《機械工程控制基礎(chǔ)》概論教案(共35頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上機械工程控制基礎(chǔ)概論教案學(xué)時分配總 學(xué) 時：32學(xué)時 授課學(xué)時：28學(xué)時 實驗：4學(xué)時。 基礎(chǔ)課程先修課：大學(xué)物理、理論力學(xué)、工程數(shù)學(xué)、電工學(xué)、高等數(shù)學(xué)、機械原理。課程性質(zhì)機械工程控制基礎(chǔ)是高等工業(yè)院校機械類專業(yè)普遍開設(shè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，在整個教學(xué)計劃中，以主干課程的角色，起著承上啟下的作用，具有十分重要的地位。本課程是一門專業(yè)基礎(chǔ)理論課程,詳述了研究對象的建模方法、系統(tǒng)響應(yīng)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，為機電一體化系統(tǒng)設(shè)計、機電傳動控制、計算機控制技術(shù)等機械電子工程專業(yè)的后

2、續(xù)課程打下基礎(chǔ)。課程的主要任務(wù)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握經(jīng)典控制理論的基本概念和基礎(chǔ)知識, 掌握機械工程中的研究對象的建模方法；掌握一階、二階系統(tǒng)的時域性能分析和頻域性能分析方法；能熟練地根據(jù)Nyquist圖、Bode圖判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；掌握系統(tǒng)性能校正方法；使學(xué)生能分析系統(tǒng)的性能,能改進(jìn)或設(shè)計簡單的控制系統(tǒng)。第一次課第1章 緒論第1章 緒論基本內(nèi)容介紹控制論的研究對象與任務(wù)，控制系統(tǒng)的分類及控制論的發(fā)展史。使學(xué)生能以控制、系統(tǒng)的觀點而不是靜止、局部的觀點去看待一個機械工程系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)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(zhuǎn)換和反饋等角度來分析系統(tǒng)的“動態(tài)行為”。 重點難點自我測

3、驗1控制工程論的研究對象和任務(wù)?2什么是反饋?3對控制系統(tǒng)的基本要求使什么?作業(yè)1.1機械控制基礎(chǔ)的研究對象、課程的基本任務(wù)、控制系統(tǒng)的基本要求一、機械控制基礎(chǔ)的研究對象 ： 系統(tǒng)、輸入、輸出1、 自動控制系統(tǒng)基本組成控制器能夠?qū)貙ο笃鹂刂谱饔玫脑O(shè)備總稱。控制對象被控制的機器設(shè)備或生產(chǎn)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 （激勵信號）和擾動輸 入。要求：1.保持系統(tǒng)的輸出只參考輸入指定的數(shù)值 2.保持系統(tǒng)的輸出盡量不受擾動的影響。系統(tǒng)輸出指控制系統(tǒng)所要控制的物理量，表征對象或過程的狀態(tài)的特性 。2、典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖的構(gòu)成二、課程的基本任務(wù)研究系統(tǒng)、輸入、輸出之間的動態(tài)

4、關(guān)系三、控制系統(tǒng)的基本要求： 穩(wěn)、快、準(zhǔn)1.2 控制理論的研究內(nèi)容、發(fā)展、應(yīng)用、學(xué)習(xí)方法。一、控制理論的研究內(nèi)容控制理論研究五方面的內(nèi)容系統(tǒng)分析問題當(dāng)系統(tǒng)已定、輸入(或激勵)已知時,求出系統(tǒng)的輸出（或響應(yīng)）,并通過輸出來研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問題。最優(yōu)控制問題當(dāng)系統(tǒng)已定時,確定輸入,且所確定的輸入應(yīng)使得輸出盡可能符合給定的最佳要求。最優(yōu)設(shè)計問題當(dāng)輸入已知時,確定系統(tǒng),且所確定的系統(tǒng)應(yīng)使得輸出盡可能符合給定的最佳要求。濾波與預(yù)測問題當(dāng)輸出已知時,確定系統(tǒng),以識別輸入或輸人中的有關(guān)信息。系統(tǒng)識別或系統(tǒng)辨識問題當(dāng)輸入與輸出均已知時,求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù),即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。二、機電一體化含義機電一體化

