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机械工程控制基础 郭俊锋 课程的性质和特点 机械控制工程是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。 《机械控制工程》是本学科的专业基础课，是自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。 课程的性质和特点 机械自动控制工程已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自适应控制、最优控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制。 讨论的对象： 因果系统 、工程系统 系统的广义性： 经济、社会、工程、生物、环境、医学 课程特点： 研究系统的共性问题 本课程的体系结构 内容：经典控制理论 建模（数学模型）、分析（时域分析和频域分析）、综合 范围：线性定常SISO系统 包括连续与离散 重点：基本概念、基本理论、基本方法 需要复习的内容 高等数学——微分方程、拉氏变换、傅氏变换及复变函数等 电 路——电路理论及运算方法、暂态过程分析 电子技术——运算放大器元件及参数计算 电 机——工作原理及机械特性 理论力学——机械系统建模与分析方法 基 本 要 求 通过学习本课程，获得机械自动控制系统的基本概念和基本理论；掌握分析自动控制系统或过程控制系统的基本方法。 机械控制工程 什么是自动控制? 交通系统： 制造系统： 家用电器： 电扇：控制转速 智能建筑： 工业机器人： 其他机器人： 自动控制的应用领域 军事工业 航空航天 制造业 机器人 流程工业 电子工业 家用电器 交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统 … 自动控制理论的发展概况 随着自动控制技术的广泛应用和迅猛发展，出现了许多新问题，这些问题要求从理论上加以解决。自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的过程中逐步形成和发展起来的，它是研究自动控制技术的基础理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制 系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统通常是用高阶微分方程来描述的。 系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统通常是用高阶微分方程来描述的。由于高阶微分方程求解的困难，各种控制系统的理论研究和分析方法就应运而生。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。在此基础上，1945年伯德（H.W.Bode）提出了分析控制系统的一种图解方法即频率法，致使研究控制系统的方法由初期的时域分析转到频域分析。随后，1948年伊文斯（W.R.Evans）又创立了另一种图解法即有名的根轨迹法。追溯到1877年，劳斯（E.Routh）和1895年赫尔维茨（A.Hurwitz）分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。这些都是经典控制理论的重要组成部分。50年代中期，经典控制理论又添加了非线性系统理论和离散控制理论，从而形成了完整的理论体系。 40～50年代 ? 经典控制理论（频域法或复频域法） 核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等 特点：图形方法，直观简便，设置参数少， （以简单控制结构获取相对满意的性能） 适用范围：单输入单输出（SISO）系统 数学基础：复变函数，积分变换 50年代开始，由于空间技术的发展，各种高速、高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处理多变量、非线性、时变和自适应等控制问题，60年代初又形成了现代控制理论。现代控制理论的基础是：1956年庞特里亚金提出了极大值原理，1957年贝尔曼（R.Bellman）提出了动态规划，1960年卡尔曼（R.E.Kalman）提出了最优滤波理论以及状态空间方法的应用。从60年代至今50多年来，现代控制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支，如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、自适应控制、大系统理论等。 60 ~70年代 ? 现代控制理论（状态空间法） 核心：状态变量的能控、能观性，系统性能的最优化 特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统， 有完整的理论体系 数学基础：线性代数，矩阵理论 缺点：对系统的数学模型精度要求高， 实际性能达不到设计的最优， 所需状态反馈难以直接实现 70年代~现在 ? 多种新型控