第三章系统的时间相应分析3.1时间相应及其组成第三章系统的时间相应分析3.1时间相应及其组成第二章系统的数学模型2.
4系统的传递函数例2-17有源积分网解：由节点电流定律传递函数为第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数例
2-18水箱Q(t)与h(t)的关系解：设相似系统2.4系统的传递函数第二章系统的数学模型5.振荡环节
或为无阻尼固有频率，为阻尼比，为时间常数特点1)一般含有两个储能元件和一个耗能元件；2)
时，输出存在振荡，且越小，振荡越剧烈3)时，输出无振荡，非振荡环节，是两个一阶惯性环节的组
合。第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数振荡环节的单位阶跃响应曲线第二章系统的数学模型2.4系统的传递函
数例2-19旋转运动的J-c-k系统例2-20L-R-C电路相似系统第二章系统的数学模型2.4系统的传递
函数5.延迟环节（τ—延迟时间）动力学方程：传递函数：特点——输出滞后于输入，但不失真。例2-21轧钢时带钢厚
度检测2.4系统的传递函数第二章系统的数学模型延迟环节与惯性环节和比例环节的区别不同环节的阶跃响应2.4系统的
传递函数第二章系统的数学模型强调几点：1）传递函数框图中的环节是根据动力学方程来划分的，一个环节并不一定代表一个物理元件（
物理环节或子系统），一个物理元件也不一定就是一个传递环节（也许几个物理元件的特性才组成一个传递函数环节，也许一个物理元件的特性分散
在几个传递函数环节中）；2）注意区别表示物理结构的物理框图和分析系统的传递函数框图；3）同一物理元件在不同系统中的作用不同时，
其传递函数可以不同。如测速发电机：当输入为角速度时，是比例环节；
当输入为角位移时，是微分环节。2.5传递函数方框图及其简化第二章系统的数学模型2.5系统的
传递函数方框图及其简化一、传递函数方框图定义：将组成系统的各个环节用传递函数方框表示，其将相应的变量按信号流向联接起来，就构成
系统的传递函数方框图。作用：具体而形象地表示了系统内部各环节的数学模型、各变量之间的相互关系以及信号流向。是系统数学模型的一种
图解表示方法，提供了关于系统动态性能的有关信息，可以揭示和评价每个组成环节对系统的影响2.5传递函数方框图及其简化第二章
系统的数学模型1.方框图的结构要素传递函数方框Y(s)＝G(s)X(s)相加点分支点传递函数方框相加点分支
点2.5传递函数方框图及其简化第二章系统的数学模型2.系统方框图的建立1)列写原始微分方程；2)对上述各方
程在零初始条件下，分别进行Laplace变换;3)根据因果关系，将各个Laplace变换的结果表示成传递函数方框图的形式（各环
节的传递函数方框图）；4)按信号的传递与变换过程，依次连接上述各个方框图,构成的传递函数方框图，一般将给定输入放在左边，输出
放在右边；2.5传递函数方框图及其简化第二章系统的数学模型例2-22建立下图所示液压伺服机构传递函数方框图。教
材P:31图2.1.3解：1.列写原始微分方程2.Laplace变换2.5传递函数方框图及其简化第二章系统的数
学模型3.绘制上述各式传递函数方框P(s)Y(s)2.5传递函数方框图及其简化第二章系统的数学模型P(s)
Y(s)4.连接各个环节Y(s)2.5传递函数方框图及其简化第二章系统的数学模型二、传递函数方框图的等效变
换1.串联环节的等效变换规则变换前后输入输出之间的数学关系保持不变。各环节的传递函数方框一个个顺序连接称为串联。其等效
传递函数结论：环节串联时，其等效传递函数等于各串联环节传递函数的乘积。2.5传递函数方框图及其简化第二章系统的数学模型
2.并联环节的等效变换规则各环节输入相同，输出相加减的连接形式称为串联。其等效传递函数结论：环节并联时，其等效传递函数
等于各并联环节传递函数的代数和。2.5传递函数方框图及其简化第二章系统的数学模型3.方框图的反馈联接及其等效变换规
则2）反馈通道，反馈通道传递函数1）前向通道，前向通道传递函数3）开环传递函数
输出信号输入信号偏差信号反馈信号4）闭环传递函数有别于开环系统传递函数单位反馈
无量纲第二章系统的数学模型2.5传递函数方框图及其简化3.方框图的反馈联接及其等效变换规则说明：1）前
向通道、反馈通道、开环传递函数都只是闭环系统部分环节（或环节组合）的传递函数，而闭环传递函数才是系统的传递函数；2）相加点B(s
)处的符号不代表闭环系统的反馈是正反馈还是负反馈。2.5传递函数方框图及其简化第二章系统的数学模型4.分支点的移动
规则法则：分支点移动前后，必须保持分支信号不变。1）分支点前移2）分支点后移2.5传递函数方框图及其简化第二章系统
的数学模型3）分支点的交换结论：分支点前乘后除，两个分支点之间既没有函数方框也没有相加点时，可以互换位置。2.5传递函数
方框图及其简化第二章系统的数学模型5.相加点的移动规则法则：相加点移动前后，必须保持输出信号不变。1）相加点后移2
）相加点前移2.5传递函数方框图及其简化第二章系统的数学模型3）相加点的交换结论：相加点前除后乘，两个相加点之间既没
有函数方框也没有分支点时，可以互换位置。归纳：分支点前乘后除，相加点前除后乘，分支点和相加点彼此之间不能互相跨越。2.5传
递函数方框图及其简化第二章系统的数学模型一般系统方框图简化方法：1）明确系统的输入和输出。对于多输入多输出系统，针对每个输
入及其引起的输出分别进行化简；2）若系统传递函数方框图内无交叉回路，则根据环节串联、并联和反馈联接的等效规则从里往外进行简化;
3）若系统传递函数方框图内有交叉回路，则根据相加点、分支点等移动规则消除交叉回路，然后按步骤2）进行化简。2.5传递函数方框
