机电控制工程基础

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,北京交通大学 吴斌,机电控制工程基础,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。,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。,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,第一章 控制系统的一般概念,教学内容,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,：负反馈工作原理的运用。,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,水温调节系统方框图,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？,K,增益,首,1,标准型：,尾,1,标准型：,类型,2,：,已知系统的动态结构图，会熟练求取系统的闭环传递函数。,G,c,(s),G,o,(s),H(s),D(s),Y(s),R(s),-,U(s),E(s),G,1,G,2,G,3,G,4,C(s),G,6,-,G,5,G,7,-,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。,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。,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,控制系统的稳定性,稳定的定义,稳定的充要条件,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,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，,K,4,。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。,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,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。,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：,典型题型,4,：综合题,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,K,g,为可变参数时，闭环极点的变化轨迹。,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。,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,0,K,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,0,K,0.5,时，系统是欠阻尼的。,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。,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,-4,0.2357,-0.7832,-1.5732,-2.4824,-3.4725,j,0,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,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,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,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，,W,k,(,j,),的轨迹,不包围,（,-1,，,j,0,）点。,如果开环是不稳定的，那么闭环稳定的条件是：当,由,-,时，,W,k,(,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。,0,30,20,5,40,L(,)/dB,0,0,20,-20,-40,-60,/(rad/s),100,1,2,3,4,0.1,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。,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。,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