機電控制工程基礎.ppt

北京交通大學 吳斌,機電控制工程基礎,課程的性質(zhì)和任務,課程的性質(zhì) 中央廣播電視大學機械設計制造及其自動化專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎課程 課程的任務 通過本課程的教學和實踐，使學生掌握自動控制的基本理論、自動控制系統(tǒng)校正及設計基本方法，全面培養(yǎng)學生分析系統(tǒng)、設計系統(tǒng)的能力，使學生在面對實際問題時，能夠站在系統(tǒng)的、全局的高度來思考。,課程的基本要求,深刻理解自動控制系統(tǒng)的基本概念，區(qū)分開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)； 能夠熟練建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)數(shù)學模型，掌握系統(tǒng)復雜動態(tài)結構圖的化簡，了解機電系統(tǒng)的微分方程的建立； 理解系統(tǒng)時域分析的基本概念，熟練求解一階和二階系統(tǒng)的響應，深刻理解系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念，掌握Routh穩(wěn)定性判據(jù)的基本思想，掌握系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的求解； 深刻理解頻率法的基本概念，掌握典型環(huán)節(jié)頻率特性的繪制方法，重點掌握系統(tǒng)暫態(tài)特性和開環(huán)頻率特性的關系; 掌握典型系統(tǒng)根軌跡的繪制原則； 理解控制系統(tǒng)校正的基本概念，能夠利用計算機工具實現(xiàn)系統(tǒng)的串聯(lián)校正、并聯(lián)校正，基本掌握PID控制方法。,課程的體系結構,控制系統(tǒng)的一般概念,控制系統(tǒng)建模,性能指標,時域法,頻域法,分析,根軌跡法,綜合,第一章 控制系統(tǒng)的一般概念,教學內(nèi)容 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié) 自動控制系統(tǒng)的類型 自動控制系統(tǒng)的性能指標。 教學要求 熟練掌握：開環(huán)與閉環(huán)的概念、閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理。 掌握：自動控制系統(tǒng)性能指標的概念。 了解：相關的工程應用實例。 教學重點 開環(huán)和閉環(huán)的概念； 負反饋工作原理。,第一章 控制系統(tǒng)的一般概念,教學方法與設計 結合實例，引出教學知識點（比如對開環(huán)、閉環(huán)等概念）； 針對教學內(nèi)容中的重點和難點均輔以例題，達到加深概念的理解，掌握基本原理的目的。 重點習題及其題型 類型1：根據(jù)系統(tǒng)的工作原理圖能運用所學知識分析該系統(tǒng)的組成并繪制出相應的系統(tǒng)框圖； 類型2：負反饋工作原理的運用。,思考題：圖為水溫控制系統(tǒng)示意圖。冷水在熱交換器中由通入的蒸汽加熱，從而得到一定溫度的熱水。冷水流量變化用流量計測量。試繪制系統(tǒng)方框圖，并說明系統(tǒng)的工作原理。,水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖,水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖,第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型,教學內(nèi)容 自動控制系統(tǒng)的微分方程的建立； 拉氏變換及反變換； 系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型； 系統(tǒng)動態(tài)結構圖及其等效變換。 教學要求 熟練掌握：系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型（定義，建立方法等）； 掌握：微分方程模型和傳遞函數(shù)模型間的關系；動態(tài)結構圖的等效變換。 了解：自動控制系統(tǒng)的微分方程模型；拉氏變換。 教學重點 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型及其求解方法。 教學方法（結合典型例題）,第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型,重點題型與習題 類型1：對一些基本概念的理解與掌握 數(shù)學模型； 傳遞函數(shù)的定義； 系統(tǒng)的零點與極點； 系統(tǒng)的特征多項式和特征方程； 在零初始條件下，微分方程模型如何轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)模型？