机械控制工程基础 课件 第一章 绪论

机械控制工程基础FundamentalsofMechanicalControlEngineering第1章绪论第2章控制系统的数学模型第3章控制系统的时域分析第4章控制系统的频域分析第5章控制系统的稳定性第6章控制系统的校正设计第7章线性离散系统初步一、课程学时和学习平台1.课程学时建议总学时为40-50学时，其中实验学时为6学时。2.学习平台-超星泛雅网络平台《机械控制工程基础》/course/205765018.html学习平台配有教案，PPT，电子版教材，部分章节视频，每章测验，作业，习题库等；《机械控制工程基础》是关于控制理论在机械工程中应用的课程。自动控制理论通常包括以下内容：经典控制理论

线性定常控制系统分析与校正；线性离散控制系统分析；现代控制理论线性系统状态空间分析；非线性控制系统分析；智能控制理论

专家系统，模糊控制，神经网络控制，遗传算法。二、课程介绍建立系统的数学模型系统时域分析系统频域分析系统的稳定性判断系统的设计校正机电系统时域法根轨迹法频域法稳定性快速性准确性123465性能指标数学模型三、课程的结构框架教材各章：第1章绪论第2章控制系统的数学模型第3章控制系统的时域分析第4章控制系统的频域分析第5章控制系统的稳定性第6章控制系统的校正设计第7章线性离散系统初步经典控制理论第一章绪论第一节控制论的发展第二节控制系统的工作原理与组成第三节

控制系统的基本要求核心要点：了解控制理论的发展历程；掌握自动控制的基本概念；

掌握闭环控制系统的原理和组成；

掌握控制系统的基本要求。

机械控制工程是研究自动控制理论在机械工程中应用的一门学科。在第一次工业革命时期，自动控制技术就应用到机械工程中，实现了机械制造和生产过程的自动化。一、控制论的发展第一节

控制论的发展自动控制技术是指在没有人直接参与的情况下，利用外部装置，使机器设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。例如：数控机床按照预先编写好的程序自动地加工工件;工业锅炉内的温度或压力自动地维持恒定;导弹发射系统准确瞄准并精准地打击目标;无人驾驶飞机按照预先设定好的轨迹自动地升降和飞行。

在寻求解决自动控制装置性能的问题过程中，产生了自动控制理论。自动控制理论是一门理论性较强的科学，它研究控制系统的分析和设计等一般性理论，是方法论，并不能直接解决工程实际中的具体技术问题，但是它对工程实践具有重要的指导作用。

自动控制理论不仅仅是学术研究者关心的课题，也是工程技术人员的必修课。在工业生产和交通运输等各个领域中，机械系统的应用是最为广泛的，因此建立以机械工程为应用背景的“机械控制工程”这门学科具有重要的意义。一、控制论的发展第一节

控制论的发展一、控制论的发展第一节

控制论的发展

经典控制理论(20世纪40年代)线性定常系统单输入单输出微分方程，传递函数解决单机自动化或局部自动化，例如：炉温，水位，电机转速控制等。研究内容：研究单输入单输出的线性系统的控制问题；1788年，詹姆斯.瓦特发明了蒸汽机离心调速器，被西方国家认为是最早的自动控制技术。代表人物和事件：19世纪欧洲的工业革命促进了自动控制技术的发展，也促进了经典控制理论的形成。东汉的张衡研制的候风地动仪

三国时期诸葛亮发明的木牛流马我国在自动控制方面的发明比西方国家早。北宋燕肃的指南车北宋苏颂和韩公廉水运仪像台1870年：麦克斯韦对瓦特的调速器建立了线性微分方程；1875年：霍尔维茨提出霍尔维茨判据；1884年：劳斯提出了劳斯判据；1932年：奈奎斯特提出了频域稳定性判据；1945年：伯德提出图解法（伯德图）用于分析系统特性。1948年，美国麻省理工学院（MIT）数学家诺伯特.维纳(N.Wiener)发表了专著：《控制论》（Cybernetics）―关于在动物和机器中控制与通讯的科学标志着经典控制理论的诞生。1954年，我国2院院士，航天之父，科学家钱学森在美国发表了专著：《工程控制论》（EngineeringCybernetics）标志着工程控制理论的诞生，推动了控制理论在工程领域的应用。经典控制理论代表人物和事件：

现代控制理论(20世纪60年代)解决实时控制和最优控制问题非线性时变系统多输入多输出状态空间方程线性系统理论非线性系统理论最优控制理论随机控制理论自适应控制理论研究内容：1956年：美国数学家贝尔曼提出最优控制的动态规划法；1956年：前苏联科学家庞特里亚金提出了极大值原理；1959年：美国数学家卡尔曼提出卡尔曼滤波器和系统的能控性、能观性；1960年初，以最优控制和卡尔曼滤波为核心的现代控制理论应运而生。在时域内利用状态空间分析解决多输入多输出的线性或非线性系统的最优控制问题。能够解决导弹，航空航天等制导方面的问题。解决复杂的非线性系统的控制问题智能控制理论是以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础的理论，是人工智能与自动控制相结合的产物。智能控制理论能够避开对被控对象的数学建模，集中于对目标进行识别以及知识学习和推理上，实现对外界环境和系统过程进行理解、判断、预测和规划，实现有效的控制。例如：智能机器人自动规划路径、避障并到达目标点；无人汽车自动驾驶；

