控制工程基础 第五章 控制系统的校正
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《控制工程基础》课程教学大纲课程名称:控制工程基础英文名称:Control Engineering Fundamental课程编码:51510502学时/学分:42/6课程性质:必修课适用专业:机械类各专业先修课程:高等数学,理论力学,电工与电子技术,复变函数与积分变换(可选)一、课程的目的与任务《机械工程控制基础》是机械设计制造及其自动化专业的机械电子工程及相近专业方向的一门技术基础课。
本课程是在高等数学和工程数学(复变函数与积分变换)的知识基础上,结合力学、电学等相关知识,介绍机械工程类专业的重要理论基础之一——工程控制论。
这门学科既是一门广义的系统动力学,又是一种合乎唯物辩证法的思想论和方法论,对启迪与发展人们的思维与智力有很大的作用。
本课程的基本任务是将自动控制理论应用于机械工程实际,基本要求是在阐明机械工程控制论的基本概念、基本知识与基本方法的基础上,使学生学会建立和变换系统的数学模型,掌握控制系统的时间响应分析和频率特性分析方法,并在此基础上具备讨论控制系统的稳定性,以及系统分析和校正、系统辨识等问题的能力。
使学生以辩证方法冲破形而上学的思想方法,推动这一领域的生产与学科向前发展。
在学习本课程之前,学生应当从先修课程中获得动力学分析、电路分析的能力,了解微分方程求解知识和复变函数的概念,初步掌握积分变换及其逆变换的基本方法。
学习本课程之后,学生还应当注意结合其它机械工程学的知识,将控制理论应用到工程实践中去。
二、教学内容及基本要求绪论教学目的和要求:本章首先阐述了机械工程控制基础这门课程的重要意义,然后介绍控制工程的基本思想、基本概念、控制系统的分类和基本要求,使学生了解机械工程控制论的研究对象与任务和系统、模型等知识,深刻理解反馈和反馈控制,接下来对控制理论的发展进行简单介绍。
教学重点和难点:1.系统的概述、工作原理和一般构成2.系统的基本控制方式和分类3.系统的基本要求和控制工程实践教学方法与手段:以课堂讲授为主,注意举例和采用启发式教学,配合适当的课堂练习和课外作业。
《控制工程基础》课程教学大纲课程名称:控制工程基础,Fundamentals of Control Engineering课程性质:专业基础课学分:2.5总学时:48 其中,理论学时:40 实验学时:8适用专业:机械设计制造及其自动化专业。
先修课程:工程数学,工程力学,电工电子等。
一、教学目的与要求本课程是机械设计制造及其自动化专业的一门专业基础课。
在机械类各专业的教学计划中,是一门理论性较强的技术基础课。
它是进行控制系统动态特性分析的基础,目前自动控制技术已广泛应用于工农业生产、交通运输、国防和宇航等各个领域。
本课程的主要任务是通过各个教学环节,运用各种教学手段和方法,使学生掌握系统动态特性数学模型的建立和研究方法,并学会应用这些研究方法对已知系统的稳定性、快速性和准确性问题进行分析,以及进行控制系统的设计,并为学习后续课程、从事工程技术工作、进行科学研究、开拓新的领域,打下坚实的基础。
本课程主要以线性控制系统为研究对象,进行系统的分析与设计。
学完本课程应达到以下基本要求:1.理解自动控制的基本含义,自动控制的基本要求,自动控制系统与过程中的信息传递、反馈及反馈控制。
2.理解数学模型、线性系统和非线性系统、相似性原理的概念;掌握线性元件和系统的数学模型的建立方法、线性系统的叠加原理和非线性运动方程线性化的方法。
3.掌握一阶、二阶及高阶系统的时间响应分析和性能指标计算;理解控制系统的误差与稳态误差的概念,系统稳态误差的计算;掌握控制系统稳定性的概念、稳定的充要条件及时域稳定判据。
4.掌握判断控制系统稳定性的奈魁斯特稳定判据、对数稳定判据和相对稳定裕量的概念及计算。
5.理解控制系统校正的概念和校正方法。
6.掌握控制系统的串联校正方法和校正装置的设计;掌握控制系统的并联校正的作用及校正方法。
二、教学内容与学时分配三、各章节主要知识点与教学要求1.控制系统的基本概念(1)控制系统的工作原理及其组成;(2)控制系统的基本类型;(3)对控制系统的基本要求;(4)控制工程的发展概况。
