《機械工程控制基礎》學習指南

《機械工程控制基礎》課程導學一、課程特點本課程側重原理，其內(nèi)容密切結合工程實際，是一門專業(yè)基礎課。它是控制論為理論基礎，以機械工程系統(tǒng)為研究對象的廣義系統(tǒng)動力學；同時，它又是一種方法論。學習本課程的目的在于使學生能以動力學的觀點而不是靜態(tài)觀點去看待一個機械工程系統(tǒng)；從整體的而不是分離的角度，從整個系統(tǒng)中的信息之傳遞、轉換和反饋等角度來分析系統(tǒng)的動態(tài)行為；能結合工程實際，應用經(jīng)典控制論中的基本概念和基本方法來分析、研究和解決其中的問題。這包括兩個方面：①對機電系統(tǒng)中存在的問題能夠以控制論的觀點和思維方法進行科學分析，以找出問題的本質和有效的解決方法；②如何控制一個機電系統(tǒng)，使之按預定的規(guī)律運動，以達到預定的技術經(jīng)濟指標，為實現(xiàn)最佳控制打下基礎。二、教學目標：幫助學生掌握控制工程的基本概念、基本理論與基本分析方法，使其具備扎實的系統(tǒng)分析理論知識，為后續(xù)課程的學習及今后的專業(yè)技術工作打下基礎；幫助學生運用控制理論的原理與方法建立機電系統(tǒng)運動模型，在此基礎上，使學生掌握動態(tài)系統(tǒng)的基本分析方法。幫助學生掌握動態(tài)系統(tǒng)分析、設計與綜合的基本方法；注重培養(yǎng)學生綜合應用已學知識分析、解決機械工程廣義系統(tǒng)動力學問題的能力。三、基本教學內(nèi)容及要求

