《控制工程基础》电子教案

《机械工程控制基础》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。

《控制工程基础》电子教案

第一章：绪论

1.1 课程介绍

了解《控制工程基础》的课程目标和重要性

掌握课程的主要内容和预期学习成果

1.2 控制系统的基本概念

解释控制系统的定义和作用

了解控制系统的分类和基本组成

第二章：数学基础

2.1 线性代数基础

复习向量、矩阵和行列式的基本运算

掌握线性方程组的求解方法

2.2 微积分基础

复习函数、极限和导数的基本概念

学习微分和积分在控制系统中的应用

第三章：线性时不变系统

3.1 系统的描述

学习系统的状态空间表示和传递函数

理解系统输入、输出和状态之间的关系

3.2 系统的性质

掌握系统的稳定性、可观性和可控性

学习系统矩阵的特征值和特征向量 第四章：反馈控制系统

4.1 反馈控制原理

理解反馈控制系统的结构和原理

学习闭环系统的传递函数和稳定性分析

4.2 控制器设计

掌握PID控制器和比例积分微分控制器的设计方法

学习控制器参数调整和优化

第五章：非线性控制系统

5.1 非线性系统的描述

学习非线性系统的状态空间表示和传递函数

理解非线性系统输入、输出和状态之间的关系

5.2 非线性控制方法

掌握非线性控制系统的分析和设计方法

学习非线性控制器的设计和实现

第六章：根轨迹法

6.1 根轨迹的基本概念

理解根轨迹的定义和作用

学习根轨迹的绘制方法和规则

6.2 根轨迹的设计与应用

掌握根轨迹的设计原则和技巧

学习根轨迹在控制系统分析和设计中的应用

第七章：频率响应法 7.1 频率响应的基本概念

理解频率响应的定义和作用

学习频率响应的测量和分析方法

7.2 频率响应的设计与应用

掌握频率响应的设计原则和技巧

学习频率响应在控制系统分析和设计中的应用

第八章：数字控制系统

8.1 数字控制系统的概述

理解数字控制系统的定义和特点

学习数字控制系统的结构和原理

8.2 数字控制器的设计

掌握数字控制器的设计方法和算法

学习数字控制器参数调整和优化

《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。

控制工程基础

名词解释

1. 频率特性：当输入信号的幅值不变而频率变化时，输入幅值和相位围着输入信号的变化而变化。

2. 传递函数：传递函数时在拉氏变换的基础上，以系统本身的参数描述的线性定常系统输入量和输出量的关系式。

3. 伯德图：对数坐标图，是将幅值对频率的关系和相位对频率的关系分别画在两张图上，用半对数坐标纸绘制，频率坐标按对数分度，幅值和相角坐标则以线性分度。

4. 稳态误差：系统过渡完成后控制准确度的一种度量。

5. 乃氏图：频率响应𝐺(𝑗𝜔)是输入频率𝜔的复变函数，是一种变换，当𝜔从0逐渐增长到+∞时，𝐺(𝑗𝜔)作为一个矢量，其端点在复变平面相对应的轨迹就是频率响应的极坐标图。

6. 反馈和反馈信号：输出量通过测量装置返回系统输入端，使之与输入端进行比较，并产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号，输出量的返回过程称为反馈，返回的全部或部分信号称为反馈信号。

7. 瞬态响应：系统在输入信号的作用下，其输出从初始状态到稳定状态的相应过程。

8. n阶系统：由n阶微分方程描述的系统。

9. n型系统：开环频率特性𝐺(𝑗𝜔)=𝑘(𝑗𝜔𝜏1+1)(𝑗𝜔𝜏2+1)···(𝑗𝜔)𝜆(𝑗𝜔𝑇1+1)(𝑗𝜔𝑇2+1)···𝜆=𝑛时的系统

10. 闭环控制系统误差：控制系统希望输出量和实际输出量之差。

11. 最小相位系统：极点和零点全部位于s左半平面的系统。

12. 幅值裕量：当𝜔为相位交界频率𝜔−𝑆时，开环频率幅频特性|𝐺(𝑗𝜔)|的倒数。

13. 相位裕量：当𝜔等于剪切频率𝜔𝑐时，相频特性据−1800线的相位差𝛾。

概论

1. 开环系统和闭环系统的优缺点

开环系统：优点是结构简单，价格便宜，容易维修。缺点是精度低，容易受环境变化（如电源波动，温度波动）的干扰

闭环系统：优点是精度高，动态性能好，抗干扰能力强。缺点是结构比较复杂，价格比较贵，对维修人员要求较高。