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机械控制工程基础（董玉红徐莉萍主编）教学大纲第一篇：机械控制工程基础(董玉红徐莉萍主编)教学大纲一、课程性质和教学目的：本课程是机械设计制造及其自动化专业基础课程。
课程对象：机械设计制造及其自动化。
课程主要阐述有关自动控制技术的基础理论。
目的：使学生基本掌握自动控制系统性能分析及设计的方法和技巧，为进一步学习后续课程及今后的实际工作打下较坚实的基础。
要求：掌握自动控制理论的基本概念；自动控制系统数学模型的建模方法，包括微分方程传递函数，函数方块图，零极点分布图；自动控制系统性能的时域和频率域分析方法，重点掌握自动控制系统的稳定性，准确性及快速性的概念、指标、分析计算及校正的方法。
学会分析控制系统，并能初步设计控制系统。
二、课程教学内容：第一章绪论第一节机械工程控制论基础第二节控制系统的工作原理与组成第三节控制系统的分类与基本要求 1、4学时2、重点：控制系统的分类与基本要求。
难点：控制系统的工作原理和组成3、了解《机械控制工程基础》课程特点，初步建立控制系统概念。
4、理解控制系统的工作原理。
5、掌握相关基本要求。
第二章函数的数学模型第一节系统的微分方程第二节拉普拉斯变换和反变换第三节传递函数第四节系统框图简化第五节信号流图籍梅逊公式 1、12学时2、重点：拉普拉斯变换与反变换；传递函数的分析和建立；系统的框图表示办法。
难点：利用信号流图和梅逊公式来简化控制系统的传递函数；物理系统的传递函数推导。
3、了解复变量、复变函数、留数定理、拉氏变换等基础知识，了解简单机电微分方程方法。
4、理解模型函数的基本方法和思路。
5、掌握传递函数的推导、简化，理解传递函数的数学、物理意义。
第三章时域分析第一节概论第二节一阶系统的时间响应第三节二阶系统的时间响应第四节高阶系统的时间响应第五节稳态误差分析与计算 1、10学时。
2、重点：一阶、二阶和高阶系统的时间响应，误差分析及计算。
难点：时间响应的分析、计算方法及稳态误差的分析、判断和计算的基本方法。
《机械工程控制基础》课后答案目录第一章自动控制系统的基本原理第一节控制系统的工作原理和基本要求第二节控制系统的基本类型第三节典型控制信号第四节控制理论的内容和方法第二章控制系统的数学模型第一节机械系统的数学模型第二节液压系统的数学模型第三节电气系统的数学模型第四节线性控制系统的卷积关系式第三章拉氏变换第一节傅氏变换第二节拉普拉斯变换第三节拉普拉斯变换的基本定理第四节拉普拉斯逆变换第四章传递函数第一节传递函数的概念与性质第二节线性控制系统的典型环节第三节系统框图及其运算第四节多变量系统的传递函数第五章时间响应分析第一节概述第二节单位脉冲输入的时间响应第三节单位阶跃输入的时间响应第四节高阶系统时间响应第六章频率响应分析第一节谐和输入系统的定态响应第二节频率特性极坐标图第三节频率特性的对数坐标图第四节由频率特性的实验曲线求系统传递函数第七章控制系统的稳定性第一节稳定性概念第二节劳斯判据第三节乃奎斯特判据第四节对数坐标图的稳定性判据第八章控制系统的偏差第一节控制系统的偏差概念第二节输入引起的定态偏差第三节输入引起的动态偏差第九章控制系统的设计和校正第一节综述第二节希望对数幅频特性曲线的绘制第三节校正方法与校正环节第四节控制系统的增益调整第五节控制系统的串联校正第六节控制系统的局部反馈校正第七节控制系统的顺馈校正第一章自动控制系统的基本原理定义：在没有人的直接参与下，利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。
第一节控制系统的工作原理和基本要求一、控制系统举例与结构方框图例1．一个人工控制的恒温箱，希望的炉水温度为100C°,利用表示函数功能的方块、信号线，画出结构方块图。
图1人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度，通过大脑分析、比较，利用手和锹上煤炭助燃。
比较图2例2．图示为液面高度控制系统原理图。
试画出控制系统方块图和相应的人工操纵的液面控制系统方块图。
解：浮子作为液面高度的反馈物，自动控制器通过比较实际的液面高度与希望的液面高度，调解气动阀门的开合度，对误差进行修正，可保持液面高度稳定。