,K增益, 首1標準型：, 尾1標準型：,類型2：已知系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，會熟練求取系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。,如何應用系統(tǒng)動態(tài)結構圖的等效變換準則，求取系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)？,第三章 控制系統(tǒng)的時域分析,教學內(nèi)容 單位階躍響應與控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標； 一階系統(tǒng)的階躍響應； 二階系統(tǒng)的階躍響應； Routh穩(wěn)定判據(jù)； 穩(wěn)態(tài)誤差的分析與計算。 教學要求 熟練掌握：一階、二階系統(tǒng)的階躍響應，Routh穩(wěn)定判據(jù)。 掌握：穩(wěn)態(tài)誤差的求取。 了解：高階系統(tǒng)的時域分析。,教學重點內(nèi)容 系統(tǒng)穩(wěn)定性及動態(tài)、靜態(tài)的基本概念； 一階及二階系統(tǒng)參數(shù)與動態(tài)性能指標間的關系與計算； 如何運用勞斯穩(wěn)定判據(jù)判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 需掌握的知識點 一階系統(tǒng),一階系統(tǒng)只有一個特征參數(shù)T。在一定輸入作用下，系統(tǒng)響應由時間常數(shù)T唯一確定。 系統(tǒng)的動態(tài)性能指標主要是調(diào)節(jié)時間。T越小，系統(tǒng)的快速性越好。,閉環(huán)傳遞函數(shù)為:,二階系統(tǒng)（重點）,典型二階系統(tǒng)在欠阻尼下的性能指標及其與系統(tǒng)參數(shù)的關系,控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 穩(wěn)定的定義 穩(wěn)定的充要條件 系統(tǒng)的閉環(huán)極點均位于s平面的左半平面。 穩(wěn)定的判據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)的應用,穩(wěn)態(tài)誤差 給定穩(wěn)態(tài)誤差和擾動穩(wěn)態(tài)誤差； 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差取決于系統(tǒng)自身的結構參數(shù)及輸入信號； 控制系統(tǒng)的型和穩(wěn)態(tài)誤差的關系。,第三章 控制系統(tǒng)的時域分析,典型題型與習題 典型題型1：二階系統(tǒng)動態(tài)性能指標的計算問題,例1一位置隨動系統(tǒng)，K4。求該系統(tǒng)的阻尼比、自然振蕩角頻率和單位階躍響應；系統(tǒng)的峰值時間、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量；若要求阻尼比等于0.707，應怎樣改變系統(tǒng)放大系數(shù)K值。,例2：給出二階系統(tǒng)的單位階躍響應圖，如何來確定系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù),0.25，計算得0.4,2，計算得,1.7,典型題型2：利用穩(wěn)定判據(jù)，判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 例1：已知系統(tǒng)的特征方程，直接應用勞斯穩(wěn)定判據(jù)來判別。 例2：已知系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，要求判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 例3：利用穩(wěn)定判據(jù)，分析系統(tǒng)參數(shù)的穩(wěn)定域。,典型題型3：勞斯穩(wěn)定判據(jù)的應用 例：已知系統(tǒng)結構圖，判定其穩(wěn)定性。,解法 運用Routh判據(jù),解,使系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)范圍：,典型題型4：綜合題,第四章 根軌跡法,教學內(nèi)容 根軌跡的基本概念； 根軌跡的繪制法則； 借助計算機工具繪制自動控制系統(tǒng)的根軌跡； 利用根軌跡來分析系統(tǒng)的性能。 教學要求 熟練掌握：根軌跡的基本概念與基本繪制法則； 掌握： 利用根軌跡來分析系統(tǒng)性能； 了解：運用計算機工具來繪制系統(tǒng)根軌跡。,第四章 根軌跡法,教學重點 根軌跡的基本概念 根軌跡繪制的準則（特別是根軌跡的起點、終點等，結合例子來說明）,根軌跡方程,由開環(huán)零、極點分布 Kg為可變參數(shù)時，閉環(huán)極點的變化軌跡。