业课学习中起到承前启后的作用，为学生日后成为工程检测人员打下理论基础。

因此《控制工程基础》的开设对培养学生学习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和适应国家人才需要有极其重要意义。

2.理论教学2.1课程教学主干课程内容包含：机电系统建模、系统时域瞬态响应分析、频域分析、系统稳定性及误差分析、控制器的设计，其中，机电系统建模涉及系统运动微分方程的建立、传递函数定义和求解、系统方框图简化等内容，而拉普拉斯变化及反变换是其数学基础；系统时域瞬态响应分析包括一阶系统和二阶系统的时间响应，并给出了性能指标，误差的分析和计算是其中引出来的一个内容，频域分析包括Nyquist和Bode的画法，稳定性的问题可融入这一部分，包括代数判据和几何判据；系统稳定性及误差分析、控制器的设计是最后综合应用的内容。

2.2课程教学重难点《控制工程基础》具有较强的综合性，涉及数学等多种学科，并且内容抽象，工程实践性强，这就要求学生具有高等数学等相关课程的知识，但学生往往对相关基础知识掌握不牢固、对学科交叉内容理解不充分，因此学习这门课程时困难重重，学习目标不明确，学习积极性不高。

控制工程的基础理论

控制工程的基础理论

– 点表示
– 向量表示:模：
P s
, 辐角：θ0（逆θ时针σ）
– –
三角表示
sr 22
指数表示 s j r c j o s r r i s c n j o s i s n
s r co js si n rje
一. 复变函数概念
• 复数运算法则
– 复数的加减
–
s11j1 s22j2
二．拉氏变换概念
• 几个常用函数的拉氏变换
–
单位阶跃函数 ： L1t0 1tesd t tesst
1 t 110
0s
t 0 t 0
–
单位脉冲函数：t0
t 0 t 0
Lt te sd t e t st 1
0
t 0
–
单位斜坡函数：f t0t
t 0 t 0
L t 0 te sd t tts s e t 0 1 s0 e sd t te s 2 s t 0 s 1 2
课程简介
• 教材及参考资料
– 《控制工程基础》第三版孔祥东、王益群主编，机械工业出版社 – 《自动控制原理》第四版 胡寿松主编，科学出版社 – 《机械控制工程基础》 朱骥北主编，机械工业出版社 – 《现代控制工程》 Katsuhiko Ogata 著，卢伯英 于海勋译，电子工业出版社 – 自动控制原理》 – 《自动控制原理》 李友善主编，国防工业出版社 – Matlab软件的工具书
给定信号
usT
比较 ⊿u
执行电动机 减速器
ufT
T
电热偶 加热电阻丝
电压 功率 放大器 放大器
调压器
恒温箱自动控制系统
～220V
实例分析
• 恒温箱温度自动控制 系统

控制工程 第1章 概论讲解

控制工程 第1章 概论讲解
输出量的返回过程称为反馈。 返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。
13
c. 控制系统的工作原理：
➢检测输出量（被控制量）的实际值 ； ➢将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；
➢用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期 望的输出。
➢由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情 况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的 希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。
11
恒温箱温度自动控制系统职能方块图
12
从恒温箱控制系统功能框图可见： ➢给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也 称为参考输入量（信号）。 ➢被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。 ➢ 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统 的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差信号 （即给定信号与返回的输出信号之差）。
15
a. 开环控制系统 特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端
和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制 过程中对系统的控制不产生 任何影响。
数控机床的开环控制系统方块图
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优点：结构简单、稳定、可靠，价格便宜，容易 维修。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定， 且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。
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期望 温度
大脑
实际
温度
手
调压器 恒温箱
眼睛
温度计
人工控制恒温箱系统职能方块图
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b. 自动控制系统
控制器
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恒温箱自动控制系统调节过程： ➢恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 ➢恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比 较得到温度偏差信号△u＝ u1－ u2 ➢温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行 电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度 偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电 流，直到温度达到给定值为止，此时,偏差△u＝0， 电机停止转动。

