《機械控制工程基礎 第2版》 課件 王潔 第1、2章 課程介紹、緒論、拉普拉斯變換的數(shù)學方法

控制工程基礎考核內(nèi)容、方式及評分依據(jù)考查教學目標達成成績占比課堂測試1.網(wǎng)上測試，并在測試后發(fā)布測試題講解視頻2.考查平時授課的掌握情況3.根據(jù)信息化教學平臺記錄結(jié)果（是否完成及完成情況）評分。1、2、330%60分課內(nèi)實驗1.本課程共安排兩次課內(nèi)實驗，4個學時；2.根據(jù)實驗準備、實驗完成情況、實驗質(zhì)量、實驗報告的撰寫等情況評分。420分大作業(yè)1.本課程要求利用Matlab軟件，,給出解決機械工程領(lǐng)域內(nèi)自動控制系統(tǒng)設計問題的解決方案；2.結(jié)合科技文獻的查閱和檢索工作，完成一次綜合性大作業(yè)；3.根據(jù)模型建立情況和實驗方案的合理性、準確性評分。4、520分期末考試1.閉卷考試，課程組集體命題；2.根據(jù)課程組試卷評閱標準，采取網(wǎng)絡閱卷方式評分。170%20分265分315分考核方式1234課程介紹教學內(nèi)容教學設計教學過程目錄控制工程基礎-機自專業(yè)課程介紹教學內(nèi)容教學設計教學過程控制工程基礎-機自專業(yè)課程介紹控制論：研究生物（包括人類）和機器中的操縱、控制和信息傳遞的一般規(guī)律的基礎理論?？刂普摰乃枷牒头椒ㄒ褲B透到幾乎所有自然科學和社會科學領(lǐng)域?？刂评碚撆c控制工程：是以工程領(lǐng)域內(nèi)的控制系統(tǒng)為主要研究對象，采用現(xiàn)代數(shù)學方法和計算機技術(shù)、電子與通訊技術(shù)、測量技術(shù)等，研究系統(tǒng)的建模、分析、控制、設計和實現(xiàn)的理論、方法和技術(shù)的一門學科。機械控制工程基礎：以機械工程領(lǐng)域內(nèi)的控制系統(tǒng)為主要研究對象。課程介紹教學內(nèi)容教學設計教學過程控制工程基礎-機自專業(yè)課程起源公元132年，中國科學家張衡（公元78~139）發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的候風地動儀。公元235年，中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車（司南車），通過齒輪差速功能控制所指方向的恒定。1788年瓦特發(fā)明了蒸汽機，用離心式調(diào)速器控制蒸汽機的速度和效率，由此產(chǎn)生了第一次工業(yè)革命,真正成為了“萬能的原動機”，解決了大工業(yè)發(fā)展的動力問題。課程介紹教學內(nèi)容教學設計教學過程控制工程基礎-機自專業(yè)課程意義——工程控制論我國著名科學家錢學森首先將控制理論推廣到工程技術(shù)領(lǐng)域，他在美國運用控制論思想和方法，于1954年用英文出版了《工程控制論》，是第一部自動控制著作。正是他寫出了享譽國際學術(shù)界的《工程控制論》，亮出了他的系統(tǒng)科學思想和方法，并在主導中國“兩彈一星”研制中成功實踐。思政要點錢學森的愛國精神和科學治學精神！1955年他回到中國，在火箭、導彈、航空航天發(fā)展方面作出了重要貢獻，中國載人航天奠基人?！把芯抗こ炭刂普撝皇菫榱宿D(zhuǎn)移美國特務們的注意力，爭取獲準回歸祖國。當時并沒有想到建立一門新學科”現(xiàn)代工程控制論的重要之作課程介紹教學內(nèi)容教學設計教學過程控制工程基礎-機自專業(yè)課程意義——自動控制系統(tǒng)應用實例1913年福特公司建成了世界上第一條汽車裝配流水線，創(chuàng)造了汽車工業(yè)時代的生產(chǎn)新記錄。1952年，美國MIT研制出第一臺數(shù)控機床機器人裝配自動生產(chǎn)線中國第一顆人造衛(wèi)星（1970年）東方紅一號無人駕駛技術(shù)月球車、火星車等達芬奇手術(shù)機器人課程介紹教學內(nèi)容教學設計教學過程控制工程基礎-機自專業(yè)課程性質(zhì)及目標培養(yǎng)機械工程類學生的自動控制相關(guān)知識；培養(yǎng)學生能夠?qū)⑿畔ⅰ⒖刂频燃夹g(shù)與本專業(yè)知識有機融合，在機械工程控制方面具備發(fā)現(xiàn)和解決工程問題的能力；培養(yǎng)學生能夠在機械工程及相關(guān)領(lǐng)域從事機電裝備控制工作?？刂乒こ袒A（機械控制工程基礎），以機械工程領(lǐng)域內(nèi)的控制系統(tǒng)為主要研究對象，是機械設計制造及其自動化專業(yè)的學科基礎課。課程介紹教學內(nèi)容教學設計教學過程控制工程基礎-機自專業(yè)課程特點及教學理念本課程從時域和頻域兩方面，系統(tǒng)介紹了經(jīng)典控制論的基本原理及其在機械工程自動控制系統(tǒng)中的應用；應用數(shù)學知識較多、理論性較強、知識點抽象。淡化數(shù)學推證、強調(diào)實用性、突出工程背景機械控制工程基礎第2版，王潔、劉慧芳主編，機械工業(yè)出版社出版課程介紹教學內(nèi)容教學設計教學過程控制工程基礎-機自專業(yè)教學內(nèi)容本課程共10章，包括：控制系統(tǒng)模型建立，系統(tǒng)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差分析，系統(tǒng)時域分析、頻域分析、根軌跡及系統(tǒng)設計校正方法?！?.1機械工程控制論的研究對象與任務§1.2系統(tǒng)及其模型§1.3

