《机械工程控制基础》概论教案.docx
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《机械工程控制基础》概论教案
《机械工程控制基础》概论教案
学时分配
总学时:
32学时授课学时:
28学时实验:
4学时。
基础课程
先修课:
大学物理、理论力学、工程数学、电工学、高等数学、机械原理。
课程性质
《机械工程控制基础》是高等工业院校机械类专业普遍开设的一门重要的技术基础课,在整个教学计划中,以主干课程的角色,起着承上启下的作用,具有十分重要的地位。
本课程是一门专业基础理论课程,详述了研究对象的建模方法、系统响应分析方法,系统介绍了单输入单输出线性定常系统的时域性能分析、频域性能分析、系统的稳定性分析方法,介绍系统性能校正方法,为《机电一体化系统设计》、《机电传动控制》、《计算机控制技术》等机械电子工程专业的后续课程打下基础。
课程的主要任务
通过本课程的学习,使学生掌握经典控制理论的基本概念和基础知识,掌握机械工程中的研究对象的建模方法;掌握一阶、二阶系统的时域性能分析和频域性能分析方法;能熟练地根据Nyquist图、Bode图判断系统的稳定性;掌握系统性能校正方法;使学生能分析系统的性能,能改进或设计简单的控制系统。
第一次课
第1章绪论
第1章绪论
基本内容
介绍控制论的研究对象与任务,控制系统的分类及控制论的发展史。
使学生能以控制、系统的观点而不是静止、局部的观点去看待一个机械工程系统,培养学生从整体的而不是分散的角度,从整个系统中信息传递,转换和反馈等角度来分析系统的“动态行为”。
重点难点
自我
测验
1控制工程论的研究对象和任务?
2什么是反馈?
3对控制系统的基本要求使什么?
作业
1.1机械控制基础的研究对象、课程的基本任务、控制系统的基本要求
一、机械控制基础的研究对象:
系统、输入、输出
1、自动控制系统基本组成
控制器
能够对控对象起控制作用的设备总称。
控制对象
被控制的机器设备或生产过程。
系统的输入
作用于系统的激发信号,其中包括参考输入(激励信号)和扰动输入。
要求:
1.保持系统的输出只参考输入指定的数值
2.保持系统的输出尽量不受扰动的影响。
系统输出
指控制系统所要控制的物理量,表征对象或过程的状态的特性。
2、典型闭环控制系统的框图的构成
二、课程的基本任务
研究系统、输入、输出之间的动态关系
三、控制系统的基本要求:
稳、快、准
1.2控制理论的研究内容、发展、应用、学习方法。
一、控制理论的研究内容
控制理论研究五方面的内容
系统分析问题
当系统已定、输入(或激励)已知时,求出系统的输出(或响应),并通过输出来研究系统本身的有关问题。
最优控制问题
当系统已定时,确定输入,且所确定的输入应使得输出尽可能符合给定的最佳要求。
最优设计问题
当输入已知时,确定系统,且所确定的系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求。
滤波与预测问题
当输出已知时,确定系统,以识别输入或输人中的有关信息。
系统识别或系统辨识问题
当输入与输出均已知时,求出系统的结构与参数,即建立系统的数学模型。
二、机电一体化含义
机电一体化:
在机械领域中引入微电子技术、通过计算机硬件、软件加以控制。
机电一体化技术基础:
机械学
动力学、运动学、力学
控制技术
经典控制、现代控制
电子学
接口技术、软件技术、操作系统
功率电子学
大功率晶体管器件
机电一体化发展历程:
1、机械硬件
2、机械+电子硬件
3、机械+电子硬件+软件如:
CN、CIMS、无人化工厂
三、经典控制与现代控制
研究对象
单输入单输出定常系统
多输入多输出时变系统
(主要线性)
数学工具
Laplace,传递函数
矩阵、向量空间
研究方法
频域
时域
基本内容
频率法、根轨迹法、时域法、代数几何(图解)、稳定判据、特征环节设计
线性控制理论、系统辨识、
最优滤波、最优控制
主要问题
稳定性
最优性
控制器
RC(无源滤波网络)
数字机
着眼点
系统输出/输入
系统状态
分析&综合
1)给定输入,分析输出
2)指定指标下,研究系统参数
1)揭示控制(输入)和初始条件对系统的作用影响
2)在一定条件下,最佳状态(最优控制)
四、时间安排
共32学时(28学时课堂讲授+4学时实验)
五、参考书
1、王积伟.控制工程基础.北京:
机械工业出版社.2002.