图及其简化第二章系统的数学模型例2-23见华中课件例2-8、例2-9。梅逊公式当一个系统传递函数方框图满足如下两
个条件：1）只有一条前向通道；2）各局部反馈回路中包含公共传递函数方框。则符号确定：在相加点处，对反馈信号为相加时取“
－”；相反取“＋”。2.5传递函数方框图及其简化第二章系统的数学模型梅逊公式式中△称为特征式，且其中
——所有不同回路的回路传递函数之和。 ——所有两两不接触回路，其回路传函乘积之和 ——所有三个互不接触回路
,其回路传函乘积之和 …… ——第条前向通路传递函数。 ——在中，将与第条前向通路相接触的回路有关项去掉后所剩
余的部分，故称为的余子式。2.6考虑扰动的闭环系统传函第二章系统的数学模型2.6考虑扰动的反馈控制系统的传递函数反
馈控制系统典型方框图方法:利用线性系统的叠加原理,和的响应等于响应之和.第二章系统的数学模型2.6考虑扰动的闭环系统传
函1.只考虑给定输入Xi(s)时2.只考虑干扰输入N(s)时第二章系统的数学模型2.6考虑扰动的闭环系统传函3
.系统总的输出Xo(s)若则结论:1）闭环系统具有抗干扰的能力；2）闭环系统输入、输出的取法不同，其传
递函数不同，但传递函数的分母不变；开环系统则不然。第三章系统的时间响应分析3.1时间响应及其组成
3.2典型输入信号3.3一阶系统的时间响应3.4二阶系统的时间响应
3.5二阶系统的性能指标3.6系统误差分析与计算第三章系统的时间响应分析本章教学大
纲教学重点：微分方程建立、传递函数概念与求法、典型环节传递函数、方框图等效变换1.
掌握机械、电气系统微分方程的建立方法；2.了解非线性方程的线性化；3.熟悉拉氏变换及反变换、线性定常微分方程的解法；4
.掌握传递函数基本概念及典型环节传递函数；5.掌握系统传递函数方框图的化简。本章教学大纲第三章系统的时间相应分析3.
1时间相应及其组成第三章系统的时间相应分析3.1时间相应及其组成第二章系统的数学模型负载效应:是指对于由两个
物理元件组成的系统而言，若其中一个元件的存在，使另一元件在相同输入下的输出受到影响，则有如前者对后者施加了负载，这一影响就称为负载
效应。上例中，两个RC电路串联，存在着负载效应。回路Ⅱ中的电流对回路Ⅰ有影响，即存在着内部信息的反馈作用，流经C1的电流为i1和
i2的代数和。不能简单地将第一级RC电路的输出作为第二级RC电路的输入，否则就会得出错误的结果。2.2系统的微分方程第二
章系统的数学模型3.液压系统一般液压控制系统是一个复杂的具有分布参数的控制系统，分析研究它有一定的复
杂性，在工程实际中通常用集中参数系统近似地描述它，即假定各参数仅为时间的变量而与空间位置无关，这样就可用常微分方程来描述它，此外，
液压系统中的元件有明显的非线性特性，在一定条件下需进行线性化处理，这样使分析问题大为简化。一般液压系统要应用流体连续方程
，即流体的质量守恒定律：∑qi=02.2系统的微分方程例2-8右下图是一液压缸，其输入为流量q，输出为液压缸活塞的
位移x，试列写该系统微分方程。解：根据分析，其微分方程为，q=Av=A，整理后得，
A=q第二章系统的数学模型2.2系统的微分方程非线性方程线性化的条件非线性函数是连续函数（即非线性不是本质
非线性）系统在预定工作点附近作小偏差运动，即变量的变化范围很小。三、非线性微分方程的线性化非线性方程线性化的方法确定预定工
作点；在工作点附近将非线性方程展开成泰勒级数形式；忽略高于一阶项；表示成增量方程的形式。第二章系统的数学模型2.2
系统的微分方程泰勒中值定理：如果函数f(x)在含有x0的某个开区间(a，b)内具有直到(n+1)阶的导数，则当x在(a，b)内时
，f(x)可以表示为(x-x0)的一个n次多项式与一个余项Rn(x)之和这里ξ是x与x0之间的某个值。第二章系统的数学模型
2.2系统的微分方程例2-9教材P:31-33图2.1.3液压伺服机构（课外自习内容）课后练习：P:72题2.8讨论：
1）非线性项线性化后得到的微分方程是增量形式的微分方程；2）线性化的结果与系统的预定工作点有关；3）非线性项线性化必须满足连
续性和小偏差的条件。第二章系统的数学模型2.2系统的微分方程2.3拉普拉斯变换与拉普拉斯反变换第二章系统的数学
模型2.3拉氏变换与拉氏反变换一、拉氏变换的定义若f(t)为实变数t的单值函数，且t＜0时，f(t)＝0；当t≥0时，
f(t)在任一有限区间上是连续的或至少是分段连续的，则函数f(t)的拉氏变换记作L[f(t)]或F(s)，并定义为
L[f(t)]＝F(s)＝(2.3.1)式中，L—拉氏变换的
符号；s—复变数，s＝σ＋jω（σ、ω均为实数）；F(s)—是函数f(t)的拉氏变换，它是一个复变函数，通常称F(s)为f(t
)的象函数，而f(t)为F(s)的原函数；第二章系统的数学模型2.3拉氏变换与拉氏反变换表1拉氏变换对照表第
二章系统的数学模型2.3拉氏变换与拉氏反变换二、拉氏变换的定理线性定理和的拉氏变换等于拉氏变换之和。设L[f1(
t)]＝F1(s)，L[f2(t)]＝F2(s)，则L[af1(t)＋bf2(t)]＝aF1(
s)＋bF2(s)例已知f(t)＝1－2cosωt，求F(s)。2.平移定理（复数域的位移定理）若L[f(t)]＝F(
s)，对任一常数a（实数或复数），则有L[f(t)]
＝F(s+a)例：求L[cosωt]。第二章系统的数学模型2.3拉氏变换与拉氏反变换3.延
时定理（实数域的位移定理）若L[f(t)]＝F(s)，且t＜0时，f(t)＝0，则
L[f(t-T)]＝e-TsF(s)其中，T为任一正实数，函数f(t-T)为原函数f(t)沿时间轴平移了时间T。例求
