机械工程控制基础教案
2020-03-02 09:23:46 来源：范文大全收藏下载本文
第一章 绪论
[教学内容]
1．控制理论学科的发展概况
2．控制理论的研究对象
3．控制系统的工作原理及基本要求
4．学习目的和学习方法
[教学安排]
安排的教学时数：4学时
[知识点及基本要求]
了解机械控制工程理论的由来和发展，了解其在机械制造领域中的作用。熟悉有关“反馈与反馈控制”的基本概念。学习分析具体控制系统的组成环节，知道系统的被控对象、被控量、扰动量、控制量等，会画工作原理方框图。
[重点和难点]
反馈与反馈控制；
控制系统的概念；
[教学法设计]
应用多媒体课件，开展案例教学。
第二章 控制系统的数学模型
[教学内容]
1．控制系统动态微分方程的建立以及非线性方程的线性化；
2．传递函数的概念及传递函数方块图的简化方法；
3．典型环节的传递函数；
[教学安排]
本章安排的教学时数：6学时
2.1.1 线性系统与非线性系统；2.1.2 线性系统微分方程的列写；2.1.3系统非线性微分方程的线性化。安排2学时。
2.2.1 传递函数的定义；2.2.2传递函数的常见形式；2.3.1控制系统的基本联接方式；2.3.2扰动作用下的闭环控制系统。安排2学时
2.3.3 传递函数方块图的绘制；2.3.4传递函数方块图的变换；2.3.5传递函数方块图的简化。安排2学时。
2.4 典型环节的传递函数。安排2学时。
[知识点及其基本要求]
2.1 控制系统的微分方程
线性系统与非线性系统，以质量-弹簧系统等为例引出线性系统与非线性系统的概念，让学生对概念有明确的理解；
线性系统微分方程的列写，是本次课的重点，通过力学、电学等方面的实例让学生掌握动态系统建模的方法；
系统非线性微分方程的线性化，让学生理解非线性动态微分方程线性化的处理方法。
2.2 传递函数
传递函数的定义，是本次课的重点讲解内容，通过实例让学生理解为什么要引入传递函数表述动态系统；
传递函数的常见形式，让学生了解它的多种表达方式；
控制系统的基本联接方式，主要掌握串联、并联和反馈控制等基本联接方式；
扰动作用下的闭环控制系统。
3.3传递函数方块图的绘制；
传递函数方块图的变换，是学生掌握的重点和难点；
传递函数方块图的简化，通过大量的训练能熟练掌握。
2.4典型环节的传递函数
了解每一个典型环节的传递函数表达的含义，并能熟练掌握传递函数的表达式。
[重点和难点]
传递函数的定义；
传递函数方框图的变换和简化。
[教学法设计]
多种实例分析贯穿本章教学始终，做到举一反三，全面理解和熟练应用。
[应用]
以例子穿插讲解。
[板书设计]
结合多媒体课件，进行教学。
第三章 控制系统的时域分析
[教学内容]
1．时间响应的基本概念及其组成，几种典型的输入信号；
2．一阶系统的时间响应，二阶系统的时间响应；
3．控制系统的动态性能指标；
4．控制系统的稳定性。
[教学安排]
本章安排的教学时数：8学时
3.1.1 时间响应及其组成；3.1.2 典型输入信号；3.2一阶系统的时间响应。
安排2学时。
典型输入信号：单位阶跃信号、单位斜坡信号、单位加速度信号、单位脉冲信号、单位脉冲信号、单位正弦信号；
一阶系统的时间响应介绍一阶系统在单位阶跃信号和单位脉冲信号输入下的响应。
3.3 二阶系统的时间响应。安排2学时
介绍二阶系统的数学模型以及二阶系统在单位阶跃信号和单位脉冲信号输入下的响应。
3.5 控制系统的动态性能指标。安排2学时。
介绍欠阻尼状态下的二阶系统在单位阶跃输入的响应下瞬态响应指标：上升时间、峰值时间、最大超调量、调整时间，并举例求响应的响应指标。
