機械工程控制基礎教案

《機械工程掌握根底》教案學時安排總學時：32學時授課學時：28試驗：4根底課程先修課：工程力學、工程數學、電工學、高等數學課程性質術根底課，在整個教學打算中，以主干課程的角色，起著承上啟下的作用，具有格外重要的地位。本課程是一門專業(yè)根底理論課程,詳述了爭論對象的建模方法、系統(tǒng)響應分析方法，系統(tǒng)介紹了單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的時域性能分析、頻域性能分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法，介紹系統(tǒng)性能校正方法，為《現代掌握理論》等機械電子工程專業(yè)的后續(xù)課程打下根底。課程的主要任務機械工程中的爭論對象的建模方法；把握一階、二階系統(tǒng)的時域性能分析和頻域性能分析方法；能嫻熟地依據Nyquist圖、Bode圖推斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；把握系統(tǒng)性能校正方法；使學生能分析系統(tǒng)的性能,能改進或設計簡潔的掌握系統(tǒng)。第一章緒論第一章緒論基本內容重點難點自我測驗作業(yè)介紹掌握論的爭論對象與任務，掌握系統(tǒng)的分類及掌握論的進展史。使學生能以掌握、系統(tǒng)的觀點而不是靜止、局部的觀點去對待一個機械工程系統(tǒng)，培育學生從整體的而不是分散的角度,從整個系統(tǒng)中信息傳遞,轉換和反響等角度來分析系掌握工程論的爭論對象和任務?什么是反響?對掌握系統(tǒng)的根本要求使什么?機械掌握根底的爭論對象、課程的根本任務、掌握系統(tǒng)的根本要求1掌握器掌握器掌握對象能夠對控對象起掌握作用的設備總稱。被掌握的機器設備或生產過程。系統(tǒng)的輸入作用于系統(tǒng)的激發(fā)信號，其中包括參考輸入〔鼓勵信號〕和要求：1.保持系統(tǒng)的輸出只參考輸入指定的數值2.保持系統(tǒng)的輸出盡量不受擾動的影響。系統(tǒng)輸出指掌握系統(tǒng)所要掌握的物理量，表征對象或過程的狀態(tài)的特性。2、典型閉環(huán)掌握系統(tǒng)的框圖的構成輸入信號給定值 偏差掌握器-

執(zhí)行機構

輸出量測量變送器給定環(huán)節(jié)：測量環(huán)節(jié)：測量系統(tǒng)輸出量的實際值，并把輸出量的量綱轉化成與輸入量一樣。比較環(huán)節(jié)：比較系統(tǒng)的輸入量和主反響信號，并給出兩者之間的偏差。放大環(huán)節(jié)：對微弱的偏差信號進展放大和變換，使之具有足夠的幅值和功率，以適應執(zhí)行元件動作的要求。執(zhí)行環(huán)節(jié)：依據放大后的偏差信號產生掌握、動作，操作系統(tǒng)的輸出量，使之依據輸入量的變化規(guī)律而變化。二、課程的根本任務爭論系統(tǒng)、輸入、輸出之間的動態(tài)關系三、掌握系統(tǒng)的根本要求：穩(wěn)、快、準掌握理論爭論五方面的內容系統(tǒng)分析問題最優(yōu)掌握問題掌握理論爭論五方面的內容系統(tǒng)分析問題最優(yōu)掌握問題出〔或響應〕,并通過輸出來爭論系統(tǒng)本身的有關問題。當系統(tǒng)已定時,確定輸入,且所確定的輸入應使得輸出盡可能符合給定的最正確要求。最優(yōu)設計問題當輸入時,確定系統(tǒng),且所確定的系統(tǒng)應使得輸出盡可能符合給定的最正確要求。濾波與推測問題當輸出時,確定系統(tǒng),以識別輸入或輸人中的有關信息。系統(tǒng)識別或系統(tǒng)辨識當輸入與輸出均時,求出系統(tǒng)的構造與參數,問題 即建立系統(tǒng)的數學模型。二、機電一體化含義機電一體化：在機械領域中引入微電子技術、通過計算機硬件、軟件加以掌握。機電一體化技術根底：機械學機械學掌握技術經典掌握、現代掌握電子學接口技術、軟件技術、操作系統(tǒng)功率電子學大功率晶體管器件機電一體化進展歷程：1、機械硬件2、機械+電子硬件3、機械+電子硬件+軟件 如：CN、CIMS、無人化工廠三、經典掌握與現代掌握爭論對象爭論對象單輸入單輸出定常系統(tǒng)數學工具爭論方法根本內容Laplace,傳遞函數頻域多輸入多輸出時變系統(tǒng)〔主要線性〕時域頻率法、根軌跡法、時域法、線性掌握理論、系統(tǒng)辨識、代數幾何〔圖解特征環(huán)節(jié)設計主要問題 穩(wěn)定性 最優(yōu)性掌握器 RC(無源濾波網絡〕 數字機著眼點 系統(tǒng)輸出/輸入 系統(tǒng)狀態(tài)分析&綜合1〕給定輸入，分析輸出 1〕提醒掌握〔輸入〕和初始2〕指定指標下，爭論系統(tǒng)參數條件對系統(tǒng)的作用影響2〕在肯定條件下，最正確狀態(tài)〔最優(yōu)掌握〕四、時間安排32學時〔28+4五、參考書