2、董景新.控制工程基础.北京:
清华大学出版社.2002.
3、杨叔子,杨克冲.机械工程控制基础.武汉:
华中科技大学出版社,2005(第五版)。
第二次课
第2章机械工程控制论的数学基础
第2章机械工程控制论的数学基础
基本内容
详细讲解了传递函数的定义、数学物理意义及求取方法;输入输出信号与传递函数的关系,闭环控制及其传递函数,方块图的构成及简化,各种典型的机、电系统的传递函数。
重点难点
重点掌握典型环节的传递函数的建立,难点是物理系统传递函数推导。
自
我
测
验
1什么是线性系统?
2线性系统最重要的特性是什么?
作业
2.1复数和复变函数
一、复数和复变函数
1复数
2、复变函数
3、复数的运算规则
4、复变函数的零点和极点
二、拉氏变换
1、拉氏变换的定义
对于函数x(t),如果满足下列条件:
(1)当t<0时,x(t)=0;
(2)当t>0时,x(t)在每个有限区间上分段连续;
(2)存在,其中s=σ+jω为复变量
2、拉氏反变换
三、典型函数的拉氏变换
重要的拉氏变换举例
四、拉氏变换的性质
1、线性性质
2、微分性质
3、积分性质
4、延时定理
5、终值定理
6、初值定理
五、傅立叶变换:
无线电技术中,以f(t)表示讯号函数,而F(w)称为f(t)的频谱函数。
傅氏变换氏拉氏变换的特例,将拉氏变换中的s换成傅氏变换氏中jw。
第3章系统的数学模型
3.1系统的时域数学模型
1系统微分方程
2非线性系统微分方程线性化处理
3.2系统的复域数学模型*
一、传递函数的定义概念
二、传递函数的零点、极点、增益的概念
第三次课
三、举例说明建立机、电、液系统的传递函数
四、典型环节的传递函数
1、比例环节
2、微分环节
3、积分环节
4、一阶惯性环节
5、一阶微分环节
6、二阶振荡环节
7、二阶微分环节
8.延时环节
五、典型环节传递函数的几点说明
3.3系统传递函数框图及简化
一、系统传递函数框图的建立
二、举例说明建立机电液系统的传递函数框图
1、传递函数简化原则
2、传递函数等效简化
(1)串联环节的等效简化
(2)并联环节的等效简化
(3)反馈环节的等效简化
说明:
(4)分支点的移动规则
(5)相加点的移动规则
(6)相邻分支点的移动规则
(75)相邻相加点的移动规则
3、一般系统传递函数框图的简化方法
3.4闭环系统传递函数框图及其简化、相似性原理、系统状态空间模型
一、闭环系统传递函数简化实例
二、相似性原理
机械系统:
力、质量、粘性阻尼系数、弹簧刚度、位移、速度
电网络系统:
电压、电感、电阻、电容倒数、电量、电流
三、简介系统状态空间模型
四、本章小结
五、习题课
第四次课
第4章系统的时域分析
第4章系统的时域分析
基本内容
详细讲解了系统时间响应分析方法,主要是一阶、二阶系统单位阶跃响应、单位脉冲响应。
重点难点
重点掌握一阶、二阶系统单位阶跃响应、单位脉冲响应,难点是δ函数在时间响应的应用。
自
我
测
验
1什么是时间响应?
