《控制工程基礎》word版

1、第一章 概論一、課程內容本章主要介紹了控制理論發(fā)展過程及在工程上的應用；自動控制系統(tǒng)的基本概念；控制理論在機械制造工業(yè)中的應用；課程的整體安排。二、學習目的與要求通過本章的學習使學生走進控制工程領域，了解控制理論在工程中的應用發(fā)展現(xiàn)狀，了解自動控制理論在機械制造工業(yè)中的一些具體應用，了解本課程學習的知識結構和安排，掌握控制系統(tǒng)的基本概念。三、考核知識點與考核要求（一）領會控制理論的發(fā)展過程，及在發(fā)展各階段的主要特點。（二）熟練掌握自動控制系統(tǒng)的基本概念：1自動控制系統(tǒng)的工作原理；2.開環(huán)控制；3.閉環(huán)控制；4.反饋控制系統(tǒng)基本組成及組成的元件；5.自動控制系統(tǒng)的基本類型；6.對控制系統(tǒng)的基本要

2、求。（三）領會控制理論在機械制造工業(yè)中的應用：1.離心調速器；2.機器人關節(jié)司服系統(tǒng)；3.三坐標數(shù)控機床；4.六自由度工業(yè)機器人；5.感應導線式自動導引車；6.柔性制造系統(tǒng)。（四）掌握本課程的基本要求。第二章 控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型一、課程內容本章主要介紹：（一）基本環(huán)節(jié)數(shù)學模型1質量彈簧阻尼系統(tǒng)應用牛頓第二定律建立質量彈簧阻尼系統(tǒng)的運動微分方程。2電路網絡應用基爾霍夫定律和區(qū)姆定律建立電路網絡系統(tǒng)的微分方程。3電動機應用力學、電學方面定律建立電樞控制式直流電動機的數(shù)學模型。（二）數(shù)學模型的線性化1各類非線性現(xiàn)象。2系統(tǒng)線性化處理的方法。（三）拉氏變換及反變換1拉氏變換定義2簡單函數(shù)的拉氏變換

3、（1）單位階躍函數(shù)；（2）指數(shù)函數(shù)；（3）正弦函數(shù)和余弦函數(shù)。（4）冪函數(shù)。3拉氏變換的性質（1）疊加原理；（2）微分定理；（3）積分定理；（4）衰減定理；（5）延時定理；（6）初值定理；（7）終值定理；（8）時間比例尺改變的象函數(shù)；（9）tx(t)的象函數(shù)；（10）x(t)/t的拉氏變換；(11)周期函數(shù)的象函數(shù)；(12)卷積分的象函數(shù)。4拉氏反變換（1）只含不同單極點的情況；（2）含共軛復數(shù)極點的情況；（3）含多重極點的情況。5用拉氏變換解常系數(shù)線性微分方程（四） 傳遞函數(shù)以及典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)1比例環(huán)節(jié)2一階慣性環(huán)節(jié)3微分環(huán)節(jié)（1）理想微分環(huán)節(jié)；（2）近似微分環(huán)節(jié)。4積分環(huán)節(jié)5二階振蕩環(huán)

4、節(jié)（五）系統(tǒng)函數(shù)方塊圖及其簡化1方塊圖單元；2比較點；3引出點；4串聯(lián)；5并聯(lián)；6反饋；7方塊圖變換法則；8方塊圖簡化。（六）系統(tǒng)信號流圖及梅遜公式1信號流圖的表示方法。2梅遜公式。（七）受控機械對象數(shù)學模型1高諧振頻率；2高剛度；3適當阻尼；4低轉動慣量。（八）繪制實際物理系統(tǒng)的函數(shù)方塊圖1各種典型機械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。2各種電網絡及電氣系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。*（九）控制系統(tǒng)數(shù)學模型的MATLAB實現(xiàn)*（十）狀態(tài)空間方程基本概念二、學習目的與要求通過本章學習明確為了分析、研究機械電子工程系統(tǒng)的動態(tài)特性，或對它們進行控制，最重要的一步首先是建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，明確數(shù)學模型的含義，掌握采用解析方法建立一