目录自动控制系统的基本原理第一章A-/r -4-4-第一e控制系统的工作原理和基本要求第—节控制系统的基本类型弟二e典型控制信号第四节控制理论的内容和方法第一章控制系统的数学模型d -4-4-第e机械系统的数学模型第—卩液压系统的数学模型第二卩电气系统的数学模型第四节线性控制系统的卷积关系式第一章拉氏变换第"P傅氏变换------- M-第—R拉普拉斯变换------- M-第二e拉普拉斯变换的基本定理第四节拉普拉斯逆变换第四章传递函数第一e传递函数的概念与性质第—节线性控制系统的典型环节--------------- H- 弟二e系统框图及其运算第四节多变量系统的传递函数第五章时间响应分析4^7 -4-4-第一e概述第—节单位脉冲输入的时间响应4^7 4-4-弟二"P单位阶跃输入的时间响应第四节高阶系统时间响应第六章频率响应分析第一节谐和输入系统的定态响应第二节频率特性极坐标图第三节频率特性的对数坐标图第四节由频率特性的实验曲线求系统传递函数第七章控制系统的稳定性第一节稳定性概念第二节劳斯判据第三节乃奎斯特判据第四节对数坐标图的稳定性判据第八章控制系统的偏差第一节控制系统的偏差概念第—节输入引起的定态偏差— -M- 弟二e输入引起的动态偏差第九章控制系统的设计和校正第一e综述第—节希望对数幅频特性曲线的绘制— -M- 弟二e校正方法与校正环T第四节控制系统的增益调整第五节控制系统的串联校正A-Ar^A_-4-l-弟八e控制系统的局部反馈校正第七节控制系统的顺馈校正第一章自动控制系统的基本原理走义：在没有人的直接参与下，利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。
第一节控制系统的工作原理和基本要求一、控制系统举例与结构方框图例 1. 一个人工控制的恒温箱，希望的炉水温度为100C。
利用表示函数功能的方块、信号线，画出结构方块图。
人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度，通过大脑分析、比较，利用手和锹上煤炭助燃。
机械控制工程基础课后答案董玉红徐莉萍主编精编W O R D版IBM system office room 【A0816H-A0912AAAHH-GX8Q8-GNTHHJ8】机械控制工程课后答案1-1机械工程控制论的研究对象与任务是什么?解机械工程控制论实质上是研究机械一r_程技术中广义系统的动力学问题。
具体地讲，机械工程控制论是研究机械工程广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定初始条件出发，所经历的由内部的固有特性所决定的整个动态历程;研究这一系统及其输入、输出二者之间的动态关系。
机械工程控制论的任务可以分为以下五个方面:(1)当已知系统和输人时，求出系统的输出(响应)，即系统分析。
(2)当已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制。
(3)当已知输入和理想输出，设计系统，即最优设计。
(4)当系统的输人和输出己知，求系统的结构与参数，即系统辨识。
(5)输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，即滤波与预测。
1.2 什么是反馈什么是外反馈和内反馈所谓反馈是指将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，并与输人信号共同作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。
所谓外反馈是指人们利用反馈控制原理在机械系统或过程中加上一个人为的反馈，构成一个自动控制系统。
所谓内反馈是指许多机械系统或过程中存在的相互藕合作用，形成非人为的“内在”反馈，从而构成一个闭环系统。
1.3 反馈控制的概念是什么为什么要进行反馈控制所谓反馈控制就是利用反馈信号对系统进行控制。
在实际中，控制系统可能会受到各种无法预计的干扰。
为了提高控制系统的精度，增强系统抗干扰能力，人们必须利用反馈原理对系统进行控制，以实现控制系统的任务。
1.4闭环控制系统的基本工作原理是什么?闭环控制系统的基本工作原理如下:(1)检测被控制量或输出量的实际值;(2)将实际值与给定值进行比较得出偏差值;(3)用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。
这种基于反馈原理，通过检测偏差再纠正偏差的系统称为闭环控制系统。
目录第一章自动控制系统的基本原理第一节控制系统的工作原理和基本要求第二节控制系统的基本类型第三节典型控制信号第四节控制理论的内容和方法第二章控制系统的数学模型第一节机械系统的数学模型第二节液压系统的数学模型第三节电气系统的数学模型第四节线性控制系统的卷积关系式第三章拉氏变换第一节傅氏变换第二节拉普拉斯变换第三节拉普拉斯变换的基本定理第四节拉普拉斯逆变换第四章传递函数第一节传递函数的概念与性质第二节线性控制系统的典型环节第三节系统框图及其运算第四节多变量系统的传递函数第五章时间响应分析第一节概述第二节单位脉冲输入的时间响应第三节单位阶跃输入的时间响应第四节高阶系统时间响应第六章频率响应分析第一节谐和输入系统的定态响应第二节频率特性极坐标图第三节频率特性的对数坐标图第四节由频率特性的实验曲线求系统传递函数第七章控制系统的稳定性第一节稳定性概念第二节劳斯判据第三节乃奎斯特判据第四节对数坐标图的稳定性判据第八章控制系统的偏差第一节控制系统的偏差概念第二节输入引起的定态偏差第三节输入引起的动态偏差第九章控制系统的设计和校正第一节综述第二节希望对数幅频特性曲线的绘制第三节校正方法与校正环节第四节控制系统的增益调整第五节控制系统的串联校正第六节控制系统的局部反馈校正第七节控制系统的顺馈校正第一章自动控制系统的基本原理定义：在没有人的直接参与下，利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。