機電一體化機械設計 趙松年掌握工程根底 王積偉 高教出版社計算機掌握技術余人杰 西安交通大學出版社掌握工程根底 董景 其次次課其次章傳遞函數其次章傳遞函數基本內容重點難點自我測驗作業(yè)具體講解了傳遞函數的定義、數學物理意義及求取方法；輸入輸出信號與傳遞函數的關系，閉環(huán)掌握及其傳遞函數，方塊圖的構成及簡化，各種典型的機、電系統(tǒng)的傳遞函數。重點把握典型環(huán)節(jié)的傳遞函數的建立，難點是物理系統(tǒng)傳遞函數推導。什么是線性系統(tǒng)?線性系統(tǒng)最重要的特性是什么?2.22..32.42.52.122.142.162.172.18系統(tǒng)的數學模型及拉氏變換一、數學模型12、系統(tǒng)建模方法3、舉例說明建立機、電、液系統(tǒng)的微分方程4、將非線性微分方程線性化處理二、拉氏變換1、拉氏變換的定義x(t)，假設滿足以下條件：〔1〕當t<0x(t)=0；〔2〕當t>0時，x(t)在每個有限區(qū)間上分段連續(xù)；(2s=σ+jω為復變量2、拉氏反變換三、典型函數的拉氏變換重要的拉氏變換舉例四、拉氏變換的性質1、線性性質2、微分性質3、積分性質4、延時定理5、終值定理6、初值定理五、傅立葉變換：F()ft)ejwtdt

Ff

t記作：F(w)ft) 1F()ejwtdw 記作：ft)f1記作：F(w)2 無線電技術中，以f〔t〕表示訊號函數，而F(w)稱為f〔t〕的頻譜函數。傅sjw。傳遞函數的定義及典型環(huán)節(jié)的傳遞函數一、傳遞函數的定義概念二、傳遞函數的零點、極點、增益的概念四、典型環(huán)節(jié)的傳遞函數1、比例環(huán)節(jié)2、微分環(huán)節(jié)3、積分環(huán)節(jié)4、一階慣性環(huán)節(jié)5、一階微分環(huán)節(jié)6、二階振蕩環(huán)節(jié)7、二階微分環(huán)節(jié)8．延時環(huán)節(jié)五、典型環(huán)節(jié)傳遞函數的幾點說明第三次課系統(tǒng)傳遞函數框圖及簡化一、系統(tǒng)傳遞函數框圖的建立二、舉例說明建立機電液系統(tǒng)的傳遞函數框圖1、傳遞函數簡化原則2串聯環(huán)節(jié)的等效簡化并聯環(huán)節(jié)的等效簡化反響環(huán)節(jié)的等效簡化說明：分支點的移動規(guī)章相加點的移動規(guī)章相鄰分支點的移動規(guī)章〔75〕相鄰相加點的移動規(guī)章3、一般系統(tǒng)傳遞函數框圖的簡化方法閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數框圖及其簡化、相像性原理、系統(tǒng)狀態(tài)空間模型一、閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數簡化實例二、相像性原理機械系統(tǒng)：力、質量、粘性阻尼系數、彈簧剛度、位移、速度電網絡系統(tǒng)：電壓、電感、電阻、電容倒數、電量、電流三、簡介系統(tǒng)狀態(tài)空間模型四、本章小結五、習題課第四次課第三章 時間響應分析第三章第三章時間響應分析基本內容重點難點自我測驗作業(yè)具體講解了系統(tǒng)時間響應分析方法，主要是一階、二階系統(tǒng)單位階躍響應、單位脈沖響應。重點把握一階、二階系統(tǒng)單位階躍響應、單位脈沖響應，難點是δ函數在時間響應的應用。什么是時間響應?時間響應由哪兩局部組成?各局部的定義是什么?時間響應的瞬態(tài)響應反映哪方面的性能?而穩(wěn)態(tài)響應反映哪方面的性能?3.13.23.33.93.153.1時間響應及其組成一、時域分析法：在時間域內爭論掌握系統(tǒng)性能的方法，它是通過拉氏變換直接求解系統(tǒng)的微分方程，得到系統(tǒng)的時間響應，然后依據響應表達式和響應曲線分析系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。