机械控制基础

机械控制基础1第一页，共二十五页，编辑于2023年，星期一《控制原理》是工科机类专业的一门专业基础课，起着衔接基础理论与专业知识，沟通机、电类相关专业课程的重要作用。了解《控制原理》在现代机电设备中，控制系统是将构成设备的光、机、电、液等各个子系统组合成一个有机整体的核心环节。控制理论及其技术在国民经济的各个行业以及航天航空、军工国防等多个领域都有着广泛和重要的应用。《控制原理》课程所介绍的经典控制理论既是现代控制技术的理论基础，也是进行机械工程控制系统分析与设计所依赖的主要技术方法之一。2第二页，共二十五页，编辑于2023年，星期一控制技术的应用中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车（235年）中国,埃及和巴比伦出现自动计时漏壶（1400BC-1100BC）中国李冰父子率众修造的以无坝引水为特征的四川都江堰水利工程（256BC)）3第三页，共二十五页，编辑于2023年，星期一控制技术的应用美国MITServomechanismLaboratory

研制出第一台数控机床(1952)美国GeorgeDevol研制出第一台工业机器人样机(1954)英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度（1788年）4第四页，共二十五页，编辑于2023年，星期一控制技术的应用前苏联第一座投入使用的太空空间站

(1974)前苏联第一颗人造卫星(1957)美国第一架航天飞机原型机企业号(1977)5第五页，共二十五页，编辑于2023年，星期一控制技术的应用薄板连铸连轧生产线机器人搬运汽车焊接生产线6第六页，共二十五页，编辑于2023年，星期一课程教学安排理论教学1.绪论实验教学1.典型环节及其时间响应2.系统的数学模型6.系统的性能指标与校正5.稳定性分析4.频率特性分析3.时间响应分析3.线性系统稳定性分析及其校正2.频域响应实验《控制原理》7第七页，共二十五页，编辑于2023年，星期一课程教材和主要参考书教材杨叔子等.机械工程控制基础，华中科技大学出版社，2005、2013，第5、6版

主要参考书董景新等.控制工程基础,清华大学出版社,2003，第2版李友善.自动控制原理(上册),国防工业出版社，1980裴润等.自动控制原理(上册),哈尔滨工业大学出版社,2006杨前明等.机械工程控制基础，华中科技大学出版社，2010《控制原理》8第八页，共二十五页，编辑于2023年，星期一第一章绪论本章教学内容1.1机械工程控制论的研究对象与任务1.2系统及其模型1.4系统的分类及对控制系统的基本要求1.3反馈本章教学目的

本章的教学旨在使同学们对本课程的教学内容有个大致了解，对控制理论、控制系统的有关概念有个基本认识，对机械系统动力学分析方法能有初步的体会。

《控制原理》9第九页，共二十五页，编辑于2023年，星期一《控制原理》1.1机械工程控制论的研究对象及任务控制——

指一事物对另一事物所施加的强制性约束，对控制系统而言，这种约束是让某个物理量按一定规律变化。具有以下特点：具有某种不确定性；这种不确定性的变化可借助信息来表示；控制的过程就是不断减少这种不确定性的过程。控制论（Cybernetics）——关于在动物和机器中控制和通讯的科学，研究的是更为广泛的系统里更为一般的控制规律。工程控制论——

控制论在工程技术领域中的应用，是以一般工程系统为研究对象，研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。机械工程控制论——控制论在机械工程中的应用，主要以机械系统为研究对象。本课程主要是应用古典控制理论研究单输入单输出线性系统中系统与其输入、输出之间的动态关系。10第十页，共二十五页，编辑于2023年，星期一1.1机械工程控制论的研究对象及任务：举例系统数学模型反映了系统与其输入输出三者的关系，可归纳为：（1）系统、输入已知，求输出：系统分析（本课程重点）（2）系统、输出已知，求输入：最优控制、最佳滤波（3）输入、输出已知，求系统：最优设计、系统辨识 作用着不同输入的同一个机械系统 系统动力学方程或数学模型《控制原理》11第十一页，共二十五页，编辑于2023年，星期一1.2系统及其模型系统

——由相互联系、相互作用的若干部分或元素，以一定的结构组成的具有特定功能的整体，即具有以下特性1.2.1系统具有整体性具有相对独立性具有特定的结构具有一定的功能，或一定的目的性要点：(1) 系统整体特性不是组成系统的各元件特性的简单迭加；(2) 系统性能除了与组成系统的元件的性能有关还与元件间相互结合的形式有关。《控制原理》12第十二页，共二十五页，编辑于2023年，星期一机械系统

——以实现一定的机械运动，承受一定的机械载荷为目的，由机械元件组成的系统（包括液压系统），如轧机、机床、交通工具等。1.2.2机械系统 机械系统的激励：外界对系统的作用，也称为系统输入，通常表现为力/扭矩（载荷）。该作用如果是有意施加的通常可称之为“控制”，否则就被视为“扰动”。 机械系统的响应：系统在输入作用下所产生的输出，通常表现为位移（角位移）或变形。1.2系统及其模型《控制原理》13第十三页，共二十五页，编辑于2023年，星期一1.2.3静态模型与动态模型《控制原理》数学模型

——用数学方法并依据物理或专业定律描述一个系统内部各部分之间、系统与其外部环境之间相互关系的理论模型。静态模型

——反映系统在恒定或缓变载荷作用下，或在平衡状态下的系统特性的数学模型。静态模型一般用代数方程描述。动态模型

——反映系统在迅变载荷作用下，或在系统不平衡状态下的系统特性的数学模型。动态模型一般用微分方程或差分方程描述。静态模型的输出取决于当前输入，动态模型的输出则还与历史的输入有关，且动态模型通常包含静态模型。14第十四页，共二十五页，编辑于2023年，星期一ymFk疲劳试验机在一定条件下可以简化成一个质量-弹簧系统,系统输入(激振力F)