1控制工程基础第三版课后答案(孔祥东王益群著)机械工业出版

1控制工程基础第三版课后答案(孔祥东王益群著)机械工业出版

（1）. 该温度计的指示从实际水温的 10%变化到 90%所需的时间是多少？ （2）. 如果给该容器加热，使容器内水温以 0.1℃/s 的速度均匀上升，当定义误
差 e(t)=r(t)-c(t)时，温度计的稳态指示误差有多大？ 解：
（1）. 设实际水温为 Tr，温度计原来处于 0 度，当温度计放入水中时，相当于 输 入 一 阶 跃 值 为 Tr 的 阶 跃 函 数 ， 温 度 计 的 时 间 响 应 函 数 为 ：
(k1
+
k2 ) fs
+
k1 k 2
解 2：画出框图如图所示，通过框图简化可得传递函数为：
G(s) =
J1J 2 s 4
+
fJ 1 s 3
+
(k1J 2
+
k1 k 2
) k2 J1 + k2 J 2 s 2
+
(k1
+
k2 ) fs
+
k1 k 2
k1 θi(t)
k2 J1
θ1(t)
θi(s) +-
T1(s) -
控制工程基础习题解答 第二章
2-2．试求下列函数的拉氏变换，假定当 t<0 时，f(t)=0。
(3). f (t ) = e−0.5t cos10t
[ ] 解： L[ f (t)] = L e−0.5t cos10t
s + 0.5
= (s + 0.5)2 +100
(5).
f
(t )
=
sin⎜⎛ 5t
2
( ) 解：
L−1[F(s)] =
L−1
⎡ ⎢ ⎣
(s

控制工程基础教学大纲

控制工程基础教学大纲

控制工程基础教学大纲课程名称：控制工程基础课程编码：1005601学时：45学时学分：2.5学分开课学期：第六学期适用专业：机械工程及其自动化、包装工程、交通运输课程类别：必修课程性质：专业基础课先修课程：高等数学、工程数学、普通物理学、电路原理、模拟电子技术。

