spContent=本课程旨在培养学生掌握自动控制系统分析和设计的基本理论和方法,为学生进一步学习、研究和处理机械工程控制问题打下基础。课程曾获国家精品课程(2006年)、国家级精品课程资源共享课(2016年)。“控制工程基础”教材获国家十五、十一五、十二五规划教材。
本课程旨在培养学生掌握自动控制系统分析和设计的基本理论和方法,为学生进一步学习、研究和处理机械工程控制问题打下基础。课程曾获国家精品课程(2006年)、国家级精品课程资源共享课(2016年)。“控制工程基础”教材获国家十五、十一五、十二五规划教材。
—— 课程团队
课程概述
自动控制技术是人类拓展自身技能及改造客观世界的重要手段,是实现人工智能尤其是智能机械、智慧城市等的技术和理论基础,随着物联网、大数据、智能制造等国家战略的提出和实施,对自动控制理论和技术的需求越来越多,要求也越来越高。本课程旨在通过对自动控制理论的学习,培养学生掌握自动控制的基本知识和技能,掌握自动控制系统分析和设计的基本理论和方法,能够对系统的稳定性、动态性能、稳态精度等进行定性分析和定量计算,为学生进一步学习、研究和处理机械工程技术问题打下基础。
课程紧扣机械工程对学生知识、能力需求的变化,建立了旨在全面提高机械类学生控制技术基本素养与创新意识、增强学生控制系统设计能力的理论教学、实践教学、科学研究三元一体教学体系,在实际讲授过程中,结合课程组积累的解决工程实际问题的经验,逐渐形成了由基本概念、分析方法、工程应用和案例设计等多种形式组成的授课体系,教学内容包含控制系统基本理论、控制系统数学描述、控制系统性能分析、控制系统设计四大部分,并按照:基本概念、分析方法、工程应用体系组织教学。理论教学课时48 学时。
通过本课程的学习,使得学生:
(1) 掌握机械测控系统的基本知识、负反馈控制的基本原理以及机电控制系统建模的基本理论和方法,能够根据所建立的模型对机电控制系统进行推演、分析。
(2) 掌握反馈控制系统时域、频域性能分析和系统频域设计的基本原理和基本方法,具备反馈控制系统分析和设计的基本能力。
(3) 掌握机电控制系统实验设计的基本方法,具备一般机电控制系统性能测试和实验设计能力,培养学生的实践能力。
本课程曾荣获国家精品课程、国家级精品资源共享课,配套教材为国家级十五、十一五、十二五规划教材。
授课目标
(1) 掌握机械测控系统的基本知识、负反馈控制的基本原理以及机电控制系统建模的基本理论和方法,能够根据所建立的模型对机电控制系统进行推演、分析。
(2) 掌握反馈控制系统时域、频域性能分析和系统频域设计的基本原理和基本方法,具备反馈控制系统分析和设计的基本能力。
(3) 掌握机电控制系统实验设计的基本方法,具备一般机电控制系统性能测试和实验设计能力,培养学生的实践能力。
成绩 要求
每个学习单元包括若干视频、PPT、单元测验、单元作业、讨论,学习过程结束有考试;
部分章节有随堂测验,随堂测验一般是选择题、填空或判断题,不计分;
本课程共有5次单元作业,每次5-10题不等,计入总分,占总成绩的25%;
本课程共有5次单元测验,每次10-20题不等,计入总分,占总成绩的25%;
期末考试,由10-30题选择、填空、判断等客观题及计算、证明题组成。计入总分,占总成绩的40%;
参与论坛讨论,占总成绩的10%(在课程论坛“课堂交流区”参与回复的数量达到10个即满分)。
60分~69分合格,70分~79分中等,80分~89分良好,90分~100分优秀。
课程大纲
控制系统的基本概念
课时目标:理解和掌握自动控制系统的工作原理及基本概念,对给定的控制系统能够确定系统各组成环节的功能及其作用,确定被控制量、被控制对象,并绘制系统的功能框图,阐述其控制原理;掌握开环和闭环控制系统的结构特点,了解自动控制控制系统的分类和自动控制系统的基本性能需求,能够针对给定的控制系统确定其控制结构、所属类别及性能要求。
