机械控制理论

飞球升高，使阀门开的小些，蒸汽机会减速。

瓦特发明离心式调速器——蒸汽机的速度调节，被认为是自动控制技术走向大规模应用的一个标志性事件。

瓦特发明的蒸汽机离心式调速器，就属于一种负反馈控制器，随着蒸汽机转速发生变化而偏离给定值时，离心式调速器的平衡锤的位置也随之发生变化，带动蒸汽阀门开度改变，从而使推动蒸汽机旋转的蒸汽流量随之变化，使蒸汽机的转速达到了新的平衡，实现了转速的自动控制。

这属于一种根据偏差实现控制的闭环控制，它是过程控制的主要形式。

瓦特的这项发明开创了自动调节装置的应用和研究。

这项发明的成功表明自动化技术已具雏形。

但是这些发明都是在人们工作检验中产生的，没有形成理论的指导。

直到一百多年后，一些理论逐渐形成。

◆英国. . 发表“论调速器”( )论文(年)。

指出控制系统的品质可用微分方程来描述，系统的稳定性可用特征方程根的位置和形式来研究。

◆年劳斯（，～）和年瑞士数学教授赫尔维茨（）先后找到了系统稳定性的代数判据，即系统特征方程根具有负实部的充分必要条件。

◆俄国. 博士论文“论运动稳定性的一般问题” (年).经典控制理论(世纪年代年代)美国著名的控制论创始人维纳（，～）系统地总结了前人的成果，年发表了“控制论或关于在动物和机器中控制和通讯的科学”著作，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科的产生奠定了基础，标志着控制论学科的诞生。

控制论一词，来自希腊语，愿意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的涵义。

后来西方学者将它改为控制论是多门科学综合的产物也是许多科学家共同合作的结晶。

但是，控制论的诞生和发展是与美国数学诺伯特.维纳的名字联系在一起的。

维纳少年时是一位天才的神童，他岁上大学，学数学，但喜爱物理、无线电、生物和哲学，岁考进哈佛大学研究生院学动物学，后又去学哲学，岁时获得了哈佛大学的数理逻辑博士学位。

