機電控制工程基礎(chǔ)

1、機電控制工程基礎(chǔ)第1頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四課程的性質(zhì)和任務(wù) 課程的性質(zhì)中央廣播電視大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課程 課程的任務(wù)通過本課程的教學(xué)和實踐，使學(xué)生掌握自動控制的基本理論、自動控制系統(tǒng)校正及設(shè)計基本方法，全面培養(yǎng)學(xué)生分析系統(tǒng)、設(shè)計系統(tǒng)的能力，使學(xué)生在面對實際問題時，能夠站在系統(tǒng)的、全局的高度來思考。第2頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四課程的基本要求深刻理解自動控制系統(tǒng)的基本概念，區(qū)分開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)；能夠熟練建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型，掌握系統(tǒng)復(fù)雜動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡，了解機電系統(tǒng)的微分方程的建立；理解系統(tǒng)時域

2、分析的基本概念，熟練求解一階和二階系統(tǒng)的響應(yīng)，深刻理解系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念，掌握Routh穩(wěn)定性判據(jù)的基本思想，掌握系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的求解；深刻理解頻率法的基本概念，掌握典型環(huán)節(jié)頻率特性的繪制方法，重點掌握系統(tǒng)暫態(tài)特性和開環(huán)頻率特性的關(guān)系;掌握典型系統(tǒng)根軌跡的繪制原則；理解控制系統(tǒng)校正的基本概念，能夠利用計算機工具實現(xiàn)系統(tǒng)的串聯(lián)校正、并聯(lián)校正，基本掌握PID控制方法。第3頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四課程的體系結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的一般概念控制系統(tǒng)建模性能指標時域法頻域法分析根軌跡法綜合第4頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第一章 控制系統(tǒng)的一般概念教學(xué)內(nèi)

3、容開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的性能指標。教學(xué)要求熟練掌握：開環(huán)與閉環(huán)的概念、閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理。掌握：自動控制系統(tǒng)性能指標的概念。了解：相關(guān)的工程應(yīng)用實例。教學(xué)重點開環(huán)和閉環(huán)的概念；負反饋工作原理。第5頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第一章 控制系統(tǒng)的一般概念教學(xué)方法與設(shè)計結(jié)合實例，引出教學(xué)知識點（比如對開環(huán)、閉環(huán)等概念）；針對教學(xué)內(nèi)容中的重點和難點均輔以例題，達到加深概念的理解，掌握基本原理的目的。重點習(xí)題及其題型類型1：根據(jù)系統(tǒng)的工作原理圖能運用所學(xué)知識分析該系統(tǒng)的組成并繪制出相應(yīng)的系統(tǒng)框圖；類型2：負反饋工作原理的

4、運用。第6頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四思考題：圖為水溫控制系統(tǒng)示意圖。冷水在熱交換器中由通入的蒸汽加熱，從而得到一定溫度的熱水。冷水流量變化用流量計測量。試繪制系統(tǒng)方框圖，并說明系統(tǒng)的工作原理。水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖第7頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖第8頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型教學(xué)內(nèi)容自動控制系統(tǒng)的微分方程的建立；拉氏變換及反變換；系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型；系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其等效變換。教學(xué)要求熟練掌握：系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型（定義，建立方法等）；掌握：微分方程模型和傳遞函數(shù)模型間

5、的關(guān)系；動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變換。了解：自動控制系統(tǒng)的微分方程模型；拉氏變換。教學(xué)重點控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型及其求解方法。 教學(xué)方法（結(jié)合典型例題）第9頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型重點題型與習(xí)題類型1：對一些基本概念的理解與掌握數(shù)學(xué)模型；傳遞函數(shù)的定義；系統(tǒng)的零點與極點；系統(tǒng)的特征多項式和特征方程；在零初始條件下，微分方程模型如何轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)模型？第10頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四K增益 首1標準型： 尾1標準型： 第11頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四類型2：已知系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，會熟練求取