和系统输出(材料的变形y)之间的关系,可借助于牛顿定律建立该系统的动态模型：如果F是一个恒定载荷,则当系统处于平衡状态时，可得到系统的静态模型：1.2.3静态模型与动态模型：举例1.2系统及其模型《控制原理》15第十五页，共二十五页，编辑于2023年，星期一《控制原理》反馈

——指系统或部件的输出会反过来作用于其输入的现象。它是系统得以产生动态响应过程的根本原因。1.3反馈1.3.1机械工程中的反馈控制图1.3.2为静压轴承工作原理，它是利用反馈的原理进行工作的。16第十六页，共二十五页，编辑于2023年，星期一《控制原理》反馈控制

——有意地利用系统输出来改变系统的输入，进而影响系统输出的控制方法，也称之为闭环控制；又因它是用系统希望输出与实际输出比较后所得到的偏差进行控制故也称为偏差控制。1.3反馈1.3.1机械工程中的反馈控制无外反馈（开环系统）反馈控制（闭环系统）17第十七页，共二十五页，编辑于2023年，星期一1.3.2机械系统的内在反馈机械系统的内反馈是构成系统的各个要素之间自然而然的相互作用，其决定了系统的动态响应过程ymFk

(a)例如图(a)所示系统，似乎没有明显的反馈通道，其力平衡方程为：kF-y(b)以其质量m的位移y为系统的输出，则上式可改写为：该式可用图(b)表示，显然该系统还是存在着反馈通道。《控制原理》1.3反馈18第十八页，共二十五页，编辑于2023年，星期一按反馈的有无分类——开环系统、闭环系统1.4系统的分类及对控制系统的基本要求1.4.1系统的几种分类开环系统

系统中没有任何一个环节受到系统输出反馈作用，也称为开环控制系统。其优点是简单、稳定、可靠，缺点是精度不高、抗扰动性能差。闭环系统

指系统的输入装置受到系统输出反馈作用的系统。其优点是精度高、抗扰动性好，缺点是结构复杂、控制难度大。半闭环系统

系统中某个环节（非输入装置）受到系统输出反馈作用，或输入装置受到系统某个环节（非输出量）的反馈作用。《控制原理》19第十九页，共二十五页，编辑于2023年，星期一1.4系统的分类及对控制系统的基本要求1.4.1系统的几种分类《控制原理》自动调节系统

——在外界干扰作用下，系统输出仍能基本保持为常量的系统（如恒温控制、液面控制系统等)。这种系统的输入多为常值，对稳定性有较高要求。随动系统（伺服系统）——系统输出能相应于输入在广阔范围内按任意规律变化的系统(如雷达跟踪、电液伺服系统等)。这种系统对响应速度有较高要求。程序控制系统——系统输出按预定程序变化的系统(如数控加工系统等)。这类系统可以是闭环控制，也可以是开环控制。对于闭环程序控制系统，其性能界于以上两类系统之间。按输出变化规律分类——调节系统、随动系统、程序控制系统20第二十页，共二十五页，编辑于2023年，星期一1.4系统的分类及对控制系统的基本要求1.4.1系统的几种分类《控制原理》按描述系统的数学模型分类——线性控制系统

指可用线性微分方程来描述的系统。非线性控制系统

指不能用线性微分方程来描述的系统，此种系统包含着变量中具有非线性关系的元器件。按系统中传递信号的性质分类——连续控制系统系统中传递的信号都是模拟信号，控制规律是用硬件组成的控制器实现的。描述此种系统的数学工具是微分方程和拉氏变换。离散控制系统系统中传递的信号有数字信号，控制规律是用软件实现的，计算机作为系统的控制器。描述此种系统的数学工具是差分方程和Z变换。

21第二十一页，共二十五页，编辑于2023年，星期一1.4系统的分类及对控制系统的基本要求《控制原理》1.4.1系统的几种分类：闭环控制系统的构成给定环节

产生给定信号(输入信号、指令信号),用于确定被控对象的目标值(期望值)。测量环节检测被控变量(含输出),并转换成可用于比较、运算的电量或数字量。比较环节将指令信号(系统响应的期望值)与检测反馈值进行比较,产生可用于控制器运算的偏差信号。放大及运算环节该环节就是系统的控制器,其根据偏差信号产生对系统输出进行调整的控制信号。

执行环节将控制器产生的控制信号进行功率放大和能量形式的转换,以驱动被控对象按所要求的规律运动。22第二十二页，共二十五页，编辑于2023年，星期一1.4系统的分类及对控制系统的基本要求《控制原理》系统稳定性——系统抵抗扰动恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出受扰偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是系统正常工作的先决条件。不稳定系统稳定系统1.4.2对控制系统的基本要求：稳定性、快速性和准确性负反馈：误差不断减小

l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1正反馈：误差不断增加

正反馈系统属于结构不稳定系统，对于这类系统，不论如何调整系统参数都不可能使系统稳定下来。23第二十三页，共二十五页，编辑于2023年，星期一1.4系统的分类及对控制系统的基本要求《控制原理》1.4.2对控制系统的基本要求：稳定性、快速性和准确性系统快速性

——在系统稳定的前提下，当系统输出量和输入量之间产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。它表征系统的动态性能。系