5、些簡單機、電系統(tǒng)的數(shù)學模型。 明確拉普拉斯（簡稱拉氏）變換是分析研究線性動態(tài)系統(tǒng)的有力工具，通過拉氏變換將時域的微分方程變換為復數(shù)域的代數(shù)方程，掌握拉氏變換的定義，用定義求常用函數(shù)的拉氏變換，會查拉氏變換表，掌握拉氏變換的重要性質及其應用，掌握用部分分式法求拉氏變換的方法以及了解用拉氏變換求解線性微分方程的方法。掌握傳遞函數(shù)定義、特點及推導方法，方塊圖及其簡化法則。了解信號流程圖及梅遜公式的應用，以及數(shù)學模型、傳遞函數(shù)、方塊圖和信號流程圖之間的關系。三、考核知識點與考核要求（一）數(shù)學模型的概念：1熟練掌握數(shù)學模型的含義；2熟練掌握線性系統(tǒng)含義及其最重要的特征可以運用疊加原理；3熟練掌握線性定常

6、系統(tǒng)和線性時變系統(tǒng)的點義；4領會非線性系統(tǒng)的定義及其線性化方法。（二）系統(tǒng)微分方程的建立：1、掌握對于機械系統(tǒng)運用牛頓第二定律建立運動微分方程式；2、掌握對于電氣系統(tǒng)運用基爾霍夫定律建立微分方程式。（三）熟練掌握拉氏變換與拉氏反變換定義：（四）熟練掌握典型時間函數(shù)的拉氏變換：1、單位階躍函數(shù)的拉氏變換；2、指數(shù)函數(shù)的拉氏變換；3、正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的拉氏變換；4、冪函數(shù)的拉氏變換。（五）掌握拉氏變換的性質1、熟練掌握疊加原理；2、熟練掌握微分定理；3、熟練掌握積分定理；4、衰減定理；5、延進定理；6、熟練掌握初值定理；7、熟練掌握終值定理；8、時間比例尺改變的象函數(shù)；9、tx(t)的象函數(shù)；1

7、0、x(t)/t的拉氏變換；11、周期函數(shù)的象函數(shù)；12、卷積分的象函數(shù)。（六）掌握拉氏反變換1、拉氏反變換2、拉氏反變換的部分分式法：無重極點和有重極點的情況。（七）熟練掌握用拉氏變換解常微分方程：（八）熟練掌握傳遞函數(shù)：1、傳遞函數(shù)的定義；2、傳遞函數(shù)的主要特點。（九）熟練掌握方塊圖及系統(tǒng)的構成：1方塊圖表示方法及其構成；2系統(tǒng)的構成：（1）串聯(lián)環(huán)節(jié)的構成及計算；（2）并聯(lián)環(huán)節(jié)的構成及計算;(3) 反饋環(huán)節(jié)的構成及計算；（4）誤差傳遞函數(shù)、前向通道傳遞函數(shù)、閉環(huán)傳遞函數(shù)、反饋通道傳遞函數(shù)和開環(huán)傳遞函數(shù)的定義及計算。3方塊圖的簡化；4畫系統(tǒng)方塊圖及求傳遞函數(shù)步驟。（十）掌握信號流圖與梅遜公式

8、；1信號流圖表示方法及其成；2信號流統(tǒng)與方塊圖之間的關系；3梅隸公式的應用。（十一）掌握受控機械對象的數(shù)學模型：高諧振頻率；高剛度；適當阻尼；低轉動慣量。（十二）掌握實際物理系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方塊圖：各種機械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；各種電網絡及電氣系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。第三章 時域瞬態(tài)響應分析一、課程內容（一）時域響應以及典型輸入信號1時域響應的含義：（1）瞬態(tài)響應的含義；（2）穩(wěn)態(tài)響應當含義。2典型輸入信號的概念：（1）選擇典型輸入信號的好處；（2）常見的典型輸入信號。階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、加速度函數(shù)、脈沖函數(shù)、正弦函數(shù)（二）一階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應1一階系統(tǒng)的單位階躍響應。2一階系統(tǒng)的單位斜坡響應。3一階系統(tǒng)的單位

9、脈沖響應。（三）二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應1二階系統(tǒng)的單位階躍響應：（1）欠阻尼情況；（2）臨界阻尼情況；（3）過阻尼情況；（4）零阻尼情況；（5）負阻尼情況。2二階系統(tǒng)的單位脈沖響應：（1）欠阻尼情況；（2）臨界阻尼情況；（3）過阻尼情況。3二階系統(tǒng)的單位斜坡響應：（1）欠阻尼情況；（2）臨界阻尼情況；（3）過阻尼情況。（四）時域分析性能指標瞬態(tài)響應性能指標包括：上升時間；峰值時間；最大超調量；調整時間。（五）高階系統(tǒng)的瞬間響應1主導極點的概念；2偶極子的概念。*（六）借助MATLAB進行系統(tǒng)時間響應分析（七）機電系統(tǒng)時域瞬態(tài)響應的實驗方法二、學習目的與要求通過本章學習，明確一個系統(tǒng)在建立了系統(tǒng)的數(shù)