f(t)＝－1(t-T)的拉氏变换4.微分定理若L[f(t)]＝F(s)，则有L[
]＝sF(s)-f(0)初始状态为0时，L[]＝F(s)第二章系统的数学模型
2.3拉氏变换与拉氏反变换5.积分定理若L[f(t)]＝F(s)，则有L[]＝F(s)
＋L[]＝＋…＋F(s)＋＋初始状态为0时，L[
]＝F(s)sF(s)f(t)=6.终值
定理f(t)=sF(s)7.初值定理第二章系统的数学模型三、拉氏反变换2.3拉氏变换与拉氏反变换1.定
义拉氏反变换是指由已知的象函数F(s)求解与之对应的原函数f(t)的过程。拉氏反变换的符号为，
可表示为[F(s)]＝f(t)2.拉氏反变换的数学方法查表法有理函数法部分分式
法：通过代数运算，先将一个复杂的象函数化为数个简单的部分分式之和，再分别求出各个分式的原函数，总的原函数即可求得。第二章系统
的数学模型2.3拉氏变换与拉氏反变换四、用拉氏变换解常微分方程用拉氏变换解常微分方程的步骤为：对给定的微分方程等式两
端取拉氏变换，变微分方程为s变量的代数方程；对以s为变量的代数方程加以整理，得到微分方程求解的变量的拉氏表达式。对这个变量求拉
氏反变换，即得在时域中（以时间t为参变量）微分方程的解。第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数对于
线性定常系统，传递函数是常用的一种数学模型，它是在拉氏变换的基础上建立的，用传递函数描述系统可以免去求解微分方程的麻烦，间接地分析
系统结构及参数与系统性能的关系，并且可以根据传递函数在复平面上的曲线形状，直接判断系统的动态性能，找出改变系统品质的方法。2.
4系统的传递函数传递函数是经典控制理论的基础，是一个极其重要的基本概念，是复数域中描述系统特性的数学模型。一、传递函数
的概念与定义第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数1.传递函数的定义在
下，输出的Laplace变换与输入的Laplace变换之比，称为该系统的传
递函数G(s)。零初始条件线性定常系统即零初始条件：t<0时，输入量及其各阶导数均为0；输入量施加于系统之前，系统
处于稳定的状态，即t<0时，输出量及其各阶导数也均为0；第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数线性定常系统微分方程的
一般形式为，在零初始条件下，分别对方程两边进行Laplace变换，有则2.传递函数的一般形式第二章系统的数学模型2
.4系统的传递函数或传递函数方框3.传递函数的主要特点传递函数是关于复变量s的复变函数，是复数域中系统的数学模
型；传递函数的分母反映了系统本身与外界无关的固有特性，传递函数的分子反映系统与外界之间的关系；第二章系统的数学模型2.4
系统的传递函数3.传递函数的主要特点当输入确定时，系统的输出完全取决于其传递函数传递函数分母中s的阶次n不小于分
子中s的阶次m，即n≥m（实际物理系统总存在有惯性，输出不会超前于输入）；物理性质不同的系统，可以具有相同类型的传递函数（相似
系统）；传递函数可以是有量纲的，也可以是无量纲的。第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数例2-10已知某质量
-弹簧-阻尼机械系统微分方程为，求该系统传递函数。解：在零初始条件下，对已知微分方程左右两端同时进行拉氏变换，有根据定义，系
统的传递函数为，第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数例2-11已知某R-L-C无源电路网络系统微分方程为，求
该系统传递函数。解：在零初始条件下，对已知微分方程左右两端同时进行拉氏变换，有根据定义，系统的传递函数为，第二章系统的数学
模型2.4系统的传递函数二、传递函数的零点、极点和放大系数传递函数的零极点增益模型传递函数零点：z1,z2···
,zm影响瞬态响应曲线形状，不影响系统的稳定性极点：p1,p2···,pn决定瞬态响应的收敛性，即影响系
统的稳定性快速性、相对稳定性极点也即为系统的特征方程的根，所以极点pi又称为系统的特征根第二章系统的数学模型2.4系
统的传递函数放大系数(增益)：G(0)决定系统的稳态输出值准确性∵∴对系统的研究可以转化为对系统传递函数零点
、极点、放大系数的研究。第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数系统的传递函数往往是高阶的，高阶传递函数一般可以化为低
阶（零阶、一阶、二阶）典型环节传递函数的组合。三、典型环节的传递函数环节控制工程中，常常将具有某种运动规律的元件或元件的一部
分或几个元件一起称为一个环节。典型环节经常遇到的环节称为典型环节。第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数表2
典型环节传递函数表序号环节名称环节传递函数1比例环节2积分环节3微分环节4惯性
环节5振荡环节6一阶微分环节7二阶微分环节8延迟环节第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数1.比
例环节(放大环节、无惯性环节、零阶环节)动力学方程：传递函数：xo(t)、xi(t)—分别为环节的输出和输入量；K—比例系
数或增益，等于输出量与输入量之比。特点——输出量不失真、无惯性地跟随输入量，两者成比例关系。第二章系统的数学模型2.4
系统的传递函数例2-12如下图所示的运算放大器，其中ui(t)输入电压，uo(t)为输出电压，R1,R2为电阻。求系统的传递