1.1 控制系统的工作原理
1.2 控制系统的结构及其组成
1.3 控制系统的类型及基本要求
数学模型
课时目标:掌握控制系统微分方程的定义,能够列写控制系统运动微分方程。掌握拉氏变换及逆变换定义及性质,能够求解典型函数的拉氏变换及逆变换。掌握传递函数的定义,能够求解控制系统的传递函数。掌握系统框图绘制的基本原理与方法,能够绘制系统框图并根据运算规则进行框图化简。
2.1 数学模型的基本概念及建模方法
2.2 控制系统的运动微分方程
2.3 非线性系统的线性化
2.4 拉普拉氏变换
2.5 拉普拉氏变换的性质
2.6 拉普拉氏反变换
2.7 应用拉普拉氏变换求解微分方程
2.8 传递函数
2.9 典型环节及其传递函数
2.10 控制系统的方框图
2.11 控制系统方框图的建立
2.12 方框图化简
2.13 控制系统的传递函数
控制系统时域分析方法
课时目标:掌握控制系统一阶系统、二阶系统的基本概念与时域性能分析方法,能够定性分析其性能,定量计算二阶系统性能指标;掌握高阶系统时间响应的基本概念,理解高阶系统中主导极点、偶极子的定义,能够运用主导极点对高阶系统进行近似分析;掌握系统稳态误差与稳态误差系数的基本概念,能够运用稳态误差定义以及稳态误差系数分析系统稳态性能;掌握系统稳定性的基本概念,能够运用劳斯稳定性判据判断系统稳定性;掌握系统相对稳定性基本概念,能够运用坐标轴平移方法计算系统相对稳定性程度。
3.1 典型输入信号
3.2 一阶系统的时间响应
3.3 二阶系统的时间响应
3.4 二阶系统的性能指标
3.5 高阶系统的时间响应
3.6 稳态误差
3.7 稳态误差系数
3.8 稳定的基本概念
3.9 稳定性分析
3.10 相对稳定性
频域分析法
课时目标:理解和掌握频率响应的基本概念以及典型环节的频率特性,能够快速画出复杂系统的奈奎斯特图和波德图,可以通过实验获取的波德图获得复杂系统的传递函数;理解和掌握在频域里分析系统稳定性的判据以及稳定性裕量指标;了解时域与频域性能指标间的关系,并能够用系统开环频率特性分析闭环系统的性能。
4.1 频率特性的基本概念
4.2 典型环节的频率特性
4.3 奈奎斯特(Nyquist)图的绘制
4.4 波德(Bode)图的绘制
4.5 传递函数的实验确定法
4.6 幅角定理
4.7 奈奎斯特(Nyquist)稳定性判据
4.8 对数频率特性的稳定性判据
4.9 稳定性裕量
4.10闭环系统频率特性的求取
4.11闭环系统的频域指标
4.12频域指标与时域性能指标间的关系
4.13用系统开环频率特性分析闭环系统性能
控制系统设计与校正
课时目标:控制系统设计与校正就是根据被控对象特性,选择适当的控制规律,实现给定性能指标。简而言之,就是设计控制器。学习本章节,首先要求结合前面章节所学的时域和频域方法,掌握PID控制、超前校正、滞后校正以及滞后超前校正等常见校正方法的基本原理;其次,能够根据控制对象及性能要求,选用适合的校正方法解决控制问题。
5.1 控制系统设计与校正的基本概念
5.2 PID串联校正原理
5.3 PID串联校正的频域法
5.4 近似PD串联校正方法:超前校正
5.5 近似PI串联校正方法:滞后校正
5.6 近似PID串联校正方法:超前与滞后校正
5.7 反馈校正
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预备知识
学习《控制工程基础》课程需要有一定的数学、物理学基础,尤其是对微积分、复变函数、力学、电工学等知识有一定的了解。
参考资料
[1] 王积伟,吴振顺主编. 控制工程基础(第3版)[M],北京: 高等教育出版社,2019.1
[2] Richard C. Dorf, Robert H. Bishop. Modern Control Systems (第十版)[M], 北京:科学出版社,培生教育出版集团,2002.3