10机械控制工程基础

《机械控制工程基础A》课程教学大纲课程代码： 010131023课程英文名称：Fundamentals of Mechanical Control Engineering（A）课程总学时：40 讲课：36 实验：4 上机：0适用专业：机械设计制造及自动化，机械电子工程大纲编写（修订）时间：2010.7一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标机械控制工程基础（A）是一门技术基础课，是跨“控制理论”和“机械工程”技术间的交叉学科，课程以控制论为理论基础，研究机械工程领域内广义系统动力学问题，是适应机电一体化的技术需要，针对机械对象的控制，重点结合经典控制理论形成的一门课程。

本课程涉及经典控制理论的主要内容及应用，更加突出机电控制的特点，内容密切结合工程实际。

通过课程的学习，学生应掌握经典控制理论的基本原理及观点，并能运用所学知识以动力学观点去研究和解决机电控制系统的分析与设计问题。

同时该课程也是测试技术、机电传动、现代控制理论等课程的先修课程。

（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.掌握经典控制理论的基本概念：系统、反馈、开环控制、闭环控制等，了解反馈控制系统的基本组成及基本要求。

2.掌握传递函数的定义及特点，能熟练地运用所学的知识（理论力学、电工学、机械原理等）建立机电系统的数学模型，能熟练运用已学过的数学知识（如复变函数等）完成数学模型（包括微分方程、传递函数、方框图等）之间的转换。

3.熟练掌握控制系统的时域分析方法，包括典型输入信号作用下的系统瞬态响应特点以及时域性能指标；熟练掌握系统响应的误差、稳态误差的概念，并能对系统的误差进行分析与计算。

4.熟练掌握控制系统的频域分析方法，包括幅频特性、相频特性等基本概念，掌握乃氏图和伯德图的画法，了解闭环频率特性的概念。

5. 深刻理解线性系统稳定的概念及条件，掌握好Routh判据及Nyquist判据（包括对数判据）的内容，并能熟练利用上述判据判定线性系统的稳定性。

深刻理解系统相对稳定性的含义及相对稳定性指标的表示及计算。

6.了解机电控制系统常用的组成，了解系统校正的概念以及控制器设计的基本方法。

（三）实施说明教法方法建议采用传统板书与多媒体教学相结合的方式。

根据具体情况可以增加大作业，大作业的成绩按比例计入总分。

绪论部分为非重点内容，主要介绍机械工程控制论研究的对象及任务，系统的分析、组成及对系统基本要求。

结合实例讲解控制理论中基本概念：系统、反馈及反馈控制。

控制系统的动态数学模型部分是课程的基础。

重点讲解传递函数的概念及特点、典型环节传递函数的形式及各参数的物理含义；系统开环、闭环传递函数和干扰作用下传递函数的求法；方块图的概念及运用方块图简化运算法则对系统方块图进行简化运算求系统传递函数的方法。

对信号流图的绘制，利用梅逊公式求取系统传递函数的方法，物理系统函数方块图的绘制等做一般性介绍。

系统时间响应分析部分是重点内容，结合一、二阶系统在典型输入信号作用下的响应函数及响应曲线，重点讲解瞬态特性、瞬态响应指标的概念、计算公式、瞬态响应指标与系统结构参数的关系。

简单介绍高阶系统时间响应的求法。

系统的频率特性也是重点内容，在讲清频率特性的概念、求法及与传递函数关系的基础上，着重讲解典型环节Nyquist图和Bode图的形状及特点，系统开环频率特性Nyquist图及Bode图的绘制方法，最小相位系统的概念及如何利用Bode图估算最小相位系统传递函数。

对闭环频率特性的概念、求法做一般性讲解。

系统稳定性的内容十分重要，在讲清稳定性的概念和稳定条件的基础上，重点讲解Routh判据、Nyquist判据和对数判据的内容及如何运用判据判定线性系统的稳定性；系统的相对稳定性及其描述相对稳定性的两个指标：相位裕度、幅值裕度的概念及计算。

对上述内容，应通过实例进行讲清、讲明，以使同学们很好掌握。

系统响应的误差和稳态误差反映了系统的稳态性能，该部分重点讲解误差与稳态误差的概念，稳态误差的计算方法及如何对系统的误差进行分析。

系统的性能分析与校正部分属于系统设计的内容，主要介绍时域性能指标与频域性能指标的关系，校正的概念及校正的方式。

重点讲解串联校正环节传递函数的形式及特性，并结合实例详细讨论利用Bode图进行串联校正的步骤及特点。

对反馈校正做一般性介绍。

（四）对先修课的要求高等数学、积分变换、理论力学、机械原理、电工电子学等。

（五）对习题课、实践环节的要求1．每部分内容均安排习题及思考题。

通过作业使学生能够对学习的内容真正做到消化理解，以提高学生分析和解决问题的能力。

2. 由于学时有限，建议习题课安排在课外进行。

3. 开设实验课，通过实验使学生深入理解控制系统性能测试的基本方法，控制系统的基本组成，实际物理系统中控制算法的应用与实现。

实验课作为一种辅助教学手段可以增加学生的感性认识，提高教学效果。

4. 实验总学时为4学时，实验内容分别为二阶系统的模拟及阶跃响应分析、液压伺服系统的压力和位置闭环控制。

（六）课程考核方式1.考核方式：考试，采用闭卷或半闭卷考试的形式。

2.考核目标：重点考核学生对基本概念、基本方法的理解与应用能力，3.成绩构成：本课程的总成绩主要由三部分组成：平时成绩（包括作业情况、出勤情况等），实验成绩，期末考试成绩。

