《机械工程控制基础》课程授课教案（讲义）第一章 绪论（内蒙古科技大学：谭心）

机械工程控制基础 学时数：40学时 学院：机械工程学院 教师：谭心

机械工程控制基础 学时数： 40 学时 学 院：机械工程学院 教 师：谭心

重要性及其应用 重要性 为“机械设计制造及其自动化”专业必修课，是机械工程类专业， 特别是机电工程类专业的重要理论基础之一。 “方法论”：系统、动态、本身特性（内因)、外界输入干 扰（外因)。 应用： 数控机床：按预先排定的工艺程序一几何形状 火炮自动瞄准：跟踪雷达、指挥仪一目标 人造地球卫星：按规定轨道发射，并准确回收 预备知识 (复变函数、积分变换等)良好的数学、力学、电学等基础，一定 的机械工程方面的专业知识。 通过用控制论解决机械工程问题，如：机床工作台低速运动出现爬 行现象，驱动工作台移动的物理模型如图1.1。 xo(t) →x) 777777777 图1.1物理模型

重要性及其应用 重要性: 为“机械设计制造及其自动化”专业必修课，是机械工程类 专业， 特别是机电工程类专业的重要理论基础之一。 “方法论”：系统、动态、本身特性（内因）、外界输入干 扰（外因）。 应用： 数控机床：按预先排定的工艺程序—几何形状 火炮自动瞄准：跟踪雷达、指挥仪—目标 人造地球卫星：按规定轨道发射，并准确回收 预备知识 （复变函数、积分变换等）良好的数学、力学、电学等基础，一定 的机械工程方面的专业知识。 通过用控制论解决机械工程问题，如：机床工作台低速运动出现爬 行现象，驱动工作台移动的 物理模型如图 1.1。 m xi(t) x0(t) c k 图 1.1 物理模型

求解：输入与输出的关系 数学模型：m成=k(飞-)-c, 科研：定性→定量 分析+规律 课题的性质、任务及目的 性质：侧重原理，内容切合工程实际，是一门专业基础课。以控制 论为理论基础，研究机械工程中广义系统的动力学问题；同时，也是一 种“方法论”。 任务及目的：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；从整个系统中的信息传递、转换的反馈等角度来分析系 统的动态行为：能结合工程实际，应用经典控制论的基本概念和基本方 法来分析、研究和解决其中的问题。 主要的两个问题： ①对机电系统中存在的问题能用控制论的观，点和思维方法进行科 学分析，以找出问题的本质和有效的解决方法。 ②如何控制一个机电系统，使之按规定的规律运动，以达到预定的 技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。 课程的基本要求

求解：输入与输出的关系 数学模型： mx k x x cx 0 0 0     i  科研：定性→定量 分析→规律 课题的性质、任务及目的 性质：侧重原理，内容切合工程实际，是一门专业基础课。 以控制 论为理论基础，研究机械工程中广义系统的动力学 问题；同时，也是一 种“方法论”。 任务及目的：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；从整个系统中的信息传递、转换 的反馈等角度来分析系 统的动态行为；能结合工程实际， 应用经典控制论的基本概念和基本方 法来分析、研究和解 决其中的问题。 主要的两个问题： ①对机电系统中存在的问题能用控制论的观点和思维方 法进行科 学分析，以找出问题的本质和有效的解决方法。 ②如何控制一个机电系统，使之按规定的规律运动，以达到预定的 技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。 课程的基本要求

l.对建立机电系统的数学模型，Laplace应用，传函及框图的求取、 简化，运算等，应概念清楚，熟练掌握。 2.对经典系统的时域和频域特性，应用清楚的基本概念并能熟练掌 握。 3.掌握判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据。 教学内容与学时分配 40学时：第一章绪论 2学时 第二章系统的数学模型 10学时 第三章时间响应与误差分析 10学时 第四章系统的频率特性分析 10学时 第五章系统的稳定性 8学时 考核方式：考试成绩80%+平时成绩20%

1.对建立机电系统的数学模型，Laplace 应用，传函及 框图的求取、 简化，运算等，应概念清楚，熟练掌握。 2.对经典系统的时域和频域特性，应用清楚的基本概念并能熟练掌 握。 3.掌握判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据。 教学内容与学时分配 40 学时： 第一章 绪论 2 学时 第二章 系统的数学模型 10 学时 第三章 时间响应与误差分析 10 学时 第四章 系统的频率特性分析 10 学时 第五章 系统的稳定性 8 学时 考核方式：考试成绩 80%+平时成绩 20%