年刚刚毕业的维纳又去欧洲向罗素和希尔伯特这些数学大师们学习数学。

机械工程控制基础一、控制基础概述控制是指对一种现象或过程进行指定的调节或管理。

在机械工程中，控制是指通过对机械系统中的运动、力学等参数进行监测和调节，以满足特定的工作要求。

机械工程中的控制可以分为开环控制和闭环控制两种。

开环控制是指在控制过程中没有对系统输出进行反馈存储的控制方法，也就是说，输出信号与输入信号之间不存在反馈关系。

这种控制方法不适合对系统精度和稳定性要求较高的场合。

而闭环控制则是在系统输出信号与输入信号之间进行反馈控制，以提高系统的精度和稳定性，使系统能够更好地满足要求。

## 二、控制基础理论控制基础理论主要包括控制对象、控制流程、控制算法、控制器等方面。

其中控制对象是进行控制的主要对象，其性能决定了整个控制系统的性能。

控制流程是指对控制对象进行控制的具体过程。

控制算法是指根据控制流程，运用特定的算法对控制对象进行实时调节，以达到控制要求的方法。

另外，控制器是指控制系统的核心部件，其主要功能是对输入信号进行处理和调节，以使输出信号满足要求。

在机械工程中，常见的控制器有比例控制器、积分控制器和微分控制器等。

三、控制技术的应用控制技术在机械工程中的应用较为广泛，主要应用于机床、起重设备、自动化生产线、机器人等领域。

在机床中，常用的控制技术有数控技术和伺服控制技术。

在起重设备中，常用的控制技术有电控制技术和液压伺服控制技术。

在自动化生产线中，常用的控制技术有PLC控制技术和DCS控制技术。

而在机器人领域，控制技术则是重中之重，常用的技术有轨迹规划控制技术和变形控制技术等。

四、控制工程的发展趋势随着科学技术的不断发展，机械工程控制技术也取得了长足的进步。

现在，智能化、高精度、高速度和高可靠性已成为机械工程控制技术的主要发展方向。

同时，控制工程技术还应紧密地与信息技术、计算机技术、通信技术等相关领域结合，以推动控制工程技术的不断发展。

在未来，随着机器人技术的进一步发展，机器人控制技术也将更加成熟。

机械振动控制的理论与应用机械振动控制是一门针对机械系统中振动现象进行控制的学问。

机械部件的振动是由于外力作用或自身固有特性引起的，而这些振动不仅会导致工作效率下降，还会对机械部件的寿命造成影响甚至产生寿命断裂。

因此，对于保证机械部件的正常运转，降低能源损失和维护成本，机械振动控制的理论和应用具有极为重要的意义。

机械振动的分类机械振动在工程实践中可以分为自由振动、强迫振动和共振振动三种类型。

自由振动是指机械系统在没有外力作用下，受到初始位移或初始速度的驱动，根据机械部件的固有特性产生的振动现象。

例如，我们可以将一根弹簧挂起，然后将其下端给予位置或速度的初始变动，可以观察到弹簧在不受外力的作用下自发产生的振动。

强制振动是指受到外力作用下的机械系统振动。

例如，可以将弹簧挂在木板上，并不断给予弹簧一个频率相同、振幅固定的外力作用，可以观察到弹簧振幅会在振动中逐渐呈现一个稳定的值。

共振振动是指外力的作用频率与机械部件的固有特性产生共振的振动现象。

例如，我们可以将机械系统的固有频率匹配到一个频率相对应的外力，可以观察到机件的振幅会剧烈增加，这种现象就叫共振。

机械振动控制的方法振动控制的方法可以分为主动振动控制和被动振动控制两类。

主动振动控制是指通过主动力或控制力的作用，改变系统的振动状态来控制机械振动。

这种控制方法需要采用控制器来对振动信号进行分析和控制处理，通过对控制器输出控制信号，对机械系统的振动状态进行主动控制，从而达到稳态或稳定变化的目的。

例如，在振动控制系统中增加主动阻尼器或作用力，通过调节阻尼力或作用力大小与方向，来抵消原有振动从而达到控制振动的效果。

被动振动控制是指通过机械部件或材料的改变来控制机械振动。

这种控制方法不需要控制器等外部力量的介入，而是通过改变机械系统的物理性质或结构来降低机械振动。

例如，在电机叶轮上增加凸缘来消除流体力学振动。

振动控制的方法还可以根据机械振动类型、控制器种类、控制策略等来进行分类。

《机械控制理论基础》——实验报告班级：学号：姓名：目录实验内容实验一一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响P3 实验二二阶环节的阶跃响应及时间参数的影响P9 实验三典型环节的频率特性实验P15 实验四机电控制系统的校正P20 实验心得…………………………………………P23实验一 一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响● 实验目的通过实验加深理解如何将一个复杂的机电系统传递函数看做由一些典型环节组合而成，并且使用运算放大器来实现各典型环节，用模拟电路来替代机电系统，理解时间响应、阶跃响应函数的概念以及时间响应的组成，掌握时域分析基本方法 。

● 实验原理使用教学模拟机上的运算放大器，分别搭接一阶环节，改变时间常数T ，记录下两次不同时间常数T 的阶跃响应曲线，进行比较（可参考下图：典型一阶系统的单位阶跃响应曲线）。

典型一阶环节的传递函数：G （S ）=K （1+1/TS ） 其中： RC T = 12/R R K =典型一阶环节的单位阶跃响应曲线：● 实验方法与步骤1）启动计算机，在桌面双击“Cybernation_A.exe ”图标运行软件，阅览使用指南。

2）检查USB 线是否连接好，电路的输入U1接A/D 、D/A 卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D 、D/A 卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

3）在实验项目下拉框中选中本次实验，点击按钮，参数设置要与实验系统参数一致，设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可继续进行实验。

● 实验内容1、选择一阶惯性环节进行实验操作由于一阶惯性环节更具有典型性，进行实验时效果更加明显。

惯性环节的传递函数及其模拟电路与实验曲线如图1-1： G （S ）= - K/TS+1RC T = 12/R R K =2、（1）按照电子电路原理图，进行电路搭建，并进行调试，得到默认实验曲线图1-2图1-2（2）设定参数：方波响应曲线（K=1 ；T=0.1s ）、（K=2；T=1s ），R1=100k Ω 3、改变系统参数T 、K （至少二次），观察系统时间响应曲线的变化。