函数模型。运算放大器解:节点电流方程为即传递函数为对上式两端取拉氏变换第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数
例2-13如下图所示齿轮传动副，其中，n1(t)—输入轴转速；n2(t)—输出轴转速；Z1,Z2—齿轮齿数。n2(t)
齿轮传动副Z2Z1n1(t)解：齿轮传动副的运动方程为对方程取拉氏变换后得传递函数——齿轮传动副传动比相似系统
第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数2.惯性环节(一阶惯性环节)动力学方程：传递函数：T——惯性环节时间常
数，由系统的结构参数决定。特点2）输出量有失真、不延迟，在阶跃输入下，输出不能立即达到稳态值。1）含有一个储能元件和一个耗能
元件；第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数例2-14无源滤波电路例2-15弹簧-阻尼系统相似系统第
二章系统的数学模型2.4系统的传递函数3.微分环节动力学方程：传递函数：特点2）反映输入的变化规律；1）一
般不能单独存在；5）强化噪声。4）增加系统的阻尼；3）使输出提前；第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数例2-
16微分运算电路解第二章系统的数学模型2.4系统的传递函数4.积分环节动力学方程：传递函数：特点2
）输出的滞后作用；1）输出累加特性；3）记忆功能。第一章绪论补充习题例1.3分析大门自动控制系统工作原理并绘制系统功
能框图。放大器电动机门u2u1反馈开关绞盘第一章绪论补充习题解：当合上开门开关时，u1>u2，电位器
桥式测量电路产生偏差电压，经放大器放大后，驱动电机带动绞盘转动，使大门向上提起。与此同时，与大门连在一起的电位器滑动触头上移，直至
桥路达到平衡（u1＝u2），电机停止转动，大门开启。反之，合上关门开关时，电机反向转动，带动绞盘使大门关闭。开、关门位置电
位器放大器电动机绞盘大门实际位置第一章绪论补充习题例1.4分析图示钢板厚度控制系统工作原理并绘制系统功能框
图。放大器1放大器2厚度检测器减速器直线执行器ua?uu1u3u2vbda钢板第一章绪论补充
习题解：1）稳态给定电压u1比例于被轧钢板要求的厚度；厚度检测器输出u2比例于轧制后钢板的厚度，u2放大后得到u3并与u1比较
得到偏差信号；2）若系统处于稳态后由于扰动致厚度加大，则偏差小于零，偏差放大后控制电机通过减速器直线执行器减小轧棍间距离
；反之，加大轧棍间距离，实现厚度的闭环调节。由于系统不是直接测量轧辊处厚度，而是相距d处的厚度，因此系统存在测量延迟，延迟时间
?=d/v。给定厚度厚度检测器放大器1电动机减速器直线执行器轧辊钢板实际厚度延时器放大器2第一章
绪论补充习题例1.5所示为函数记录仪的示意图，它通过记录笔记录缓变电压信号的波形。试说明其工作原理，并绘制其控制方框图。
第一章绪论补充习题解：为了记录电压信号，记录笔的位移需要进行控制，因此，记录笔为控制对象。记录笔的实际位移Lo为输
出，与电压信号Ui对应的理想位移Li=Kui为输入。通过设定比例系数K，将输入信号Li与需要记录的电压ui对应起来。记录
笔的实际位移Lo通过带动电位器R2的滑块，使桥式电路输出电压Ub进行测量，于是在放大器两端形成偏差电压信号ue=ui-ub，利用的
大小和正负对记录笔的位置进行控制。第一章绪论补充习题反之，当uiue为0。这样，再配合匀速走纸机构，就能在纸上记录出电压信号的波形。其控制方框图如下图所示：当ui>ub时，偏差ue为
正，该信号经放大，驱动电机，带动齿轮机构，进而使记录笔及滑块正向移动，此时偏差ue逐渐减小，直至为0；第一章绪论维纳简介诺
伯特·维纳(NorbertWiener，1894-1964)维纳是美国数学家，控制论的创始人。维纳1894年11月26日生于密
苏里州的哥伦比亚，1964年3月18日卒于斯德哥尔摩。维纳在其50年的科学生涯中，先后涉足哲学、数学、物理学和工程学，
最后转向生物学，在各个领域中都取得了丰硕成果，称得上是恩格斯颂扬过的、本世纪多才多艺和学识渊博的科学巨人。他一生发表论文240多篇
，著作14本。他的主要著作有《控制论》(1948)、《维纳选集》(1964)和《维纳数学论文集》(1980)。维纳还有两本自传《昔
日神童》和《我是一个数学家》。他的主要成果有如下八个方面：第一章绪论维纳简介建立维纳测度引进巴拿赫—维纳空间阐述位
势理论发展调和分析发现维纳—霍普夫方法提出维纳滤波理论开创维纳信息论创立控制论返回第一章绪论钱学森简
介钱学森（1911～2009）中国著名物理学家，世界著名火箭专家。浙江杭州人，生于上海。钱学森长期担任中国火箭和航天计划的技术
领导人，对航天技术、系统科学和系统工程做出了巨大的和开拓性的贡献。钱学森共发表专著7部，论文300多篇。主要贡献表现在以下几方面
：应用力学喷气推进与航天技术工程控制论物理力学系统工程与科学思维科学人体科学科学技术体系马克思主义哲
学系统工程与科学第二章系统的数学模型2.1概述2.2系统的微分方程2
.3拉普拉斯变换与拉普拉斯反变换2.4系统的传递函数2.5系统的传递函数方框图及其简化
2.6考虑扰动的反馈控制系统的传递函数本章教学大纲教学重点：微分方程建立、传递函数概念与求法、典
型环节传递函数、方框图等效变换1.掌握机械、电气系统微分方程的建立方法；2.了
解非线性方程的线性化；3.熟悉拉氏变换及反变换、线性定常微分方程的解法；4.掌握传递函数基本概念及典型环节传递函数；5.
