机电控制工程基础

1、机电控制工程基础第1页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四课程的性质和任务 课程的性质中央广播电视大学机械设计制造及其自动化专业的一门必修专业基础课程 课程的任务通过本课程的教学和实践，使学生掌握自动控制的基本理论、自动控制系统校正及设计基本方法，全面培养学生分析系统、设计系统的能力，使学生在面对实际问题时，能够站在系统的、全局的高度来思考。第2页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四课程的基本要求深刻理解自动控制系统的基本概念，区分开环与闭环控制系统；能够熟练建立系统的传递函数数学模型，掌握系统复杂动态结构图的化简，了解机电系统的微分方程的建立；理解系统时域

2、分析的基本概念，熟练求解一阶和二阶系统的响应，深刻理解系统稳定性的基本概念，掌握Routh稳定性判据的基本思想，掌握系统的稳态误差的求解；深刻理解频率法的基本概念，掌握典型环节频率特性的绘制方法，重点掌握系统暂态特性和开环频率特性的关系;掌握典型系统根轨迹的绘制原则；理解控制系统校正的基本概念，能够利用计算机工具实现系统的串联校正、并联校正，基本掌握PID控制方法。第3页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四课程的体系结构控制系统的一般概念控制系统建模性能指标时域法频域法分析根轨迹法综合第4页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第一章 控制系统的一般概念教学内

3、容开环与闭环控制系统闭环系统的组成和基本环节自动控制系统的类型自动控制系统的性能指标。教学要求熟练掌握：开环与闭环的概念、闭环控制系统的工作原理。掌握：自动控制系统性能指标的概念。了解：相关的工程应用实例。教学重点开环和闭环的概念；负反馈工作原理。第5页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第一章 控制系统的一般概念教学方法与设计结合实例，引出教学知识点（比如对开环、闭环等概念）；针对教学内容中的重点和难点均辅以例题，达到加深概念的理解，掌握基本原理的目的。重点习题及其题型类型1：根据系统的工作原理图能运用所学知识分析该系统的组成并绘制出相应的系统框图；类型2：负反馈工作原理的

4、运用。第6页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四思考题：图为水温控制系统示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方框图，并说明系统的工作原理。水温调节系统工作原理图第7页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四水温调节系统方框图第8页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第二章 控制系统的数学模型教学内容自动控制系统的微分方程的建立；拉氏变换及反变换；系统传递函数模型；系统动态结构图及其等效变换。教学要求熟练掌握：系统传递函数模型（定义，建立方法等）；掌握：微分方程模型和传递函数模型间

5、的关系；动态结构图的等效变换。了解：自动控制系统的微分方程模型；拉氏变换。教学重点控制系统传递函数模型及其求解方法。 教学方法（结合典型例题）第9页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第二章 控制系统的数学模型重点题型与习题类型1：对一些基本概念的理解与掌握数学模型；传递函数的定义；系统的零点与极点；系统的特征多项式和特征方程；在零初始条件下，微分方程模型如何转换为传递函数模型？第10页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四K增益 首1标准型： 尾1标准型： 第11页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四类型2：已知系统的动态结构图，会熟练求取

6、系统的闭环传递函数。Gc(s)G o(s)H(s)D(s)Y(s)R(s)-U(s)E(s)第12页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四G1G2G3G4C(s)G6-G5G7-R(s)-A如何应用系统动态结构图的等效变换准则，求取系统的闭环传递函数？第13页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第三章 控制系统的时域分析教学内容单位阶跃响应与控制系统的动态性能指标；一阶系统的阶跃响应；二阶系统的阶跃响应；Routh稳定判据；稳态误差的分析与计算。教学要求熟练掌握：一阶、二阶系统的阶跃响应，Routh稳定判据。掌握：稳态误差的求取。了解：高阶系统的时域分析。第1

7、4页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四教学重点内容系统稳定性及动态、静态的基本概念；一阶及二阶系统参数与动态性能指标间的关系与计算；如何运用劳斯稳定判据判别系统的稳定性。需掌握的知识点一阶系统一阶系统只有一个特征参数T。在一定输入作用下，系统响应由时间常数T唯一确定。系统的动态性能指标主要是调节时间。T越小，系统的快速性越好。第15页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四闭环传递函数为:二阶系统（重点）典型二阶系统在欠阻尼下的性能指标及其与系统参数的关系第16页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四 控制系统的稳定性 稳定的定义 稳定的充要条

