《機(jī)械控制工程基礎(chǔ) 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(xué)方法

控制工程基礎(chǔ)考核內(nèi)容、方式及評(píng)分依據(jù)考查教學(xué)目標(biāo)達(dá)成成績(jī)占比課堂測(cè)試1.網(wǎng)上測(cè)試，并在測(cè)試后發(fā)布測(cè)試題講解視頻2.考查平時(shí)授課的掌握情況3.根據(jù)信息化教學(xué)平臺(tái)記錄結(jié)果（是否完成及完成情況）評(píng)分。1、2、330%60分課內(nèi)實(shí)驗(yàn)1.本課程共安排兩次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，4個(gè)學(xué)時(shí)；2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)完成情況、實(shí)驗(yàn)質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)等情況評(píng)分。420分大作業(yè)1.本課程要求利用Matlab軟件，,給出解決機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決方案；2.結(jié)合科技文獻(xiàn)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(shí)驗(yàn)方案的合理性、準(zhǔn)確性評(píng)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(píng)閱標(biāo)準(zhǔn)，采取網(wǎng)絡(luò)閱卷方式評(píng)分。170%20分265分315分考核方式1234課程介紹教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程目錄控制工程基礎(chǔ)-機(jī)自專業(yè)課程介紹教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程控制工程基礎(chǔ)-機(jī)自專業(yè)課程介紹控制論：研究生物（包括人類）和機(jī)器中的操縱、控制和信息傳遞的一般規(guī)律的基礎(chǔ)理論?？刂普摰乃枷牒头椒ㄒ褲B透到幾乎所有自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)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(duì)象，采用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子與通訊技術(shù)、測(cè)量技術(shù)等，研究系統(tǒng)的建模、分析、控制、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的理論、方法和技術(shù)的一門(mén)學(xué)科。機(jī)械控制工程基礎(chǔ)：以機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)的控制系統(tǒng)為主要研究對(duì)象。課程介紹教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程控制工程基礎(chǔ)-機(jī)自專業(yè)課程起源公元132年，中國(guó)科學(xué)家張衡（公元78~139）發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀。公元235年，中國(guó)馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車（司南車），通過(guò)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(jī)，用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)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(wàn)能的原動(dòng)機(jī)”，解決了大工業(yè)發(fā)展的動(dòng)力問(wèn)題。課程介紹教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程控制工程基礎(chǔ)-機(jī)自專業(yè)課程意義——工程控制論我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森首先將控制理論推廣到工程技術(shù)領(lǐng)域，他在美國(guó)運(yùn)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(dòng)控制著作。正是他寫(xiě)出了享譽(yù)國(guó)際學(xué)術(shù)界的《工程控制論》，亮出了他的系統(tǒng)科學(xué)思想和方法，并在主導(dǎo)中國(guó)“兩彈一星”研制中成功實(shí)踐。思政要點(diǎn)錢(qián)學(xué)森的愛(ài)國(guó)精神和科學(xué)治學(xué)精神！1955年他回到中國(guó)，在火箭、導(dǎo)彈、航空航天發(fā)展方面作出了重要貢獻(xiàn)，中國(guó)載人航天奠基人。“研究工程控制論只是為了轉(zhuǎn)移美國(guó)特務(wù)們的注意力，爭(zhēng)取獲準(zhǔn)回歸祖國(guó)。當(dāng)時(shí)并沒(méi)有想到建立一門(mén)新學(xué)科”現(xiàn)代工程控制論的重要之作課程介紹教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程控制工程基礎(chǔ)-機(jī)自專業(yè)課程意義——自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)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(shí)代的生產(chǎn)新記錄。1952年，美國(guó)MIT研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床機(jī)器人裝配自動(dòng)生產(chǎn)線中國(guó)第一顆人造衛(wèi)星（1970年）東方紅一號(hào)無(wú)人駕駛技術(shù)月球車、火星車等達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人課程介紹教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程控制工程基礎(chǔ)-機(jī)自專業(yè)課程性質(zhì)及目標(biāo)培養(yǎng)機(jī)械工程類學(xué)生的自動(dòng)控制相關(guān)知識(shí)；培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)⑿畔ⅰ⒖刂频燃夹g(shù)與本專業(yè)知識(shí)有機(jī)融合，在機(jī)械工程控制方面具備發(fā)現(xiàn)和解決工程問(wèn)題的能力；培養(yǎng)學(xué)生能夠在機(jī)械工程及相關(guān)領(lǐng)域從事機(jī)電裝備控制工作?？刂乒こ袒A(chǔ)（機(jī)械控制工程基礎(chǔ)），以機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)的控制系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課。課程介紹教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程控制工程基礎(chǔ)-機(jī)自專業(yè)課程特點(diǎn)及教學(xué)理念本課程從時(shí)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(jī)械工程自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用；應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)較多、理論性較強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)抽象。淡化數(shù)學(xué)推證、強(qiáng)調(diào)實(shí)用性、突出工程背景機(jī)械控制工程基礎(chǔ)第2版，王潔、劉慧芳主編，機(jī)械工業(yè)出版社出版課程介紹教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程控制工程基礎(chǔ)-機(jī)自專業(yè)教學(xué)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(shí)域分析、頻域分析、根軌跡及系統(tǒng)設(shè)計(jì)校正方法?！?.1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù)§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(duì)控制系統(tǒng)的基本要求§1.6機(jī)械制造的發(fā)展與控制理論的應(yīng)用§1.7控制理論發(fā)展的簡(jiǎn)單回顧