10、學模型（包括微分方程和傳遞函數(shù)）之后，就可以采用不同的方法來分析和研究系統(tǒng)的動態(tài)性能，時域分析是重要的方法之一。明確系統(tǒng)在外加作用激勵下，根據所描述系統(tǒng)的數(shù)學模型，求出系統(tǒng)的輸出量隨時間變化的規(guī)律，并由此確定系統(tǒng)的性能，明確系統(tǒng)的時間響應及其組成，脈沖響應函數(shù)的概念，掌握一階、二階系統(tǒng)的典型時間響應和高階系統(tǒng)的時間響應以及主導極點的概念。三、考核知識點與考核要求（一）熟練掌握時間響應：1時間響應的概念；2瞬態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)響應的定義。（二）熟練掌握脈沖響應函數(shù)：1脈沖響應函數(shù)的定義；2脈沖響應函數(shù)與傳遞函數(shù)的關系；3如何利用脈沖響應函數(shù)求系統(tǒng)在任意輸入下的響應。（三）熟練掌握一階系統(tǒng)的時間響應：1

11、一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及其增益和時間常數(shù)的計算；2一階系統(tǒng)的單位脈沖響應函數(shù)的計算；3一階系統(tǒng)的單位階躍響應函數(shù)的計算；4一階系統(tǒng)的單位斜坡響應函數(shù)的計算。（四）二階系統(tǒng)的時間響應：1熟練掌握二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及其無阻尼自然頻率、有阻尼自然頻率和阻尼比的計算；2熟練掌握二階系統(tǒng)特征方程；3熟練掌握二階系統(tǒng)特征方程根的分布；4熟練掌握欠阻尼下的單位階躍響應計算；5掌握臨界阻尼下的單位階躍響應；6掌握過阻尼下的單位階躍響應；7掌握阻尼比、無阻尼自然頻率與響應曲線的關系；8掌握不同阻尼比下的單位脈沖響應。（五）領會高階系統(tǒng)的時間響應1主導極點的概念及其與時間響應的關系；2偶極子的概念。（六）瞬態(tài)響應的性

12、能指標1熟練掌握瞬態(tài)響應的性能指標定義；2熟練掌握二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應指標的計算；3掌握二階系統(tǒng)的阻尼比、無阻尼自然頻率與各性能指標間的關系。第四章 控制系統(tǒng)的頻率特性一、課程內容（一）機電系統(tǒng)頻率特性的概念及其基本實驗方法。1頻率特性概述。2頻率特性的實驗求取。（二）極坐標圖1曲型環(huán)節(jié)的乃氏圖：（1）比例環(huán)節(jié)；（2）積分環(huán)節(jié)；（3）微分環(huán)節(jié)；（4）一階慣性環(huán)節(jié)；（5）二階振蕩環(huán)節(jié)；（6）延遲環(huán)節(jié)。2乃氏圖的一般作圖方法。（三）對數(shù)坐標圖1典型環(huán)節(jié)的伯德圖：（1）放大環(huán)節(jié)；（2）積分環(huán)節(jié)；（3）一階慣性環(huán)節(jié)；（4）一階微分環(huán)節(jié)；（5）二階振蕩環(huán)節(jié)；（6）延遲環(huán)節(jié)。2一般系統(tǒng)伯德圖的作圖方法。3最

13、小相位系統(tǒng)：（1）最小相位系統(tǒng)定義；（2）非最小相位系統(tǒng)概念。（四）由頻率特性曲線求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（五）由單位脈沖響應求系統(tǒng)頻率特性*（六）對數(shù)幅相圖（七）控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻響1由開環(huán)頻率特性估計閉環(huán)頻率特性。2系統(tǒng)頻域指標：（1）開環(huán)頻域指標；（2）閉環(huán)頻域指標。（八）機械系統(tǒng)動剛度概念*（九）借助MATLAB進行控制系統(tǒng)的頻率響應分析二、學習目的與要求通過本章學習，明確頻率特性的基本概念，頻率特性與傳遞函數(shù)的關系，系統(tǒng)動剛度的概念，掌握頻率特性的兩種表示方法以及頻率特性與時間響應的關系，各基本環(huán)節(jié)及系統(tǒng)的極坐標圖和伯德圖的畫法，閉環(huán)頻率特性及相應的性能指標，為頻域分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及綜合校正