6、系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。Gc(s)G o(s)H(s)D(s)Y(s)R(s)-U(s)E(s)第12頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四G1G2G3G4C(s)G6-G5G7-R(s)-A如何應(yīng)用系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變換準則，求取系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)？第13頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第三章 控制系統(tǒng)的時域分析教學(xué)內(nèi)容單位階躍響應(yīng)與控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標；一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)；二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)；Routh穩(wěn)定判據(jù)；穩(wěn)態(tài)誤差的分析與計算。教學(xué)要求熟練掌握：一階、二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，Routh穩(wěn)定判據(jù)。掌握：穩(wěn)態(tài)誤差的求取。了解：高階系統(tǒng)的時域分析。第1

7、4頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四教學(xué)重點內(nèi)容系統(tǒng)穩(wěn)定性及動態(tài)、靜態(tài)的基本概念；一階及二階系統(tǒng)參數(shù)與動態(tài)性能指標間的關(guān)系與計算；如何運用勞斯穩(wěn)定判據(jù)判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。需掌握的知識點一階系統(tǒng)一階系統(tǒng)只有一個特征參數(shù)T。在一定輸入作用下，系統(tǒng)響應(yīng)由時間常數(shù)T唯一確定。系統(tǒng)的動態(tài)性能指標主要是調(diào)節(jié)時間。T越小，系統(tǒng)的快速性越好。第15頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四閉環(huán)傳遞函數(shù)為:二階系統(tǒng)（重點）典型二階系統(tǒng)在欠阻尼下的性能指標及其與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系第16頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 穩(wěn)定的定義 穩(wěn)定的充要條

8、件 系統(tǒng)的閉環(huán)極點均位于s平面的左半平面。 穩(wěn)定的判據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用第17頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四穩(wěn)態(tài)誤差給定穩(wěn)態(tài)誤差和擾動穩(wěn)態(tài)誤差；系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差取決于系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)及輸入信號；控制系統(tǒng)的型和穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)系。第18頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第三章 控制系統(tǒng)的時域分析典型題型與習(xí)題典型題型1：二階系統(tǒng)動態(tài)性能指標的計算問題C(s)R(s) _ 例1一位置隨動系統(tǒng)，K4。求該系統(tǒng)的阻尼比、自然振蕩角頻率和單位階躍響應(yīng)；系統(tǒng)的峰值時間、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量；若要求阻尼比等于0.707，應(yīng)怎樣改變系統(tǒng)放大系數(shù)K值。第19頁，共43頁，

9、2022年，5月20日，3點42分，星期四例2：給出二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)圖，如何來確定系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)0.25，計算得0.4 2，計算得 1.7 第20頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四典型題型2：利用穩(wěn)定判據(jù)，判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 例1：已知系統(tǒng)的特征方程，直接應(yīng)用勞斯穩(wěn)定判據(jù)來判別。 例2：已知系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，要求判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 例3：利用穩(wěn)定判據(jù)，分析系統(tǒng)參數(shù)的穩(wěn)定域。第21頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四典型題型3：勞斯穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用例：已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，判定其穩(wěn)定性。解法 運用Routh判據(jù)解使系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)范圍：第22頁，共4

10、3頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四典型題型4：綜合題第23頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第四章 根軌跡法教學(xué)內(nèi)容根軌跡的基本概念；根軌跡的繪制法則；借助計算機工具繪制自動控制系統(tǒng)的根軌跡；利用根軌跡來分析系統(tǒng)的性能。教學(xué)要求熟練掌握：根軌跡的基本概念與基本繪制法則；掌握： 利用根軌跡來分析系統(tǒng)性能；了解：運用計算機工具來繪制系統(tǒng)根軌跡。第24頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第四章 根軌跡法教學(xué)重點根軌跡的基本概念根軌跡繪制的準則（特別是根軌跡的起點、終點等，結(jié)合例子來說明）根軌跡方程由開環(huán)零、極點分布 Kg為可變參數(shù)時，閉環(huán)極點的