,第四章 根軌跡,根軌跡是如何反映系統(tǒng)的性能的？（通過實例來說明，強調(diào)動態(tài)性能） 教學方法 課堂講授中圍繞教學重點內(nèi)容（比如根軌跡概念、繪制法則、和形同性能間的關系等）結合典型例子來說明； 布置課后習題和課堂討論； 運用MATLAB軟件來繪制系統(tǒng)根軌跡，分析系統(tǒng)性能。,穩(wěn)定性 當增益K由0 ，根軌跡不會越過虛軸進入s平面右半邊。在0<K<范圍內(nèi)，系統(tǒng)是穩(wěn)定的 穩(wěn)態(tài)特性 開環(huán)傳遞函數(shù)在坐標原點有一個極點，所以屬I型系統(tǒng),由根軌跡圖來分析系統(tǒng)的各種性能：,動態(tài)特性,當0<K<0.5時，系統(tǒng)是過阻尼的；,當K=0.5時，系統(tǒng)為臨界阻尼狀態(tài)；,當K0.5時，系統(tǒng)是欠阻尼的。,第四章 根軌跡,考核重點 有關根軌跡的概念的理解； 簡單低階系統(tǒng)（如二階）根軌跡的繪制。,例：1) 判別如下系統(tǒng)的實軸根軌跡 2) 并選擇分離點和會合點可能出現(xiàn)的位置,1,-0.5,-1,-2,-3,-4,0.2357 -0.7832 -1.5732 -2.4824 -3.4725,第五章 頻域法,教學內(nèi)容 頻率特性的基本概念與頻率特性的幾種表示方法； 典型環(huán)節(jié)的頻率特性； 系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制； 用頻率法分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 系統(tǒng)暫態(tài)特性和開環(huán)頻率特性之間的關系。 教學要求 熟練掌握：頻率特性的基本概念，典型環(huán)節(jié)的頻率特性。 掌握：借助計算機工具繪制系統(tǒng)開環(huán)頻率特性，用頻率法分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)暫態(tài)特性和開環(huán)頻率特性之間的關系。 了解：相關工程應用實例的頻域分析。,第五章 頻域法,教學重點 系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制（開環(huán)對數(shù)漸近幅頻特性的繪制） 用頻率法分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 系統(tǒng)暫態(tài)特性和頻率特性之間的關系。 需掌握的知識點 頻率特性的基本概念,線性定常系統(tǒng)，在正弦信號作用下，輸出的穩(wěn)態(tài)分量與輸入的復數(shù)比，稱為系統(tǒng)的頻率特性,頻率特性的求取（只要求掌握解析法）,解析方法 1）求取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)W(s) 2）令s = j 3）得到W(j) 4) 幅頻特性 相頻特性,頻率特性的表示 幅相頻率特性圖（Nyquist圖） 對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性（伯德圖） 頻率特性的繪制 典型環(huán)節(jié)的頻率特性 系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制 最小相位系統(tǒng)的開環(huán)幅頻特性與系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)間的對應關系,奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù) 如果開環(huán)是穩(wěn)定的，那么閉環(huán)穩(wěn)定的條件是：當由- 時，Wk(j) 的軌跡不包圍（-1，j0）點。 如果開環(huán)是不穩(wěn)定的，那么閉環(huán)穩(wěn)定的條件是：當由- 時，Wk(j) 的軌跡應該逆時針繞（-1，j0）點N = P圈。 穩(wěn)定裕量（幅值裕量與相位裕量）了解,第五章 頻域法,重點習題與題型 題型1：典型環(huán)節(jié)的對數(shù)頻率特性的繪制 題型2：最小相位系統(tǒng)的漸近對數(shù)幅頻特性和系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)間的關系 題型3：應用Nyquist 穩(wěn)定判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,第六章 控制系統(tǒng)綜合,教學內(nèi)容 控制系統(tǒng)校正的基本概念 串聯(lián)校正，并聯(lián)校正，PID控制方法。 教學要求 熟練掌握：控制系統(tǒng)校正的基本概念 掌握：串聯(lián)校正，并聯(lián)校正 了解：PID控制方法的工程應用實例。 教學重點 基本概念；校正的思想； 結合實例來說明校正的作用。