§1.8本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法11自動(dòng)控制

在無(wú)人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機(jī)械、設(shè)備、或生產(chǎn)過(guò)程（被控對(duì)象）的工作狀態(tài)或稱為某一個(gè)物理量（被控量）按預(yù)定的規(guī)律（給定量）運(yùn)行。課程回顧

控制:對(duì)被控對(duì)象施加某種操作，使其產(chǎn)生期望的行為。12人工控制自動(dòng)控制人工與自動(dòng)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(shí)質(zhì)就是信息的傳遞與交互。反饋14開(kāi)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(kāi)環(huán)液位控制系統(tǒng)中，增加一個(gè)液位的自動(dòng)測(cè)量與比較裝置。15

控制系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用有影響，或控制器與控制對(duì)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(shuō)明的是：

輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用的影響稱為“反饋”。16開(kāi)環(huán)控制示意圖計(jì)算執(zhí)行受控對(duì)象給定值干擾被控量比較控制驅(qū)動(dòng)受控對(duì)象檢測(cè)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(hào)比較的過(guò)程。若反饋信號(hào)是與輸入信號(hào)相減而使偏差值越來(lái)越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。

負(fù)反饋控制是一個(gè)利用偏差進(jìn)行控制并最后消除偏差的過(guò)程，又稱偏差控制。同時(shí)，由于有反饋的存在，整個(gè)控制過(guò)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(gè)內(nèi)反饋，因?yàn)闆](méi)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(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)中，為達(dá)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(guò)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(gè)元素之間相

互耦合的結(jié)果。內(nèi)反饋是造成機(jī)械系統(tǒng)存在一定的動(dòng)態(tài)特性的根本原因紛繁復(fù)雜的內(nèi)反饋的存在使得機(jī)械系統(tǒng)變得異常復(fù)雜。21§1.1機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù)§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(duì)控制系統(tǒng)的基本要求§1.6機(jī)械制造的發(fā)展與控制理論的應(yīng)用§1.7控制理論發(fā)展的簡(jiǎn)單回顧

§1.8本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法22基本控制方式開(kāi)環(huán)/閉環(huán)/復(fù)合控制

一個(gè)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(duì)象控制裝置測(cè)量元件比較元件放大元件執(zhí)行機(jī)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(hào)引回輸入端，與輸入信號(hào)相比較，利用所得的偏差信號(hào)進(jìn)行控制，達(dá)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(diǎn)：

