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1、北京交通大學(xué) 吳斌,機(jī)電控制工程基礎(chǔ),課程的性質(zhì)和任務(wù),課程的性質(zhì) 中央廣播電視大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課程 課程的任務(wù) 通過(guò)本課程的教學(xué)和實(shí)踐，使學(xué)生掌握自動(dòng)控制的基本理論、自動(dòng)控制系統(tǒng)校正及設(shè)計(jì)基本方法，全面培養(yǎng)學(xué)生分析系統(tǒng)、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力，使學(xué)生在面對(duì)實(shí)際問(wèn)題時(shí)，能夠站在系統(tǒng)的、全局的高度來(lái)思考。,課程的基本要求,深刻理解自動(dòng)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(xué)模型，掌握系統(tǒng)復(fù)雜動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡(jiǎn)，了解機(jī)電系統(tǒng)的微分方程的建立； 理解系統(tǒng)時(shí)域分析的基本概念，熟練求解一階和二階系統(tǒng)的響應(yīng)，深刻理解系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念，掌握Rou
2、th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(diǎn)掌握系統(tǒng)暫態(tài)特性和開環(huán)頻率特性的關(guān)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(jì)算機(jī)工具實(shí)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(jié)構(gòu),控制系統(tǒng)的一般概念,控制系統(tǒng)建模,性能指標(biāo),,,時(shí)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(xué)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(dòng)控制系統(tǒng)的類型 自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 教學(xué)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(dòng)控
3、制系統(tǒng)性能指標(biāo)的概念。 了解：相關(guān)的工程應(yīng)用實(shí)例。 教學(xué)重點(diǎn) 開環(huán)和閉環(huán)的概念； 負(fù)反饋工作原理。,第一章 控制系統(tǒng)的一般概念,教學(xué)方法與設(shè)計(jì) 結(jié)合實(shí)例，引出教學(xué)知識(shí)點(diǎn)（比如對(duì)開環(huán)、閉環(huán)等概念）； 針對(duì)教學(xué)內(nèi)容中的重點(diǎn)和難點(diǎn)均輔以例題，達(dá)到加深概念的理解，掌握基本原理的目的。 重點(diǎn)習(xí)題及其題型 類型1：根據(jù)系統(tǒng)的工作原理圖能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析該系統(tǒng)的組成并繪制出相應(yīng)的系統(tǒng)框圖； 類型2：負(fù)反饋工作原理的運(yùn)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(jì)測(cè)量。試?yán)L制系統(tǒng)方框圖，并說(shuō)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
4、調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖,第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,教學(xué)內(nèi)容 自動(dòng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其等效變換。 教學(xué)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(guān)系；動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變換。 了解：自動(dòng)控制系統(tǒng)的微分方程模型；拉氏變換。 教學(xué)重點(diǎn) 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型及其求解方法。 教學(xué)方法（結(jié)合典型例題）,第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,重點(diǎn)題型與習(xí)題 類型1：對(duì)一些基本概念的理解與掌握 數(shù)學(xué)模型； 傳遞函數(shù)的定義； 系統(tǒng)的零點(diǎn)與極點(diǎn)； 系統(tǒng)的特征多項(xiàng)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
5、遞函數(shù)模型？,K增益, 首1標(biāo)準(zhǔn)型：, 尾1標(biāo)準(zhǔn)型：,,類型2：已知系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，會(huì)熟練求取系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。,如何應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變換準(zhǔn)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(shí)域分析,教學(xué)內(nèi)容 單位階躍響應(yīng)與控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)； 一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)； 二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)； Routh穩(wěn)定判據(jù)； 穩(wěn)態(tài)誤差的分析與計(jì)算。 教學(xué)要求 熟練掌握：一階、二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，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(shí)域分析。,,教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容 系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的基本概念； 一階及二階系統(tǒng)參數(shù)與動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)間的關(guān)系與計(jì)算； 如何運(yùn)用勞斯穩(wěn)定判據(jù)判別系統(tǒng)