“机械控制理论基础”课程教学大纲英文名称：Foundation of Mechanical Control Theories课程编号：MACH3435学时：52 （理论学时：44 实验学时：8 上机学时：0 课外学时：0）学分：3适用对象：机械学院机自专业和车辆工程专业三年级本科生先修课程：机械设计、机械原理、材料力学、理论力学、电工学、流体力学、热工基础使用教材及参考书：[1] 董霞，陈康宁，李天石.机械控制理论基础.西安：西安交通大学出版社，2005.[2] 董明晓，李娟，杨红娟等.机械工程控制基础.北京：电子工业出版社，2010.[3] 胡寿松.自动控制原理.北京：国防工业出版社，2000.一、课程性质和目的（100字左右）性质：专业基础课目的：机械控制理论是研究“控制论”在“机械工程”中应用的科学，因而它也是一门跨“控制论”与“机械工程”技术理论领域的边缘学科。

本课程使学生能以动力学的观点而不是静态观点去看待一个机械工程系统，特别重要的是，能够从整体的而不是分离的角度，从整个系统中信息之传递、转换和反馈等角度来分析系统的“动态行为”。

具体地讲，就是使学生在掌握机械工程控制论的基本概念、基本知识和基本方法的基础上，密切结合机械工程实际，为将控制理论应用于工程实际打下基础。

二、课程内容简介（200字左右）拉普拉斯变换的数学方法。

力学、电学基础知识对系统建模的方法、传递函数、方块图、信号流图、状态方程等重要概念。

一阶、二阶系统的瞬态响应特性，以及瞬态响应的性能指标，各型系统的位置、速度和加速度误差系数以及系统类型、开环增益与系统稳态误差的关系。

对数坐标图(伯德图)的概念以及各典型环节的对数坐标图，系统伯德图的一般步骤及其特点，以及由伯德图估计最小相位系统传递函数的方法；极坐标图(乃奎斯特图)的概念以及各典型环节的极坐标图；频域中的性能指标及其与时域性能指标的关系。

系统用频率法设计控制系统的特点，串联校正的各种方式和方法。

六轴机械臂之控制理论分析与应用六轴机械臂是一种多关节机械臂，由6个旋转关节组成，分别为基座关节、肩关节、肘关节、腕关节和两个手腕旋转关节。

六轴机械臂具有广泛的应用领域，如工业自动化、医疗器械、半导体制造等。

本文将对六轴机械臂的控制理论进行分析，并介绍其应用。

T=T1*T2*T3*T4*T5*T6其中，T1至T6为机械臂各关节的旋转矩阵，它们的乘积表示机械臂的末端执行器的位置和姿态。

通过控制关节的转角，可以实现机械臂末端执行器的运动。

机械臂的逆运动学问题是指已知机械臂末端执行器的位置和姿态，求解各关节的转角。

逆运动学问题在机械臂的控制中是非常重要的，常用的方法有迭代法、几何分析法和解析法等。

在控制机械臂的过程中，需要采集机械臂关节的位置、速度和力矩等信息。

这些信息可以通过传感器实时获取，并通过控制算法进行处理和反馈控制。

控制六轴机械臂的一种常见方法是基于PID控制器。

PID控制器根据机械臂的当前状态和期望状态，计算出控制信号。

PID控制器的输出可分为三个部分：比例项、积分项和微分项。

比例项用于根据当前误差大小进行修正，积分项用于修正累积误差，微分项用于修正误差的变化率。

通过调节PID控制器的参数，可以实现对机械臂的精确控制。

除了PID控制，还有一些高级控制方法也可以应用于六轴机械臂的控制。

例如，模型预测控制（MPC）是一种基于数学模型的控制方法，通过优化问题求解来实现满足约束条件的最优控制器；模糊控制是一种基于经验知识的控制方法，通过模糊推理来实现对机械臂的非线性控制。

这些高级控制方法可以进一步提高机械臂的控制性能和精度。

六轴机械臂在工业自动化中的应用非常广泛，可以替代人工完成一些重复性、繁琐、危险的任务，提高生产效率和质量。

例如，在汽车制造过程中，机械臂可以负责焊接、装配、涂覆等工作；在物流领域，机械臂可以用于搬运和分拣货物等。

此外，六轴机械臂还可应用于医疗器械、半导体制造等领域，提高工作效率和精度。