第一章 绪论 教学内容： 一机械工程控制基础的基本概念，研究对象和任务，学习本课程的 目的和意义： 二关于“系统”、“信息传递”和反馈及“反馈控制”的基本概念： 三系统及其模型，控制系统的分类，反馈控制系统的基本组成，对 控制系统的基本要求，本课程的特点。 一控制系统工作原理及组成 自动控制：利用控制装置自动地操纵机器设备或生产过程，使其具 有希望的状态或功能。 自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统。如：电炉炉温自动 控制系统（比较人工控制）。 测量 比较 、执行 少经电压功和，电机成建图压图少，每题面中 热电偶 图1.2电炉炉温自动控制系统 二.自动控制系统的几种分类及基本要求

第一章 绪论 教学内容： 一.机械工程控制基础的基本概念，研究对象和任务，学习本课程的 目的和意义； 二.关于“系统”、“信息传递”和反馈及“反馈控制”的基本概念； 三.系统及其模型，控制系统的分类，反馈控制系统 的基本组成，对 控制系统的基本要求，本课程的特点。 一.控制系统工作原理及组成 自动控制：利用控制装置自动地操纵机器设备或生产 过程，使其具 有希望的状态或功能。 自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统。如：电炉炉温自动 控制系统（比较人工控制）。 测量 比较 执行 电压功率k 电机 减速器 调压器 U1 ΔU Ua + n γ 恒温箱 U3 热电偶 t0 U2 - 图 1.2 电炉炉温自动控制系统 二.自动控制系统的几种分类及基本要求

A.自动控制系统的分类 (一)按反馈情况，可分为：开环控制系统、闭环控制系统。 1.开环控制系统 输入、输出间不存在反馈，输出量对系统的控制作用无影响，精度 取决于系统各部分的标准精度以及工作中元件和参数的稳定程度。 特点：若不存在内外干扰，且元件参数稳定，系统简单，可保证足 够精度。如：导弹发射架控制系统。 恒温箱 例1.人工控制的恒温箱 →温度计 加热电阻丝 220V 调压器 图1.3人工控制的恒温箱 测量：温度计 被控对象：恒温箱 被控量：温度 控制器：调压器，改变加热电阻丝的电流 观察的温度与要求的温度进行比较一偏差，当低于所要求的T时，向 右移动触头，I↑、T↑。反之，左移

A.自动控制系统的分类 （一）按反馈情况，可分为：开环控制系统、闭环控制系统。 1.开环控制系统 输入、输出间不存在反馈，输出量对系统的控制作用无影响，精度 取决于系统各部分的标准精度以及工作中元件和参数的稳定程度。 特点：若不存在内外干扰，且元件参数稳定，系统简单，可保证足 够精度。 如：导弹发射架控制系统。 恒温箱 例 1.人工控制的恒温箱 温度计 加热电阻丝 220V 调压器 图 1.3 人工控制的恒温箱 测量：温度计 被控对象：恒温箱 被控量：温度 控制器：调压器，改变加热电阻丝的电流 观察的温度与要求的温度进行比较—偏差，当低于所要求的T时，向 右移动触头，I↑、T↑。反之，左移

例2.自动控制的恒温箱 给定信号 电机 由 热电偶 放大器放大器 0 加热电阻丝 图1.4自动控制的恒温箱 温度计→热电偶，增加了电气、电机、减速器等。热电偶测出的电 压信号，与箱内温度成正比例。△V=-上，经电压及功率放大后，来 控制电机的旋转速度及方向，又经传动机构减速器使调压器的触头移 动，使I↑或↓，直至T到达给定值。△V=0,电机停转，完成任务。 对比 将以上两个系统对比： 人工 自控 (1)测量 温度计→眼睛 热电偶→V2 (2)比较 头脑 自动控制器 (3)执行 电机等 例控制实例-液面控制

例 2.自动控制的恒温箱 热电偶 加热电阻丝 220V 调压器 给定信号 V2 V1 ΔV1 电压 放大器 功率 放大器 电机 减速器 图 1.4 自动控制的恒温箱 温度计→热电偶，增加了电气、电机、减速器等。热电偶测出的电 压信号 V2 ，与箱内温度成正比例。    V V V 1 2 ，经电压及功率放大后，来 控制电机的旋转速 度及方向，又经传动机构减速器使调压器的触头移 动，使 I↑或↓，直至 T 到达给定值。   V 0 ,电机停转，完成任务。 对比 将以上两个系统对比： 人工 自控 （1）测量 温度计→眼睛 热电偶→ V2 （2）比较 头脑 自动控制器 （3）执行 手 电机等 例.控制实例-液面控制

