《机械工程控制基础》教案

《机械工程控制基础》教案学时分配总学时：32学时 授课学时：28学时 实验：4学时基础课程课程性质《机械工程控制基础》是高等工业院校机械类专业普遍开设的一门重要的技术基础课，在整个教学计划中，以主干课程的角色，起着承上启下的作用，具有十分重要的地位。本课程是一门专业基础理论课程,详述了研究对象的建模方法、系统响应分析方法，系统介绍了单输入单输出线性定常系统的时域性能分析、频域性能分析、系统的稳定性分析方法，介绍系统性能校正方法，为《机电一体化系统设计》、《机电传动控制》、《计算机控制技术》等机械电子工程专业的后续课程打下基础。课程的主要任务通过本课程的学习，使学生掌握经典控制理论的基本概念和基础知识,掌握机械工程中的研究对象的建模方法；掌握一阶、二阶系统的时域性能分析和频域性能分析方法；能熟练地根据Nyquist图、Bode图判断系统的稳定性；掌握系统性能校正方法；使学生能分析系统的性能,能改进或设计简单的控制系统。第一次课第1章绪论第1章绪论第1章绪论基介绍控制论的研究对象与任务，控制系统的分类及控制论的发展史。使学生能本以控制、系统的观点而不是静止、局部的观点去看待一个机械工程系统，培养内学生从整体的而不是分散的角度,从整个系统中信息传递,转换和反馈等角度来容分析系统的“动态行为”。重点难点自控制工程论的研究对象和任务?我什么是反馈?测对控制系统的基本要求使什么?验作业一、机械控制基础的研究对象：系统、输入、输出1、自动控制系统基本组成控制器控制器能够对控对象起控制作用的设备总称。控制对象被控制的机器设备或生产过程。作用于系统的激发信号，其中包括参考输入（激励信号）和扰动输系统的输入。入要求：1.保持系统的输出只参考输入指定的数值2.保持系统的输出尽量不受扰动的影响。系统输出系统输出指控制系统所要控制的物理量，表征对象或过程的状态的特性。2、典型闭环控制系统的框图的构成二、课程的基本任务研究系统、输入、输出之间的动态关系三、控制系统的基本要求：稳、快、准控制理论的研究内容、发展、应用、学习方法。一、控制理论的研究内容控制理论研究五方面的内容控制理论研究五方面的内容当系统已定、输入(或激励)已知时,求出系统的输出（或响应）,并系统分析问题通过输出来研究系统本身的有关问题。当系统已定时,确定输入,且所确定的输入应使得输出尽可能符合给最优控制问题定的最佳要求。当输入已知时,确定系统,且所确定的系统应使得输出尽可能符合给最优设计问题定的最佳要求。滤波与预测问题当输出已知时,确定系统,以识别输入或输人中的有关信息。辨识问题模型。二、机电一体化含义机电一体化：在机械领域中引入微电子技术、通过计算机硬件、软件加以控制。机电一体化技术基础：机械学机械学动力学、运动学、力学控制技术经典控制、现代控制电子学接口技术、软件技术、操作系统功率电子学大功率晶体管器件机电一体化发展历程：1、机械硬件2、机械+电子硬件3、机械+电子硬件+软件 如：CN、CIMS、无人化工三、经典控制与现代控制研究研究多输入多输出时变系统单输入单输出定常系统对象（主要线性）数学Laplace,传递函数矩阵、向量空间工具研究频域时域方法基本频率法、根轨迹法、时域法、代数几何（图线性控制理论、系统辨识、内容解）、稳定判据、特征环节设计最优滤波、最优控制主要稳定性最优性问题控制RC(无源滤波网络）数字机器着眼系统输出/输入 系统状态点分析&1）给定输入，分析输出综合2）指定指标下，研究系统参数