13-12、一般系統(tǒng)的時間響應及其組成3、幾點爭論〔1〕〔2〕〔3〕45、典型輸入信號一、一階系統(tǒng)的單位脈沖響應二、一階系統(tǒng)的單位階躍響應三、一階系統(tǒng)的單位速度響應二階系統(tǒng)的響應一、二階系統(tǒng)的特征根二、二階系統(tǒng)的單位脈沖響應三、二階系統(tǒng)的單位階躍響應二階系統(tǒng)的性能指標一、二階系統(tǒng)的性能指標二階欠阻尼系統(tǒng)：時間響應：定義性能指標：二、舉例說明二階系統(tǒng)性能指標的計算一、高階系統(tǒng)的時間響應組成1、高階系統(tǒng)的時間響應組成高階系統(tǒng)的時間響應由一階環(huán)節(jié)、二階環(huán)節(jié)的時間響應組成2、分析高階系統(tǒng)的時間響應組成〔1〕〔2〕3、主導極點第五次課3.6一、閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定是掌握系統(tǒng)的前提暫態(tài)性能：平穩(wěn)、振蕩幅度小——“穩(wěn)”過渡過程的時間短——“快”穩(wěn)態(tài)性能：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小——“準”穩(wěn)態(tài)誤差是衡量掌握系統(tǒng)掌握準確度的一種度量，反映了掌握系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，是掌握系統(tǒng)的一項重要的穩(wěn)態(tài)性能指標。二、穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)偏差閉環(huán)系統(tǒng)：三、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差的計算系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差與系統(tǒng)的輸入信號、系統(tǒng)的構造特征、系統(tǒng)的增益有關結論：系統(tǒng)的型越高，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差越小系統(tǒng)的增益越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差越小四、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差的計算實例結論：單位脈沖響應函數在時間響應函數中的作用簡介單位脈沖響應函數在時間響應函數中的作用講解習題第四章頻率特性分析第四章頻率特性分析第四章頻率特性分析基本內容具體講解了典型環(huán)節(jié)和簡單系統(tǒng)的頻率特性的極坐標圖〔Nyquist圖〕和對數坐標圖〔Bode圖〕重重點難點自我測驗作業(yè)重點把握典型環(huán)節(jié)NyquistBodeNyquistBode曲線的繪制。什么是頻率特性?什么是機械系統(tǒng)的動剛度和靜剛度?4.94.124.15頻率特性概述一、頻率響應與頻率特性頻率響應：指系統(tǒng)對正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)響應。即系統(tǒng)在正弦輸入下，輸出量的穩(wěn)態(tài)量與輸入正弦信號的復數比。在這種狀況下，系統(tǒng)的輸入信號是正弦信號，系統(tǒng)的內部信號以及系統(tǒng)的輸出信號也都是穩(wěn)態(tài)的正弦信號，這些信號頻率一樣，而幅值和相角卻不同。