第三章 机械工程控制基础

机械工程控制基础教案

第一章：绪论

1.1 课程介绍

了解机械工程控制基础课程的背景和意义

理解控制系统的定义和基本组成

1.2 控制系统的基本概念

掌握系统的数学模型和分类

理解物理可实现系统的条件和稳定性

第二章：线性系统理论

2.1 线性系统的描述

学习系统的微分方程和差分方程表示

掌握系统的传递函数和状态空间表示

2.2 线性系统的性质

学习系统的可控性和可观测性

理解系统的稳定性和收敛性

第三章：反馈控制系统

3.1 反馈控制原理

学习反馈控制系统的组成和作用

掌握反馈控制系统的类型和特点

3.2 反馈控制系统的分析与设计

学习系统的稳定性分析和判据

掌握PID控制器和的状态反馈设计方法 第四章：非线性控制系统

4.1 非线性系统的描述

学习非线性系统的数学模型和分类

掌握非线性系统的相平面分析方法

4.2 非线性控制系统的分析与设计

学习非线性控制系统的稳定性分析和设计方法

掌握非线性PID控制器和滑模控制设计方法

第五章：机械工程应用实例

5.1 机械臂的控制系统设计

学习机械臂的数学模型和控制需求

掌握机械臂的控制系统设计和实现

5.2 路径跟踪控制系统设计

学习路径跟踪的数学模型和控制目标

掌握的路径跟踪控制系统设计和仿真

第六章：控制系统的稳定性分析

6.1 稳定性的基本概念

理解系统稳定性的定义和重要性

学习李雅普诺夫稳定性理论和劳斯-赫尔维茨准则

6.2 线性系统的稳定性分析

掌握线性时不变系统的稳定性分析方法

应用劳斯-赫尔维茨准则判断系统稳定性

第七章：控制系统的控制器设计 7.1 控制器设计的基本概念

理解控制器的作用和设计目标

学习控制器设计的基本方法和步骤

7.2 比例积分微分控制器设计

掌握PID控制器的设计原理和方法

应用Ziegler-Nichols方法进行PID参数的整定

第八章：控制系统的仿真与实验

8.1 控制系统仿真的基本概念

理解控制系统仿真的意义和作用

题目：时间响应由 和 两部分组成。

分析与提示：时间响应由瞬态响应和稳态响应两部分组成。

答案：瞬态响应、稳态响应

题目：系统的输出量从初始状态到稳定状态的响应过程，称为 。

分析与提示：瞬态响应，指系统在某一输入信号作用下，系统的输出量从初始状态到稳定状态的响应过程。

答案：瞬态响应

题目：系统的时间响应可从两方面分类，按振动性质可分为 与 。

分析与提示：系统的时间响应可从两方面分类，按振动性质可分为自由响应与强迫响应。

答案：自由响应、强迫响应

题目：系统的时间响应可从两方面分类，按振动来源可分为 与 。

分析与提示：系统的时间响应可从两方面分类，按振动性质可分为自由响应与强迫响应；按振动来源可分为零输入响应(即由“无输入时系统的初态”引起的自由响应)与零状态响应(即仅由输入引起的响应)。

答案：零输入响应、零状态响应

题目：系统微分方程的特解就是系统由输入引起的输出(响应)，工程上称为 。

分析与提示：初始条件及输入信号产生的时间响应就是微分方程的全解。包含通解和特解两个部分。通解完全由初始条件引起的，它是一个瞬态过程，工程上称为自然响应 (如机械振动中的自由振动)。特解只由输入决定，特解就是系统由输入引起的输出(响应)，工程上称为强迫响应 (如机械振动中的强迫振动)。

答案：强迫响应

题目：系统的瞬态响应不仅取决于系统本身的特性，还与外加 的形式有关。

分析与提示：系统的瞬态响应不仅取决于系统本身的特性，还与外加输入信号的形式有关。

答案：输入信号

题目：单位阶跃信号000tttu 1)(的拉氏变换为【 】

A、s1 B、21s C、1 D、s

第三章

1.判断题(本大题共99小题，总计99分)

1.(1分)与横截面垂直的应力称为正应力。（ ）

2.(1分)长度和截面积相同，材料不同的两直杆受相同的轴向外力作用，则正应力也必然相同。（ ）

3.(1分)杆件受轴向拉（压）时，平行于杆件轴线的纵向截面上的正应力为零。（ ）

4.(1分)若两个轴向拉压杆的材料不同，但截面积相同，受相同的轴向力，则这两个拉压杆横截面上的应力也不相同。（ ）

5.(1分)使用截面法求得的杆件轴力，与杆件截面积的大小无关。（ ）

6.(1分)杆件的不同部位作用着若干个轴向外力，如果从杆件的不同部位截开时所求得的轴力都相同。（ ）

7.(1分)轴向拉（压）时，杆件的内力的合力必与杆件的轴线重合。（ ）

8.(1分)轴力是因外力而产生的，故轴力就是外力。（ ）

9.(1分)“截面法”表明，只要将受力构件切断，即可观察到断面上的内力。（ ）

10.(1分)弹性模量Ｅ表示材料在拉压时抵抗弹性变形的能力。（ ）

11.(1分)钢的抗拉性能优于混凝土。（ ）

12.(1分)在进行强度计算时，可以将屈服极限 作用塑性材料的许用力应力。（ ）

13.(1分)1kN/mm2=1Mpa。（ ）

14.(1分)工程中通常只允许各种构件受载后产生弹性变形。（ ）

15.(1分)许用力是杆件安全工作应力的最大值。（ ）

16.(1分)所有塑性材料的拉伸试验都有屈服现象。（ ）

17.(1分)直径和长度相同而材料不同的两根轴，在相同扭矩作用下它们的最大剪应力不相同。（ ）

18.(1分)材料力学中的杆件是变形体，而不是刚体。（ ）

19.(1分)构件所受的外力与内力均可用截面法求得。（ ）

20.(1分)应力表示了杆件所受内力的强弱程度。（ ）

21.(1分)构件的工作应力可以和其极限应力相等。（ ）

第三章习题答案

3-1 时间响应由哪两个部分组成？各部分的定义是什么？

答：根据工作状态的不同，把系统的时间响应分为瞬态响应和稳态响应。系统稳定时，它的自由响应称为瞬态响应，即系统在某一输入信号的作用下其输出量从初始状态到稳定状态的响应过程。而稳态响应一般就是指强迫响应，即当某一信号输入时，系统在时间趋于无穷大时的输出状态。

3-2 设温度计能在1分钟内指示出实际温度值的98%，并且假设温度计为一阶系统，求时间常数。如果将温度计放在澡盆内，澡盆的温度依10℃/min的速度线性变化，求温度计示值的误差是多大？

解1：依题意可得已知条件为1t分，98.0)(tC而一阶系统的传递函数为

11)()(TstRtC

即 )(11)(sRTssC

在上述第一问中，要求温度计在1分钟内指示出响应值的98%，这相当于对温度计输入一个单位阶跃。

亦即 )(1)(ttr

则 ssR1)(

11111)(TsTssTssC

即 ]11[)]([)(11TsTsLtCLtc

TteTsLsL1]11[]1[11

将1t分及98.0)(tC代入上式可得

Te1198.0

即 02.098.011Te

将上式两端取自然对数化简后得

秒分36.15256.09.3102.0lg3.21T 解2：在第二问中已知澡盆温度以分/10线性变化，说明输入函数tAttr10)(，为斜坡函数，此时温度计的误差为

)()()()(tcAttctrte