机械控制工程基础
杨叔子 主编《机械工程控制基础》 控制工程基础的经典教材 目录 第1章：绪论 第2章：控制系统的数学模型第3章：控制系统的时间响应分析与误差分析第4章：控制系统的频率特性分析第5章：控制系统的稳定性第6章：控制系统的性能分析与校正 第1章绪论 §1.1概述§1.2自动控制系统的基本概念 本章的教学大纲 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。教学重点：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。 §1.1概述 1.学科性质：技术科学（应用理论） 2.研究对象：自动控制系统 例如1机器人，2火箭发射，3数控机床(视频)等 3.研究问题：自动控制系统的性能(好坏) 4.课程内容①如何建立数学模型②工程上分析和计算系统的方法③一般的理论和规律 一、发展阶段 [经典控制]：20世纪50年代末形成完整的体系，以传递函数为基础研究单输入、输出系统（SISO）的反馈控制系统。采用的方法主要有：时域分析法、根轨迹法和频率法。 [现代控制]：60－70年代，以状态空间法为基础研究多输出输入(MIMO)系统，变参数、非线性、高精度等系统。采用的方法主要有：状态空间分析法。 [大系统理论和智能控制论]：大系统论是用控制和信息的观点研究大系统的结构方案、总体设计中的分析方法和协调问题，智能控制论是研究与模拟人类活动的机理的新的控制论。 本课程研究经典控制的主要内容。 二、 自动控制理论的发展简史 1.1765瓦特飞锤控制器的应用，可以看成是自动控制学科发展的起点。 2.1877年，劳斯(E．Routh)和1895年赫尔维茨(A．Hurwith)分别独立地提出了关于判断控制系统稳 定性的代数判据。1932年奈奎斯特(H．Nyquist)在研究负反馈放大器 时创立了有名的稳定性判据，并提出了稳定裕量的概念。1945年伯德(H.W.Bode)提出了分析控制系统的另一 种图解方法即频率法。 1948年伊万斯(w. K．Evans)又创立了根轨迹法。 3.1948年维纳（N.Wiener）发表《控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》一文，是控制论正式成为一门学科的标志。点击查看主要事迹 4.1954年，钱学森用英文发表 “工程控制论” ，把控制论推广到其他领域。 继而出现了生物控制论、经济控制论、社会控制论等。 点击查看主要事迹 三、 主要研究的问题 研究内容有二：一为系统分析，二为系统的设计（包括系统综合） 系统分析：已知系统的结构和参数，研究它在某种典型输入信号作用下，被控量变化的全过程。从这个变化过程得出其性能指标，并讨论性能指标和系统的结构、参数的关系。 系统设计：寻求一个能完成一定控制任务，满足一定控制要求的控制系统。 系统综合：控制系统设计好后，即控制系统的主要元件和结构确定后，为了满足系统的性能指标，需要改变控制系统的某些参数或结构或附加某种装置。这个过程称为系统的校正或系统的综合。 四、 控制论 英文一般翻译：Control Theory 英语原文：Cybernetics： “控制论”来源希腊文“mberuhhtz”，原意为“操舵术”，就是掌舵的方法和技术。1948年维纳在《控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》提出：控制论是一门研究机器、生命社会中控制和通讯的一般规律的科学，他特意创造“Cybernetics”这个英语新词来命名这门科学。 控制论三要素：信息、反馈、控制。 五、自动控制 定义：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(控制装置)，使机器、设备、或者生产过程(控制对象)的某个工作状态或参数(被控量)自动的按照预定的规律运行。 生物、医学、环境、经济管理等其它应用范围：工业：数控机床、轧钢机、恒温箱等农业：恒温大棚、农业自动化机械宇航：火箭、飞船、卫星机器人、导弹制导、核动力等高新领域道路交通：信号灯控制、车牌自动识别日常：冰箱、洗衣机、空调 自动火炮、导弹制导等高新领域的应用 在雷达领域的应用 在家电领域的应用 道路交通的应用——车牌自动识别 恒温恒湿试验箱又名环境试验箱，实验各种材料的耐热、耐寒、耐干、耐湿性能。适合电子、电器、食品、车辆、金属、化学、建材等实验 生化培养箱是供医疗卫生、医药、生物、农业、科研等部门作储藏菌种、生物培养等科研必需设备 《控制工程基础》 在农业机械领域的应用 在太空领域的应用——如4“嫦娥”奔月计划 详细介绍请点击观看5中国探月计划全程模拟（视频） §1.2自动控制系统的基本概念 本节的重点： 恒温箱的控制过程反馈控制的原理自动控制系统的分类自动控制系统的要求 本节的难点：反馈控制的基本原理 一、恒温箱的控制过程 控制过程： 1.测量元件（温度计）测出箱内的实际温度（被控量）2.与给定值（要求的温度）进行比较，得出偏差3.根据偏差的大小和方向进行控制。 二、恒温箱的控制比较 三、手动控制与自动控制 手动控制靠人的观测与操作自动控制系统自动检测水位与控制阀门 四、 反馈 输入量：给定量 输出量：被控制量 反馈：将输出量的全部或一部分通过适当的测量装置返回到输入端，使两者进行比较。 偏差：比较的结果 实质相同：检测偏差用以纠正偏差。 反馈原理是实现自动控制的最基本方法。 五、反馈控制系统的基本组成扰 一般的控制系统都可用方块图表示。在方块图中，装置用方块来表示，信号用箭头表示，相加点(比较点)用表示。 ⒈反馈：可以有正反馈和负反馈，一般系统可有多个反馈，但主反馈一定是负反馈。 ⒉被控量：系统的输出量。影响系统输出量称为系统干扰量。 