机械工程控制基础

机械工程控制基础

罗忠 主讲教师
王晋雯 主讲教师
  东北大学   2019-01-01 ~ 2020-06-30   汉语
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《机械工程控制基础》课程是机械工程学科和相近学科的核心课程,是机械工程及自动化专业和相近专业的主要专业基础课。目前是机械工程与自动化学院的本科生平台课程,同时也是攻读机械电子工程专业硕士研究生的入学考试课。

本课程试图通过逻辑性强、比较严密的、富有启发性的讲解使学生牢固掌握机械工程控制系统建模、分析和综合的基本理论和方法,并同时适当了解有关控制理论领域新进展的概念;通过实验操作和对实际工程系统的介绍使学生明了理论与实践的关系;通过提供阅读书目(包括教材中较深的部分章节)、课堂提示、习题、实验使学生提高独立分析思考和自学能力。从而为从事控制理论的研究或控制工程的实践打下良好的基础,掌握必要的基本技能。


 

一、课程基本信息

《机械工程控制基础》,48学时,适用于机械工程及自动化专业学生,属专业基础课。
参考教材
①柳洪义,罗忠,宋伟刚,郝丽娜,王菲编著. 《机械工程控制基础(第二版)》,科学出版社,2011 
②罗忠,王菲,柳洪义编.《机械工程控制基础学习辅导与习题解答
》,科学出版社,2011 

③王菲,罗忠,鄂晓宇,柳洪义主编.《机械工程控制基础实验教程》,科学出版社,2014

二、主要内容

模块一 绪论

      本模块主要介绍了《机械工程控制基础》课程的结构体系、控制理论的发展及其工程应用、机械工程自动控制系统的基本结构组成及工作原理、机械工程自动控制系统的分类和基本要求。重点掌握机械工程自动控制系统的基本结构及工作原理

学习内容:
    单元一 《机械工程控制基础》课程的结构体系
    单元二 控制系统中的微分方程的含义
    单元三 机械工程自动控制系统的基本结构组成
    单元四 机械工程自动控制系统的工作原理
    单元五 机械自动控制系统的分类
    单元六 机械工程自动控制系统的基本要求

模块二 自动控制系统的数学模型和传递函数

       本模块主要介绍了应用理论推导建立电路系统及力学、机械系统的微分方程数学模型的方法,拉普拉斯变换,典型环节的拉普拉斯变换式;传递函数的求取,结构图的绘制,由结构图等效变换求传递函数等知识点。重点:常用元部件传递函数的求取;系统传递函数的求取。难点:结构图等效变换。

学习目标:

1. 明确数学模型的种类和各自的特点
2. 掌握建立系统数学模型的方法
3. 掌握拉氏变换及传递函数的求法
4. 掌握系统框图变换的技能  

学习内容:
    单元一 控制系统中微分方程的含义
    单元二 控制系统微分方程的建立方法
    单元三 拉普拉斯变换的定义与内涵
    单元四 典型时间函数的拉普拉斯变换形式
    单元五 拉普拉斯变换的基本性质
    单元六 拉普拉斯反变换
    单元七 传递函数的定义与内涵
    单元八 典型环节的传递函数
    单元九 系统方框图的组成和含义
    单元十 系统环节的基本连接方式
    单元十一 系统方框图的变换与简化

模块三 控制系统的时域分析法

       本模块引入时域分析的方法进行系统分析,时域分析法是根据系统的微分方程,采用拉氏变换直接求出系统的时间响应,再根据响应表达式和对应的曲线来分析系统,研究系统的输出信号和输入信号之间的关系。

学习目标:

1)了解时间响应的概念、组成及常用的典型输入信号。

2)掌握一阶系统的定义和基本参数;掌握一阶系统响应时间曲线的基本形状和参数意义。(重点

3)掌握二阶系统的定义和基本参数;掌握二阶系统响应时间曲线的基本形状和参数意义。(重点

4)掌握典型二阶系统欠阻尼情况下系统性能指标的计算方法。(重点

(5)了解工作台自动控制系统的时域分析方法。

学习内容:

    单元一 控制系统的时间响应
    单元二 典型输入信号
    单元三 一阶系统的单位脉冲响应
    单元四 一阶系统的单位阶跃响应
    单元五 一阶系统的单位斜坡响应
    单元六 二阶系统的单位脉冲响应
    单元七 二阶系统的单位阶跃响应
    单元八 二阶系统的单位斜坡响应
    单元九 二阶系统时间响应的性能指标
    单元十 二阶系统计算举例
    单元十一 工作台自动控制系统的时域分析