第一节控制系统的工作原理和基本要求一、控制系统举例与结构方框图例1．一个人工控制的恒温箱，希望的炉水温度为100C°,利用表示函数功能的方块、信号线，画出结构方块图。
图1人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度，通过大脑分析、比较，利用手和锹上煤炭助燃。
煤炭给定的温度100 C手和锹眼睛比较图2例2． 图示为液面高度控制系统原理图。
试画出控制系统方块图 和相应的人工操纵的液面控制系统方块图。
解：浮子作为液面高度的反馈物，自动控制器通过比较实际的液面高度与希望的液面高度，调解气动阀门的开合度，对误差进行修正， 可保持液面高度稳定。
2-1 什么是线性系统？其最重要特性是什么？答：如果系统的数学模型是线性的，这种系统就叫做线性系统。
线性系统最重要的特性，是适用于叠加原理。
叠加原理说明，两个不同的作用函数（输入），同时作用于系统所产生的响应（输出），等于两个作用函数单独作用的响应之和因此，线性系统对几个输入量同时作用而产生的响应，可以一个一个地处理，然后对它们的响应结果进行叠加。
2-2分别求出图（题2-2 ）所示各系统的微分方程。
y ( t )y( t )kk1k2f( t )f ( t )mm(a)(b)k x icx i11xcc i mk1kx o2c2x o k x o2( c)(d)(e)解： (a) my(t ) ky(t) f (t )(b) my(t) (k1k2 ) y(t ) f (t)(c)( x i x0 )c1 mx0c2 x0(d ) X 0 (s)K1csX i (s) c(K1K 2 ) s K1K 2(e)( x i x0 ) K1( x i x0 )c K 2 x02-3求图（题2-3）所示的传递函数，并写出两系统的无阻尼固有频率n 及阻尼比的表达式。
x i x oRk Lmc u C u oi( a )(b)。
解：图 (a) 有： G( s)k mns 2c s km m V i L iR i1 idtC图 (b) 有：1V 0 idt Ck Cm2 mk11R C ∴ G( s)LCR1n2 L2 LCssLCL2-4 求图（题 2-4 ）所示机械系统的传递函数。
图中M 为输入转矩， C m 为圆周阻尼，J 为转动惯量。
（应注意消去 , 及）xkcMmRJ , C m题 2-4解：由已知可知输入量M 与输出量之间的关系为：JC m kM经拉氏变换后为：Js 2( ) C m s ( ) k( )ss M s( s)11/ J2 ∴nG( s)C m s kC mk s 2 2 nn 2M (s) Js2s2 sJ J其中，nk C m J2 Jk2-5 已知滑阀节流口流量方程式为Q c x ( 2p / ) ，式中，Q 为通过节流阀流口v的流量； p 为节流阀流口的前后油压差；x v 为节流阀的位移量； c 为流量系数；为节流口面积梯度；为油密度。
机械控制工程课后答案1-1机械工程控制论的研究对象与任务是什么?解机械工程控制论实质上是研究机械一r_程技术中广义系统的动力学问题。
具体地讲，机械工程控制论是研究机械工程广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定初始条件出发，所经历的由内部的固有特性所决定的整个动态历程;研究这一系统及其输入、输出二者之间的动态关系。
机械工程控制论的任务可以分为以下五个方面:(1)当已知系统和输人时，求出系统的输出(响应)，即系统分析。
(2)当已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制。
(3)当已知输入和理想输出，设计系统，即最优设计。
(4)当系统的输人和输出己知，求系统的结构与参数，即系统辨识。
(5)输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，即滤波与预测。
1.2 什么是反馈?什么是外反馈和内反馈?所谓反馈是指将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，并与输人信号共同作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。
所谓外反馈是指人们利用反馈控制原理在机械系统或过程中加上一个人为的反馈，构成一个自动控制系统。
所谓内反馈是指许多机械系统或过程中存在的相互藕合作用，形成非人为的“内在”反馈，从而构成一个闭环系统。
1.3 反馈控制的概念是什么?为什么要进行反馈控制?所谓反馈控制就是利用反馈信号对系统进行控制。
在实际中，控制系统可能会受到各种无法预计的干扰。
为了提高控制系统的精度，增强系统抗干扰能力，人们必须利用反馈原理对系统进行控制，以实现控制系统的任务。