掌握系统传递函数方框图的化简。第二章系统的数学模型本章教学大纲第二章系统的数学模型2.1概述一、数学模型
1.定义2.种类3.研究领域定量地描述系统的动态性能，揭示系统的结构、参数与动态性能之间关系的数
学表达式。微分方程、差分方程、统计学方程、传递函数、频率特性、各种响应式等。时间域——微分方程、差分方程、状态方程；
复数域——传递函数、脉冲传递函数；频率域——频率特性。离散系统连续系统离散系统2.1概述连续系统二、建立
数学模型（建模）的方法一个“合理”的数学模型应该以最简化的形式、准确地描述系统的动态特性。第二章系统的数学模
型2.实验法建模方法1.分析法（解析法）根据系统或元件所遵循的有关定律来建立数学模型的方法（列写数学
表达式）。根据实验数据进行整理，并拟合出比较接近实际的数学模型。2.1概述第二章系统的数学模型三、线性系统
与非线性系统1.定义能用线性微分方程描述的系统为线性系统，否则为非线性系统。2.分类线性定常系统：
线性时变系统：非线性系统：2.1概述第二章系统的数学模型3.特性线性系统满足叠加原理，即具有
叠加性；非线性系统不满足叠加原理。叠加原理：线性系统在多个输入的作用下，其总输出等于各个输入单独作用而产生的输出之和。
和的响应等于响应之和。2.1概述第二章系统的数学模型2.2系统的微分方程微分方程在时域中
描述系统（或元件）动态特性的数学模型，或称为运动方程。利用微分方程可得到描述系统（或元件）动态特性的其他形式的数学模型。如：2
.2系统的微分方程第二章系统的数学模型一、列写微分方程的一般方法1.确定系统的输入量和输出量；给定输入量、扰动量
2.按信号传递的顺序，从系统输入端出发，根据各变量所遵循的物理定律列写系统中各环节的动态微分方程；牛顿第二定律、克希荷夫电流（
电压）定律等3.消除中间变量,得到只包含输入量和输出量的微分方程4.整理所得到的微分方程，将与输出有关的项放在方程的左侧，
与输入有关的项放在方程的右侧，各阶导数项按降幂方式排列。如：2.2系统的微分方程二、系统微分方程的列写1.
机械系统直线运动遵循的定律：牛顿第二定律或达朗贝尔原理c，c—粘性阻尼系数，k—弹性系数元素：质量m、弹簧k、粘性
阻尼器c质量元件：阻尼元件：弹性元件：2.2系统的微分方程第二章
系统的数学模型例2-1列写下图所示机械系统的微分方程解：1)明确系统的输入与输出，输入—f(t)，
输出—x(t)2)进行受力分析，列写微分方程，利用，得3)整理微分方程，得图2-1
2.2系统的微分方程第二章系统的数学模型第二章系统的数学模型例2-2下图所示为一简化了的机械系统，求其输入x(t
)与输出y(t)之间的微分方程。图2-2解：在不同的元素之间，一定会有中间变量。设中间变量x1，且假设x＞x1＞
y。取分离体阻尼活塞和缸体部分，并进行受力分析，2.2系统的微分方程第二章系统的数学模型根据受力分析，列写微分方程组
，(1)(2)消去中间变量x1(t)，得，将x1(t)代入(2)，整理得系统微分方程为，2.2系统的微分方程第二章
系统的数学模型(2)转动J，cJ—回转粘性阻尼系数，kJ—回转弹性系数，J—转动惯量元素：惯量J、扭转弹簧kJ、回转
粘性阻尼器cJ惯量元件：回转弹性元件：回转阻尼元件：2.2系统的微分方程第二章系统的数学模型例2-3下图所示
为一齿轮传动链，输入量为轴Ⅰ的输入转矩T，输出量为轴Ⅰ角位移θ1，试写出其微分方程。解：为了便于列写微分方程，我们在系统上增加一
些中间变量T1，T2，它们分别是轴Ⅰ的输出转矩与轴Ⅱ的输入转矩，即如下图所示，2.2系统的微分方程第二章系统的数学模型
根据达朗贝尔原理列写微分方程组为，消去中间变量T1、T2、θ2，得到系统的微分方程为根据达朗贝尔原理列写微分方程组为，i
由此可知，减速器的速比越大，转动惯量、粘性阻尼系数等折算到电动机轴上的等效值越小，因此在一般分析中常可忽略不计，但第
一级齿轮的转动惯量和粘性阻尼系数影响较大，应该考虑。2.2系统的微分方程第二章系统的数学模型2.电网络系统
遵循的定律：克希荷夫电流定律、克希荷夫电压定律元素：电阻R、电感L、电容C电阻元件：
电感元件：电容元件：2.2系统的微分方程第二章系统的数学模型(1)克希荷夫电流定律若电路有分支路，
它就有节点，则会聚到某节点的所有电流之代数和应等于0（即所有流出节点的电流之和等于所有流进节点的电流之和），如右图所示，2.2
系统的微分方程第二章系统的数学模型例2-4下图所示为一电网络系统，其输入为电压ui，输出为电压uo，列写该系统微分方
程。解：根据克希荷夫电流定律，有iL＋iR－iC=0又∵以上4个方程联立求解，并整理得，2.2系统的微分方程
第二章系统的数学模型(2)克希荷夫电压定律网络的闭合回路中电势的代数和等于沿回路的电压降的代数和。即例2-5
下图所示为一电网络系统，其输入为电压ui，输出为电压uo，列写该系统微分方程。解：根据克希荷夫电压定律，有（1）（2）
将（2）代入（1）式，整理得，2.2系统的微分方程例2-6下图所示为一电网络系统，其输入为电压u(t)，输出为电容器
的电量q(t)，列写该系统微分方程。解：根据克希荷夫电压定律，得第二章系统的数学模型∵消去中间变量i(t)，并整理得，
2.2系统的微分方程第二章系统的数学模型例2-7下图所示为一个两级串连的RC电路组成的滤波网络，输入为电压ui，输出
为电压uo。分析ui，uo与系统之间的动态关系，列写该系统微分方程。解：设中间变量，令Ⅰ回路中流过R1的电流为i1；令Ⅱ回路中
流过R2和C2的电流为i2。根据克希荷夫电流定律，流过C1的电流为i1-i2，方向朝下。对Ⅰ回路，根据克希荷夫电压定律，有对
Ⅱ回路，根据克希荷夫电压定律，有2.2系统的微分方程第二章系统的数学模型消去中间变量i1、i2，整理得，另外，2.