图1.5a人工控制 图1.5b自动控制 2.闭环控制系统 输入、输出间有反馈回路，输出量对控制作用有直接影响。产生控 制的关镀→偏差。“检测偏差，用以消除之”。 如：导弹发射架控制系统如图1.6所示 +V9 装收凸功，执行电 热电偶 图1.6导弹发射架控制系统 3闭环与开环控制系统比较： 稳定性：开环（好）：闭环：参数若不当+振荡→不稳定→失控 开环闭环 精度 成本 y ↑ 结构 简单 复杂

图 1.5a 人工控制 图 1.5b 自动控制 2.闭环控制系统 输入、输出间有反馈回路，输出量对控制作用有直接影响。产生控 制的关键→偏差。“检测偏差，用以消除之”。 如：导弹发射架控制系统如图 1.6 所示。 差放 功放 执行电机 U1 R1 + θm 热电偶 U2 - +V -V Ue Ua R2 +V -V θ0 θ1 图 1.6 导弹发射架控制系统 3.闭环与开环控制系统比较： 稳定性：开环（好）；闭环：参数若不当→振荡→不稳定→失控 开环 闭环 精度 ↓ ↑ 成本 ↓ ↑ 结构 简单 复杂

稳定性↑↓ 若要求复杂且准确度↑的控制任务，可将开、闭环控制结合一起应 用→经济、性能的控制系统。 (二)按系统功能（输出变化规律）可分为： 1自动调节系统（恒值控制系统）一闭环系统。 在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保持为常量。 如：恒温调节系统电热水器。 给定温度→→程装风→强室 输出温度 元件 热电偶 图17恒温调节系统电热水器系统 2.随动系统（伺服跟踪系统）一无章可循 系统的输入量随时间任意变化，输出以要求的精度及时平稳地复现 输入量。 如：炮瞄雷达系统、液压仿形刀架（配钥匙） (飞机的位置一输入，放射跑的指向一输出，放射跑的指向随飞机 位置的变动而变动) 3程序控制系统一有章可循 系统的输出按规定程序变化的系统。 如：数控机床进给系统

稳定性 ↑ ↓ 若要求复杂且准确度↑的控制任务，可将开、闭环控制结合一起应 用→经济、性能 的控制系统。 （二）按系统功能（输出变化规律）可分为： 1.自动调节系统（恒值控制系统）—闭环系统。 在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保持为常量。 如：恒温调节系统电热水器。 热敏感 元件 调温装置 恒温室 热电偶 给定温度 输出温度 图 1.7 恒温调节系统电热水器系统 2.随动系统（伺服跟踪系统）—无章可循 系统的输入量随时间任意变化，输出以要求的精度及时平稳地复现 输入量。 如：炮瞄雷达系统、液压仿形刀架（配钥匙） （飞机的位置—输入，放射跑的指向—输出，放射跑的指向随飞机 位置的变动而变动） 3.程序控制系统—有章可循 系统的输出按规定程序变化的系统。 如：数控机床进给系统

(三)按系统性能可分为： 1.线性与非线性系统： 线性定常即线性微分方程，系数为常数，满足迭加原理。 非线性→不满足迭加原理，线性化处理(Computer应用)。 如：时变宇宙飞船控制系统（随飞机船上燃料的消耗，飞船的质量 在发生变化，而随飞船与地球距离的变化，所受地球引力也在变化)。 2.连续与离散系统 Computer控制的系统一离散（数字）控制系统 ⌒连续 连续 系统连续 采裤器口 保特器☐ 离终四离散 图1.7离散（数字)控制系统 图1.8连续和离散信号 B对自动控制系统的基本要求：稳、快、准 稳：稳定性；快：快速性；准：准确性（稳态精度) 1稳定性 由于惯性，各参数配合不当→振荡→失去工作能力。 要求：输出量偏离给定输入量的初始值应随时间增长渐趋于0。 2.快速性

（三）按系统性能可分为： 1.线性与非线性系统： 线性定常即线性微分方程，系数为常数，满足迭加原理。 非线性→不满足迭加原理，线性化处理（Computer 应用）。 如：时变宇宙飞船控制系统（随飞机船上燃料的消耗，飞船的质量 在发生变化，而随飞船与地球距离的变化，所受地球引力也在变化）。 2.连续与离散系统 Computer 控制的系统—离散（数字）控制系统 Computer 系统 采样器 A/D D/A 保持器 离散 离散 连续 连续 y t y t 连续 离散 图 1.7 离散（数字）控制系统 图 1.8 连续和离散信号 B.对自动控制系统的基本要求: 稳、快、准. 稳:稳定性; 快:快速性; 准:准确性（稳态精度） 1.稳定性 由于惯性，各参数配合不当→振荡→失去工作能力。 要求：输出量偏离给定输入量的初始值应随时间增长渐趋于 0。 2.快速性