,教學方法 以課堂講授為主，本章的系統(tǒng)設計是不考慮機構的問題，只是在數(shù)學模型的層面上進行設計，是前面所學各章節(jié)的靈活應用，需要牢固的基礎知識，而且本章也是一種綜合性的復習。通過典型系統(tǒng)的設計，可以把前面所有的知識融會貫通，從而使學生能夠系統(tǒng)地掌握自動控制原理這門課程的核心內(nèi)容。 通過布置大作業(yè)的形式，要求學生利用MATLAB軟件完成一個控制系統(tǒng)的分析與控制器的設計，并給出詳細的實現(xiàn)方法和步驟，以小論文的形式提交。,第六章 控制系統(tǒng)綜合,考核重點（考核學生對基本概念的理解）,校正就是在系統(tǒng)中加入一些其參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機構或裝置，使系統(tǒng)整個特性發(fā)生變化，從而滿足給定的各項性能指標。 基于頻率域校正的實質(zhì)就是引入校正裝置去改變原系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特性的形狀，使其滿足給出的性能指標。 根據(jù)校正裝置在系統(tǒng)中的位置劃分，校正方式有串聯(lián)校正和反饋校正；根據(jù)校正裝置的特性劃分，有超前校正和滯后校正 超前校正裝置具有相位超前特性。用來達到增大系統(tǒng)的相角裕量和帶寬，從而提高系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性和響應速度。 滯后校正裝置具有相位滯后特性。可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益因此滯后校正常用來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，同時基本保持原來的暫態(tài)指標,教學方法和教學形式的建議,本課程是一門理論性和實踐性都很強的課程，涉及面較寬，所以要強調(diào)利用多種教學手段，完成大綱要求。課程教學形式建議以課堂講授為生，輔助實踐環(huán)節(jié)的訓練，并通過課后練習和自學加強對所學知識的理解。有條件時可進行網(wǎng)上教學。 課堂講授 （1） 建議利用電子教案或課件，結合板書授課，這樣既可增大信息量又使學生思路跟得上教師的講課進度； （2） 建議結合學生專業(yè)特點，多舉一些應用實例，在講授知識的同時，著重講授提出問題、解決問題的方法。也可以引進課上討論分析的手段，提高學生的參與度，但設計的問題要合適、明確、有趣； （3） 建議在講授基本知識點、基本要求的同時，結合計算機應用技術的發(fā)展，給學生介紹一些相關的新型知識、技術、典型產(chǎn)品等。,課程實驗 本課程是一門理論性和實踐性都很強的課程，課堂講解知識的理解要靠實驗和后續(xù)課程的支持。實驗應該是一項重要內(nèi)容，所以建議： 多設計幾個實驗，每個實驗盡量分為基本要求和提高要求，以滿足不同學生的需要； 實驗內(nèi)容和形式盡量新穎，發(fā)揮學生的主動性和積極性。 實驗一：典型環(huán)節(jié)的模擬研究 實驗二：動態(tài)系統(tǒng)的時域分析 實驗三：動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)值模擬 實驗四：動態(tài)系統(tǒng)的頻率特性研究 實驗五：動態(tài)系統(tǒng)的校正研究,教學要求的層次 課程的教學要求大體上分為三個層次：熟練掌握、掌握、了解。 （1）熟練掌握：要求學生深入理解和熟練掌握所學內(nèi)容，能夠舉一反三。 （2）掌握：要求學生較好地理解和掌握所學內(nèi)容，并且能夠進行簡單的分析和判斷。 （3）了解：要求學生一般地了解所學內(nèi)容。,研究性教學 圍繞各章教學重點內(nèi)容，除布置課后一定數(shù)量的作業(yè)題外，為了提高學生的理解能力和應用研究的實踐能力，可以適當設計一些研究專題，并開展研究性專題的課堂討論。 研究性專題1：學生通過查閱資料，對一個控制系統(tǒng)實例進行描述并建立其數(shù)學模型。主要是針對第一章和第二章的知識點，使學生通過查閱資料，分析一個控制系統(tǒng)實例的組成和工作原理，同時建立其傳遞函數(shù)模型。 研究性專題2：運用MATLAB軟件建立控制系統(tǒng)數(shù)學模型，并對一個實際系統(tǒng)進行時域分析。主要是使學生學會如何在MATLAB中表示控制系統(tǒng)數(shù)學模型，并運用第三章所講授的控制系統(tǒng)時域分析法對控制系統(tǒng)進行分析。 研究性專題3：典型控制系統(tǒng)的分析與實現(xiàn)。主要是使學生對控制系統(tǒng)的校正有一定的了解。通過校正前后系統(tǒng)性能的分析，了解校正裝置對系統(tǒng)穩(wěn)定性動態(tài)性能的影響。,作業(yè) 本課程的作業(yè)配合課堂教學內(nèi)容，分為思考題和書面作業(yè)。 思考題包括一些基本概念、定理、原理等的深入理解和記憶； 書面作業(yè)（可以將實驗中的任務作為作業(yè)提前布置下去，完成實驗的準備）。,