2系统的微分方程第一章绪论1.2系统及其模型一、系统系统具有如下特性：系统的性能不仅与系统的元素有关，而
且还与系统的结构有关；系统的内容比组成系统的各元素的内容要丰富很多;系统往往具有表现在时间域、频率域或空间域等领域内的动态
特性。1.2系统及其模型1.2系统及其模型第一章绪论二、机械系统定义——以实现一定的机械运动，承受一定的机
械载荷为目的，由机械元件组成的系统。如：切削加工过程工件操作者当研究某台机床切削加工过程中的动力学问题时；当
研究此台机床加工的工件的某些质量指标时；当研究此台机床的操作者在加工过程中的作用时；输入——激励（外界对系统的作用，如载荷等）
输出——响应（系统对外界的作用，如变形、位移）1.2系统及其模型第一章绪论激励控制输入——人为地、有意识地加上去；
扰动——偶然因素产生而一般无法完全人为控制的（干扰）；三、数学模型模型的定义——研究系统、认
识系统、描述系统与分析系统的一种工具。模型的种类——实物模型、物理模型和数学模型等。1.2系统及其模型第一章绪论数
学模型——定量地描述系统的动态性能，揭示系统的结构、参数与动态性能之间关系的数学表达式。数学模型静态模型动态模型
——反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统平衡状态下的特性；——用于研
究系统在迅变载荷作用下或在系统不平衡状态下的特性；在一定条件下，动态模型可以转换为静态模型。代数公式描述微分方程或差分方程来
描述动态模型是描述系统的动态历程的，机械工程控制论研究的是机械工程技术中广义系统的动力学问题，所以往往需要采用动态数学模
型，即需要建立微分方程或差分方程来描述系统的动态特性。1.2系统及其模型第一章绪论1.3反馈一、反馈的定义反馈是机
械工程控制论中一个最基本、最重要的概念系统的输出不断直接或经过中间变换后全部或部分地返回到输入端，并与输入共同作用于系统
的过程。系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间之所以有动态关系，就是由于系统本身存在着信息的反馈。二、反馈的种类
内反馈与外反馈例1-2发动机离心调速系统例1-3质量-弹簧-阻尼单自由度系统1.3反馈2.正反馈与负反馈第一
章绪论例1-2发动机离心调速系统控制原理：如果负载变化使ω增大，离心机构滑套上移
液压滑阀上移，动力活塞下移，油门关小，ω减小直到滑阀回复到中位，ω回到设定值通过离心机
构检测系统的实际输出值，并与设定值进行比较，反过来作用于系统，形成反馈，进而调节系统的输出。发动机离心调速系统结构原理简图1.
3反馈第一章绪论例1-3质量-弹簧-阻尼单自由度系统m-c-k单自由度系统结构原理图动力学方程：或即m-c
-k单自由度系统方框图信息交互（反馈）1.3反馈第一章绪论在这两个例子，反馈在本质上都是信息的传递与交互。但
从具体形式上看，则有所不同。对于发动机离心调速系统来说，离心调速器是人为附加的反馈控制装置，其目的在于抵抗由于负载变化这一干扰引
起的输出轴转速的变化。这种反馈称为外反馈。而质量－弹簧－阻尼系统中存在的反馈则为内反馈。这种反馈是系统内部的信息交互，反映了系统
内部各元素之间互为因果的联系关系，反映了系统的动态特性。1.3反馈第一章绪论(1)内反馈在系统或过程中存在的各
种自然形成的反馈。是系统内部各个元素之间相互耦合的结果，是造成机械系统存在一定动态特性的根本原因。(2)外反馈在控制系
统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈。生活小实例：生病生病—看病—吃药、打针、手术—恢复健康生病—自身调节恢复健康
外反馈内反馈1.3反馈第一章绪论2.负反馈与正反馈(1)负反馈输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离程度
减小，并力图达到设定值。被控量目标值如：发动机离心调速系统液面自动调节器数控机床进给伺
服系统动物捕食火炮自动瞄准学习和工作中的负反馈测偏与纠偏1.3反馈第
一章绪论(2)正反馈输出偏离设定值时，反馈作用使输出偏离程度加剧。如：疾病自激振荡器
机器疲劳破坏火药爆炸、热核反应学习和工作中的正反馈1.3反馈第一章绪论
三、反馈控制系统及其组成在工程技术领域中，越来越多地采用了自动控制系统。在这种系统中，往往有着“反馈控制”。1.
