《机械工程控制基础》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：6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Nyq
uist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。要求：1.
保持系统的输出只参考输入指定的数值2.保持系统的输出尽量不受扰动的影响。系统输出指控制系统所要控制的物理量，表征对象或过程的状态
的特性。2、典型闭环控制系统的框图的构成二、课程的基本任务研究系统、输入、输出之间的动态关系三、控制系统的基本要求：稳、快、准
1.2控制理论的研究内容、发展、应用、学习方法。一、控制理论的研究内容控制理论研究五方面的内容系统分析问题当系统已定、输入(或激
励)已知时,求出系统的输出（或响应）,并通过输出来研究系统本身的有关问题。最优控制问题当系统已定时,确定输入,且所确定的输入应使得
输出尽可能符合给定的最佳要求。最优设计问题当输入已知时,确定系统,且所确定的系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求。滤波与预测问题
当输出已知时,确定系统,以识别输入或输人中的有关信息。系统识别或系统辨识问题当输入与输出均已知时,求出系统的结构与参数,即建立系统
的数学模型。二、机电一体化含义机电一体化：在机械领域中引入微电子技术、通过计算机硬件、软件加以控制。机电一体化技术基础：机械学
动力学、运动学、力学控制技术经典控制、现代控制电子学接口技术、软件技术、操作系统功率电子学大功率晶体管器件机电一体化发展历程：
1、机械硬件2、机械+电子硬件3、机械+电子硬件+软件如：CN、CIMS、无人化工厂三、经典控制与现代控制研究对象单输入
单输出定常系统多输入多输出时变系统（主要线性）数学工具Laplace,传递函数矩阵、向量空间研究方法频域时域基本内容频率法、根轨迹
法、时域法、代数几何（图解）、稳定判据、特征环节设计线性控制理论、系统辨识、最优滤波、最优控制主要问题稳定性最优性控制器RC(无源
滤波网络）数字机着眼点系统输出/输入系统状态分析&综合1）给定输入，分析输出2）指定指标下，研究系统参数1）揭示控制（输入）和初
始条件对系统的作用影响2）在一定条件下，最佳状态（最优控制）四、时间安排共32学时（28学时课堂讲授+4学时实验)五、参考书1、
王积伟.控制工程基础.北京：机械工业出版社.2002.2、董景新.控制工程基础.北京：清华大学出版社.2002.3、杨叔子,杨
克冲.机械工程控制基础.武汉：华中科技大学出版社，2005（第五版）。第二次课第2章机械工程控制论的数学基础第2章机械工程
控制论的数学基础基本内容详细讲解了传递函数的定义、数学物理意义及求取方法；输入输出信号与传递函数的关系，闭环控制及其传递函数，方块
图的构成及简化，各种典型的机、电系统的传递函数。重点难点重点掌握典型环节的传递函数的建立，难点是物理系统传递函数推导。自我测验1
什么是线性系统?2线性系统最重要的特性是什么?作业2.1复数和复变函数一、复数和复变函数1复数2、复变函数3、复数的运算规
则4、复变函数的零点和极点二、拉氏变换1、拉氏变换的定义对于函数x(t)，如果满足下列条件：（1）当t<0时，x(t
)=0；（2）当t>0时，x(t)在每个有限区间上分段连续；(2)存在，其中s=σ+jω为复变量2、拉氏反变换三、典
型函数的拉氏变换重要的拉氏变换举例四、拉氏变换的性质1、线性性质2、微分性质3、积分性质4、延时定理5、终值定理6、初值定理五、傅
立叶变换：无线电技术中，以f（t）表示讯号函数，而F(w)称为f（t）的频谱函数。傅氏变换氏拉氏变换的特例，将拉氏变换中的s换
成傅氏变换氏中jw。第3章系统的数学模型3.1系统的时域数学模型1系统微分方程2非线性系统微分方程线性化处理3.2系统的复
域数学模型一、传递函数的定义概念二、传递函数的零点、极点、增益的概念第三次课三、举例说明建立机、电、液系统的传递函数四、典型