5、：在機械領(lǐng)域中引入 微電子技術(shù)、通過計算機硬件 、軟件加以控制。機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)：機械學(xué)動力學(xué) 、運動學(xué)、力學(xué)控制技術(shù)經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制電子學(xué)接口技術(shù)、軟件技術(shù)、操作系統(tǒng)功率電子學(xué)大功率晶體管器件機電一體化發(fā)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(jīng)典控制與現(xiàn)代控制研究對象單輸入單輸出定常系統(tǒng)多輸入多輸出時變系統(tǒng)（主要線性）數(shù)學(xué)工具Laplace,傳遞函數(shù)矩陣、向量空間研究方法頻域時域基本內(nèi)容頻率法、根軌跡法、時域法、代數(shù)幾何（圖解）、穩(wěn)定判據(jù)、特征環(huán)節(jié)設(shè)計線性控制理論、系統(tǒng)辨識、最優(yōu)濾波、最優(yōu)控制主要問題穩(wěn)定性最優(yōu)性控制器

6、RC(無源濾波網(wǎng)絡(luò)）數(shù)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2）指定指標(biāo)下，研究系統(tǒng)參數(shù)1）揭示控制（輸入）和初始條件對系統(tǒng)的作用影響2）在一定條件下，最佳狀態(tài)（最優(yōu)控制）四、時間安排共32學(xué)時 （28學(xué)時課堂講授+4學(xué)時實驗)五、參考書1、王積偉.控制工程基礎(chǔ).北京：機械工業(yè)出版社.2002. 2、董景新.控制工程基礎(chǔ). 北京：清華大學(xué)出版社.2002.3、楊叔子,楊克沖.機械工程控制基礎(chǔ). 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005（第五版）。第二次課 第2章 機械工程控制論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第2章 機械工程控制論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)基本內(nèi)容詳細(xì)講解了傳遞函數(shù)的定義、數(shù)學(xué)物理意義及求取方

7、法；輸入輸出信號與傳遞函數(shù)的關(guān)系，閉環(huán)控制及其傳遞函數(shù)，方塊圖的構(gòu)成及簡化，各種典型的機、電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。重點難點重點掌握典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)的建立，難點是物理系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導(dǎo)。 自我測驗1什么是線性系統(tǒng)?2線性系統(tǒng)最重要的特性是什么?作業(yè) 2.1 復(fù)數(shù)和復(fù)變函數(shù)一、復(fù)數(shù)和復(fù)變函數(shù)1 復(fù)數(shù)2、復(fù)變函數(shù)3、復(fù)數(shù)的運算規(guī)則4、復(fù)變函數(shù)的零點和極點二、拉氏變換 1、拉氏變換的定義對于函數(shù) x(t)，如果滿足下列條件：（1）當(dāng) t 0時， x(t)在每個有限區(qū)間上分段連續(xù)；(2)存在，其中s=+j為復(fù)變量2、拉氏反變換 三、典型函數(shù)的拉氏變換重要的拉氏變換舉例四、拉氏變換的性質(zhì)1、線性性質(zhì)2、微分性質(zhì)

8、3、積分性質(zhì)4、延時定理5、終值定理6、初值定理五、傅立葉變換： 無線電技術(shù)中，以f（t）表示訊號函數(shù)，而F(w)稱為f（t）的頻譜函數(shù)。 傅氏變換氏拉氏變換的特例，將拉氏變換中的s換成傅氏變換氏中jw。第3章 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型3.1 系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型1 系統(tǒng)微分方程2 非線性系統(tǒng)微分方程線性化處理3.2系統(tǒng)的復(fù)域數(shù)學(xué)模型*一、傳遞函數(shù)的定義概念二、傳遞函數(shù)的零點、極點、增益的概念第三次課 三、舉例說明建立機、電、液 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)四、典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)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(shù)的幾點說明3