8、件 系统的闭环极点均位于s平面的左半平面。 稳定的判据劳斯稳定判据的应用第17页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四稳态误差给定稳态误差和扰动稳态误差；系统的稳态误差取决于系统自身的结构参数及输入信号；控制系统的型和稳态误差的关系。第18页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第三章 控制系统的时域分析典型题型与习题典型题型1：二阶系统动态性能指标的计算问题C(s)R(s) _ 例1一位置随动系统，K4。求该系统的阻尼比、自然振荡角频率和单位阶跃响应；系统的峰值时间、调节时间和超调量；若要求阻尼比等于0.707，应怎样改变系统放大系数K值。第19页，共43页，

9、2022年，5月20日，3点42分，星期四例2：给出二阶系统的单位阶跃响应图，如何来确定系统的闭环传递函数0.25，计算得0.4 2，计算得 1.7 第20页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四典型题型2：利用稳定判据，判断闭环系统的稳定性。 例1：已知系统的特征方程，直接应用劳斯稳定判据来判别。 例2：已知系统的动态结构图，要求判别系统的稳定性。 例3：利用稳定判据，分析系统参数的稳定域。第21页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四典型题型3：劳斯稳定判据的应用例：已知系统结构图，判定其稳定性。解法 运用Routh判据解使系统稳定的参数范围：第22页，共4

10、3页，2022年，5月20日，3点42分，星期四典型题型4：综合题第23页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第四章 根轨迹法教学内容根轨迹的基本概念；根轨迹的绘制法则；借助计算机工具绘制自动控制系统的根轨迹；利用根轨迹来分析系统的性能。教学要求熟练掌握：根轨迹的基本概念与基本绘制法则；掌握： 利用根轨迹来分析系统性能；了解：运用计算机工具来绘制系统根轨迹。第24页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第四章 根轨迹法教学重点根轨迹的基本概念根轨迹绘制的准则（特别是根轨迹的起点、终点等，结合例子来说明）根轨迹方程由开环零、极点分布 Kg为可变参数时，闭环极点的

11、变化轨迹。第25页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第四章 根轨迹根轨迹是如何反映系统的性能的？（通过实例来说明，强调动态性能） 教学方法课堂讲授中围绕教学重点内容（比如根轨迹概念、绘制法则、和形同性能间的关系等）结合典型例子来说明；布置课后习题和课堂讨论；运用MATLAB软件来绘制系统根轨迹，分析系统性能。第26页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四稳定性 当增益K由0 ，根轨迹不会越过虚轴进入s平面右半边。在0K范围内，系统是稳定的稳态特性 开环传递函数在坐标原点有一个极点，所以属I型系统由根轨迹图来分析系统的各种性能：动态特性当0K0.5时，系统是欠

12、阻尼的。第27页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第四章 根轨迹考核重点有关根轨迹的概念的理解；简单低阶系统（如二阶）根轨迹的绘制。第28页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四例：1) 判别如下系统的实轴根轨迹 2) 并选择分离点和会合点可能出现的位置1-0.5-1-2-3-40.2357-0.7832-1.5732-2.4824-3.4725j0第29页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第五章 频域法教学内容频率特性的基本概念与频率特性的几种表示方法；典型环节的频率特性；系统开环频率特性的绘制；用频率法分析控制系统的稳定性；系统暂态特

13、性和开环频率特性之间的关系。教学要求熟练掌握：频率特性的基本概念，典型环节的频率特性。掌握：借助计算机工具绘制系统开环频率特性，用频率法分析控制系统的稳定性，系统暂态特性和开环频率特性之间的关系。了解：相关工程应用实例的频域分析。第30页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第五章 频域法 教学重点系统开环频率特性的绘制（开环对数渐近幅频特性的绘制）用频率法分析控制系统的稳定性系统暂态特性和频率特性之间的关系。需掌握的知识点频率特性的基本概念线性定常系统，在正弦信号作用下，输出的稳态分量与输入的复数比，称为系统的频率特性第31页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星