2时间响应由哪两部分组成?
各部分的定义是什么?
3时间响应的瞬态响应反映哪方面的性能?
而稳态响应反映哪方面的性能?
作业
4.14.24.34.94.15
4.1时间响应及其组成
一、时域分析法:
在时间域内研究控制系统性能的方法,它是通过拉氏变换直接求解系统的微分方程,得到系统的时间响应,然后根据响应表达式和响应曲线分析系统的动态性能和稳态性能。
1、举例说明图4-1弹簧质量系统的时间响应及其组成
2、一般系统的时间响应及其组成
3、几点讨论
(1)
(2)
(3)
4、系统特征根影响系统自由响应的收敛性和振荡特性
5、典型输入信号
4.2一阶系统的响应
一、一阶系统的单位脉冲响应
二、一阶系统的单位阶跃响应
三、一阶系统的单位速度响应
4.3二阶系统的响应
一、二阶系统的特征根
二、二阶系统的单位脉冲响应
三、二阶系统的单位阶跃响应
第五次课
4.4二阶系统的性能指标
一、二阶系统的性能指标
二阶欠阻尼系统:
时间响应:
定义性能指标:
二、举例说明二阶系统性能指标的计算
4.5高阶系统的时间响应
一、高阶系统的时间响应组成
1、高阶系统的时间响应组成
高阶系统的时间响应由一阶环节、二阶环节的时间响应组成
2、分析高阶系统的时间响应组成
(1)
(2)
3、主导极点
4.6系统误差分析及计算
一、闭环系统稳定是控制系统的前提
暂态性能:
平稳、振荡幅度小——“稳”
过渡过程的时间短——“快”
稳态性能:
系统的稳态误差小——“准”
稳态误差是衡量控制系统控制准确度的一种度量,反映了控制系统的稳态性能,是控制系统的一项重要的稳态性能指标。
二、稳态误差、稳态偏差
闭环系统:
三、系统稳态偏差的计算
系统的稳态偏差与系统的输入信号、系统的结构特征、系统的增益有关
结论:
系统的型越高,系统的稳态偏差越小
系统的增益越大,系统的稳态偏差越小
四、系统稳态偏差的计算实例
结论:
本章小结
讲解习题
第5章根轨迹法
5.1根轨迹发概述
根轨迹的基本概念
根轨迹与系统性能
闭环零点、极点与开环零点、极点之间的关系
5.2根轨迹绘制的基本法则
第六次课
第6章系统的频率特性分析
第6章系统的频率特性分析
基本内容
详细讲解了典型环节和复杂系统的频率特性的极坐标图(Nyquist图)和对数坐标图(Bode图)
重点难点
重点掌握典型环节Nyquist、Bode曲线的绘制,难点复杂系统Nyquist曲线、Bode曲线的绘制。
自
我
测
验
1什么是频率特性?
2什么是机械系统的动刚度和静刚度?
作业
6.96.126.15
6.1频率特性概述
一、频率响应与频率特性
频率响应:
指系统对正弦输入信号的稳态响应。
即系统在正弦输入下,输出量的稳态量与输入正弦信号的复数比。
在这种情况下,系统的输入信号是正弦信号,系统的内部信号以及系统的输出信号也都是稳态的正弦信号,这些信号频率相同,而幅值和相角却不同。
二、频率特性与传递函数
6.2频率特性的图示方法
一、频率特性的极坐标图――Nyquist图
1、典型环节的Nyquist图
(1)比例环节
(2)微分环节
(3)积分环节
(4)一阶惯性环节
(5)一阶微分环节
(6)二阶振荡环节
(7)二阶微分环节
(8)延时环节
2、绘制Nyquist图的一般步骤方法
3、绘制Nyquist图方法的总结
系统的频率特性为:
4、举例说明复杂系统的Nyquist图的绘制
第
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- 机械工程控制基础 机械工程 控制 基础 概论 教案