9、.3 系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖及簡化一、系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖的建立二、舉例說明建立機電液系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖1、傳遞函數(shù)簡化原則2、 傳遞函數(shù)等效簡化（1）串聯(lián)環(huán)節(jié)的等效簡化（2）并聯(lián)環(huán)節(jié)的等效簡化（3）反饋環(huán)節(jié)的等效簡化說明：（4）分支點的移動規(guī)則（5）相加點的移動規(guī)則（6）相鄰分支點的移動規(guī)則（75）相鄰相加點的移動規(guī)則3、一般系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖的簡化方法3.4閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖及其簡化、相似性原理、系統(tǒng)狀態(tài)空間模型一、閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)簡化實例二、相似性原理機械系統(tǒng)：力、質(zhì)量、粘性阻尼系數(shù)、彈簧剛度、位移、速度電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：電壓、電感、電阻、電容倒數(shù)、電量、電流三、簡介系統(tǒng)狀態(tài)空間模型四、本章小結(jié)五、習(xí)題

10、課第四次課第4章 系統(tǒng)的時域分析第4章 系統(tǒng)的時域分析基本內(nèi)容詳細(xì)講解了系統(tǒng)時間響應(yīng)分析方法，主要是一階、二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)、單位脈沖響應(yīng)。重點難點重點掌握一階、二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)、單位脈沖響應(yīng)，難點是函數(shù)在時間響應(yīng)的應(yīng)用。自我測驗1 什么是時間響應(yīng)?2時間響應(yīng)由哪兩部分組成?各部分的定義是什么?3時間響應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng)反映哪方面的性能?而穩(wěn)態(tài)響應(yīng)反映哪方面的性能?作業(yè)4.1 4.2 4.3 4.9 4.154.1 時間響應(yīng)及其組成一、時域分析法：在時間域內(nèi)研究控制系統(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(yīng)，然后根據(jù)響應(yīng)表達(dá)式和響應(yīng)曲線分析系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性

11、能。1、舉例說明圖4-1彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的時間響應(yīng)及其組成2、一般系統(tǒng)的時間響應(yīng)及其組成3、幾點討論（1）（2）（3）4、 系統(tǒng)特征根影響系統(tǒng)自由響應(yīng)的收斂性和振蕩特性5、典型輸入信號4.2 一階系統(tǒng)的響應(yīng)一、一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)二、一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)三、一階系統(tǒng)的單位速度響應(yīng)4.3 二階系統(tǒng)的響應(yīng)一、二階系統(tǒng)的特征根二、二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)三、二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)第五次課 4.4 二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)一、二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)二階欠阻尼系統(tǒng)：時間響應(yīng)：定義性能指標(biāo)：二、舉例說明二階系統(tǒng)性能指標(biāo)的計算4.5 高階系統(tǒng)的時間響應(yīng)一、高階系統(tǒng)的時間響應(yīng)組成1、高階系統(tǒng)的時間響應(yīng)組成高階系統(tǒng)的時間響

12、應(yīng)由一階環(huán)節(jié)、二階環(huán)節(jié)的時間響應(yīng)組成2、分析高階系統(tǒng)的時間響應(yīng)組成（1）（2）3、主導(dǎo)極點4.6 系統(tǒng)誤差分析及計算一、閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定是控制系統(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(zhǔn)”穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度的一種度量，反映了控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，是控制系統(tǒng)的一項重要的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。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)的結(jié)構(gòu)特征、系統(tǒng)的增益有關(guān)結(jié)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(jié)論：本章小結(jié)講解習(xí)題第5章 根軌跡法5.1

13、 根軌跡發(fā)概述根軌跡的基本概念根軌跡與系統(tǒng)性能閉環(huán)零點、極點與開環(huán)零點、極點之間的關(guān)系5.2 根軌跡繪制的基本法則第六次課第6章 系統(tǒng)的頻率特性分析第6章 系統(tǒng)的頻率特性分析基本內(nèi)容詳細(xì)講解了典型環(huán)節(jié)和復(fù)雜系統(tǒng)的頻率特性的極坐標(biāo)圖（Nyquist圖）和對數(shù)坐標(biāo)圖（Bode圖）重點難點重點掌握典型環(huán)節(jié)Nyquist、Bode曲線的繪制，難點復(fù)雜系統(tǒng)Nyquist曲線、Bode曲線的繪制。自我測驗1 什么是頻率特性?2 什么是機械系統(tǒng)的動剛度和靜剛度?作業(yè)6.9 6.12 6.156.1 頻率特性概述一、頻率響應(yīng)與頻率特性頻率響應(yīng)：指系統(tǒng)對正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。即系統(tǒng)在正弦輸入下，輸出量的穩(wěn)態(tài)量