控制工程基础董景新第四版简介《控制工程基础董景新第四版》是董景新教授所著的一本控制工程入门教材,通过全面介绍控制工程的基本概念、基本理论和基本方法,帮助读者建立起对控制工程的基础知识和基本技能的理解和掌握。
内容第一章:引言本章主要介绍控制工程的基本概念和发展历程,为后续章节的学习奠定基础。
首先对控制系统和控制工程的定义进行了阐述,并介绍了控制工程的主要任务和发展方向。
其次,对控制系统的分类进行了介绍,包括开环控制系统和闭环控制系统。
最后,介绍了控制系统的相关术语和符号,为后续章节的学习做好铺垫。
第二章:数学基础本章主要介绍控制工程所需要的数学基础知识。
首先介绍了常见的数学函数和符号,包括常用数学函数、求和符号、积分符号等。
其次,介绍了常用的数学运算法则,包括加法、乘法、指数运算等。
最后,介绍了常见的数学方程和常用的数学方法,包括线性方程组、矩阵运算、微积分等。
第三章:信号与系统本章主要介绍信号与系统的基本概念和分析方法。
首先介绍了信号的定义和分类,包括连续信号和离散信号、周期信号和非周期信号。
其次,介绍了信号的表示与分解方法,包括傅里叶级数和傅里叶变换。
最后,介绍了系统的定义和分类,包括线性系统和非线性系统、因果系统和非因果系统。
同时,介绍了系统的时域分析方法和频域分析方法。
第四章:传递函数与系统响应本章主要介绍传递函数和系统的响应特性。
首先介绍了传递函数的定义和性质,包括零极点分布和传递函数的单一性。
其次,介绍了系统的稳定性和系统的稳定判据,包括极点位置的判断和Nyquist判据。
最后,介绍了系统的时域响应和频域响应,包括单位冲击响应、单位阶跃响应、频率响应等。
第五章:控制系统的稳定性分析本章主要介绍控制系统的稳定性分析方法。
首先介绍了控制系统的稳定性的概念和判据,包括极点位置的判断和Nyquist稳定性判据。
其次,介绍了控制系统的根轨迹法和频率响应法,用于稳定性分析和设计。
最后,介绍了控制系统的相角裕度和增益裕度的概念和计算方法。
《控制工程基础》电子教案第一章:绪论1.1 课程介绍了解控制工程的概念、内容和研究方法理解控制工程在工程实践中的应用和重要性1.2 控制系统的基本概念定义系统、输入、输出和反馈区分开环系统和闭环系统1.3 控制工程的目标掌握稳定性、线性、非线性和时变性等控制系统的特性学习控制系统的设计方法和步骤第二章:数学基础2.1 线性代数基础掌握向量、矩阵和行列式的基本运算学习线性方程组和特征值、特征向量的求解方法2.2 微积分基础复习极限、连续性和微分、积分的基本概念和方法应用微积分解决实际问题2.3 复数基础了解复数的概念、代数表示法和几何表示法学习复数的运算规则和复数函数的性质第三章:控制系统分析3.1 传递函数定义传递函数的概念和性质学习传递函数的绘制和解析方法3.2 频率响应分析理解频率响应的概念和特点应用频率响应分析方法评估系统的性能3.3 根轨迹分析掌握根轨迹的概念和绘制方法分析根轨迹对系统稳定性的影响第四章:控制系统设计4.1 控制器设计方法学习PID控制器的设计原理和方法了解模糊控制器和神经网络控制器的设计方法4.2 控制器参数调整掌握控制器参数调整的目标和方法应用Ziegler-Nichols方法和频域方法进行参数调整4.3 系统校正和优化理解系统校正的概念和目的学习常用校正方法和优化技术第五章:现代控制理论5.1 状态空间描述了解状态空间的概念和表示方法学习状态空间方程的求解和状态反馈控制5.2 状态估计和最优控制掌握状态估计的概念和方法学习最优控制的目标和求解方法5.3 鲁棒控制和自适应控制理解鲁棒控制的概念和特点了解自适应控制的设计方法和应用场景第六章:线性系统的稳定性分析6.1 稳定性的定义和性质理解系统稳定性的概念和重要性学习稳定性分析的基本方法6.2 劳斯-赫尔维茨准则掌握劳斯-赫尔维茨准则的原理和应用应用劳斯-赫尔维茨准则判断系统的稳定性6.3 李雅普诺夫方法了解李雅普诺夫方法的原理和分类学习李雅普诺夫第一和第二方法判断系统的稳定性第七章:线性系统的控制器设计7.1 控制器设计概述理解控制器设计的目标和重要性学习控制器设计的基本方法7.2 PID控制器设计掌握PID控制器的设计原理和方法应用PID控制器进行系统控制7.3 状态反馈控制器设计了解状态反馈控制器的设计原理和方法学习状态反馈控制器的设计和应用第八章:非线性控制系统分析8.1 