机械工程控制_教学大纲

《机械工程控制》教学大纲
课程英文名称:Cybernetics for Mechanical Engineering 学时：63学时学分:3.5
理论学时：54学时实验学时：9学时
适用专业：机械电子工程课程代码：BB059301
大纲执笔人：郑继周大纲审定人：
一、说明（500字左右）
1、课程的性质、地位和任务
本课程侧重原理，其内容密切结合工程实际，是一门专业基础课。

学习本课程的目的在于使学生能以动态的观点去看待一个机械工程系统；能从整个系统中的信息之传递、转换和反馈等角度来分析系统的动态行为；能结合工程实际，应用经典控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决问题。

这包括两个方面：①对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题的本质和有效的解决方法；②如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。

2、课程教学的基本要求
1. 对于建立机电系统的数学模型，有关数学工具的应用，传递函数与方框图的求取、简化等，应有清晰的基本概念并能熟练掌握。

2. 对于典型系统的时域和频域特性，应有清晰的基本概念并能熟练掌握。

3. 掌握判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据。

4. 对于线性系统的性能指标有较全面的认识，掌握系统的综合与校正的常用方法。

3、课程教学改革
精简了部分过时或者与课程主体关联不大的内容,增加了利用Matlab软件进行计算机辅助控制系统设计、利用可重构实验教学平台进行仿真和物理实验等内容。

二、教学大纲内容
（一）课程理论教学
由于课程内容涉及较多的动力学、电学和数学知识，比较抽象难懂，因此教学过程中宜采用课前预习——课上精讲——课后练习巩固的教学方法。

第一讲机械工程控制的基本概念(6学时)
“系统”、“信息传递”、“反馈”、“反馈控制”等基本概念，系统及其模型，控制系统的分类，反馈控制系统的基本组成，对控制系统的基本要求。

本课程的特点、研究对象和任务、学习本课程的目的和意义。

要点：了解机械工程控制论的基本含义和研究对象，掌握广义系统动力学方程的含义；了解系统和广义系统的概念及基本特性，了解系统动态模型与静态模型之间的关系；掌握反馈的含义，学会分析动态系统内信息流动的过程，掌握系统或过程中存在的反馈；了解正（负）反馈、内（外）反馈的概念；了解系统的分类方法，掌握闭环控制系统的工作原理和组成，学会绘制控制系统的方框图。

思考题：1.机械工程控制论的研究对象和任务是什么？
2.什么是内反馈、外反馈？为何要进行反馈控制？
3.控制系统的基本要求是什么？
第二讲拉氏变换基础（6学时）
拉氏变换的基本概念、基本定理，拉氏反变换的基本方法。

要点：掌握拉氏变换和拉氏反变换的基本方法，会对常用信号进行变换和反变换。

第三讲系统的数学模型（10学时）
系统数学模型的基本概念和建立方法，传递函数的基本概念、数学物理意义和求取方法，系统方框图及方框图的等效简化，典型机电系统的传递函数。

要点：能够运用动力学、电学及专业知识列写机械系统、电网络的微分方程；掌握传递函数的概念、特点，会求传递函数的零点、极点及放大系数；掌握各典型环节的特点，传递函数的基本形式及相关参数的物理意义；能够根据系统微分方程，绘制系统传递函数方框图，并实现简化，从而求出系统传递函数；掌握闭环系统中前向通道传递函数、开环传递函数、闭环传递函数的定义及求法，掌握干扰作用下，系统的输出及传递函数的求法。

思考题：1.什么是线性系统？其最重要的特性是什么？
2.传递函数模型、零极点模型与状态空间模型之间有何关系？如何互相转化？
3.方框图简化过程中，分支点与相加点之间能否相互移动？
4.如何判断两个系统是否为相似系统？
第四讲时间响应与误差分析（8学时）
时间响应的基本概念，典型输入信号与一阶、二阶系统的时间响应，二阶系统响应的性能指标，高阶系统的时间响应，δ函数在时间响应中的作用。

系统的类型及各型系统的位置、
速度、加速度误差。

要点：了解时间响应的组成，掌握系统稳定性与特征根实部的关系；掌握一阶系统的定义和基本参数，能够求解一阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应及单位斜坡响应，掌握一阶系统时间响应曲线的基本形状及意义，掌握线性系统中，存在微分关系的输入，其输出也存在微分关系的基本结论；掌握二阶系统的定义和基本参数，掌握二阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应曲线的基本形状及振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系，掌握二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系；掌握系统误差的定义，掌握系统误差与系统偏差的关系，掌握误差及稳态误差的求法，能够分析系统的输入、系统的结构和参数以及干扰对系统偏差的影响。