14、打下基礎。三、考核知識點與考核要求（一）熟練掌握頻率特性：1頻率特性的定義；2頻率特性與傳遞函數(shù)的關系；3系統(tǒng)動剛度概念；4傳遞函數(shù)、頻率特性和時間的關系；5頻率特性的對數(shù)坐標圖和極坐標圖的表示方法。（二）熟練掌握頻率特性的對數(shù)坐標圖：1對數(shù)坐標圖的組成及特點；2各種典型環(huán)節(jié)的伯德圖近似畫法及相應的誤差計算；3繪制伯德圖的一般步驟和方法。（三）熟練掌握頻率特性的極坐標圖：1極坐標圖的表示方法及特點；2各種典型環(huán)節(jié)的極坐標圖的畫法及特點；3系統(tǒng)極坐標圖的一般畫法及特殊點計算方法；4系統(tǒng)的型次、階次及零、極點位置對極坐標圖的影響。（四）熟練掌握閉環(huán)頻率特性與頻域性能指標：1系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性概念及其

15、計算方法；2頻域性能指標及計算方法。（五）熟練掌握最小相位系統(tǒng)的概念：1最小相位系統(tǒng)的定義；2非最小相位系統(tǒng)中，當零、極點分布在s的右半平面時，與系統(tǒng)頻率特性的關系。第五章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析一、課程內容（一）系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念（二）系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件（三）代數(shù)穩(wěn)定性判據1 勞斯穩(wěn)定性判據（四）乃奎斯特穩(wěn)定性判據1米哈伊洛夫定理2乃奎斯特穩(wěn)定性判據3乃奎斯特穩(wěn)定性判據的另一表述*4應用逆Nyguist圖的Nyguist穩(wěn)定判據（五）應用乃奎斯特判據分析延時系統(tǒng)的穩(wěn)定性1 延時環(huán)節(jié)并聯(lián)在閉環(huán)系統(tǒng)前向通道中時的系統(tǒng)穩(wěn)定性。*2延時環(huán)節(jié)并聯(lián)在閉環(huán)系統(tǒng)前向通道中時的系統(tǒng)穩(wěn)定性。（六）由伯德圖判斷系

16、統(tǒng)的穩(wěn)定性（七）控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性1相位裕量v。2幅值裕量kg。*（八）借助MATLAB分析系統(tǒng)穩(wěn)定性*（九）李雅普諾夫穩(wěn)定性方法二、學習目的與要求通過本章學習明確穩(wěn)定性的概念，掌握判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本準則，掌握勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據和乃奎斯特穩(wěn)定判據以及相對穩(wěn)定性的概念。三、考核知識點與考核要求（一）熟練掌握穩(wěn)定性：1、穩(wěn)定性概念；2、判別穩(wěn)定性的基本準則，即系統(tǒng)穩(wěn)定性的必要和充分條件；3、判別穩(wěn)定性的基本方法，直接計算特征根和判別特征根在S平面上的位置。（二）熟練掌握勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定性判據：1、勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定性判據的原理及系統(tǒng)穩(wěn)定必要條件；2、勞斯穩(wěn)定性判據充分條件以及判別方法和步

17、驟；3、勞斯隊列中幾種特殊情況的處理方法；4、赫爾維茨穩(wěn)定性判據充分條件以及方法和步驟。（三）熟練掌握乃奎斯特穩(wěn)定性判據：1基本原理：通過系統(tǒng)開環(huán)乃奎斯特圖以及開環(huán)極點的位置來判別閉環(huán)特征方程的根在S平面上的位置，從而判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。閉環(huán)特征方程；米哈伊洛夫定理；乃奎斯特判據；用乃奎斯特法判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性；對O型系統(tǒng)判穩(wěn)定方法及特殊點計算方法；對I型系統(tǒng)判穩(wěn)定方法及特殊點的計算方法；對II型系統(tǒng)判穩(wěn)定方法及特殊點的計算方法；對具有延時環(huán)節(jié)系統(tǒng)判別穩(wěn)定方法及計算。2掌握應用實例：明確系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。（四）系統(tǒng)相對穩(wěn)定性：1熟練掌握系統(tǒng)相對穩(wěn)定性：（1）相位欲量和幅值裕量在極坐標圖和