(1)系統(tǒng)內(nèi)部存在反饋，信號(hào)流動(dòng)構(gòu)成閉回路

(2)偏差起調(diào)節(jié)作用

29負(fù)反饋原理1.穩(wěn)：（基本要求）

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

系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出跟蹤精度要高3.快：（動(dòng)態(tài)要求）系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)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(hào)的形式恒值系統(tǒng)/隨動(dòng)(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(shí)間變化定常系統(tǒng)/時(shí)變系統(tǒng)4.按信號(hào)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(jì)初—20世紀(jì)50年代)

時(shí)域法復(fù)域法(根軌跡法)

頻域法現(xiàn)代控制理論(20世紀(jì)60年代—)

線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制預(yù)測(cè)控制最優(yōu)控制魯棒控制滑模控制最佳估計(jì)容錯(cuò)控制大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)系統(tǒng)辨識(shí)集散控制非線性系統(tǒng)理論

智能控制理論(20世紀(jì)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(luò)自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史32控制工程基礎(chǔ)課程的任務(wù)與體系結(jié)構(gòu)33基礎(chǔ)知識(shí)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(xué)模型工程控制技術(shù)時(shí)域分析頻域分析系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)工程應(yīng)用系統(tǒng)性能指標(biāo)系統(tǒng)校正主要教學(xué)內(nèi)容341.自動(dòng)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(duì)控制系統(tǒng)的要求課程研究的內(nèi)容2.要求掌握的知識(shí)點(diǎn)負(fù)反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)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(fù)數(shù)與復(fù)變函數(shù)虛單位稱為實(shí)部稱為虛部?jī)蓚€(gè)復(fù)數(shù)相等，實(shí)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(xué)方法372.1.2復(fù)數(shù)的表示法1.幾何表示法這個(gè)平面，稱為“復(fù)平面”第2章拉普拉斯變換的數(shù)學(xué)方法382.向量表示法（實(shí)部、虛部對(duì)應(yīng)向量橫縱坐標(biāo)）復(fù)數(shù)的模復(fù)數(shù)的幅角向量的長(zhǎng)度稱為復(fù)數(shù)s的模向量與軸的夾角稱為復(fù)數(shù)s的幅角第2章拉普拉斯變換的數(shù)學(xué)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(xué)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(xué)方法41【例】寫(xiě)成指數(shù)表示形式解：第2章拉普拉斯變換的數(shù)學(xué)方法422.1.3復(fù)數(shù)的四則運(yùn)算加減兩個(gè)復(fù)數(shù)相加，等于兩個(gè)復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部分別相加兩個(gè)復(fù)數(shù)相減，等于兩個(gè)復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部分別相減第2章拉普拉斯變換的數(shù)學(xué)方法43乘由此我們得到一個(gè)重要結(jié)論除第2章拉普拉斯變換的數(shù)學(xué)方法442.1.4復(fù)變函數(shù)1.定義以復(fù)數(shù)為自變量的函數(shù)稱為“復(fù)變函數(shù)”第2章拉普拉斯變換的數(shù)學(xué)方法452.極點(diǎn)、零點(diǎn)有理分式的表示形式極點(diǎn)：使分母為0的點(diǎn)零點(diǎn)：使分子為0的點(diǎn)第2章拉普拉斯變換的數(shù)學(xué)方法第2章拉普拉斯變換的數(shù)學(xué)方法2.2節(jié)

拉普拉斯變換簡(jiǎn)介2.2.1定義第2章拉普拉斯變換的數(shù)學(xué)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(xué)方法2.微分性質(zhì)第2章拉普拉斯變換的數(shù)學(xué)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(xué)方法5.延遲定理第2章拉普拉斯變換的數(shù)學(xué)方法第2章拉普拉斯變換的數(shù)學(xué)