機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計與控制課程大綱

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計與控制課程大綱日期:目錄CATALOGUE課程導(dǎo)論機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計理論控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)系統(tǒng)性能分析與驗證典型工程應(yīng)用案例前沿發(fā)展與課程總結(jié)課程導(dǎo)論01機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計基本概念機(jī)械系統(tǒng)組成機(jī)械系統(tǒng)由傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成。01研究系統(tǒng)如何實現(xiàn)預(yù)期的功能，包括運動傳遞、力傳遞和能量轉(zhuǎn)換等。02系統(tǒng)評價方法基于系統(tǒng)性能、成本、可靠性等因素對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行評價。03系統(tǒng)功能分析基于傳遞函數(shù)和頻域分析，研究系統(tǒng)穩(wěn)定性、動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。經(jīng)典控制理論以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)，研究系統(tǒng)狀態(tài)觀測、最優(yōu)控制和魯棒控制等?，F(xiàn)代控制理論包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，適用于復(fù)雜和不確定性系統(tǒng)。智能控制方法控制理論核心框架課程目標(biāo)與學(xué)習(xí)路徑掌握機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的基本原理和控制理論的核心知識，培養(yǎng)系統(tǒng)分析和設(shè)計能力。課程目標(biāo)從基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)開始，逐步深入到機(jī)械系統(tǒng)與控制技術(shù)的實際應(yīng)用，最后通過項目實踐鞏固所學(xué)知識。學(xué)習(xí)路徑機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計理論02牛頓運動定律應(yīng)用通過牛頓第二定律，計算質(zhì)點或剛體在外力作用下的加速度，并進(jìn)而確定其運動軌跡。拉格朗日方程基于能量守恒原理，描述系統(tǒng)動力學(xué)行為，適用于完整系統(tǒng)或有約束的質(zhì)點系。哈密爾頓原理在拉格朗日方程基礎(chǔ)上，引入廣義坐標(biāo)和廣義動量，適用于更復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)。動力學(xué)仿真利用計算機(jī)模擬系統(tǒng)動力學(xué)行為，驗證理論模型的有效性，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。系統(tǒng)動力學(xué)建模方法模塊化設(shè)計原則與流程模塊化設(shè)計原則與流程模塊劃分模塊組合接口設(shè)計模塊測試根據(jù)功能需求，將系統(tǒng)劃分為若干獨立且相互關(guān)聯(lián)的模塊。確保各模塊之間的接口標(biāo)準(zhǔn)化，便于模塊間的連接與替換。按照一定規(guī)則，將各模塊進(jìn)行組合，形成完整的系統(tǒng)或設(shè)備。對每個模塊進(jìn)行單獨測試，確保其性能滿足設(shè)計要求?？煽啃苑治雠c優(yōu)化策略可靠性評估可靠性優(yōu)化設(shè)計故障模式與影響分析（FMEA）維修性與可測試性通過統(tǒng)計方法，評估系統(tǒng)或設(shè)備在規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力。識別系統(tǒng)中潛在的故障模式，評估其影響程度，并提出改進(jìn)措施。在系統(tǒng)設(shè)計階段，通過調(diào)整參數(shù)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)等方法，提高系統(tǒng)可靠性。確保系統(tǒng)易于維修和測試，以降低維修成本和時間?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)03經(jīng)典控制算法（PID、魯棒控制）01PID控制算法介紹PID控制算法的基本原理、實現(xiàn)方法、調(diào)試技巧和應(yīng)用場景，重點討論P、I、D三個參數(shù)的調(diào)節(jié)及其對系統(tǒng)性能的影響。02魯棒控制算法介紹魯棒控制的基本原理、設(shè)計方法和實際應(yīng)用，包括不確定系統(tǒng)的魯棒性分析、魯棒控制器設(shè)計等內(nèi)容。介紹模糊控制的基本原理、模糊控制器設(shè)計和應(yīng)用，包括模糊集合、模糊規(guī)則和模糊推理等內(nèi)容。模糊控制算法現(xiàn)代智能控制技術(shù)（模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的基本原理、結(jié)構(gòu)、訓(xùn)練方法和應(yīng)用，包括前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等內(nèi)容。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法硬件在環(huán)仿真與調(diào)試介紹硬件在環(huán)仿真的基本原理、仿真平臺構(gòu)建和調(diào)試方法，包括實時仿真、半實物仿真等。硬件在環(huán)仿真技術(shù)介紹控制系統(tǒng)調(diào)試的步驟、方法和注意事項，包括參數(shù)整定、性能評估、故障診斷和排除等內(nèi)容。控制系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)性能分析與驗證04系統(tǒng)從靜止到達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需的時間。