1）揭示控制（输入）条件对系统的作用影响2）（最优控制）四、时间安排32（28+4五、参考书1、王积伟.控制工程基础.北京：机械工业出版社.2002.2、董景新.控制工程基础.北京：清华大学出版社.2002.3、杨叔子,杨克冲.机械工程控制基础.武汉：华中科技大学出版社，2005（第五版）。第二次课第2章机械工程控制论的数学基础第2章机械工程控制论的数学基础第2章机械工程控制论的数学基础详细讲解了传递函数的定义、数学物理意义及求取方法；输入输出信号与传递基本函数的关系，闭环控制及其传递函数，方块图的构成及简化，各种典型的机、内容电系统的传递函数。重点重点掌握典型环节的传递函数的建立，难点是物理系统传递函数推导。难点自1我我2测验作业2.1 一、复数和复变函数复数2、复变函数3、复数的运算规则4、复变函数的零点和极点二、拉氏变换1、拉氏变换的定义对于函数x(t)，如果满足下列条件：（1）当t<0时，x(t)=0；（2）当t>0x(t)在每个有限区间上分段连续；(2)s=σ+jω2、拉氏反变换三、典型函数的拉氏变换重要的拉氏变换举例1、线性性质2、微分性质3、积分性质4、延时定理5、终值定理6、初值定理五、傅立叶变换：f（t）F(w)f（t）sjw。第3章系统的数学模型1系统微分方程非线性系统微分方程线性化处理系统的复域数学模型一、传递函数的定义概念二、传递函数的零点、极点、增益的概念第三次课三、举例说明建立机、电、液系统的传递函数四、典型环节的传递函数1、比例环节2、微分环节3、积分环节4、一阶惯性环节5、一阶微分环节6、二阶振荡环节7、二阶微分环节8．延时环节五、典型环节传递函数的几点说明二、举例说明建立机电液系统的传递函数框图1、传递函数简化原则2、传递函数等效简化串联环节的等效简化并联环节的等效简化反馈环节的等效简化说明：分支点的移动规则相加点的移动规则相邻分支点的移动规则（75）相邻相加点的移动规则3、一般系统传递函数框图的简化方法一、闭环系统传递函数简化实例二、相似性原理机械系统：力、质量、粘性阻尼系数、弹簧刚度、位移、速度电网络系统：电压、电感、电阻、电容倒数、电量、电流三、简介系统状态空间模型四、本章小结五、习题课第四次课第4章系统的时域分析4基本内详细讲解了系统时间响应分析方法，主要是一阶、二阶系统单位阶跃响应容 单位脉冲响应。重点难重点掌握一阶、二阶系统单位阶跃响应、单位脉冲响应，难点是δ函数在点时间响应的应用。自什么是时间响应?自什么是时间响应?我时间响应由哪两部分组成?各部分的定义是什么?测时间响应的瞬态响应反映哪方面的性能?而稳态响应反映哪方面的性能?验作业 4.14.24.34.94.154.1时间响应及其组成一、时域分析法：在时间域内研究控制系统性能的方法，它是通过拉氏变换直接求解系统的微分方程，得到系统的时间响应，然后根据响应表达式和响应曲线分析系统的动态性能和稳态性能。1、举例说明图4-1弹簧质量系统的时间响应及其组成2、一般系统的时间响应及其组成3、几点讨论（1）（2）（3）4、系统特征根影响系统自由响应的收敛性和振荡特性5、典型输入信号一阶系统的响应一、一阶系统的单位脉冲响应二、一阶系统的单位阶跃响应三、一阶系统的单位速度响应二阶系统的响应二、二阶系统的单位脉冲响应三、二阶系统的单位阶跃响应第五次课二阶欠阻尼系统：时间响应：定义性能指标：二、举例说明二阶系统性能指标的计算高阶系统的时间响应一、高阶系统的时间响应组成1、高阶系统的时间响应组成高阶系统的时间响应由一阶环节、二阶环节的时间响应组成2、分析高阶系统的时间响应组成（1）（2）3、主导极点4.6系统误差分析及计算一、闭环系统稳定是控制系统的前提暂态性能：平稳、振荡幅度小——“稳”过渡过程的时间短——“快”稳态性能：系统的稳态误差小——“准”能，是控制系统的一项重要的稳态性能指标。二、稳态误差、稳态偏差闭环系统：三、系统稳态偏差的计算系统的稳态偏差与系统的输入信号、系统的结构特征、系统的增益有关结论：系统的型越高，系统的稳态偏差越小四、系统稳态偏差的计算实例结论：本章小结讲解习题第5章根轨迹法闭环零点、极点与开环零点、极点之间的关系第六次课第6章系统的频率特性分析第6章系统的频率特性分析第6章系统的频率特性分析（Nyquist）和对容数坐标图（Bode）Nyquist、BodeNyquist点线、Bode自1什么是频率特性?我2什么是机械系统的动刚度和静刚