各部分成绩按照一定权重计入总评成绩。

总评成绩满分为100分。

平时成绩由任课教师视具体情况按百分制给出；实验成绩由实验老师参照相关规定按百分制给出，实验无成绩或实验不及格，取消期末考试资格，总成绩直接以不及格计。

实验和平时成绩按一定比例计入总评成绩。

（七）参考书目《控制工程基础》（第二版），董景新等编著，清华大学出版社，2003《机械控制工程基础》(第五版), 杨树子等编著，华中理工大学出版社, 2005《现代控制工程》（第三版），卢伯英等译，电子工业出版社，2000。

二、中文摘要本课程是一门技术基础课。

重点涉及经典控制理论的主要内容及应用，更加突出机电控制的特点，内容密切结合工程实际。

通过课程的学习，学生应掌握经典控制理论的基本原理及观点，并能运用所学知识以动力学观点去研究和解决机电控制系统的分析与设计问题。

同时该课程也是测试技术、机电传动、现代控制理论等课程的先修课程。

三、课程学时分配表序号教学内容学时讲课实验上机1 绪论2 22 控制系统的动态数学模型8 82.1 系统数学模型的建立 42.2 传递函数 43 系统的时间响应分析8 6 23.1 一阶、二阶系统的时间响应 43.2 二阶系统性能指标计算 2一、二阶系统的时间响应 24 控制系统的频率特性10 104.1 极坐标图 44.2 对数坐标图 44.3 由频率特性曲线求系统的传递函数 25 控制系统的稳定性6 65.1 代数稳定性判据 25.2 乃奎斯特稳定性判据 25.3 伯德稳定性判据 26 控制系统的误差分析和计算 2 27 控制系统的性能分析与校正 4 2 27.1 控制系统的性能分析与校正 2液压闭环控制系统 2合计40 36 4四、教学内容及基本要求第1部分绪论总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0具体内容:1）控制理论在机械制造领域中的应用；2）自动控制系统的基本概念；3）系统的分类及组成；4）本课程的特点及学习方法；重点:控制系统的基本概念、系统的组成及对系统的基本要求。

第2部分控制系统的动态数学模型总学时(单位：学时):8 讲课8 实验:0 上机:0第2.1部分系统数学模型的建立（讲课4学时）具体内容:1）系统数学模型的建立方法；2）（复习）拉氏变换与拉氏反变换；3）控制系统微分方程的列写及线性化；4）线性系统的性质。

重点:线性系统微分方程的列写。

难点:系统微分方程的列写。

第2.2部分传递函数（讲课4学时）具体内容：1）传递函数的定义与性质；2）典型环节的传递函数；3）系统的开环与闭环传递函数；4）系统函数方块图及其简化；5）系统信号流图及梅逊公式；6）物理系统函数方块图的绘制；重点:典型环节的传递函数，系统函数方块图的简化及传递函数的求取，物理系统函数方块图的绘制。

难点:系统函数方块图的简化、物理系统函数方块图的绘制。

习题:列写机械系统、电网络微分方程并求传递函数，系统方块图简化运算及求传递函数。

第3部分系统的时间响应分析总学时(单位：学时):8 讲课:6 实验:2 上机:0第3.1部分一阶、二阶系统的时间响应（讲课4学时）具体内容:1）时间响应及典型输入信号；2）一、二阶系统典型输入信号下的响应；重点：一、二阶系统的时间响应（函数及曲线）第3.2部分二阶系统性能指标（讲课2学时）1）二阶系统瞬态响应的指标；2）二阶系统计算举例；重点:二阶系统瞬态响应指标。

难点:二阶系统的瞬态响应指标与系统参数的关系。

习题:典型输入信号下一阶、二阶系统时间响应的求取及其瞬态性能指标的计算。

实验:一、二阶系统时间响应分析（2学时）第4部分控制系统的频率特性总学时(单位：学时):10 讲课:10 实验:0 上机:0第4.1部分极坐标图（讲课4学时）具体内容:1）控制系统频率特性的基本概念及求法；2）典型环节频率特性的极坐标图(Nyquist图)；3）系统开环频率特性的极坐标图(Nyquist图)的绘制及特点重点:系统频率特性极坐标图(Nyquist图)的绘制和特点难点:系统频率特性极坐标图(Nyquist图)的绘制第4.2部分对数坐标图（讲课4学时）1）对数坐标图(Bode图)的形状及特点；2）对数坐标图(Bode图)的绘制和特点；3）最小相位系统的概念；重点:对数坐标图(Bode图)的绘制和特点难点:频率特性Bode图的绘制第4.3部分由频率特性曲线求系统的传递函数（讲课2学时）1）利用Bode图估算最小相位系统的传递函数；2）控制系统的闭环频率特性；重点:利用Bode图估算最小相位系统的传递函数。

难点:利用Bode图估算最小相位系统的传递函数。

习题:系统谐波输入下稳态输出的求取，系统Nyquist图和Bode图的绘制，根据系统Bode图求最小相位传递函数。

第5部分控制系统的稳定性总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0第5.1部分代数稳定性判据（讲课2学时）具体内容:1）系统稳定性的概念及稳定的条件；2）劳斯稳定判据；重点:劳斯稳定性判据第5.2部分乃奎斯特稳定性判据（讲课2学时）具体内容：1）映射定理（或幅角原理）；2）乃奎斯特稳定性判据的内容与应用;重点:乃奎斯特稳定判据的内容及应用难点:乃奎斯特稳定判据判定线性系统的稳定性第5.3部分对数判据（讲课2学时）具体内容：1)对数判据的内容及应用；2)系统的相对稳定性概念；3)幅值裕度和相位裕度的计算；重点:对数判据的内容及应用，幅值裕度和相位裕度的计算。