機(jī)械工程控制基礎(chǔ)教案

《機(jī)械工程掌握根底》教案學(xué)時(shí)安排總學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)授課學(xué)時(shí)：28試驗(yàn)：4根底課程先修課：工程力學(xué)、工程數(shù)學(xué)、電工學(xué)、高等數(shù)學(xué)課程性質(zhì)術(shù)根底課，在整個(gè)教學(xué)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(zhēng)論對(duì)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(shí)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(xiàn)代掌握理論》等機(jī)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(wù)機(jī)械工程中的爭(zhēng)論對(duì)象的建模方法；把握一階、二階系統(tǒng)的時(shí)域性能分析和頻域性能分析方法；能嫻熟地依據(jù)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(xué)生能分析系統(tǒng)的性能,能改進(jìn)或設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔的掌握系統(tǒng)。第一章緒論第一章緒論基本內(nèi)容重點(diǎn)難點(diǎn)自我測(cè)驗(yàn)作業(yè)介紹掌握論的爭(zhēng)論對(duì)象與任務(wù)，掌握系統(tǒng)的分類及掌握論的進(jìn)展史。使學(xué)生能以掌握、系統(tǒng)的觀點(diǎn)而不是靜止、局部的觀點(diǎn)去對(duì)待一個(gè)機(jī)械工程系統(tǒng)，培育學(xué)生從整體的而不是分散的角度,從整個(gè)系統(tǒng)中信息傳遞,轉(zhuǎn)換和反響等角度來(lái)分析系掌握工程論的爭(zhēng)論對(duì)象和任務(wù)?什么是反響?對(duì)掌握系統(tǒng)的根本要求使什么?機(jī)械掌握根底的爭(zhēng)論對(duì)象、課程的根本任務(wù)、掌握系統(tǒng)的根本要求1掌握器掌握器掌握對(duì)象能夠?qū)貙?duì)象起掌握作用的設(shè)備總稱。被掌握的機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。系統(tǒng)的輸入作用于系統(tǒng)的激發(fā)信號(hào)，其中包括參考輸入〔鼓勵(lì)信號(hào)〕和要求：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(dòng)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(duì)象或過(guò)程的狀態(tài)的特性。2、典型閉環(huán)掌握系統(tǒng)的框圖的構(gòu)成輸入信號(hào)給定值 偏差掌握器-

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

輸出量測(cè)量變送器給定環(huán)節(jié)：測(cè)量環(huán)節(jié)：測(cè)量系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值，并把輸出量的量綱轉(zhuǎn)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(hào)，并給出兩者之間的偏差。放大環(huán)節(jié)：對(duì)微弱的偏差信號(hào)進(jìn)展放大和變換，使之具有足夠的幅值和功率，以適應(yīng)執(zhí)行元件動(dòng)作的要求。執(zhí)行環(huán)節(jié)：依據(jù)放大后的偏差信號(hào)產(chǎn)生掌握、動(dòng)作，操作系統(tǒng)的輸出量，使之依據(jù)輸入量的變化規(guī)律而變化。二、課程的根本任務(wù)爭(zhēng)論系統(tǒng)、輸入、輸出之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系三、掌握系統(tǒng)的根本要求：穩(wěn)、快、準(zhǔn)掌握理論爭(zhēng)論五方面的內(nèi)容系統(tǒng)分析問(wèn)題最優(yōu)掌握問(wèn)題掌握理論爭(zhēng)論五方面的內(nèi)容系統(tǒng)分析問(wèn)題最優(yōu)掌握問(wèn)題出〔或響應(yīng)〕,并通過(guò)輸出來(lái)爭(zhēng)論系統(tǒng)本身的有關(guān)問(wèn)題。當(dāng)系統(tǒng)已定時(shí),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正確要求。最優(yōu)設(shè)計(jì)問(wèn)題當(dāng)輸入時(shí),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正確要求。濾波與推測(cè)問(wèn)題當(dāng)輸出時(shí),確定系統(tǒng),以識(shí)別輸入或輸人中的有關(guān)信息。系統(tǒng)識(shí)別或系統(tǒng)辨識(shí)當(dāng)輸入與輸出均時(shí),求出系統(tǒng)的構(gòu)造與參數(shù),問(wèn)題 即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。二、機(jī)電一體化含義機(jī)電一體化：在機(jī)械領(lǐng)域中引入微電子技術(shù)、通過(guò)計(jì)算機(jī)硬件、軟件加以掌握。機(jī)電一體化技術(shù)根底：機(jī)械學(xué)機(jī)械學(xué)掌握技術(shù)經(jīng)典掌握、現(xiàn)代掌握電子學(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(jī)電一體化進(jìn)展歷程：1、機(jī)械硬件2、機(jī)械+電子硬件3、機(jī)械+電子硬件+軟件 如：CN、CIMS、無(wú)人化工廠三、經(jīng)典掌握與現(xiàn)代掌握爭(zhēng)論對(duì)象爭(zhēng)論對(duì)象單輸入單輸出定常系統(tǒng)數(shù)學(xué)工具爭(zhēng)論方法根本內(nèi)容Laplace,傳遞函數(shù)頻域多輸入多輸出時(shí)變系統(tǒng)〔主要線性〕時(shí)域頻率法、根軌跡法、時(shí)域法、線性掌握理論、系統(tǒng)辨識(shí)、代數(shù)幾何〔圖解特征環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)主要問(wèn)題 穩(wěn)定性 最優(yōu)性掌握器 RC(無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)〕 數(shù)字機(jī)著眼點(diǎn) 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(biāo)下，爭(zhēng)論系統(tǒng)參數(shù)條件對(duì)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(shí)間安排32學(xué)時(shí)〔28+4五、參考書