1.4闭环控制系统的基本工作原理是什么?闭环控制系统的基本工作原理如下:(1)检测被控制量或输出量的实际值;(2)将实际值与给定值进行比较得出偏差值;(3)用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。
这种基于反馈原理，通过检测偏差再纠正偏差的系统称为闭环控制系统。
通常闭环控制系统至少具备测量、比较和执行三个基本功能。
1.5对控制系统的基本要求是什么?对控制系统的基本要求是稳定性、准确性和快速性。
稳定性是保证控制系统正常工作的首要条件。
稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。
准确性是衡量控制系统性能的重要指标。
准确性是指控制系统的控制精度，一般用稳态误差来衡量。
快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。
2-1 dtd t u RC dt d dtd t u RC dt d t u dt t u C t u R t t u idt C t u ia ii i i )t (u )(1)t (u )t (u )(1)t (u )(R)(1)(i)(u )(1)(.00000000=++=+=∴=+=⎰⎰同时：由电压定律有：设回流电流为 dt t d t B K dt t d t K dtt t x d Bt K t dtt t x d Bt b ii i )(x )(x )(x )(x ))(x )(()(x F')(x ))(x )((F )(x .00000000=+∴=-∴=-=右端：对左端：对解：)(1)()()u 11()())()(()()()(u )t (u )(u )(u )(u )t (u )(u )()(u )()(u .1021001020RC120202RC 1101t u R dt t du C t R R dt t du Cdtt u t u d C R t u t u R t dtd C R t R t R t i dt d C R t i R t u t t u t C R c i i i i RC R RC RC RC i RC +=++∴-+-=+=∴=+=+=及电容并联的电流为又由电压定律有：两端电压为设)()(x B )(x )k (k )(x )(x ))(x )(())(x )(()(x F')(x ))(x )(())(x )((F )(x 10210020100200100t x k dt t d t dt t d B t K t t x k dtt t x d Bt K t t t x k dtt t x d Bt i i i i i i +=++∴=-+-∴=-+-=右端：对左端：对)()(u R )(u R )(u )R ()((R 1)(u R )(u R )(u )R 1())()((R 1))(u )(u (R )(u R )()(1R )()()(u R )()(i 11i )(u )1()()(.201021112012012010120101020102001t u dt t d C dt t d C dt t d CR t u Cdt t d R dt t d R dt t d R t u t u Cdt t d dt t d R dt t d dt t u t u C t u t u R t t u t u idt CR t t u i R t u ie i i i i i i i i ii +=+++=++-+-=-+-=∴-=+=+=⎰⎰）由（同时：由电压定律有：设回流电流为)()((t)x )()()()((t)x )(x )(B ))(x )(())(x )(()(B ))(x )(()(x )(B 1))(x )(()(x )2()1()2()(x ))(x )(()(x 'F k ))(x )((F k )1())(x )(())(x )(())(x )((F')(x ))(x )((F )(x x k 21102102112101021001021001200212222022k2220k22012020001022t x k k dt t dx Bk k k dt t dx Bk k t x k dtt dx k k B k dt t d k k B dt t dx t t x k dtt t x d k k B dt t dx t t x k dtt d B dt t dx t t x k k t t k dtt t x d B t k dtt t x d B t t x k dtt t x d B dt t t x d Bt t t x k t i i i i i i i k i k k k k k i k k i k +=+++=++-=---=--=⋅=-∴⋅=-=-=-∴-=-=）代入（有：、由右端：对左端：对右端：对左端：对右端的位移为设2-2T s s T s s