教學內(nèi)容基本要求1．緒論機械工程控制的基本概念；研究對象和任務；學習本課程的目的和意義；關于“系統(tǒng)”、“信息傳遞”和“反饋”及“反饋控制”的基本概念；系統(tǒng)及其模型；控制系統(tǒng)的分類；反饋控制系統(tǒng)的基本組成；對控制系統(tǒng)的基本要求；本課程的特點（1）了解機械工程控制論的基本含義和研究對象,學習本課程的目的和任務；掌握廣義系統(tǒng)動力學方程的含義。（2）了解系統(tǒng)、廣義系統(tǒng)的概念，了解系統(tǒng)的基本特性；了解系統(tǒng)動態(tài)模型和靜態(tài)模型之間的關系。（3）掌握反饋的含義，學會分析動態(tài)系統(tǒng)內(nèi)信息流動的過程，掌握系統(tǒng)或過程中存在的反饋。（4）了解廣義系統(tǒng)的幾種分類方法；掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理、組成；學會繪制控制系統(tǒng)的方框圖。（5）了解控制系統(tǒng)中基本名詞和基本變量。（6）了解正反饋、負反饋、內(nèi)反饋、外反饋的概念。（7）了解對控制系統(tǒng)的基本要求。2．系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)數(shù)學模型的基本概念；應用機械動力學、電工學等基礎知識建立系統(tǒng)數(shù)學模型的基本方法、典型例子；傳遞函數(shù)的基本概念，其數(shù)學物理意義，求取方法，輸入輸出信號與傳遞函數(shù)的關系；系統(tǒng)方框圖；閉環(huán)控制系統(tǒng)及其傳遞函數(shù)；方框圖的等效簡化；工程中典型的機、電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(1)了解數(shù)學模型的基本概念。能夠運用動力學、電學及專業(yè)知識，列寫機械系統(tǒng)、電子網(wǎng)絡的微分方程。(2)掌握傳遞函數(shù)的概念、特點，會求傳遞函數(shù)的零點、極點及放大系數(shù)。(3)能夠用分析法求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。(4)掌握各個典型環(huán)節(jié)的特點，傳遞函數(shù)的基本形式及相關參數(shù)的物理意義。(5)了解傳遞函數(shù)方框圖的組成及意義；能夠根據(jù)系統(tǒng)微分方程，繪制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖，并實現(xiàn)簡化，從而求出系統(tǒng)傳遞函數(shù)。(6)掌握閉環(huán)系統(tǒng)中前向通道傳遞函數(shù)、開環(huán)傳遞函數(shù)、閉環(huán)傳遞函數(shù)的定義及求法。掌握干擾作用下，系統(tǒng)的輸出及傳遞函數(shù)的求法和特點。(7)了解相似原理的概念。3．時間響應與誤差分析時間響應的基本概念典型輸入信號與一階、二階系統(tǒng)的時間響應二階系統(tǒng)響應的性能指標高階系統(tǒng)的時間響應δ函數(shù)在時間響應中的作用系統(tǒng)的誤差分析：系統(tǒng)的類型及各型系統(tǒng)的位置、速度、加速度誤差了解系統(tǒng)時間響應的組成；初步掌握系統(tǒng)的特征根的實部和虛部對系統(tǒng)自由響應項的影響情況，掌握系統(tǒng)穩(wěn)定性與特征根實部的關系。了解控制系統(tǒng)時間響應分析中的常用的典型輸入信號及其特點。掌握一階系統(tǒng)的定義和基本參數(shù)，能夠求解一階系統(tǒng)的單位脈沖響應、單位階躍響應及單位斜坡響應；掌握一階系統(tǒng)時間響應曲線的基本形狀及意義。掌握線性系統(tǒng)中，存在微分關系的輸入，其輸出也存在微分關系的基本結論。掌握二階系統(tǒng)的定義和基本參數(shù)；掌握二階系統(tǒng)單位脈沖響應曲線、單位階躍響應曲線的基本形狀及其振蕩情況與系統(tǒng)阻尼比之間的對應關系；掌握二階系統(tǒng)性能指標的定義及其與系統(tǒng)特征參數(shù)之間的關系。了解主導極點的定義及作用；掌握系統(tǒng)誤差的定義，掌握系統(tǒng)誤差與系統(tǒng)偏差的關系，掌握誤差及穩(wěn)態(tài)誤差的求法；能夠分析系統(tǒng)的輸入、系統(tǒng)的結構和參數(shù)以及干擾對系統(tǒng)偏差的影響。了解單位脈沖響應函數(shù)與系統(tǒng)傳遞函數(shù)之間的關系。4．系統(tǒng)的頻率特性分析頻率響應與頻率特性的基本概念頻率特性與系統(tǒng)傳遞函數(shù)的關系系統(tǒng)的動剛度與動柔度的概念頻率特性的表示方法頻率特性的極坐標圖（Nyquist圖）的一般概念典型環(huán)節(jié)的Nyquist圖繪制系統(tǒng)Nyquist圖的一般步驟和方法頻率特性的對數(shù)坐標圖（Bode圖）的一般概念典型環(huán)節(jié)的Bode圖繪制系統(tǒng)Bode圖的一般步驟和方法根據(jù)頻率特性的對數(shù)坐標圖辨識系統(tǒng)數(shù)學模型的一般方法掌握頻率特性的定義和代數(shù)表示法以及與傳遞函數(shù)、單位脈沖響應函數(shù)和微分方程之間的相互關系；掌握頻率特性和頻率響應的求法；掌握動剛度與動柔度的概念。掌握頻率特性的圖和圖的組成原理，熟悉典型環(huán)節(jié)的圖和圖的特點及其繪制，掌握一般系統(tǒng)的的圖和圖的特點和繪制。了解閉環(huán)頻率特性與開環(huán)頻率特性之間的關系。掌握頻域中性能指標的定義和求法；了解頻域性能指標與系統(tǒng)性能的關系。了解最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng)的概念。5．系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念判別線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本出發(fā)點Routh穩(wěn)定性判據(jù)、Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)的基本原理和方法Bode判據(jù)系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性幅值裕度與相位裕度最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng)了解系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義、系統(tǒng)穩(wěn)定的條件；掌握判據(jù)的必要條件和充要條件，學會應用判據(jù)判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定，對于不穩(wěn)定系統(tǒng)，能夠指出系統(tǒng)包含不穩(wěn)定的特征根的個數(shù)；掌握Nyquist判??；理解Nyquist圖和Bode圖之間的關系；掌握Bode判劇；理解系統(tǒng)相對穩(wěn)定性的概念，會求相位裕度和幅值裕度，并能夠在Nyquist圖和Bode圖上加以表示。6．系統(tǒng)的性能分析與校正系統(tǒng)的性能指標校正的一般概念常用的校正方法與分類相位超前校正、相位滯后校正及相位滯后—超前校正的基本特性及其頻域設計方法PID調節(jié)器的基本特性與設計方法順饋校正與反饋校正的基本特性

(1)了解系統(tǒng)時域性能指標、頻域性能指標和綜合性能指標的概念；了解頻域性能指標和時域性能指標的關系。(2)了解系統(tǒng)校正的基本概念。(3)掌握增益校正的特點；熟練掌握相位超前校正裝置、相位滯后校正裝置和相位滯后—超前校正裝置的模型、頻率特性及有關量的概念、求法及意義；掌握各種校正裝置的頻率特性設計方法；熟練掌握各種校正的特點。(4)掌握PID校正的基本規(guī)律及各種調節(jié)器的特點；掌握PID調節(jié)器的工程設計方法。(5)掌握反饋校正、順饋校正的定義、基本形式、作用和特點。四、學習方法1不必過分追求數(shù)學論證上的嚴密性，而要充分注意到物理概念的明確性和數(shù)學結論的準確性；2.既要十分重視抽象思維，了解一般規(guī)律，又要充分注重結合實際，聯(lián)系專業(yè)，努力實踐；3.要重視實驗，重視習題，獨立完成作業(yè)，積極參加有關實踐活動；五、教材與參考書教材：熊良才，吳波．《機械工程控制基礎學習與考試指導》，華中科