教材：《控制工程基础》王益群孔祥东主编机械工业出版社一、课程的性质、目的与任务：本课程是机械设计制造及自动化、材料成型与控制工程等机械类专业和相关专业的必修课。

通过本课程的学习将为学习自动控制方面的其它课程奠定良好的理论基础。

课程教学所要达到的目的：使学生正确理解和掌握本课程所涉及的基本概念、基本理论和基本分析方法。

能独立地应用这些基本理论、基本方法来分析实际工程中提炼出来的各种控制理论问题；同时强化动态的、系统的思想方法。

并使学生具有一定的工程计算和设计能力。

二、课程的基本内容：1、绪论自动控制理论发展简况，反馈控制理论的研究对象和方法。

自动控制系统的基本概念、术语、自动控制系统的组成和分类，应用举例。

对自动控制系统的基本要求。

2、控制系统的数学模型数学模型的基本概念、表达方式，建模方法简述。

微分方程的列写，微分方程线性化的基本思想。

拉氏变换的简单回顾：拉氏变换的定义、性质，常见的简单函数的拉氏变换式应能记住。

拉氏反变换。

传递函数的概念及基本环节的传递函数。

控制系统的方框图及方框图的简化。

梅逊增益公式（选讲）。

3、控制系统的时域分析控制系统的典型输入信号，及时域响应指标。

一阶系统的瞬态响应及指标。

二阶系统的瞬态响应分析及其与极点之间的关系，二阶系统的瞬态响应指标与参量ζ、ω间的关系及计算。

n高阶系统的瞬态响应的简单分析，闭环主导极点的概念。

4、控制系统的频率特性频率特性的基本概念，频率特性的两种主要表达方式：幅相频率特性、对数频率特性。

典型环节的频率特性。

最小相位系统的概念。

系统开环频率特性（奈奎斯特图和伯德图）的绘制。

系统辨识的概念及利用实测开环幅频特性确定系统的开环传递函数。

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第一章 绪论
§1.2 自动控制系统的基本概念 四、自动控制系统的基本类型
1．按给定量的运动规律分 (1)恒值调节系统： 输入量为常值，或者随时间缓慢变化。分析重点在克服扰动 对输出量的影响。 (2)程序控制系统：输入量为已知给定的时间函数，控制过程按预定程序进行。 (3)随动(伺服)系统：输入量是时间的未知函数，即给定量的变化规律事先无法 确定，要求输出量能够准确、快速地复现给定量，如火炮自动瞄准系统、轧机 板厚自动控制系统。
图1-1 人工控制的恒温箱
“检测偏差用以纠正偏差”
第一章 绪论
§1.2 自动控制系统的基本概念
当温度偏高时，动触 头向着减小电流的方 向运动，反之加大电 流，直到温度达到给 定值为止。即只有在 偏差信号 时 电动机才停转。
图1-2 恒温箱自动控制系统 温度的偏差信号：
第一章 绪论
§1.2 自动控制系统的基本概念
第一章 绪论
§1.2 自动控制系统的基本概念
反馈(Feedback)就是指输出量通过适当的检测装置将信号 全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。 负反馈(Negative Feedback)是指反馈信号与系统的输入信 号的方向相反的反馈形式。 反馈控制原理：基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏 差”的原理
2．按系统线性特性分 (1)线性系统系统： 系统的元器件特性均为线性(或基本为线性)，能用线性常微 分方程描述其输入与输出关系的系统。线性系统满足“叠加原理”，其时间响 应的特征与初始状态无关。 (2)非线性系统 ：只要有一个元器件特性不能用线性方程描述，即为非线性系 统。不能应用叠加原理，其时间响应的特征与初始状态有很大关系。
第一章 绪论
§1.2 自动控制系统的基本概念 三、闭环控制系统的基本组成
扰动量 n 输入量 偏差 输出量
r
e 反馈量
b
控制装置
反馈元件
被控对象
y
给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号。 反馈元件：它测量被控量或输出量，产生主反馈信号，该信号与输出量存 在着确定的函数关系(通常为比例关系)。 比较元件：用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差。可以是一个差接的 电路，它往往不是一个专门的物理元件，有时也叫比较环节。 控制装置：由校正装置、放大器、能量变换、执行等元件所组成。 控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的被控制量。 放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件。 执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。
控制论(Cybernetics)是研究生物体、机器及各种不同系 统控制和调节规律的科学。它不仅是一门极为重要的科学， 而且也是一门卓越的方法论，具有适用于各门科学的思想和 方法。
将控制论同工程实践结合在一起形成了工程控制论，因 此，控制工程是一门研究控制论在工程中应用的科学。控制 工程基础主要阐述自动控制技术的基础理论。
板带出口厚度信息h由检测元件测 出并反馈到电液伺服系统中，伺服系 统发出控制信号以驱动液压缸，从而 调节轧制辊缝，使得板带出口厚度h保 持在要求的误差范围内。
图1-3 板厚控制简图
第一章 绪论
§1.2 自动控制系统的基本概念
检测
反馈
输入
控制
输出
人工控制：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，即“检测偏差用以纠正偏差”。 自动控制：自动控制的过程与人工控制过程原理相同，即 “检测偏差用以纠正偏差”。
古典控制理论是基础，现代控制理论、智能控 制理论是古典控制理论的延伸和拓展。
第一章 绪论
§1.2 自动控制系统的基本概念 一、自动控制系统工作原理
人工控制的恒温箱系统： 1、观测由检测元件(温度计)测 出的恒温箱的温度(被控制量)； 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、根据偏差的大小和方向再进 行控制：当恒温箱温度高于所要 求的给定温度值时，就移动调压 器使电流减小，温度降低；若温 度低于给定的值，则移动调压器， 使电流增加，温度升高。
第一章 绪
论
§ 1.1 概 述
§1.2自动控制系统的基本概念
§1.3控制工程基础的主要任务与研究内容
第一章 绪论
§1.1 概 述
通讯
航空航天 军事
自动控制 应用领域广泛
自然
太空探索
工业
社会
第一章 绪论
§1.1 概 述 一、基本概念
控制工程基础：也称控制理论基础，主要阐述的是自动 控制技术的基础理论。
第一章 绪论
§1.2 自动控制系统的基本概念 二、开环控制与闭环控制
若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，即无反馈作 用，则系统称为开环系统。扰量 n输入量r
控制量
输出量
控制器
u
被控对象
y
特
点： 在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作 用。对于每一个参考输入量就有一个与之对应的工作状态和输出 量。系统精度取决于元器件的精度和特性。
第一章 绪论
§1.1 概 述
工程控制论
经济控制论
控制论
生物控制论 社会控制论
控制论被广泛的应用到现实生活中的各 个领域，是一门重要的方法论。
第一章 绪论
§1.1 概 述 二、控制论的发展历史
控制论的发展起源于18世纪英国第一次技术革命。
第一阶段：20世纪40~50年代为“古典控制理论”发 展时期。单输入单输出(SISO)控制系统，线性定常系 统。 第二阶段：二十世纪六、七十年代为“现代控制理论” 发展时期。多输入多输出(MIMO)、非线性及时变系统 。 第三阶段：二十世纪七十年代末至今，控制论向着 “大系统理论”和“智能控制论”发展。模糊控制、 神经网络控制和专家控制等 。
扰动量 n
输入量
r
偏差
e 反馈量 b
控制量
输出量
控制器
u
被控对象
y
检测元件
特点：利用负反馈的作用来减小系统的误差，具有自动修正被控量偏离给定 值的作用，因此可以抑制内扰和外扰所引起的误差，达到自动控制的目的。 系统精度主要取决于检测元件的精度和系统的内部结构。可以利用精度不高、 成本较低的元器件组成控制精度较高的闭环控制系统。 优点：精度高。对扰动及内部参量变化的影响具有抑制能力。 缺点：系统存在稳定性问题，干扰因素多。
适用范围：系统内部扰动和外部扰动的影响不大、输出与输入关系确定， 且控制精度要求不高的场合。 优 点： 结构简单，容易设计与调整 缺 点： 对扰动及内部参量变化的影响缺乏抑制能力，系统控制精度低。
第一章 绪论
§1.2 自动控制系统的基本概念
若系统的输出量对系统的控制具有反馈作用，则系统称 为闭环系统。