11、變化軌跡。第25頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第四章 根軌跡根軌跡是如何反映系統(tǒng)的性能的？（通過實例來說明，強調(diào)動態(tài)性能） 教學(xué)方法課堂講授中圍繞教學(xué)重點內(nèi)容（比如根軌跡概念、繪制法則、和形同性能間的關(guān)系等）結(jié)合典型例子來說明；布置課后習(xí)題和課堂討論；運用MATLAB軟件來繪制系統(tǒng)根軌跡，分析系統(tǒng)性能。第26頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四穩(wěn)定性 當(dāng)增益K由0 ，根軌跡不會越過虛軸進入s平面右半邊。在0K范圍內(nèi)，系統(tǒng)是穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)特性 開環(huán)傳遞函數(shù)在坐標原點有一個極點，所以屬I型系統(tǒng)由根軌跡圖來分析系統(tǒng)的各種性能：動態(tài)特性當(dāng)0K0.5時，系統(tǒng)是欠

12、阻尼的。第27頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第四章 根軌跡考核重點有關(guān)根軌跡的概念的理解；簡單低階系統(tǒng)（如二階）根軌跡的繪制。第28頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四例：1) 判別如下系統(tǒng)的實軸根軌跡 2) 并選擇分離點和會合點可能出現(xiàn)的位置1-0.5-1-2-3-40.2357-0.7832-1.5732-2.4824-3.4725j0第29頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第五章 頻域法教學(xué)內(nèi)容頻率特性的基本概念與頻率特性的幾種表示方法；典型環(huán)節(jié)的頻率特性；系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制；用頻率法分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；系統(tǒng)暫態(tài)特

13、性和開環(huán)頻率特性之間的關(guān)系。教學(xué)要求熟練掌握：頻率特性的基本概念，典型環(huán)節(jié)的頻率特性。掌握：借助計算機工具繪制系統(tǒng)開環(huán)頻率特性，用頻率法分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)暫態(tài)特性和開環(huán)頻率特性之間的關(guān)系。了解：相關(guān)工程應(yīng)用實例的頻域分析。第30頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第五章 頻域法 教學(xué)重點系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制（開環(huán)對數(shù)漸近幅頻特性的繪制）用頻率法分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)暫態(tài)特性和頻率特性之間的關(guān)系。需掌握的知識點頻率特性的基本概念線性定常系統(tǒng)，在正弦信號作用下，輸出的穩(wěn)態(tài)分量與輸入的復(fù)數(shù)比，稱為系統(tǒng)的頻率特性第31頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星

14、期四頻率特性的求?。ㄖ灰笳莆战馕龇ǎ┙馕龇椒?1）求取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)W(s) 2）令s = j 3）得到W(j) 4) 幅頻特性 相頻特性第32頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四 頻率特性的表示幅相頻率特性圖（Nyquist圖）對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性（伯德圖） 頻率特性的繪制典型環(huán)節(jié)的頻率特性系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制最小相位系統(tǒng)的開環(huán)幅頻特性與系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)間的對應(yīng)關(guān)系第33頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)如果開環(huán)是穩(wěn)定的，那么閉環(huán)穩(wěn)定的條件是：當(dāng)由- 時，Wk(j) 的軌跡不包圍（-1，j0）點。如果開環(huán)是不穩(wěn)定的，那么閉環(huán)

15、穩(wěn)定的條件是：當(dāng)由- 時，Wk(j) 的軌跡應(yīng)該逆時針繞（-1，j0）點N = P圈。穩(wěn)定裕量（幅值裕量與相位裕量）了解第34頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第五章 頻域法重點習(xí)題與題型題型1：典型環(huán)節(jié)的對數(shù)頻率特性的繪制題型2：最小相位系統(tǒng)的漸近對數(shù)幅頻特性和系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)間的關(guān)系題型3：應(yīng)用Nyquist 穩(wěn)定判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。03020540L()/dB0020-20-40-60/(rad/s)10012340.1第35頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第六章 控制系統(tǒng)綜合教學(xué)內(nèi)容控制系統(tǒng)校正的基本概念串聯(lián)校正，并聯(lián)校正，PID控制方法