定义一般在自动控制系统中，偏差是基于反馈建立起来的。自动控制的过程就是“测偏与纠偏”的过程，这一原理又称为反馈控制
原理。利用此原理组成的系统称为反馈控制系统。它具备测量、比较和执行三个基本功能。反馈控制是实现自动控制的最基本的方
法。没有反馈就无法测量偏差，就无法根据偏差自动控制系统纠正偏差1.3反馈第一章绪论例：发动机离心调速系统发动机离心调
速系统结构原理简图被控对象：发动机被控量：转速ω被控量的目标值设定：预紧弹簧设定控制信息传递与反馈：转速ω离心机
构(检测或感知）偏差杠杆液压比例控制器油门1.3反馈第一章绪论表示系统结构与工作原理的物理框图：离心调速系统
控制方框图比较控制器检测被控对象执行运算放大控制部分被控部分1.3反馈第一章绪论2.反馈控制系统的组成
典型的反馈控制系统包括给定环节、测量环节、比较环节、放大运算环节、执行环节、被控对象等。
每个组成部分的含义见教材P:14-15。尽管不同的反馈控制系统是由许多起着不同作用的环节
组成，但都可以看成是由控制部分和被控部分组成。反馈控制系统的组成1.3反馈第一章绪论1.4系统的分类及对控制系统的基
本要求一、控制系统的几种分类1.按反馈情况开环控制系统闭环控制系统:系统没有反馈回路系
统的输出对系统没有控制作用:系统有反馈回路系统的输出对系统有控制作用1.4系统的分类及对控制系统的基本要求第一章绪论
如：步进电机驱动的数控机床开环控制系统、普通洗衣机、家用电烤箱、微波炉步进电机驱动的数控机床原理图步进电机驱动的数控机
床开环控制系统方框图1.4系统的分类及对控制系统的基本要求第一章绪论闭环控制系统如：伺服电机驱动的数控机床、离心调速
系统、恒温箱(冰箱、空调)伺服电机驱动的数控机床原理图伺服驱动的数控机床闭环控制系统方框图1.4系统的分类及对控制系统的
基本要求按有无反馈无有开环系统闭环系统优点：构造简单，成本低。缺点：无抗干扰能力，不能自动纠偏，
控制精度较低。优点：抗干扰能力强，稳态精度高，动态精度好。缺点：构造复杂，设计与制造较
困难，成本较高。第一章绪论1.4系统的分类及对控制系统的基本要求第一章绪论2.按输出量的变化规律自动调节
系统（恒值系统）：系统的输出保持常量随动系统（伺服系统）：系统的输出相应于输入按
任意规律变化程序控制系统：系统的输出按预定程序变化此类系统同
时也是闭环系统此类系统同时也是闭环系统此类系统可以是开环系统，也可以是闭环系统1.4系统的分类及对控制系统的基本要求第一
章绪论自动调节系统如：前例中的离心调速系统；恒温箱；液面自动调节器。工业生产中温度
、压力、流量、液面、速度等参数的控制，均属此类。1.4系统的分类及对控制系统的基本要求第一章绪论随动系统如：炮瞄雷
达系统；导弹目标自动跟踪系统；仿形机床；全自动照相机的调焦系
统、闪光系统。1.4系统的分类及对控制系统的基本要求第一章绪论程序控制系统如：数控机床进给系统；全
自动洗衣机；微波炉。1.4系统的分类及对控制系统的基本要求第一章绪论3.按信号类型4.按系统的性质
5.按参数的变化情况6.按控制量连续控制系统离散控制系统线性控制系统非线性控制系统定常系统时变系统位移控制系统
温度控制系统速度控制系统1.4系统的分类及对控制系统的基本要求第一章绪论二、对控制系统的基本要求稳、快、准控制系
统的性能评价指标系统的稳定性：系统的快速性：系统的准确性：指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。这是系统正常工
作的首要条件。在系统稳定的前提下，当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。调整过程结束后，输出量与
给定的输入量之间的偏差。1.4系统的分类及对控制系统的基本要求以坐车的感受为例简单说明不同性质的控制系统，对稳定性、快速
性和准确性的要求各有侧重。在同一个控制系统中，稳定性、快速性、准确性相互制约，应根据实际需求合理选择。如自动调节系统对稳定性
要求较高。如随动系统对响应快速性要求较高。如数控机床对定位精度要求高。注意：1.4系统的分类及对控制系统的基本要求第一
章绪论第一章绪论本章小结：机械工程控制论研究的对象与任务；系统（广义系统、机械系统）、动力学问题、模型（静态模型、动态模型
）；反馈（正、负反馈，内、外反馈）；控制系统的分类，闭环控制系统的组成；对控制系统的基本要求。作业：课后习题1.6、1.14、
1.15本章小结例1.1设电热水器如下图所示。为了保持希望的温度，由温控开关接通或断开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流出
热水并补充冷水。试说明该系统工作原理并画出系统的方框图。解：在电热水器系统中，水箱内的水温需要控制，即水箱为被控对象。水的实际
温度是被控制量，或称为系统的输出量，输入量为用户希望的温度（给定值），由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使水箱内水温下降成
为该系统的主要干扰。第一章绪论补充习题第一章绪论补充习题当To=Ti时，水箱的实际水温经测温元件检测，并将实际水温转
化成相应的电信号，与温控开关预先设定的信号进行比较而得到的偏差为零，此时电加热器不工作，水箱中的水温保持在希望的温度上。当使用热
水并注入冷水时，水温下降，此时To，直到To=Ti时为止。系统控制方框图如下图所示：第一章绪论补充习题例1.2分析图示液位自动控制系统工作原理并绘制系统
功能框图。节流阀节流阀H(t)放大器+E+E.电动机减速器第一章绪论补充习题解：1）电位器滑动触点位于
中间位置，电动机停转，阀门保持原有开度，水箱中流入水量与流出水量相等，液面保持在希望的高度。2）若系统收到扰动使液面升高
，则浮子相应升高，通过杠杆作用使电位器滑动触点下移，给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使输入流量减小，
液位下降，直到电位器滑动触点回到中间位置，液面恢复给定高度；第一章绪论补充习题3）若系统收到扰动使液面下降，则系统会自动
加大阀门开度，使输入流量增加，液面恢复到给定高度。给定液位杠杆电位器放大器电动机减速器阀门水箱实际液位浮子
主要教学内容机械控制工程基础基础知识工程应用分析方法基本概念控制系统结构体系控制系统数学模型时域分析频域分析
系统稳定性判据系统性能指标系统校正绪论（3学时）系统的数学模型（8学时）系统的时间响应分析（8+2学时）
系统的频率特性分析（9+2学时）系统的稳定性（6学时）系统的性能指标与校正（1学时）复习（1学时）课程章节第
一章绪论1.1机械工程控制论的研究对象与任务1.2系统及其模型1.3反馈1.4
系统的分类及对控制系统的基本要求本章教学大纲1.了解机械工程控制论的基本概念、研究对象与任务；2.掌握系统、模型、
反馈、偏差等基本概念；3.掌握反馈控制系统工作原理的分析；4.掌握控制系统的组成、分类及基本性能要求。教学重点：反馈的基
本概念、控制系统工作原理分析、控制系统的分类第一章绪论本章教学大纲第一章绪论1.1机械工程控制论的研究对象与任务一
、控制论概述控制论是关于控制原理与控制方法的学科，它研究事物变化和发展的一般规律。“控制论”的两个核心是信息论和反馈控制。
首先创立控制论学科的是美国的数学家、信息理论家(NorbertWiener)诺伯特·维纳，他于1948年发表了“控制论”。1