6、的穩(wěn)定性。 需掌握的知識(shí)點(diǎn) 一階系統(tǒng),一階系統(tǒng)只有一個(gè)特征參數(shù)T。在一定輸入作用下，系統(tǒng)響應(yīng)由時(shí)間常數(shù)T唯一確定。 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)主要是調(diào)節(jié)時(shí)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(diǎn)）,典型二階系統(tǒng)在欠阻尼下的性能指標(biāo)及其與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)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(diǎn)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(yīng)用,穩(wěn)態(tài)誤差 給定穩(wěn)態(tài)誤差和擾動(dòng)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(jié)構(gòu)參數(shù)及輸入信號(hào)； 控制系統(tǒng)的型和穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)系。,第三章 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析,典型題型與習(xí)題 典型題型1：二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算問(wèn)題,例1
7、一位置隨動(dòng)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(yīng)；系統(tǒng)的峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量；若要求阻尼比等于0.707，應(yīng)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(yīng)圖，如何來(lái)確定系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù),0.25，計(jì)算得0.4,2，計(jì)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(yīng)用勞斯穩(wěn)定判據(jù)來(lái)判別。 例2：已知系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)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(yīng)用 例：已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，判定其穩(wěn)定性。,解法 運(yùn)用Routh判據(jù),解,使系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)范
8、圍：,典型題型4：綜合題,第四章 根軌跡法,教學(xué)內(nèi)容 根軌跡的基本概念； 根軌跡的繪制法則； 借助計(jì)算機(jī)工具繪制自動(dòng)控制系統(tǒng)的根軌跡； 利用根軌跡來(lái)分析系統(tǒng)的性能。 教學(xué)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(lái)分析系統(tǒng)性能； 了解：運(yùn)用計(jì)算機(jī)工具來(lái)繪制系統(tǒng)根軌跡。,第四章 根軌跡法,教學(xué)重點(diǎn) 根軌跡的基本概念 根軌跡繪制的準(zhǔn)則（特別是根軌跡的起點(diǎn)、終點(diǎn)等，結(jié)合例子來(lái)說(shuō)明）,根軌跡方程,由開環(huán)零、極點(diǎn)分布 Kg為可變參數(shù)時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)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(guò)實(shí)例來(lái)說(shuō)明，強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)性能） 教學(xué)方法 課堂講授中圍繞教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)
9、容（比如根軌跡概念、繪制法則、和形同性能間的關(guān)系等）結(jié)合典型例子來(lái)說(shuō)明； 布置課后習(xí)題和課堂討論； 運(yùn)用MATLAB軟件來(lái)繪制系統(tǒng)根軌跡，分析系統(tǒng)性能。,穩(wěn)定性 當(dāng)增益K由0 ，根軌跡不會(huì)越過(guò)虛軸進(jìn)入s平面右半邊。在0
10、并選擇分離點(diǎn)和會(huì)合點(diǎn)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(xué)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(guān)系。 教學(xué)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(jì)算機(jī)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(guān)系。 了解：相關(guān)工程應(yīng)用實(shí)例的頻域分析。,第五章 頻域法,教學(xué)重點(diǎn) 系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪
11、制（開環(huán)對(duì)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(guān)系。 需掌握的知識(shí)點(diǎn) 頻率特性的基本概念,線性定常系統(tǒng)，在正弦信號(hào)作用下，輸出的穩(wěn)態(tài)分量與輸入的復(fù)數(shù)比，稱為系統(tǒng)的頻率特性,,頻率特性的求?。ㄖ灰笳莆战馕龇ǎ?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(duì)數(shù)幅頻特性和對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系,奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù) 如
12、果開環(huán)是穩(wěn)定的，那么閉環(huán)穩(wěn)定的條件是：當(dāng)由- 時(shí)，Wk(j) 的軌跡不包圍（-1，j0）點(diǎn)。 如果開環(huán)是不穩(wěn)定的，那么閉環(huán)穩(wěn)定的條件是：當(dāng)由- 時(shí)，Wk(j) 的軌跡應(yīng)該逆時(shí)針繞（-1，j0）點(diǎn)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(diǎn)習(xí)題與題型 題型1：典型環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)頻率特性的繪制 題型2：最小相位系統(tǒng)的漸近對(duì)數(shù)幅頻特性和系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)間的關(guān)系 題型3：應(yīng)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(xué)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(xué)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