环节的传递函数1、比例环节2、微分环节3、积分环节4、一阶惯性环节5、一阶微分环节6、二阶振荡环节7、二阶微分环节8．延时环节五、
典型环节传递函数的几点说明3.3系统传递函数框图及简化一、系统传递函数框图的建立二、举例说明建立机电液系统的传递函数框图1、传递
函数简化原则2、传递函数等效简化（1）串联环节的等效简化（2）并联环节的等效简化（3）反馈环节的等效简化说明：（4）分支点的移动
规则（5）相加点的移动规则（6）相邻分支点的移动规则（75）相邻相加点的移动规则3、一般系统传递函数框图的简化方法3.4闭环系统传
递函数框图及其简化、相似性原理、系统状态空间模型一、闭环系统传递函数简化实例二、相似性原理机械系统：力、质量、粘性阻尼系数、弹簧刚
度、位移、速度电网络系统：电压、电感、电阻、电容倒数、电量、电流三、简介系统状态空间模型四、本章小结五、习题课第四次课第4章系统
的时域分析第4章系统的时域分析基本内容详细讲解了系统时间响应分析方法，主要是一阶、二阶系统单位阶跃响应、单位脉冲响应。重点难点重
点掌握一阶、二阶系统单位阶跃响应、单位脉冲响应，难点是δ函数在时间响应的应用。自我测验1什么是时间响应?2时间响应由哪两部分组成
?各部分的定义是什么?3时间响应的瞬态响应反映哪方面的性能?而稳态响应反映哪方面的性能?作业4.14.24.34.9
4.154.1时间响应及其组成一、时域分析法：在时间域内研究控制系统性能的方法，它是通过拉氏变换直接求解系统的微分方程，得到系
统的时间响应，然后根据响应表达式和响应曲线分析系统的动态性能和稳态性能。1、举例说明图4-1弹簧质量系统的时间响应及其组成2、一般
系统的时间响应及其组成3、几点讨论（1）（2）（3）4、系统特征根影响系统自由响应的收敛性和振荡特性5、典型输入信号4.2一阶
系统的响应一、一阶系统的单位脉冲响应二、一阶系统的单位阶跃响应三、一阶系统的单位速度响应4.3二阶系统的响应一、二阶系统的特征根
二、二阶系统的单位脉冲响应三、二阶系统的单位阶跃响应第五次课4.4二阶系统的性能指标一、二阶系统的性能指标二阶欠阻尼系统：时间
响应：定义性能指标：二、举例说明二阶系统性能指标的计算4.5高阶系统的时间响应一、高阶系统的时间响应组成1、高阶系统的时间响应组
成高阶系统的时间响应由一阶环节、二阶环节的时间响应组成2、分析高阶系统的时间响应组成（1）（2）3、主导极点4.6系统误差分析及
计算一、闭环系统稳定是控制系统的前提暂态性能：平稳、振荡幅度小——“稳”过渡过程的时间短——“快”稳态性能：系统的稳态误差小——
“准”稳态误差是衡量控制系统控制准确度的一种度量，反映了控制系统的稳态性能，是控制系统的一项重要的稳态性能指标。二、稳态误差、稳态
偏差闭环系统：三、系统稳态偏差的计算系统的稳态偏差与系统的输入信号、系统的结构特征、系统的增益有关结论：系统的型越高，系统的稳态偏
差越小系统的增益越大，系统的稳态偏差越小四、系统稳态偏差的计算实例结论：本章小结讲解习题第5章根轨迹法5.1根轨迹发概述根轨迹
的基本概念根轨迹与系统性能闭环零点、极点与开环零点、极点之间的关系5.2根轨迹绘制的基本法则第六次课第6章系统的频率特性分析第
6章系统的频率特性分析基本内容详细讲解了典型环节和复杂系统的频率特性的极坐标图（Nyquist图）和对数坐标图（Bode图）重点
难点重点掌握典型环节Nyquist、Bode曲线的绘制，难点复杂系统Nyquist曲线、Bode曲线的绘制。自我测验1什么是频率
特性?2什么是机械系统的动刚度和静刚度?作业6.96.126.156.1频率特性概述一、频率响应与频率特性频率响应：指系统
对正弦输入信号的稳态响应。即系统在正弦输入下，输出量的稳态量与输入正弦信号的复数比。在这种情况下，系统的输入信号是正弦信号，系统的
内部信号以及系统的输出信号也都是稳态的正弦信号，这些信号频率相同，而幅值和相角却不同。二、频率特性与传递函数6.2频率特性的图示
方法一、频率特性的极坐标图――Nyquist图1、典型环节的Nyquist图（1）比例环节（2）微分环节（3）积分环节（4）一