14、與輸入正弦信號的復(fù)數(shù)比。在這種情況下，系統(tǒng)的輸入信號是正弦信號，系統(tǒng)的內(nèi)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，這些信號頻率相同，而幅值和相角卻不同。二、頻率特性與傳遞函數(shù)6.2 頻率特性的圖示方法一、頻率特性的極坐標(biāo)圖Nyquist 圖1、典型環(huán)節(jié)的Nyquist 圖（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)2、繪制Nyquist 圖的一般步驟方法3、繪制Nyquist 圖方法的總結(jié)系統(tǒng)的頻率特性為：4、舉例說明復(fù)雜系統(tǒng)的Nyquist 圖的繪制第七次課頻率特性的對數(shù)坐標(biāo)圖Bode 圖二、頻率特性的對

15、數(shù)坐標(biāo)圖Bode 圖1、典型環(huán)節(jié)的Bode 圖（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)2、繪制Bode圖一般步驟方法3、繪制Bode圖方法的總結(jié)系統(tǒng)的頻率特性為：4、舉例說明復(fù)雜系統(tǒng)的Bode圖的繪制6.3頻率特性的特征量簡介頻率特性的的特征量的定義6.4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)定義本章小結(jié)講解習(xí)題第八次課第7章 系統(tǒng)的穩(wěn)定性第7章 系統(tǒng)的穩(wěn)定性基本內(nèi)容系統(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)和Bode穩(wěn)定性判據(jù)

16、的基本原理和使用方法，系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性,相位儲備和幅值儲備。重點難點重點掌握Routh穩(wěn)定判劇、Nyquist穩(wěn)定判劇和系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，難點是復(fù)雜系統(tǒng)穩(wěn)定性的判定。自我測驗1系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義是什么?2一個系統(tǒng)穩(wěn)定的充分和必要條件是什么?作業(yè)7.1 7.2 7.9 7.117.1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(jié)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：7.2 Routh穩(wěn)定判據(jù)簡介Routh穩(wěn)定判據(jù)7.3 Nyquist穩(wěn)定判據(jù)一、簡介Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的證明二、Nyquist穩(wěn)定判據(jù)1、當(dāng)p0時，即開環(huán)穩(wěn)定，當(dāng)由到時，若GH平面上的開環(huán)頻率特性G(jw)

17、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(dāng)p0時，即開環(huán)不穩(wěn)定，當(dāng)由到時，若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(jù)判斷復(fù)雜系統(tǒng)的穩(wěn)定性5.4 Bode穩(wěn)定判據(jù)一、Nyquist圖與Bode圖的對應(yīng)關(guān)系1、Nyquist圖與Bode圖的對應(yīng)關(guān)系2、講解幾個定義正穿越的定義負(fù)穿越的定義半正穿越的定義二、Bode穩(wěn)定判據(jù)特別：當(dāng)p=0時三、舉例說明應(yīng)用Bode穩(wěn)定判據(jù)判斷復(fù)雜系統(tǒng)的穩(wěn)定性7.5 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

18、裕度1、相位裕度 ： 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(jié)五、簡介習(xí)題第九次課第8章 系統(tǒng)的性能校正第8章 系統(tǒng)的性能校正基本內(nèi)容系統(tǒng)時域性能指標(biāo)、頻域性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)的定義，掌握系統(tǒng)性能校正方法。系統(tǒng)校正的目的與實質(zhì)，控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正：超前校正，滯后校正，滯后-超前校正，PID校正，反饋校正，順饋校正等的基本特性。重點難點重點掌握系統(tǒng)的相位超前校正、相位置后校正和相位超前置后校正，難點是復(fù)雜系統(tǒng)性能校正。自我測驗1在系統(tǒng)校正中,常用的性能指標(biāo)有哪些?作業(yè)8.1 8.2 8.3補充題8.1系統(tǒng)的性能指標(biāo)8.2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（1）串聯(lián)校正1）比例校正2）相位滯后校正3）相位超前校正4）相位滯后超前校正（2）順饋校正（3）反饋校正8.3 PID性能校正一、PID控制器的一般形式二、比例P控制器1、時域模型2、S域模型3、頻率特性三、比例微分PD控制器1、時域模型2、S域模型3、