18、伯德圖上的表示方法；（2）相位裕量和幅值裕量來衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性時應注意的幾個問題。2掌握條件穩(wěn)定系統(tǒng)的基本概念。第六章 控制系統(tǒng)的誤差分析和計算一、課程內容（一）穩(wěn)態(tài)誤差的基本概念1誤差和偏差；2誤差和穩(wěn)態(tài)誤差。（二）輸入引起的穩(wěn)態(tài)誤差1誤差傳遞函數(shù)與穩(wěn)態(tài)誤差。2靜態(tài)誤差系數(shù)：（1）系統(tǒng)類別與系統(tǒng)階次；（2）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；（3）靜態(tài)位置誤差系數(shù)和位置誤差；（4）靜態(tài)速度誤差系數(shù)和速度誤差；（5）靜態(tài)加速度誤差系數(shù)和加速誤差。（三）干擾引起的穩(wěn)態(tài)誤差（四）減少系統(tǒng)誤差的途徑1、按干擾補償；2、按輸入補償。*（五）動態(tài)誤差系數(shù)二、學習目的與要求通過本章學習明確系統(tǒng)的誤差的概念；穩(wěn)態(tài)誤差的計算方法，以

19、及系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)型次的關系，靜態(tài)誤差系數(shù)與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的關系。三、考核知識點與考核要求（一）熟練掌握誤差、偏差的概念：1誤差、偏差的概念；2穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)偏差的計算。（二）熟練掌握輸入引起的穩(wěn)態(tài)誤差：1誤差傳遞函數(shù)與穩(wěn)態(tài)誤差的概念；2系統(tǒng)類別的定義；3系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)類別、開環(huán)增益及輸入信號之間的關系；4靜態(tài)位置誤差系統(tǒng)和位置誤差定義以及與系統(tǒng)類別的關系；5靜態(tài)速度誤差系數(shù)與速度誤差定義以及與系統(tǒng)類別的關系；6靜態(tài)加速度誤差系數(shù)和加速度誤差定義以及與系統(tǒng)類別的關系；7不同類別系統(tǒng)在不同輸入信號下的穩(wěn)態(tài)誤差。（三）掌握振動作用下系統(tǒng)干擾穩(wěn)態(tài)誤差的計算。（四）領會減小系統(tǒng)誤差的途徑：1、按干

20、擾補償?shù)母拍詈桶锤蓴_全補償?shù)臈l件；2、按輸入補償?shù)母拍詈驮谳斎胄盘栕饔孟抡`差全補償條件。第七章 控制系統(tǒng)的綜合與校正一、課程內容（一）系統(tǒng)的性能指標 。 1時域性能指標；2開環(huán)頻域指標；3閉環(huán)頻域指標；4綜合性能指標（誤差準則）。（二）系統(tǒng)的校正概念1校正的含義；2校正的方法。（三）串聯(lián)校正1超前校正；2滯后校正；3滯后-超前校正；4PID調節(jié)器：（1）比例控制器（P調節(jié)）；（2）積分控制器（I調節(jié)）；（3）微分控制器（D調節(jié)）；（4）比例-積分-微分控制器（PID調節(jié)）。（四）反饋校正1利用反饋校正改變局部結構和參數(shù)；2速度反饋和加速度反饋。（五）用頻率法對控制系統(tǒng)進行綜合與校正1典型系統(tǒng)的希望對數(shù)頻率特性。（1）二階最優(yōu)模型；（2）高階最優(yōu)模型。2希望對數(shù)頻率特性與系統(tǒng)性能指標的關系。3用希望對數(shù)頻率特性進行校正裝置的設計。（六）典型機電反饋控制系統(tǒng)校正舉例1直流電動機調速系統(tǒng)：（1）直流伺服電動機-測速機機組；（2）PWM功率放大器；（3）霍爾電流傳感器；（4）電流環(huán)（跨導功率放大器）的分析與設計。2電壓-位置隨動系統(tǒng)。*（七）確定PID參數(shù)的其他方法*（八）MATLAB在系統(tǒng)綜合校正中的應用二、學習目的與要求通過本章學習，明確在預先規(guī)定了系統(tǒng)性能指標情況下，如何選擇適