3.6 控制系统的稳定性。安排2学时。
稳定性的基本概念及线性系统稳定的充要条件，Routh（劳斯）稳定判据
[知识点及其基本要求]
3.1 时间响应与典型输入信号
时间响应的概念，以质量-弹簧系统为例介绍时间响应的组成：瞬态响应与稳态响应，为单位反馈系统时，其偏差与误差相等。
选取典型输入信号的基本原则，单位阶跃信号、单位斜坡信号、单位加速度信号、单位脉冲信号、单位脉冲信号、单位正弦信号等典型信号的产生与数学表达式及其拉氏变换；
3.2 一阶系统的时间响应
一阶系统的微分方程及其传递函数，一阶系统的单位阶跃响应及其性能参数，一阶系统的单位脉冲响应。
3.3 二阶系统的时间响应
二阶系统的微分方程及其传递函数，分情况讨论欠阻尼系统、临界阻尼系统、过阻尼系统、零阻尼系统。
二阶系统的单位阶跃响应，讨论二阶系统在不同阻尼情况下的单位阶跃响应。二阶系统在不同阻尼情况下的单位脉冲响应。
3.5 控制系统的动态性能指标
瞬态响应的性能指标，根据欠阻尼状态下的二阶环节对单位阶跃输入的时间响应，性能指标包括上升时间、峰值时间、最大超调量、调整时间。举例进行介绍如何理解与求解这些性能指标。
3.6 控制系统的稳定性
稳定性的基本概念，线性系统稳定的充要条件，判断控制系统稳定性的方法有两大类：直接求解系统特征方程，根据极点分布来判定系统稳定性，另一类是不求解特征方程的间接方法—Routh（劳斯）稳定判据。
[重点和难点]
二阶系统时间响应；
控制系统的动态响应指标。 [教学法设计]
时间响应基本概念以及典型输入信号通过直接法给出；
通过实例分析计算控制系统的时间响应以及时间性能指标的计算，Routh（劳斯）稳定判据的计算。
[应用]
以例子穿插讲解。
[板书设计]
结合多媒体课件，进行教学。
第四章 控制系统的频域分析
[教学内容]
（1）频率特性的基本概念
（2）频率特性图示方法（典型环节Nyquist图和Bode图）
（3）频率特性的特征量、最小相位系统
（4）系统稳定性的初步概念、Routh判据
（5）Nyquist稳定性判据和Bode稳定性判据、
（6）系统的相对稳定性 [教学安排]
计划学时数：8 学时
（1）频率特性的基本概念，2学时；
（2）频率特性图示方法（典型环节Nyquist图和Bode图），4学时；
（3）频率特性的特征量、最小相位系统，2学时；
（4）系统稳定性的初步概念、Routh判据，2学时；
（5）Nyquist稳定性判据和Bode稳定性判据，4学时；
（6）系统的相对稳定性，2学时；
[知识点及其基本要求]
了解频率特性的定义及求法；熟悉典型环节频率特性的Nyquist图和Bode图；掌握一般系统Nyquist图和Bode图的画法（注意画图步骤和图面标注）；能应用代数判据和几何判据完成系统稳定性的判别；理解系统频域性能指标及其与时域指标的关系；理解什么是相对稳定性，掌握稳定裕量的计算方法。
[重点和难点]
典型环节的Nyquist图和Bode图；
稳定性的几何判据；
稳定裕量的计算
[教学法设计]
通过工程实例引入频率特性的概念；
使用MATLAB仿真案例
[板书设计]
结合多媒体课件，进行教学。
第五章 控制系统的误差分析
[教学内容]
1．控制系统的误差与偏差以及两者之间的对应关系；
2．瞬态过程与稳态过程、瞬态误差与稳态误差、静态误差与动态误差；
3．静态误差和动态误差的计算。
[教学安排]
本章安排的教学时数：6
5．1 误差的概念；5．2 系统的类型。安排2学时。
结合定义强调误差与偏差的不同以及两者的对应关系；
结合定义强调各误差不同、影响因素；
5．3 静态误差；5．4 动态误差。安排2学时。
