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1、机械工程控制基础课程导学一、课程特点 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。它是控制论为理论基 础，以机械工程系统为研究对象的广义系统动力学；同时，它又是一种方法论。学习本课程 的目的在于使学生能以动力学的观点而不是静态观点去看待一个机械工程系统；从整体的而 不是分离的角度，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、研究和解决其中的问题。 这包括两个方面：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；如何控制一个机电系统，使之按预定的规律
2、 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。二、教学目标：1. 帮助学生掌握控制工程的基本概念、基本理论与基本分析方法，使其具备扎实的系统分 析理论知识，为后续课程的学习及今后的专业技术工作打下基础；2. 帮助学生运用控制理论的原理与方法建立机电系统运动模型，在此基础上，使学生掌握 动态系统的基本分析方法。3. 帮助学生掌握动态系统分析、设计与综合的基本方法；4. 注重培养学生综合应用已学知识分析、解决机械工程广义系统动力学问题的能力。三、基本教学内容及要求教学内容基本要求1.绪论机械工程控制的基本概念；研究 对象和任务;学习本课程的目的和 意义；关于系统、“信息传递和“反馈 及
3、“反馈控制的基本概念；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(1)了解机械工程控制论的基本含义和研究对 象,学习本课程的目的和任务；掌握广义系统动力 学方程的含义。(2) 了解系统、广义系统的概念， 了解系统的基本特性；了解系统动态模型和静态 模型之间的关系。(3)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。(4) 了解广义系统的几种分类方 法；掌握闭环控制系统的工作原理、组成；学会 绘制控制系统的方框图。(5) 了解控制系统中基 本名词和基本变量。(6) 了解正反馈、负反馈、 内反馈、外反馈的概念。
4、(7) 了解对控制系统的 基本要求。2.系统的数学模型系统数学模型的基本概念;应用机 械动力学、电工学等基础知识建立 系统数学模型的基本方法、典型例 子；传递函数的基本概念，其数学 物理意义，求取方法，输入输出信(1) 了解数学模型的基本概念。能够运用动力学、 电学及专业知识，列写机械系统、电子网络的微 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。号与传递函数的关系；系统方框 图；闭环控制系统及其传递函数； 方框图的等效简化;工程中典型的 机、电系统的传递函数能够用分析法求系统的传递函数。(4) 掌握各个典型环节的特点，传递函数的基本形 式及相关参数的物理意义。(5
5、) 了解传递函数方框图的组成及意义；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和特点。 了解相似原理的概念。3时间响应与误差 分析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咼阶 系统的时间响应6函数在时间 响应中的作用系统的误差分析:系统的类型及各 型系统的位置、速度、加速度误差(1) 了解系统时间响应的组成；初步掌握系统的 特征根的实部和虚部对系统自由响应项的影响情 况，掌握系统稳定性与特征根
6、实部的关系。(2) 了解控制系统时间响应分析中的常用的典型 输入信号及其特点。(3) 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。(4) 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 本形状及其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。(5) 了解主导极点的定义及作用；(6) 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
7、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。(7) 了解单位脉冲响应函数与系统传递函数之间 的关系。4.系统的频 率特性 分析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(1) 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
8、性和频率响应的求法；掌握 动刚度与动柔度的概念。(2) 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，掌握一般系统的的Nyquist图 和Bode图的特点和绘制。(3) 了解闭环频率特性与开环频率特性之间的关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系。(4) 掌握频域中性能指标的定义和求法；了解频 域性能指标与系统性能的关系。(5) 了解最小相位系统和非最小相位系统的概 念。5.系统的稳 定性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
9、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(1) 了解系统稳定性的定义、系统稳定的条件；(2) 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的特征根的个 数；(3) 掌握Nyquist判剧；(4) 理解Nyquist图和Bode图之间的关系；(5) 掌握Bode判剧；(6) 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。6.系统的性能分析与校正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、相位滞后校正及
10、相位滞后一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(1) 了解系统时域性能指标、频域性能指标和综合 性能指标的概念；了解频域性能指标和时域性能 指标的关系。(2) 了解系统校正的基本概念。(3) 掌握增益校正的特点；熟练掌握相位超前校正 装置、相位滞后校正装置和相位滞后一超前校正 装置的模型、频率特性及有关量的概念、求法及 意义；掌握各种校正装置的频率特性设计方法； 熟练掌握各种校正的特点。(4) 掌握PID校正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。(5) 掌握反馈校正、顺馈校正的定义、基本形式、 作用和特点。
11、四、学习方法1 不必过分追求数学论证上的严密性，而要充分注意到物理概念的明确性和数学结论的 准确性；2. 既要十分重视抽象思维，了解一般规律，又要充分注重结合实际，联系专业，努力实 践；3. 要重视实验，重视习题，独立完成作业，积极参加有关实践活动；五、教材与参考书教材：熊良才，吴波机械工程控制基础学习与考试指导，华中科技大学出版社，2008机械工程控制基础(第六版)，杨叔子主编，武汉：华中科技大学出版社，2011参考书：1 李友善.自动控制原理（第三版）.北京：国防工业出版社，2005.2 绪方胜彦著.现代控制工程（第四版）.北京：清华大学出版社，2006.3 阳含和，机械控制工程，北京：机械工业出版社，1986