機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)計(jì) 趙松年掌握工程根底 王積偉 高教出版社計(jì)算機(jī)掌握技術(shù)余人杰 西安交通大學(xué)出版社掌握工程根底 董景 其次次課其次章傳遞函數(shù)其次章傳遞函數(shù)基本內(nèi)容重點(diǎn)難點(diǎn)自我測(cè)驗(yàn)作業(yè)具體講解了傳遞函數(shù)的定義、數(shù)學(xué)物理意義及求取方法；輸入輸出信號(hào)與傳遞函數(shù)的關(guān)系，閉環(huán)掌握及其傳遞函數(shù)，方塊圖的構(gòu)成及簡(jiǎn)化，各種典型的機(jī)、電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。重點(diǎn)把握典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)的建立，難點(diǎn)是物理系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導(dǎo)。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(shù)學(xué)模型及拉氏變換一、數(shù)學(xué)模型12、系統(tǒng)建模方法3、舉例說(shuō)明建立機(jī)、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(shè)滿足以下條件：〔1〕當(dāng)t<0x(t)=0；〔2〕當(dāng)t>0時(shí)，x(t)在每個(gè)有限區(qū)間上分段連續(xù)；(2s=σ+jω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)3、積分性質(zhì)4、延時(shí)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(wú)線電技術(shù)中，以f〔t〕表示訊號(hào)函數(shù)，而F(w)稱為f〔t〕的頻譜函數(shù)。傅sjw。傳遞函數(shù)的定義及典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)一、傳遞函數(shù)的定義概念二、傳遞函數(shù)的零點(diǎn)、極點(diǎn)、增益的概念四、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(shí)環(huán)節(jié)五、典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的幾點(diǎn)說(shuō)明第三次課系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖及簡(jiǎn)化一、系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖的建立二、舉例說(shuō)明建立機(jī)電液系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖1、傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化原則2串聯(lián)環(huán)節(jié)的等效簡(jiǎn)化并聯(lián)環(huán)節(jié)的等效簡(jiǎn)化反響環(huán)節(jié)的等效簡(jiǎn)化說(shuō)明：分支點(diǎn)的移動(dòng)規(guī)章相加點(diǎn)的移動(dòng)規(guī)章相鄰分支點(diǎn)的移動(dòng)規(guī)章〔75〕相鄰相加點(diǎn)的移動(dòng)規(guī)章3、一般系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖的簡(jiǎn)化方法閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖及其簡(jiǎn)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(shù)簡(jiǎn)化實(shí)例二、相像性原理機(jī)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(jiǎn)介系統(tǒng)狀態(tài)空間模型四、本章小結(jié)五、習(xí)題課第四次課第三章 時(shí)間響應(yīng)分析第三章第三章時(shí)間響應(yīng)分析基本內(nèi)容重點(diǎn)難點(diǎn)自我測(cè)驗(yàn)作業(yè)具體講解了系統(tǒng)時(shí)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(diǎn)把握一階、二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)、單位脈沖響應(yīng)，難點(diǎn)是δ函數(shù)在時(shí)間響應(yīng)的應(yīng)用。什么是時(shí)間響應(yīng)?時(shí)間響應(yīng)由哪兩局部組成?各局部的定義是什么?時(shí)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?3.13.23.33.93.153.1時(shí)間響應(yīng)及其組成一、時(shí)域分析法：在時(shí)間域內(nèi)爭(zhēng)論掌握系統(tǒng)性能的方法，它是通過(guò)拉氏變換直接求解系統(tǒng)的微分方程，得到系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)，然后依據(jù)響應(yīng)表達(dá)式和響應(yīng)曲線分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。13-12、一般系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及其組成3、幾點(diǎn)爭(zhēng)論〔1〕〔2〕〔3〕45、典型輸入信號(hào)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)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)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(shí)間響應(yīng)：定義性能指標(biāo)：二、舉例說(shuō)明二階系統(tǒng)性能指標(biāo)的計(jì)算一、高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)組成1、高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)組成高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)由一階環(huán)節(jié)、二階環(huán)節(jié)的時(shí)間響應(yīng)組成2、分析高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)組成〔1〕〔2〕3、主導(dǎo)極點(diǎn)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(guò)渡過(guò)程的時(shí)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