反饋§1.4控制系統(tǒng)基本組成§1.5系統(tǒng)分類及對控制系統(tǒng)的基本要求§1.6機械制造的發(fā)展與控制理論的應用§1.7控制理論發(fā)展的簡單回顧

§1.8本課程的特點與學習方法11自動控制

在無人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機械、設備、或生產(chǎn)過程（被控對象）的工作狀態(tài)或稱為某一個物理量（被控量）按預定的規(guī)律（給定量）運行。課程回顧

控制:對被控對象施加某種操作，使其產(chǎn)生期望的行為。12人工控制自動控制人工與自動13反饋的概念定義:系統(tǒng)的輸出不斷地，直接或間接地、全部或部分地返回，并作用于系統(tǒng)，其實質(zhì)就是信息的傳遞與交互。反饋14開環(huán)向閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)換樣例液位控制閉環(huán)系統(tǒng)示意圖如右圖所示，在開環(huán)液位控制系統(tǒng)中，增加一個液位的自動測量與比較裝置。15

控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用有影響，或控制器與控制對象之間既有順向作用又有反向聯(lián)系，故這種控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。需要說明的是：

輸出量對系統(tǒng)的控制作用的影響稱為“反饋”。16開環(huán)控制示意圖計算執(zhí)行受控對象給定值干擾被控量比較控制驅(qū)動受控對象檢測給定值干擾被控量閉環(huán)控制示意圖17

把輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端并與輸入信號比較的過程。若反饋信號是與輸入信號相減而使偏差值越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正反饋。

負反饋控制是一個利用偏差進行控制并最后消除偏差的過程，又稱偏差控制。同時，由于有反饋的存在，整個控制過程是閉合的，故也稱為閉環(huán)控制。18例：m-c-k系統(tǒng)19顯然這是一個內(nèi)反饋，因為沒有附加反饋控制裝置。內(nèi)反饋是系統(tǒng)內(nèi)部的信息交互，反映了系統(tǒng)的動態(tài)特性。例：m-c-k系統(tǒng)20內(nèi)反饋與外反饋外反饋：在自動控制系統(tǒng)中，為達到某種控制目的而

人為加入的反饋，稱為外反饋。

內(nèi)反饋：在系統(tǒng)或過程中存在的各種自然形成的反饋，

稱為內(nèi)反饋。它是系統(tǒng)內(nèi)部各個元素之間相

互耦合的結(jié)果。內(nèi)反饋是造成機械系統(tǒng)存在一定的動態(tài)特性的根本原因紛繁復雜的內(nèi)反饋的存在使得機械系統(tǒng)變得異常復雜。21§1.1機械工程控制論的研究對象與任務§1.2系統(tǒng)及其模型§1.3

反饋§1.4控制系統(tǒng)基本組成§1.5系統(tǒng)分類及對控制系統(tǒng)的基本要求§1.6機械制造的發(fā)展與控制理論的應用§1.7控制理論發(fā)展的簡單回顧

