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机 械 控 制 工 程 基 础 教材：王伟《机械控制工程基础》 参考：董景新《控制工程基础》 胡寿松《自动控制原理》 绪芳胜彦《现代控制工程》 MATLAB在控制系统分析与设计中的应用类的书籍  第一章 绪 论一、概述 1、自动控制与自动控制系统 自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，使生产过程或被控对象的某些物理量准确地按照预期的规律变化，使其具有希望的状态和功能。 自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统。 2、经典控制理论及经典控制理论 控制理论分为经典控制理论和现代控制理论。 经典控制理论：以传递函数为基础，研究单输入单输出的线性连续系统的分析和设计问题。 现代控制理论：以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、变参数、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最佳滤波、系统辩识、自适应控制等理论都是这一领域的主要研究课题，其基础是计算机技术和现代应用数学。 经典控制可以利用硬件电路实现，也可以用计算机来实现，但现代控制是无论如何离不开计算机的。 自动控制理论的发展：它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。如二战时期的飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等。60年代开始向以控制论、信息论和仿生学为基础的智能控制理论发展。 3、历 史 回 顾公元前1400－1100年，中国、埃及和巴比伦相继出现自动计时漏壶，人类产生了最早期的控制思想。 公元1788年，英国人J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。 维纳，MIT教授。早期进行模拟计算机研究，二战期间参与火炮控制研究，提炼出负反馈概念。 1948年，维纳所著《控制论》的出版，标志着这门学科的正式诞生。  第一颗人造卫星（苏联，1957年）  第一颗载人飞船（苏联，1961年）  人类首次登上月球（美国，1969年）  首架航天飞机（美国，1981年）  首次冲出太阳系（美国，1989年）  仿人机器人（日本，2001年）  神州五、六、七、八、九号载人航天成功（中国，2003、2005、2008、2011、2012） 4、本课程的主要内容及学习方法 本课程主要讲述以机械设备和机械制造过程为对象的经典控制理论。包括： 1）控制系统分析：对已知的系统的静态和动态性能（一般概括为稳定性、快速性和准确性）进行分析，看它们是否满足要求，并提出改进措施。 2）控制系统设计：根据所要求的系统性能指标来设计控制系统。也称控制系统的综合。 二、控制理论在机械制造中的应用 1、研究机械工程技术中广义系统的动力学问题 分析问题：系统已定，输入已知，求系统的输出 最优控制：系统已知，确定输入，使系统尽可能符合给定的最佳要求 最优设计：输入已知，确定系统，使输出尽可能符合给定的最佳要求 滤波与预测：输出已知，确定系统，以识别输入或输入输出中的有关信息 系统辩识：输入输出均已知，求出系统的结论和参数-数学模型 2、在机械制造过程自动化方面 生产设备与控制设备复杂程度和技术经济指标的高要求，使得机械制造过程自动化技术向数控机床、多维计算机控制设备、柔性自动生产线、无人化车间乃至设计、制造、管理一体化的计算机集成制造系统、网络化的制造系统发展。 在充分考虑产品与设备的动态特性的条件下，密切结合其工作过程，探索建立它们数学模型，使用计算机及其网络进行设计。 三、机械工程控制系统的基本组成 给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号。 反馈元件：测量被调节量或输出量，产生主反馈信号，该信号与输出量存在固定的函数关系。 比较元件：用来比较输入信号与反馈信号之间的偏差。 放大元件：对偏差信号进行放大。 执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。如执行电机。 控制对象：控制系统所要操纵的元件。如机床，工作台。 校正元件：用于稳定控制系统，提高性能。 1、从结构上分为开环控制与闭环控制（反馈控制） 1）开环控制系统：系统的输出量对系统控制作用没有影响。 例如洗衣机，浸湿、洗涤、漂洗和甩干，在洗衣机中是依次完成的。采用时基信号的交通信号灯，则是另一个例子。 2）闭环控制：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环系统。 例如：热力系统的人工（或自动）反馈控制，所有的随动系统，大多数的程序控制系统，室内冷藏设备，自动热水器。 开环系统 优点：结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题。 扰动：是一种对系统的输出量产生相反作用的信号。如果扰动产生在系统的内部，称为内扰；扰动产生在系统外部，称为外扰。