二、頻率特性與傳遞函數一、頻率特性的極坐標圖――Nyquist圖1Nyquist圖比例環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)一階慣性環(huán)節(jié)一階微分環(huán)節(jié)二階振蕩環(huán)節(jié)二階微分環(huán)節(jié)延時環(huán)節(jié)2Nyquist圖的一般步驟方法3Nyquist圖方法的總結系統(tǒng)的頻率特性為：4Nyquist圖的繪制第六次課頻率特性的對數坐標圖――Bode二、頻率特性的對數坐標圖――Bode圖1Bode圖比例環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)一階慣性環(huán)節(jié)一階微分環(huán)節(jié)二階振蕩環(huán)節(jié)二階微分環(huán)節(jié)延時環(huán)節(jié)2Bode3Bode圖方法的總結系統(tǒng)的頻率特性為：4Bode簡介頻率特性的的特征量的定義最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng)簡介最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng)定義第七次課第五章第五章系統(tǒng)的穩(wěn)定性根本內容自我測驗Routh穩(wěn)定性判據、Nyquist穩(wěn)定性判據和Bode穩(wěn)定性判據的根本原理和使用方法，系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性,相位儲藏和幅值儲藏。重點把握Routh穩(wěn)定判劇、Nyquist穩(wěn)定判劇和系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，難點是簡單系統(tǒng)穩(wěn)定性的判定。系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義是什么?一個系統(tǒng)穩(wěn)定的充分和必要條件是什么?作業(yè)5.15.25.95.11系統(tǒng)穩(wěn)定性的初步概念一、舉例說明系統(tǒng)穩(wěn)定性定義定義：結論：二、系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件：RouthRouthNyquist穩(wěn)定判據Nyquist二、Nyquist1、當p＝0時，即開環(huán)穩(wěn)定，當ω由－∞到＋∞時，假設[GH]平面上的開環(huán)頻率特性G(jw)H(jw)不逆時針方向包圍〔-1,j0〕點，則閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，否則，閉環(huán)不穩(wěn)定。2、當p≠0時，即開環(huán)不穩(wěn)定，當ω由－∞到＋∞時，假設[GH]平面上的開環(huán)頻率特性G(jw)H(jw)逆時針方向包圍〔-1,j0〕點p圈，則閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，否則，閉環(huán)不穩(wěn)定。三、舉例說明Nyquist穩(wěn)定判據推斷簡單系統(tǒng)的穩(wěn)定性第八次課Bode穩(wěn)定判據一、NyquistBode1、NyquistBode2、講解幾個定義正穿越的定義負穿越的定義二、Bodep=0三、舉例說明應用Bode穩(wěn)定判據推斷簡單系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性一、系統(tǒng)相對穩(wěn)定性定義二、相位裕度幅值裕度1、相位裕度γ：2、幅值裕度Kg三、舉例說明相位裕度、幅值裕度的計算四、本章小結五、簡介習題第九次課第六章系統(tǒng)的性能分析與校正第六章系統(tǒng)的性能分析與校正基本內容重點難點自我測驗作業(yè)系統(tǒng)時域性能指標、頻域性能指標和綜合性能指標的定義，把握系統(tǒng)性能校正方超前校正，PID重點把握系統(tǒng)的相位超前校正、相位置后校正和相位超前置后校正，難點是簡單系統(tǒng)性能校正。16.16.26.3系統(tǒng)的性能指標系統(tǒng)性能校正一、系統(tǒng)性能校正1、系統(tǒng)性能校正的定義概念2、系統(tǒng)性能校正的分類串聯校正比例校正相位滯后校正相位超前校正相位滯后超前校正順饋校正反響校正PID一、PIDP1、時域模型2、S3、頻率特性三、比例微分PD掌握器1、時域模型2、S3、頻率特性四、比例積分PI掌握器1、時域模型2、S3、頻率特性五、PID1、時域模型2、S3、頻率特性六、PID掌握器的應用舉例七、本章小結第十次課第七章非線性系統(tǒng)初步第七章非線性系統(tǒng)初步基第七