思考题：1.什么是时间响应？时间响应由哪两部分组成？各部分的含义是什么？
2.时间响应的瞬态响应反映哪方面的性能？稳态响应反映哪方面的性能？
3.如何控制系统的误差？
第五讲系统的频率特性分析（10学时）
频率响应与频率特性的基本概念，频率特性与系统传递函数的关系，系统的动刚度与动柔度的概念，频率特性的表示方法。

频率特性的极坐标图（Nyquist图）的一般概念，典型环节的Nyquist图，绘制系统Nyquist图的一般步骤和方法。

频率特性的对数坐标图（Bode 图）的一般概念，典型环节的Bode图，绘制系统Bode图的一般步骤和方法。

根据频率特性的对数坐标图辨识系统数学模型的一般方法。

要点：掌握频率特性的定义和代数表示法以及与传递函数、单位脉冲响应函数和微分方程之间的相互关系，掌握频率特性和频率响应的求法，掌握动刚度与动柔度的概念；掌握频率特性的Nyquist图和Bode图的组成原理，熟悉典型环节的Nyquist图和Bode图的特点及其绘制，掌握一般系统的Nyquist图和Bode图的特点和绘制；掌握频域中性能指标的定义和求法。

思考题：1.什么是频率特性？
2.什么是机械系统的动刚度、动柔度和静刚度？
3.绘制一般系统的Nyquist图和Bode图时要注意什么？
第六讲系统的稳定性（8学时）
系统稳定性的基本概念，判别线性系统稳定性的基本出发点。

Routh稳定性判据、Nyquist稳定性判据的基本原理和方法，Bode判据。

系统的相对稳定性，幅值裕度与相位裕
度，最小相位系统与非最小相位系统。

要点：掌握Routh判据的必要条件和充要条件，学会应用Routh判据判定系统是否稳定，对于不稳定系统能够指出系统包含不稳定特征根的个数；掌握Nyquist判据和Bode判据；理解系统相对稳定性的概念，会求相位裕度和幅值裕度，并能够在Nyquist图和Bode图上加以表示。

思考题：1.系统稳定性的定义是什么？
2.一个系统稳定的充分和毕业条件是什么？
3.什么是系统的相对稳定性？
第七讲系统的性能分析与校正（6学时）
系统的性能指标，校正的一般概念，常用的校正方法与分类。

相位超前校正、相位滞后校正、相位滞后-超前校正的基本特性及其频域设计方法。

PID调节器的基本特性与设计方法。

顺馈校正与反馈校正的基本特性。

要点：了解系统性能指标（时域、频域、综合）和系统校正的概念；掌握增益校正的特点，熟练掌握相位超前校正装置、相位滞后校正装置、相位滞后-超前校正装置的模型、频率特性及有关量的概念、求法和意义；掌握各种校正装置的设计方法和各种校正的特点；掌握PID调节的基本规律及各种调节器的特点，掌握PID调节器的工程设计方法；掌握反馈校正、顺馈校正的定义、基本形式、作用和特点。

思考题：1.在系统校正中，常用的性能指标有哪些？
2.在什么情况下采用相位滞后校正、相位超前校正和相位滞后-超前校正？
（二）课程实验教学
实验—：典型环节模拟（2学时）
要求：初步掌握控制系统数学模拟的方法。

实验二：二阶系统特征参数对过渡过程的影响（2学时）
要求：掌握特征参数与过渡过程之间的关系。

实验三：系统频率特性的测定（2学时）
要求：掌握线性系统频率特性的计算机辅助分析（Nyquist图、Bode图）。

实验四：控制系统综合试验（3学时）
要求：掌握运用Matlab进行控制系统辅助分析设计的基本技能。

三、本课程考核方式、方法
闭卷考试。

考试成绩还包括平时成绩（作业、讨论、小测验等）。

附：教学参考书目
教材：
杨叔子主编．《机械工程控制基础》（第五版）．武汉：华中科技大学出版社，2005 参考书：
李友善主编．《自动控制原理》．北京：国防工业出版社，1980
阳含和编著．《机械控制工程》．北京：机械工业出版社，1986
胡寿松主编.《自动控制原理》(第四版). 北京：科学出版社，2001。