16、。教學(xué)要求熟練掌握：控制系統(tǒng)校正的基本概念掌握：串聯(lián)校正，并聯(lián)校正了解：PID控制方法的工程應(yīng)用實例。教學(xué)重點基本概念；校正的思想；結(jié)合實例來說明校正的作用。第36頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四教學(xué)方法以課堂講授為主，本章的系統(tǒng)設(shè)計是不考慮機構(gòu)的問題，只是在數(shù)學(xué)模型的層面上進行設(shè)計，是前面所學(xué)各章節(jié)的靈活應(yīng)用，需要牢固的基礎(chǔ)知識，而且本章也是一種綜合性的復(fù)習(xí)。通過典型系統(tǒng)的設(shè)計，可以把前面所有的知識融會貫通，從而使學(xué)生能夠系統(tǒng)地掌握自動控制原理這門課程的核心內(nèi)容。通過布置大作業(yè)的形式，要求學(xué)生利用MATLAB軟件完成一個控制系統(tǒng)的分析與控制器的設(shè)計，并給出詳細的實現(xiàn)方

17、法和步驟，以小論文的形式提交。第37頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四第六章 控制系統(tǒng)綜合考核重點（考核學(xué)生對基本概念的理解）校正就是在系統(tǒng)中加入一些其參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機構(gòu)或裝置，使系統(tǒng)整個特性發(fā)生變化，從而滿足給定的各項性能指標。基于頻率域校正的實質(zhì)就是引入校正裝置去改變原系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特性的形狀，使其滿足給出的性能指標。根據(jù)校正裝置在系統(tǒng)中的位置劃分，校正方式有串聯(lián)校正和反饋校正；根據(jù)校正裝置的特性劃分，有超前校正和滯后校正 超前校正裝置具有相位超前特性。用來達到增大系統(tǒng)的相角裕量和帶寬，從而提高系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。滯后校正裝置具有相位滯后特性。可以

18、提高系統(tǒng)的開環(huán)增益因此滯后校正常用來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，同時基本保持原來的暫態(tài)指標第38頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四教學(xué)方法和教學(xué)形式的建議本課程是一門理論性和實踐性都很強的課程，涉及面較寬，所以要強調(diào)利用多種教學(xué)手段，完成大綱要求。課程教學(xué)形式建議以課堂講授為生，輔助實踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，并通過課后練習(xí)和自學(xué)加強對所學(xué)知識的理解。有條件時可進行網(wǎng)上教學(xué)。課堂講授（1） 建議利用電子教案或課件，結(jié)合板書授課，這樣既可增大信息量又使學(xué)生思路跟得上教師的講課進度；（2） 建議結(jié)合學(xué)生專業(yè)特點，多舉一些應(yīng)用實例，在講授知識的同時，著重講授提出問題、解決問題的方法。也可以引進課上

19、討論分析的手段，提高學(xué)生的參與度，但設(shè)計的問題要合適、明確、有趣；（3） 建議在講授基本知識點、基本要求的同時，結(jié)合計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，給學(xué)生介紹一些相關(guān)的新型知識、技術(shù)、典型產(chǎn)品等。第39頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四課程實驗本課程是一門理論性和實踐性都很強的課程，課堂講解知識的理解要靠實驗和后續(xù)課程的支持。實驗應(yīng)該是一項重要內(nèi)容，所以建議：多設(shè)計幾個實驗，每個實驗盡量分為基本要求和提高要求，以滿足不同學(xué)生的需要； 實驗內(nèi)容和形式盡量新穎，發(fā)揮學(xué)生的主動性和積極性。實驗一：典型環(huán)節(jié)的模擬研究實驗二：動態(tài)系統(tǒng)的時域分析實驗三：動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)值模擬實驗四：動態(tài)系統(tǒng)的頻率特性研究實驗五：動態(tài)系統(tǒng)的校正研究第40頁，共43頁，2022年，5月20日，3點42分，星期四教學(xué)要求的層次課程的教學(xué)要求大體上分為三個層