.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论控制论经济学社会学生物学工程技术经济控制论社会控制论生物控制论
工程控制论机械工程机械工程控制论控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。控制论的中心思想——通过信息的传递、加工处理并
利用反馈来进行控制。1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论1954年我国科学家钱学森出版专著《工程控制论》(英
文版)，首先把控制论推广到工程技术领域。机械工程控制论——研究机械工程技术中广义系统的动力学问题研究的对象：
系统（广义系统）研究的任务：动力学问题研究的领域：机械工程领域P:2二、机械工程控制论的研究对象1.1机械工程控制论的
研究对象与任务第一章绪论系统——按一定规律联系在一起的元素的集合系统的要素元素元素之间的联系系统与外界的交互作用
外界对系统的作用系统对外界的作用输入(激励)干扰(扰动)输出(响应)系统的框图1.1机械工程控制论的研究对象与任务
第一章绪论机械工程中的广义系统:元件、部件、仪器、设备;
加工过程、操作设备、测量;
车间、部门、工厂、企业、
企业集团、全球制造行业等如:机器系统生命系统社会经济系统生产系统思维、学习、工作广义系统——具备系统要素的一切
事物或对象1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论系统非控制系统控制系统人工控制系统自动控制系统非控制
系统——仅具有由人工开、关两种状态的系统如：搅拌机（视频链接）教室里的照明系统控制系统——系统的可变输出，
能按照要求由参考输入或控制输入进行调节的系统1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论如:空调加热电阻丝~22
0V调压器人工控制的恒温箱温度计自动控制系统教室中的风扇人工控制系统1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章
绪论加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1?u
恒温箱自动控制系统1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论根据自己的生活和学习经验，列举控制系统的例子问题：1
）普通全自动洗衣机2）全自动照相机的闪光系统、调焦系统3）饮水机，微波炉
4）抽水马桶水箱的液面自动调节器液面控制1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论生物、医学、环境、
经济管理等其它机器人、导弹制导、核动力等高新领域宇航：火箭、飞船、卫星道路交通：信号灯控制、车牌自动识别日常：冰箱、洗衣机
、空调农业：恒温大棚、农业自动化机械应用范围工业：数控机床、轧钢机、恒温箱等1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章
绪论蒸汽机离心调速器工业：1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论数控机床进给系统模拟图1.1机械工程控
制论的研究对象与任务在农业机械领域的应用第一章绪论1.1机械工程控制论的研究对象与任务在日常生活中的应用第一章绪论
1.1机械工程控制论的研究对象与任务道路交通的应用——车牌自动识别第一章绪论1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论人形机器人1.1机械工程控制论的研究对象与任务勇气号火星探测器（美国，2004）第一章绪论1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论自动火炮、导弹制导等高新领域的应用1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论在雷达领域的应用1.1机械工程控制论的研究对象与任务海洋探测机器人1990年日本海洋科技中心研制的“海沟号”缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）第一章绪论1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论恒温恒湿试验箱又名环境试验箱，实验各种材料的耐热、耐寒、耐干、耐湿性能。适合电子、电器、食品、车辆、金属、化学、建材等实验1.1机械工程控制论的研究对象与任务三、机械工程控制论的研究任务第一章绪论动力学问题——机械工程技术中的广义系统在一定的外界条件作用下，从一定的初始状态出发，经历由其内部的固有特性所决定的整个动态历程；研究这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系。即输入或激励，包括外加控制与外界干扰即由系统的结构与参数所决定的特性P:2下面，我们通过一个简单的例子，让大家更深刻的理解“机械工程控制论的研究任务”这一问题。1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论同一系统，不同的输入例1-1弹簧-质量-阻尼单自由度系统系统（a）系统（b）m-c-k单自由度系统1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论（a）（b）整理得：（a）解：（b）解：动力学方程：y(t)即微分方程的解，它是由系统的初始条件、系统的固有特性、系统的输入及系统与输入之间的关系所决定。系统的固有特性:mp+cp+k2系统与外界之间的关系:1，cp+k系统对输入的响应（系统的输出）：y(t)系统的输入或激励:f(t)，x(t)代表了系统在一定外界条件下的动态历程令p=d/dt（微分算子）系统(a)(mp+cp+k)y(t)=f(t)系统(b)(mp+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t)221.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论问题：系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)？三者之间表现为何种关系？2.系统确定并已知时，对系统施加何种输入，能使系统实现预期的响应（即y(t)）？3.对于确定的输入，系统应具有什么特性，才能使系统实现预期的响应？求输出求输入求系统(结构参数)基本的动力学问题1.1机械工程控制论的研究对象与任务第一章绪论研究任务:系统分析问题最优控制问题最优设计问题滤波与预测问题系统辨识问题已知系统和输入，求系统的响应(或输出)，并通过响应来研究系统本身的问题已知系统和系统的理想输出，设计输入已知输入和理想输出时，设计系统输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的的有关信息已知系统的输入与输出，求系统的结构与参数，即建立系统的数学模型1.1机械工程控制论的研究对象与任务 |
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