上升時間系統(tǒng)從受到擾動到恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值所需的時間。調(diào)節(jié)時間系統(tǒng)超過穩(wěn)態(tài)值的最大偏差量。超調(diào)量010302時域/頻域響應(yīng)評價指標(biāo)通過頻率特性分析得到的指標(biāo)，如帶寬、相位裕度等。頻域指標(biāo)04穩(wěn)定性判據(jù)與裕度計算勞斯判據(jù)根據(jù)系統(tǒng)特征方程的系數(shù)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。01奈奎斯特判據(jù)通過繪制系統(tǒng)的奈奎斯特圖來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。02增益裕度和相位裕度衡量系統(tǒng)相對穩(wěn)定性的指標(biāo)，通過計算系統(tǒng)的幅值裕度和相位裕度來評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性。03采用合適的傳感器和采集設(shè)備，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)據(jù)采集方法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取有用信息，消除噪聲和干擾。數(shù)據(jù)處理與分析分析實驗過程中可能產(chǎn)生的誤差來源，并采取措施進(jìn)行修正，提高實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。誤差來源與修正實驗數(shù)據(jù)采集與誤差修正典型工程應(yīng)用案例05工業(yè)機(jī)器人運動控制系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人種類與特點介紹工業(yè)機(jī)器人分類、應(yīng)用領(lǐng)域、基本組成及工作原理。02040301動力學(xué)與控制探討機(jī)器人運動過程中的動力學(xué)問題，包括關(guān)節(jié)驅(qū)動力、力矩及動態(tài)特性，以及控制方法。機(jī)器人運動學(xué)研究機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置、速度和加速度與關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系。編程與仿真介紹機(jī)器人編程語言、仿真軟件及離線編程技術(shù)。車輛傳動系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計車輛傳動系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計車輛傳動系統(tǒng)概述協(xié)同設(shè)計與優(yōu)化傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配傳動系統(tǒng)仿真與試驗介紹車輛傳動系統(tǒng)的基本組成、功能及分類。研究發(fā)動機(jī)與傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配，包括功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等。探討傳動系統(tǒng)與其他車輛系統(tǒng)（如轉(zhuǎn)向、制動、懸架等）的協(xié)同設(shè)計與優(yōu)化方法。介紹傳動系統(tǒng)仿真技術(shù)、試驗方法及標(biāo)準(zhǔn)。航空航天作動器閉環(huán)控制航空航天作動器概述介紹航空航天領(lǐng)域常用的作動器類型、特點及應(yīng)用。閉環(huán)控制系統(tǒng)原理闡述閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成、工作原理及性能指標(biāo)。作動器閉環(huán)控制策略探討針對航空航天作動器的閉環(huán)控制策略，包括PID控制、自適應(yīng)控制等?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)介紹控制系統(tǒng)設(shè)計流程、關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)方法，包括傳感器選擇與布置、控制算法實現(xiàn)等。前沿發(fā)展與課程總結(jié)06數(shù)字孿生技術(shù)融合應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)在機(jī)械系統(tǒng)中的應(yīng)用利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建高精度機(jī)械系統(tǒng)模型，實現(xiàn)運行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與預(yù)測。數(shù)字孿生驅(qū)動的協(xié)同設(shè)計數(shù)字孿生在智能制造中的應(yīng)用基于數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計與優(yōu)化，提高產(chǎn)品設(shè)計效率和質(zhì)量。整合數(shù)字孿生技術(shù)與智能制造技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)字化、智能化和可視化。123自主化系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)探討自主化系統(tǒng)在面對復(fù)雜環(huán)境和任務(wù)時的穩(wěn)定性與可靠性問題，提出解決方案。自主化系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性研究自主化系統(tǒng)如何實現(xiàn)智能感知、分析與決策，提高系統(tǒng)自主性和適應(yīng)性。自主化系統(tǒng)的智能感知與決策分析自主化系統(tǒng)可能帶來的倫理與安全問題，提出相應(yīng)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。自主化系統(tǒng)的倫理與安全問題課程知識圖譜梳理知識體系結(jié)構(gòu)