§1.8本課程的特點與學習方法22基本控制方式開環(huán)/閉環(huán)/復合控制

一個典型的液位控制系統(tǒng)，H為液面高度(又稱液位)，控制的目的在于保持液面高度不變23課程回顧

爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖24控制系統(tǒng)被控對象控制裝置測量元件比較元件放大元件執(zhí)行機構(gòu)校正裝置給定元件25控制系統(tǒng)的組成

26控制系統(tǒng)的組成水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖27水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖28水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)

將系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號相比較，利用所得的偏差信號進行控制，達到減小偏差、消除偏差的目的。

____構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心

閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)的特點：

(1)系統(tǒng)內(nèi)部存在反饋，信號流動構(gòu)成閉回路

(2)偏差起調(diào)節(jié)作用

29負反饋原理1.穩(wěn)：（基本要求）

要求系統(tǒng)要穩(wěn)定2.準：（穩(wěn)態(tài)要求）

系統(tǒng)響應達到穩(wěn)態(tài)時，輸出跟蹤精度要高3.快：（動態(tài)要求）系統(tǒng)階躍響應的過渡過程要平穩(wěn)，快速演示控制系統(tǒng)的基本要求1.按給定信號的形式恒值系統(tǒng)/隨動(伺服)系統(tǒng)/程控系統(tǒng)2.按是否滿足疊加原理線性系統(tǒng)/非線性系統(tǒng)3.按參數(shù)是否隨時間變化定常系統(tǒng)/時變系統(tǒng)4.按信號傳遞的形式連續(xù)系統(tǒng)/離散系統(tǒng)5.按輸入輸出變量的多少單變量系統(tǒng)/多變量系統(tǒng)

31控制系統(tǒng)的分類經(jīng)典控制理論

(19世紀初—20世紀50年代)

時域法復域法(根軌跡法)

頻域法現(xiàn)代控制理論(20世紀60年代—)

線性系統(tǒng)自適應控制預測控制最優(yōu)控制魯棒控制滑?？刂谱罴压烙嬋蒎e控制大系統(tǒng)復雜系統(tǒng)系統(tǒng)辨識集散控制非線性系統(tǒng)理論

智能控制理論(20世紀70年代—)

專家系統(tǒng)遺傳算法模糊控制多智能體神經(jīng)網(wǎng)絡自動控制理論發(fā)展簡史32控制工程基礎課程的任務與體系結(jié)構(gòu)33基礎知識分析方法基本概念控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系控制系統(tǒng)數(shù)學模型工程控制技術(shù)時域分析頻域分析系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)工程應用系統(tǒng)性能指標系統(tǒng)校正主要教學內(nèi)容341.自動控制的一般概念基本控制方式控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的分類對控制系統(tǒng)的要求課程研究的內(nèi)容2.要求掌握的知識點負反饋控制系統(tǒng)的特點及原理由系統(tǒng)工作原理圖繪制方框圖課程小結(jié)35362.1節(jié)

復數(shù)與復變函數(shù)虛單位稱為實部稱為虛部兩個復數(shù)相等，實部、虛部分別相等2.1.1定義第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法372.1.2復數(shù)的表示法1.幾何表示法這個平面，稱為“復平面”第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法382.向量表示法（實部、虛部對應向量橫縱坐標）復數(shù)的模復數(shù)的幅角向量的長度稱為復數(shù)s的模向量與軸的夾角稱為復數(shù)s的幅角第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法arg:argumentofacomplexnumber393.三角函數(shù)表示法第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法404.指數(shù)表示法歐拉公式第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法41【例】寫成指數(shù)表示形式解：第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法422.1.3復數(shù)的四則運算加減兩個復數(shù)相加，等于兩個復數(shù)的實部和虛部分別相加兩個復數(shù)相減，等于兩個復數(shù)的實部和虛部分別相減第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法43乘由此我們得到一個重要結(jié)論除第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法442.1.4復變函數(shù)1.定義以復數(shù)為自變量的函數(shù)稱為“復變函數(shù)”第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法452.極點、零點有理分式的表示形式極點：使分母為0的點零點：使分子為0的點第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法2.2節(jié)

拉普拉斯變換簡介2.2.1定義第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法2.2.2拉氏變換的性質(zhì)1.線性性質(zhì)第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法2.微分性質(zhì)第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法3.積分性質(zhì)4.終值定理第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法5.延遲定理第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法第2章拉普拉斯變換的數(shù)學