t f L s F 11-1111))(()()1(+=-==位移1444.04.0))(()(4.012cos )4(25515t 255))(()()15t 5sin )35sin()()3(4(12.04(-403.0203.0103.0))(()(t2cos 03.003.0)()2(22152222222+++==+=++==+=+=+=++=+-==-=）（及复位移（））s s t f L s F t s e s t f L s F t t f s s s s s s s s s t f L s F t f s ππππ[][][][][])(-)s m )(K s m ()(-)s m )(K s m ()(X )()(X )(-)()s m )(K s m ()()s m )(K s m ()(X )()(2)()s m ()(12)()(K )()(s m )(X )()(1)()()()()(s m )(K -)(X )()()()()(s m )()()()()(s m )()()()()()()()()()()()(5.21112112221211121122221312311312112221312112221233113121221222222123312213313212212232131222232131321212'23231"22'2323131k Bs Bs k k Bs k Bs k Bs K Bs k k Bs k Bs k Bs K s s X s K s X Bs k k Bs s X k Bs k Bs k Bs s X k Bs k Bs s K s BsX s X k k Bs s X k Bs s X s X k s X s BsX s X s K s BsX s X k s BsX s X k s BsX s X k s X s X s K s BsX s BsX s X k s X k s X s BsX s BsX s X k s X k s X t x t x K t x t x B t x t x K t x m t x t x B t x t x K t x m ++++++++=+++++++=∴=+++++++++++++=+++++=+++=+++=+++-+-=+-+-=-+-'+-=-'---=''）（）（）（）代入（）由（）（）（两边进行拉氏变换：3．1 时间响应：在输入作用下，系统的输出（响应）在时域的表现形式。
3.2，脉冲响应的拉氏变换等于传递函数乘以脉冲信号的拉氏变换，由于脉冲信号的拉氏变换为1，所以脉冲响应的拉氏变换等于传递函数。
3.3 一阶系统的阶跃响应为阻尼比及系统的无阻尼固有频率是系统的两个重要参数。
它们决定着系统的时间响应特性。
二阶系统的阻尼比决定了其振荡特性。
0,1)(≥-=-t e t x T t o 2222)(4.3n n n s s s G ωξωω++=典型二阶系统3-5 欠阻尼二阶系统单位阶跃响应曲ξ＝1ξ＞14-1 欠阻尼二阶系统单位阶跃响应曲线0 0.2 0.40.60.811.21.4 1.61.8 2p x o (t ) t 0),sin(11)(2≥+--=-t t e t c d t n ϕωξξω21ξωω-=n d ξξξϕarccos 12=-=arctg 0,)1(1)(≥+-=-t e t t c t n n ωω0)11(21)11(211)()1(22)1(2222≥------+-=-+----t e e t c t t n n ，ωξξωξξξξξξξξ2-a (41(2j 1)j (21)1/(11)1/(1)(2ωωϕωωωωrctg A s s s s =+=+==Φ+=+++=Φ））频率特性：系统传递函数：)452sin(35.0)(-=t t c（见PPT ）4-2ωωωωωω21tan a tan a -4112)12)(1(2)1(22rc rc j j -++++相频特性：幅频特性：开环频率特性：时、当t t r 2sin )()1(=2=ω,35.081)(2===ωωφj45)22()2(1-=-=-g t j ϕNyquist DiagramReal Axis I m a g i n a r y A x i s图 14-7838.1M )(,.165.8,0)(d )05.0()15.010(10)()05.0()15.010(1010)()(15.0)(05.010)(1015.005.010)(G 1)()(1r 2322322323===-+-=-+-=+++=Φ+++=+=Φ-r A s rad d A A j j j j j s s s s s G s 得代入可求得谐振频率令闭环传递函数为：ωωωωωωωωωωωωωωω5.1什么是系统的稳定性?控制系统稳定的充分必要条件是什么?系统的稳定性是指:系统受到扰动作用时，输出偏离平衡状态，当扰动消除后，若系统在足够长的时间内能恢复到其原来的平衡状态或趋于一个给定的新平衡状态，则该系统是稳定的。