非线性系统概述理解非线性系统的概念和特点学习非线性系统分析的基本方法8.2 非线性系统的描述方法学习非线性系统的数学模型和描述方法应用非线性系统分析方法研究系统的性质8.3 非线性控制系统的应用了解非线性控制系统在工程实践中的应用学习非线性控制系统的设计和优化方法第九章:鲁棒控制理论9.1 鲁棒控制概述理解鲁棒控制的概念和重要性学习鲁棒控制的基本方法9.2 鲁棒控制设计方法掌握鲁棒控制设计的原则和方法应用鲁棒控制设计方法设计控制器9.3 鲁棒控制在控制系统中的应用了解鲁棒控制在实际控制系统中的应用学习鲁棒控制在控制系统中的设计和优化方法第十章:控制系统仿真与实验10.1 控制系统仿真概述理解控制系统仿真的概念和重要性学习控制系统仿真的基本方法10.2 MATLAB控制系统仿真掌握MATLAB控制系统仿真工具的使用应用MATLAB进行控制系统仿真和分析10.3 控制系统实验了解控制系统实验的目的和重要性学习控制系统实验的方法和技巧重点和难点解析重点环节1:控制系统的基本概念和特性控制系统的基本概念,包括系统、输入、输出和反馈区分开环系统和闭环系统掌握稳定性、线性、非线性和时变性等控制系统的特性重点环节2:传递函数和频率响应分析传递函数的概念和性质,传递函数的绘制和解析方法频率响应的概念和特点,频率响应分析方法分析根轨迹对系统稳定性的影响重点环节3:控制器设计方法和参数调整控制器设计方法,包括PID控制器、模糊控制器和神经网络控制器的设计原理和方法控制器参数调整的目标和方法,应用Ziegler-Nichols方法和频域方法进行参数调整重点环节4:状态空间描述和最优控制状态空间的概念和表示方法,状态空间方程的求解和状态反馈控制状态估计和最优控制的目标和求解方法重点环节5:非线性控制系统分析和鲁棒控制理论非线性系统的概念和特点,非线性系统分析的基本方法鲁棒控制的概念和重要性,鲁棒控制的基本方法重点环节6:控制系统仿真与实验控制系统仿真的概念和重要性,控制系统仿真的基本方法MATLAB控制系统仿真工具的使用,应用MATLAB进行控制系统仿真和分析控制系统实验的目的和重要性,控制系统实验的方法和技巧全文总结和概括:本教案涵盖了控制工程基础的十个章节,主要包括控制系统的基本概念和特性、传递函数和频率响应分析、控制器设计方法和参数调整、状态空间描述和最优控制、非线性控制系统分析和鲁棒控制理论以及控制系统仿真与实验。
²第5章 控制系统的稳定性分析控制系统能在实际中应用中的首要条件是系统必须稳定,分析系统的稳定性是控制理论的重要组成部分。
控制理论对于判断一个线性定常系统是否稳定提供了多种方法。
本章首先介绍系统稳定性的基本概念,然后,介绍几种系统稳定的判定方法,主要有代数稳定判据和顿域稳定判据。
并用频域指标来说明系统的相对稳定性。
§5-1系统稳定性的基本概念1)稳定的概念Ig1:力学模型 图5-1Ig2:力学模型 图5-22)自动控制的稳定性与上述力学系统相似,一般的自动控制系统中也存在平衡位量。
平衡位置的稳定性取决于信号为零时,系统在非零初始条件作用下是否能自行返回到原平衡位置。
如系统受到脉冲扰动后,被控量c (t )发生偏差△c (t ),这种偏差随时间逐渐减少.系统又逐渐恢复到原来的平衡状态,即则系统是稳定的,如图5-3a 所示;若这种偏差随时同不断扩大,即使扰动消失,系统也不能回到平衡状态,则系统就是不稳定的,如图5-3b 所示。
3)控制系统稳定的定义:若一个处于平衡状态的系统,在扰动的作用下,会偏离原来的平衡状态,而当扰动消失后,系统又能够逐渐地恢复到第15讲封原来平衡状态,称该系统是稳定的;否则,称该系统不具有稳定性。
稳定性是系统去掉外力作用后,自身的一种恢复能力,所以是系统的一种固有特性,它只取决于系统的结构和参数而与初始条件和外作用无关。
系统稳定性的概念分绝对稳定性和相对稳定性。
系统的绝对稳定性是指系统稳定或不稳定那个的条件。
系统的相对稳定性是指稳定系统的稳定程度,可以用超调量或稳定裕量表示。
§5-2系统的稳定条件线性闭环系统是否稳定,是系统本身的一种特性,与系统输入量无关。
因此,假设线性系统在初始条件为零时,输入一个理想单位脉冲δ(t).若系统输出的脉冲响应c(t)在t→∞时为零,即,则线性系统是稳定的。
这相当于系统在扰动信号的作用下,输出信号偏离平衡状态后,又能够逐渐地恢复到原来的平衡状态。