13、 了解：PID控制方法的工程應(yīng)用實(shí)例。 教學(xué)重點(diǎn) 基本概念；校正的思想； 結(jié)合實(shí)例來(lái)說(shuō)明校正的作用。,,教學(xué)方法 以課堂講授為主，本章的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是不考慮機(jī)構(gòu)的問(wèn)題，只是在數(shù)學(xué)模型的層面上進(jìn)行設(shè)計(jì)，是前面所學(xué)各章節(jié)的靈活應(yīng)用，需要牢固的基礎(chǔ)知識(shí)，而且本章也是一種綜合性的復(fù)習(xí)。通過(guò)典型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以把前面所有的知識(shí)融會(huì)貫通，從而使學(xué)生能夠系統(tǒng)地掌握自動(dòng)控制原理這門課程的核心內(nèi)容。 通過(guò)布置大作業(yè)的形式，要求學(xué)生利用MATLAB軟件完成一個(gè)控制系統(tǒng)的分析與控制器的設(shè)計(jì)，并給出詳細(xì)的實(shí)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(diǎn)（考核學(xué)生對(duì)基本概念的理解）,校正就是在系統(tǒng)中加入
14、一些其參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機(jī)構(gòu)或裝置，使系統(tǒng)整個(gè)特性發(fā)生變化，從而滿足給定的各項(xiàng)性能指標(biāo)。 基于頻率域校正的實(shí)質(zhì)就是引入校正裝置去改變?cè)到y(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性的形狀，使其滿足給出的性能指標(biāo)。 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(lái)達(dá)到增大系統(tǒng)的相角裕量和帶寬，從而提高系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。 滯后校正裝置具有相位滯后特性?？梢蕴岣呦到y(tǒng)的開環(huán)增益因此滯后校正常用來(lái)改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，同時(shí)基本保持原來(lái)的暫態(tài)指標(biāo),教學(xué)方法和教學(xué)形式的建議,本課程是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，涉及面較寬，
15、所以要強(qiáng)調(diào)利用多種教學(xué)手段，完成大綱要求。課程教學(xué)形式建議以課堂講授為生，輔助實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，并通過(guò)課后練習(xí)和自學(xué)加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。有條件時(shí)可進(jìn)行網(wǎng)上教學(xué)。 課堂講授 （1） 建議利用電子教案或課件，結(jié)合板書授課，這樣既可增大信息量又使學(xué)生思路跟得上教師的講課進(jìn)度； （2） 建議結(jié)合學(xué)生專業(yè)特點(diǎn)，多舉一些應(yīng)用實(shí)例，在講授知識(shí)的同時(shí)，著重講授提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法。也可以引進(jìn)課上討論分析的手段，提高學(xué)生的參與度，但設(shè)計(jì)的問(wèn)題要合適、明確、有趣； （3） 建議在講授基本知識(shí)點(diǎn)、基本要求的同時(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，給學(xué)生介紹一些相關(guān)的新型知識(shí)、技術(shù)、典型產(chǎn)品等。,課程實(shí)驗(yàn) 本課程是一門理
16、論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課堂講解知識(shí)的理解要靠實(shí)驗(yàn)和后續(xù)課程的支持。實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是一項(xiàng)重要內(nèi)容，所以建議： 多設(shè)計(jì)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)盡量分為基本要求和提高要求，以滿足不同學(xué)生的需要； 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和形式盡量新穎，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和積極性。 實(shí)驗(yàn)一：典型環(huán)節(jié)的模擬研究 實(shí)驗(yàn)二：動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)域分析 實(shí)驗(yàn)三：動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)值模擬 實(shí)驗(yàn)四：動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的頻率特性研究 實(shí)驗(yàn)五：動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的校正研究,教學(xué)要求的層次 課程的教學(xué)要求大體上分為三個(gè)層次：熟練掌握、掌握、了解。 （1）熟練掌握：要求學(xué)生深入理解和熟練掌握所學(xué)內(nèi)容，能夠舉一反三。 （2）掌握：要求學(xué)生較好地理解和掌握所學(xué)內(nèi)容，并且能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析和判斷。 （
17、3）了解：要求學(xué)生一般地了解所學(xué)內(nèi)容。,研究性教學(xué) 圍繞各章教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容，除布置課后一定數(shù)量的作業(yè)題外，為了提高學(xué)生的理解能力和應(yīng)用研究的實(shí)踐能力，可以適當(dāng)設(shè)計(jì)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(xué)生通過(guò)查閱資料，對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)例進(jìn)行描述并建立其數(shù)學(xué)模型。主要是針對(duì)第一章和第二章的知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生通過(guò)查閱資料，分析一個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)例的組成和工作原理，同時(shí)建立其傳遞函數(shù)模型。 研究性專題2：運(yùn)用MATLAB軟件建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析。主要是使學(xué)生學(xué)會(huì)如何在MATLAB中表示控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用第三章所講授的控制系統(tǒng)時(shí)域分析法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。 研究性專題3：典型控制系統(tǒng)的分析與實(shí)現(xiàn)。主要是使學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)的校正有一定的了解。通過(guò)校正前后系統(tǒng)性能的分析，了解校正裝置對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)性能的影響。,作業(yè) 本課程的作業(yè)配合課堂教學(xué)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(shí)驗(yàn)中的任務(wù)作為作業(yè)提前布置下去，完成實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備）。,
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