)誤差是衡量掌握系統(tǒng)掌握準(zhǔn)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(xiàng)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(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差與系統(tǒng)的輸入信號(hào)、系統(tǒng)的構(gòu)造特征、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(jì)算實(shí)例結(jié)論：?jiǎn)挝幻}沖響應(yīng)函數(shù)在時(shí)間響應(yīng)函數(shù)中的作用簡(jiǎn)介單位脈沖響應(yīng)函數(shù)在時(shí)間響應(yīng)函數(shù)中的作用講解習(xí)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(nèi)容具體講解了典型環(huán)節(jié)和簡(jiǎn)單系統(tǒng)的頻率特性的極坐標(biāo)圖〔Nyquist圖〕和對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖〔Bode圖〕重重點(diǎn)難點(diǎn)自我測(cè)驗(yàn)作業(yè)重點(diǎn)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(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)剛度和靜剛度?4.94.124.15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(duì)正弦輸入信號(hào)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)量與輸入正弦信號(hào)的復(fù)數(shù)比。在這種狀況下，系統(tǒng)的輸入信號(hào)是正弦信號(hào)，系統(tǒng)的內(nèi)部信號(hào)以及系統(tǒng)的輸出信號(hào)也都是穩(wěn)態(tài)的正弦信號(hào)，這些信號(hào)頻率一樣，而幅值和相角卻不同。二、頻率特性與傳遞函數(shù)一、頻率特性的極坐標(biāo)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(shí)環(huán)節(jié)2Nyquist圖的一般步驟方法3Nyquist圖方法的總結(jié)系統(tǒng)的頻率特性為：4Nyquist圖的繪制第六次課頻率特性的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖――Bode二、頻率特性的對(duì)數(shù)坐標(biāo)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(shí)環(huán)節(jié)2Bode3Bode圖方法的總結(jié)系統(tǒng)的頻率特性為：4Bode簡(jiǎn)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(jiǎn)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(nèi)容自我測(cè)驗(yàn)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)的根本原理和使用方法，系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性,相位儲(chǔ)藏和幅值儲(chǔ)藏。重點(diǎn)把握Routh穩(wěn)定判劇、Nyquist穩(wěn)定判劇和系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，難點(diǎn)是簡(jiǎn)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(gè)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(shuō)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：RouthRouthNyquist穩(wěn)定判據(jù)Nyquist二、Nyquist1、當(dāng)p＝0時(shí)，即開環(huán)穩(wěn)定，當(dāng)ω由－∞到＋∞時(shí)，假設(shè)[GH]平面上的開環(huán)頻率特性G(jw)H(jw)不逆時(shí)針?lè)较虬鼑?1,j0〕點(diǎn)，則閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，否則，閉環(huán)不穩(wěn)定。2、當(dāng)p≠0時(shí)，即開環(huán)不穩(wěn)定，當(dāng)ω由－∞到＋∞時(shí)，假設(shè)[GH]平面上的開環(huán)頻率特性G(jw)H(jw)逆時(shí)針?lè)较虬鼑?1,j0〕點(diǎn)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(shuō)明Nyquist穩(wěn)定判據(jù)推斷簡(jiǎn)單系統(tǒng)的穩(wěn)定性第八次課Bode穩(wěn)定判據(jù)一、NyquistBode1、NyquistBode2、講解幾個(gè)定義正穿越的定義負(fù)穿越的定義二、Bodep=0三、舉例說(shuō)明應(yīng)用Bode穩(wěn)定判據(jù)推斷簡(jiǎn)單系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性一、系統(tǒng)相對(duì)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(shuō)明相位裕度、幅值裕度的計(jì)算四、本章小結(jié)五、簡(jiǎn)介習(xí)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(nèi)容重點(diǎn)難點(diǎn)自我測(cè)驗(yàn)作業(yè)系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo)、頻域性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)的定義，把握系統(tǒng)性能校正方超前校正，PID重點(diǎn)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(diǎn)是簡(jiǎn)單系統(tǒng)性能校正。16.16.26.3系統(tǒng)的性能指標(biāo)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(lián)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(shí)域模型2、S3、頻率特性三、比例微分PD掌握器1、時(shí)域模型2、S3、頻率特性四、比例積分PI掌握器1、時(shí)域模型2、S3、頻率特性五、PID1、時(shí)域模型2、S3、頻率特性六、PID掌握器的應(yīng)用舉例七、本章小結(jié)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