阶惯性环节（5）一阶微分环节（6）二阶振荡环节（7）二阶微分环节（8）延时环节2、绘制Nyquist图的一般步骤方法3、绘制Ny
quist图方法的总结系统的频率特性为：4、举例说明复杂系统的Nyquist图的绘制第七次课频率特性的对数坐标图――Bode
图二、频率特性的对数坐标图――Bode图1、典型环节的Bode图（1）比例环节（2）微分环节（3）积分环节（4）一阶惯性环节（
5）一阶微分环节（6）二阶振荡环节（7）二阶微分环节（8）延时环节2、绘制Bode图一般步骤方法3、绘制Bode图方法的总结系统的
频率特性为：4、举例说明复杂系统的Bode图的绘制6.3频率特性的特征量简介频率特性的的特征量的定义6.4最小相位系统与非最小相位
系统简介最小相位系统与非最小相位系统定义本章小结讲解习题第八次课第7章系统的稳定性第7章系统的稳定性基本内容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稳定性判据和Bode稳定性判据的基本原理和使用方法，系统的
相对稳定性,相位储备和幅值储备。重点难点重点掌握Routh稳定判剧、Nyquist稳定判剧和系统的相对稳定性，难点是复杂系统稳定性
的判定。自我测验1系统稳定性的定义是什么?2一个系统稳定的充分和必要条件是什么?作业7.17.27.97.117.1系统稳定
性的初步概念一、举例说明系统稳定性定义定义：结论：二、系统稳定的充要条件线性定常系统稳定的充要条件：7.2Routh稳定判据简介
Routh稳定判据7.3Nyquist稳定判据一、简介Nyquist稳定判据的证明二、Nyquist稳定判据1、当p＝0时，即开
环稳定，当ω由－∞到＋∞时，若[GH]平面上的开环频率特性G(jw)H(jw)不逆时针方向包围（-1,j0）点，则闭环系统稳定，否
则，闭环不稳定。2、当p≠0时，即开环不稳定，当ω由－∞到＋∞时，若[GH]平面上的开环频率特性G(jw)H(jw)逆时针方向包围
（-1,j0）点p圈，则闭环系统稳定，否则，闭环不稳定。三、举例说明Nyquist稳定判据判断复杂系统的稳定性5.4Bode稳定
判据一、Nyquist图与Bode图的对应关系1、Nyquist图与Bode图的对应关系2、讲解几个定义正穿越的定义负穿越的定义半
正穿越的定义二、Bode稳定判据特别：当p=0时三、举例说明应用Bode稳定判据判断复杂系统的稳定性7.5系统的相对稳定性一、系
统相对稳定性定义二、相位裕度幅值裕度1、相位裕度γ：2、幅值裕度Kg三、举例说明相位裕度、幅值裕度的计算四、本章小结五、简
介习题第九次课第8章系统的性能校正第8章系统的性能校正基本内容系统时域性能指标、频域性能指标和综合性能指标的定义，掌握系统性能
校正方法。系统校正的目的与实质，控制系统的串联校正：超前校正，滞后校正，滞后-超前校正，PID校正，反馈校正，顺馈校正等的基本特性
。重点难点重点掌握系统的相位超前校正、相位置后校正和相位超前置后校正，难点是复杂系统性能校正。自我测验1在系统校正中,常用的性能指
标有哪些?作业8.18.28.3补充题8.1系统的性能指标8.2系统性能校正一、系统性能校正1、系统性能校正的定义概念2、系统
性能校正的分类（1）串联校正1）比例校正2）相位滞后校正3）相位超前校正4）相位滞后超前校正（2）顺馈校正（3）反馈校正8.3P
ID性能校正一、PID控制器的一般形式二、比例P控制器1、时域模型2、S域模型3、频率特性三、比例微分PD控制器1、时域模型2、S域模型3、频率特性四、比例积分PI控制器1、时域模型2、S域模型3、频率特性五、PID控制器的一般形式1、时域模型2、S域模型3、频率特性六、PID控制器的应用举例七、本章小结第十次课第9章离散控制系统的分析与校正基本内容介绍了采样定理，z变换的定义。重点难点重点掌握系统离散化方法，对于机械工程中的系统模型能熟练离散化。自我测验1什么是A/D,D/A转换器?2什么是采样定理?3Z变换,Z反变换的定义?作业第10章机械工程控制系统的计算机仿真与辅助设计基本内容介绍Matlab仿真软件构成、桌面操作环境、基本程序设计。重点难点重点掌握Matlab软件应用。自我测验作业