《控制工程基础》 《控制工程基础》 七、系统的其他分类 八、控制系统的基本要求 1.稳定性：系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。 是系统工作的首要条件 2.准确性：当稳定系统过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差，也称为稳态误差。 它是衡量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好。 3.快速性：即动态过程进行的时间长短。 注意：不同的系统对稳、快、准的要求应有所侧重。而对于同一系统，稳、快、准的要求是相互制约的。 《控制工程基础》 维纳趣事 诺伯特·维纳(Norbert Wiener，1894-1964)维纳是美国数学家，控制论的创始人。维纳1894年11月26日生于密苏里州的哥伦比亚，1964年3月18日卒于斯德哥尔摩。 20世纪著名数学家诺伯特·维纳，从小就智力超常，三岁时就能读写，十四岁时就大学毕业了。几年后，他又通过了博士论文答辩，成为美国哈佛大学的科学博士。 在博士学位的授予仪式上，执行主席看到一脸稚气的维纳，颇为惊讶，于是就当面询问他的年龄。维纳不愧为数学神童，他的回答十分巧妙：“我今年岁数的立方是个四位数，岁数的四次方是个六位数，这两个数，刚好把十个数字 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9全都用上了，不重不漏。这意味着全体数字都向我俯首称臣，预祝我将来在数学领域里一定能干出一番惊天动地的大事业。” 维纳此言一出，四座皆惊，大家都被他的这道妙题深深地吸引住了。整个会场上的人，都在议论他的年龄问题。上页下页目录 《控制工程基础》 主要成就 维纳在其50年的科学生涯中，先后涉足哲学、数学、物理学和工程学，最后转向生物学，在各个领域中都取得了丰硕成果，称得上是恩格斯颂扬过的、本世纪多才多艺和学识渊博的科学巨人。他一生发表论文240多篇，著作14本。他的主要著作有《控制论》(1948)、《维纳选集》(1964)和《维纳数学论文集》(1980)。维纳还有两本自传《昔日神童》和《我是一个数学家》。他的主要成果有如下八个方面： 发现维纳—霍普夫方法提出维纳滤波理论开创维纳信息论创立控制论点击返回 建立维纳测度 引进巴拿赫—维纳空间 阐述位势理论 发展调和分析 《控制工程基础》 钱学森简介 钱学森（1911～）中国著名物理学家，世界著名火箭专家。浙江杭州人，生于上海。1934年毕业于上海交通大学机械工程系，1934年在美国麻省理 工学院和加利福尼亚理工大学学习。1935年赴美国研究航空工程和空气动力学，1938年获加利福尼 亚理工学院博士学位。后留在美国任讲师、副教授、教授以及超音速实验室主任和古根罕喷气推进研究中心主任。1938年获博士学位后留校任教并从事火箭研究。 1950年开始争取回归祖国，当时一位美国海军高级将领说：“钱学森无 论走到哪里，都抵得上3～5个师的兵力，绝不能让他离开美国。”因此钱学森受到美国政府迫害，失去自由，历经5年于1955年才回到祖国。1955年10月冲破种种阻力回国后，1958年起长期担任火箭导 弹和航天器研制的技术领导职务。1959年，加入中国共产党。曾任中国科学院力学研究所所长，第 七机械工业部副部长，国防科工委副主任等职。现任中国科技协会名誉主席等职。 《控制工程基础》 钱学森主要成就 钱学森长期担任中国火箭和航天计划的技术领导人，对航天技术、系统科学和系统工程做出了巨大的和开拓性的贡献。钱学森共发表专著7部，论文300多篇。主要贡献表现在以下几方面： 应用力学喷气推进与航天技术工程控制论物理力学系统工程与科学 思维科学人体科学科学技术体系马克思主义哲学系统工程 与科学 科学火炬的传递者 点击返回 第2章 控制系统的数学模型 §2.2拉氏变换及反变换§2.3传递函数及基本环节的传递函数§2.4系统框图及其简化§2.1控制系统的微分方程及线性化方程 本章的教学大纲 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。 《控制工程基础》控制系统的微分方程及线 §2.1 性化方程 基本概念——数学模型 定义：描述系统的数学表达式 意义：通过数学模型，在理论上掌握系统在一定的输入作用下的运动规律以及稳定情况和动态过程。 微分方程是最基本数学模型，是其他两种的基础 一、建立微分方程的一般步骤 (1)确定输入量、输出量和扰动量，并根据需要引进一些中间变量。(2)根据物理或化学定律，列出微分方程。(3)消去中间变量后得到描述输出量与输入量(包括扰动量)关系的微分方程（标准形式）。 输入量在等号的右边，输出量在等号的左边，均按降次排列 二、机械系统的微分方程的建立基本原理： 1.牛顿第二定律：F=ma 2.简化模型为质量块m、弹簧k、阻尼器f f —粘滞摩擦系数k—弹簧系数dtdyfvfFf大小：ykFk大小： 方向：均为阻碍物体运动趋势 实例1：平移系统 某系统简化模型如下图所示，当外力y(t)作用于系统时，系统将产生运动。试写出外力y(t)与质量块的位移x(t)之间的微分方程。 解：在外力作用下，如果弹簧恢复力和阻尼器阻力与y(t)不能平衡，则质量块将产生加速运动，其速度和位移发生变化。根据牛顿定理有： 实例2：回转系统 f —转动时粘滞摩擦系数 k—弹性扭转变形系数 实例3：弹簧－阻尼器系统 三、电气系统微分方程的建立基本原理： 1.环路电压定律和节点电流定律0iUoiII 2.典型元件的电压与电流的关系 实例1：RLC网络 左图是由电阻R、电感L和电容C组成的无源网络，试列写以为输入量，以为输出量的网络微分方程。tuitu