14、期四频率特性的求取（只要求掌握解析法）解析方法 1）求取系统的传递函数W(s) 2）令s = j 3）得到W(j) 4) 幅频特性 相频特性第32页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四 频率特性的表示幅相频率特性图（Nyquist图）对数幅频特性和对数相频特性（伯德图） 频率特性的绘制典型环节的频率特性系统开环频率特性的绘制最小相位系统的开环幅频特性与系统开环传递函数间的对应关系第33页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四奈奎斯特稳定判据如果开环是稳定的，那么闭环稳定的条件是：当由- 时，Wk(j) 的轨迹不包围（-1，j0）点。如果开环是不稳定的，那么闭环

15、稳定的条件是：当由- 时，Wk(j) 的轨迹应该逆时针绕（-1，j0）点N = P圈。稳定裕量（幅值裕量与相位裕量）了解第34页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第五章 频域法重点习题与题型题型1：典型环节的对数频率特性的绘制题型2：最小相位系统的渐近对数幅频特性和系统开环传递函数间的关系题型3：应用Nyquist 稳定判据判断系统的稳定性。03020540L()/dB0020-20-40-60/(rad/s)10012340.1第35页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第六章 控制系统综合教学内容控制系统校正的基本概念串联校正，并联校正，PID控制方法

16、。教学要求熟练掌握：控制系统校正的基本概念掌握：串联校正，并联校正了解：PID控制方法的工程应用实例。教学重点基本概念；校正的思想；结合实例来说明校正的作用。第36页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四教学方法以课堂讲授为主，本章的系统设计是不考虑机构的问题，只是在数学模型的层面上进行设计，是前面所学各章节的灵活应用，需要牢固的基础知识，而且本章也是一种综合性的复习。通过典型系统的设计，可以把前面所有的知识融会贯通，从而使学生能够系统地掌握自动控制原理这门课程的核心内容。通过布置大作业的形式，要求学生利用MATLAB软件完成一个控制系统的分析与控制器的设计，并给出详细的实现方

17、法和步骤，以小论文的形式提交。第37页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四第六章 控制系统综合考核重点（考核学生对基本概念的理解）校正就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。基于频率域校正的实质就是引入校正装置去改变原系统开环对数幅频特性的形状，使其满足给出的性能指标。根据校正装置在系统中的位置划分，校正方式有串联校正和反馈校正；根据校正装置的特性划分，有超前校正和滞后校正 超前校正装置具有相位超前特性。用来达到增大系统的相角裕量和带宽，从而提高系统的相对稳定性和响应速度。滞后校正装置具有相位滞后特性。可以

18、提高系统的开环增益因此滞后校正常用来改善系统的稳态性能，同时基本保持原来的暂态指标第38页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四教学方法和教学形式的建议本课程是一门理论性和实践性都很强的课程，涉及面较宽，所以要强调利用多种教学手段，完成大纲要求。课程教学形式建议以课堂讲授为生，辅助实践环节的训练，并通过课后练习和自学加强对所学知识的理解。有条件时可进行网上教学。课堂讲授（1） 建议利用电子教案或课件，结合板书授课，这样既可增大信息量又使学生思路跟得上教师的讲课进度；（2） 建议结合学生专业特点，多举一些应用实例，在讲授知识的同时，着重讲授提出问题、解决问题的方法。也可以引进课上

19、讨论分析的手段，提高学生的参与度，但设计的问题要合适、明确、有趣；（3） 建议在讲授基本知识点、基本要求的同时，结合计算机应用技术的发展，给学生介绍一些相关的新型知识、技术、典型产品等。第39页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四课程实验本课程是一门理论性和实践性都很强的课程，课堂讲解知识的理解要靠实验和后续课程的支持。实验应该是一项重要内容，所以建议：多设计几个实验，每个实验尽量分为基本要求和提高要求，以满足不同学生的需要； 实验内容和形式尽量新颖，发挥学生的主动性和积极性。实验一：典型环节的模拟研究实验二：动态系统的时域分析实验三：动态系统的数值模拟实验四：动态系统的频率特性研究实验五：动态系统的校正研究第40页，共43页，2022年，5月20日，3点42分，星期四教学要求的层次课程的教学要求大体上分为三个层