不同类型系统的静态误差系数、不同输入信号作用下的静态误差；结合实例进行控制系统的静态误差的计算。
系统的动态误差系数计算；结合实例进行控制系统的动态误差的计算。 [知识点及其基本要求]
5．1 误差的概念
一、误差与偏差
控制系统的误差是系统的实际输出与期望输出的差；控制系统的偏差是系统的输入信号与反馈信号的差。两者定义是不同的，但是它们都是表示控制系统精度的量，都反映控制系统的稳态性能，并且它们之间具有确定的对应关系。控制系统为单位反馈系统时，其偏差与误差相等。
二、瞬态过程与瞬态误差
瞬态过程反映控制系统的动态响应性能，主要体现在系统对输入信号的响应速度和系统的稳定性这两个方面；对于稳定的系统，实际上瞬态误差在时间大于调整时间后可以认为基本衰减为零。
控制系统的误差主要是稳态误差。
三、稳态过程与稳态误差
稳态过程反映控制系统的稳态响应性能，它主要表现在系统跟踪输入信号的准确度或抑制干扰信号的能力上；稳态误差是评价控制系统稳态性能的主要指标，是随时间变化的量，与系统及其输入信号的特性有关。它分为静态误差和动态误差两类。
四、静态误差和动态误差
静态误差是系统稳态误差的极限值，其大小取决于系统静态误差系数；动态误差是控制系统稳态误差的过程量，反映稳态误差的变化规律，其大小取决于系统的动态误差系数和输入信号及其各阶导数。
5．2 系统的类型
静态误差为零的系统是无差系统，系统是有差系统还是无差系统取决于系统的类型和输入信号的形式。
5．3 静态误差
一、不同类型系统的静态误差系数
二、不同输入信号作用下的静态误差
三、结合实例进行控制系统的静态误差的计算。
5．4 动态误差
一、系统的动态误差系数计算
二、结合实例进行控制系统的动态误差的计算。
[重点和难点]
系统的动态误差系数计算；
控制系统的动态误差的计算。
[教学法设计]
采用对比分析各定义的异同，逐步引出静态误差、动态误差；
通过实例分析计算控制系统的静态误差、动态误差。
[应用]
例1：已知系统1和系统2的开环传递函数分别为
试计算其静态误差系数和动态误差系数。
例2：对于上例，试计算当控制输入信号分别为
时的静态误差和动态误差。
[板书设计]
结合多媒体课件，进行教学。 第六章 控制系统的综合与校正
[教学安排]：
教学时数 6；
教学手段：多媒体教学与仿真试验；
教辅工具：仿真软件MATLAB与MULTISIM；
教学法：形象比喻、设疑、思考、启发、仿真演示与结论；
[知识点及其基本要求]
滞后与超前的含义；
滞后容易理解，但系统为什么能做到超前（因为系统信号是有规律的）；
系统为什么不稳定，不稳定的实质是什么：系统反映过慢，对高频不能做出及时响应。
系统要稳定，有两种情况，（1）系统反映很快，在高频时，幅值与相位误差均很小；（2）系统反映较慢，在高频时，幅值与相位误差均很大，既对高频不敏感。比喻：大雪天不摔跤的两种人：反映快或反映慢走路很小心的人。
然后搞清楚校正的实质是什么？
举例说明超前顺馈校正提高稳定性与响应快速性的方法。
[重点和难点]
掌握系统不稳定的实质；
校正的实质。
[教学法设计]
一、用matlab仿真：（1）相位差超过180度，而幅值仍然大于1的系统；（2）观察这种情况下的反馈系统稳定性；分析原因，提出解决方案，同时理解校正的概念；
用电路仿真，学生观察信号的超前与滞后，并理论计算超前角与滞后角，与仿真结果相比较；
二、设计PID校正，并分析输入与输出的关系；
用电路仿真，观察输入与输出的情况，比对学生的思考。
[应用]
超前顺馈校正举例说明提高稳定性与响应快速性的方法。
人人范文网 m.inrrp.com.cn 手机版