智能控制理论(20世纪70年代)二、课程的学习内容1、学习内容以经典控制理论为核心，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。线性定常系统单输入单输出2、课程特点本课程是一门抽象的专业核心课，以数学、物理等为理论基础，以机械工程中的动力学问题为研究对象，运用控制理论的理论与方法，分析与解决机械工程中的控制问题。课程涉及拉氏变换，积分变换，理论力学，电路等基础知识，还要具有一些机械制造的工程背景。一、自动控制系统的分类1.按输出变化规律：恒值控制系统，例如：液位，温度控制器，电机转速随动控制系统，雷达天线跟踪系统程序控制系统，智能小车的运动控制系统2.按工作信号特点：连续控制系统，离散控制系统3.按照系统特点：线性控制系统，非线性控制系统4.按照控制方向：开环控制系统，闭环控制系统第二节控制系统的工作原理与组成4、开环控制系统与闭环控制系统（1）开环控制系统

信号的传递方向是单向的从输入到输出。输出量不会对输入量产生影响（无反馈）。系统无法自动校正误差。特点：结构简单，成本低，无法保证较高的控制精度。例如：自动售货机，自动洗衣机，自动生产线，红绿灯交通控制。控制器步进电机工作台

输

入（电压）

输

出（位移）数控机床工作台进给系统线性系统开环控制系统举例（2）闭环控制系统

除了输入到输出的正向控制，还存在由输出返回输入的反向控制，也叫反馈控制系统。特点：当扰动作用使输出产生偏差时，反馈环节能够测量输出的偏差，并通过系统的控制作用纠正误差。能保持较高的控制精度。例：离心调速系统，数控机床的伺服驱动系统，

恒温控制系统数控机床工作台进给系统控制器步进电机工作台

输

入（电压）

输

出（位移）电位计光栅尺线性系统闭环控制系统举例二、反馈及反馈控制闭环控制系统是基于反馈控制原理工作的。反馈控制：反馈是控制理论最基本，最重要的概念，控制理论的核心思想是反馈控制。反馈：将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，并与输入信号共同作用于系统的过程。思考题7.判断哪个是正、负反馈？并说出三个变量的名称和关系。X2(S)X3(S)X1(s)_+X2(S)X3(S)X1(s)++负反馈，正反馈，X1(s)输入，X2(s）反馈，X3(S)输出负反馈：如果反馈信号与系统的输入信号方向相反；正反馈；如果反馈信号与系统的输入信号方向相同；三、闭环控制系统工作原理阀门进水出水

给定水位Q1Q2Hg放大器UaM△UUBUA减速器电位计浮子例1：水箱液位自动控制系统闭环控制系统方框图：执行器检测装置浮球杠杆电位器RPB水箱阀门给定水位Q2实际水位Q1放大器减速器电机-RPAUA比较元件原理：当出水时，浮子位置下降，带动滑动变阻器电刷上滑，输出电压UB增大,电压差通过放大器带动电机工作，电机通过减速器打开阀门进水，当水位超过预定位置，电机反转水阀闭合，减小进水量。经过反复调整，水位恢复到预定位置。闭环控制系统工作原理：通过测量，比较和执行三大功能实现闭环控制。测量－反馈元件－检测输出实际值，形成反馈量比较－比较元件－比较反馈量与给定输入，得到偏差执行－执行元件－产生控制作用，消除误差二、控制系统的组成1、控制系统的组成方框图控制器被控对象反馈元件扰动误差偏差输入输出

给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号。

反馈元件：测量被控制量或输出量xo，产生主反馈信号。将

其转换成便于传递的物理量，反馈到比较环节。

比较元件：用来接收输入信号并和反馈信号进行比较，产生反映两者差值的偏差信号e=xi-xf。

放大元件：对较弱的偏差信号作功率放大，以推动执行元件动作。

执行元件：直接驱动被控对象按预定规律运动的元件。

校正元件：为改善系统控制性能而加入系统中的元件。2.控制系统的组成元件

1）控制对象：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控制对象或被控对象。2）控制器：被控对象以外的所有装置，称为控制器。3）输入信号：又叫输入量、控制量或给定量。一般输入信号是指控制输出量变化规律的信号。4）输出信号：又叫输出量、被控制量或被调节量。表征被控对象

运动规律或状态的物理量。5）反馈信号：它是输出信号经过反馈元件变换后加到输入端的信号。6）偏差：系统的输入量与反馈量之差，即比较环节的输出。7）误差信号：指输出量的实际值与希望值之差。8）扰动信号：又叫干扰信号。偶然的人为无法控制的信号。3.控制系统的基本概念和术语1、稳定性(稳)tnNgtnNg稳定性定义：系统动态过程的振荡倾向以及恢复平衡状态的能力。稳定性

是保证控制系统正常工作的首要条件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件和初始状态无关。若系统参数匹配不当可能引起振荡。第三节控制系统的基本要求

稳定性（稳）、准确性（准）、快速性（快）2、准确性(准)准确性是指控制系统的控制精度，一般用稳态误差来衡量。所谓稳态误差是指以一定变化的输入信号作用于系统后，系统对抗干扰重新获得平衡状态时，输出量的实际值与期望值之间的误差。稳态误差＝输出实际值－期望值<=2％－5％3、快速性(快)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。用超调量、动态响应时间等指标来衡量。快速性好的系统，消除偏差的过渡过程时间短，因而能复现快速变化的输入信号，并具有较好的动态性能