模块四 控制系统的频域分析法

       本模块介绍工程中广泛采用的频域分析法。频域分析法将传递函数从复数域引到频率域,建立系统性能与频谱之间的关系,特别适合机械系统动态特性的研究。主要内容包括频率特性的概念和求法、奈奎斯特图和伯德图的画法、频域性能指标以及最小相位系统的概念等。重点是频率特性图的画法以及对图形的理解。

学习目标:

1. 系统频域分析的意义
2. 系统的频率特性求法
3. Nyquist图和Bode图的画法
4. 系统的频率性能指标

学习内容:

    单元一 频率特性的概念和表示方法
    单元二 频率特性的特点和作用
    单元三 控制系统的频域性能指标
    单元四 频率特性的求法
    单元五 典型环节的伯德图
    单元六 系统奈奎斯特图的绘制
    单元七 最小相位系统与非最小相位系统
    单元八 系统伯德图的画法
    单元九 最小相位系统与非最小相位系统

模块五 线性控制系统的稳定性

       本模块介绍了单输入单输出控制系统稳定性的定义及其判定依据。对于不同的系统,稳定性的定义不同。系统的稳定性指标是控制系统设计过程中需要考虑的众多性能指标中最重要的指标,不稳定的系统是无法使用的。主要包括赫尔维茨判据、劳斯判据、幅角原理、奈奎斯特稳定性判据等概念。重点是赫尔维茨稳定性判据和劳斯稳定性判据及其在系统分析中的应用。难点是应用复变函数的幅角原理推导奈奎斯特稳定性判据和对稳定裕度的理解。

学习目标: 
1. 系统稳定的条件
2. 系统稳定的代数判据 
3.系统稳定的几何判据 
4. 稳定裕度的定义与计算 

学习内容:
    单元一 控制系统稳定性的基本概念
    单元二 单输入单输出控制系统稳定的条件
    单元三 赫尔维茨稳定性判据
    单元四 劳斯稳定性判据
    单元五 幅角原理
    单元六 根据奈奎斯特图判断系统稳定性
    单元七 根据伯德图判断系统的稳定性
    单元八 系统的相对稳定性

模块六 控制系统的根轨迹分析

       本模块主要介绍了控制系统根轨迹绘制的方法,以及根据根轨迹分析、设计系统控制器的方法。主要包括:1根轨迹定义;2根轨迹的幅值条件和相角条件;3绘制根轨迹(重点)

学习目标:

1. 根轨迹与系统特性
2. 根轨迹的幅值条件和相角条件
3. 绘制根轨迹的基本规则 

学习内容:
    单元一 根轨迹与系统特性
    单元二 根轨迹的幅值条件和相角条件
    单元三 绘制根轨迹的基本规则
    单元四 根轨迹绘制举例

模块七 控制系统的误差分析和计算

       本模块主要介绍控制系统稳态误差的分析和计算方法。包括稳态误差的概念、计算方法以及减小或消除稳态误差的措施等。重点是稳态误差的计算方法以及稳态误差与系统型别之间的关系。

学习目标:
1. 系统稳态误差的概念
2. 系统稳态误差的计算方法
3. 减少稳态误差的途径
4. 动态误差的定义与计算 

学习内容:
    单元一 控制系统复域和时域误差的概念及误差传递函数
    单元二 控制系统的类型
    单元三 控制系统的静态误差系数
    单元四 用伯德图确定误差系数
    单元五 扰动引起误差的计算方法
    单元六 减小稳态误差的途径
    单元七 动态误差系数

模块八 控制系统性能校正

       本模块主要介绍了控制系统的性能指标、零极点分布与控制系统性能的关系以及控制系统性能的校正方法,其中重点介绍了控制系统性能的校正方式以及不同校正方式对应的含义、作用以及校正设计流程。

  控制系统总的设计流程可概括为图1:

0.jpg

图1 控制系统设计过程流程图

校正的实质在于改变系统传递函数的零、极点分布,即改变系统的频率特性,使得整个系统的特性发生变化,从而使系统达到所要求的性能指标。

控制系统校正的基础是:

1)    已知系统不可变部分的参数与特性。

2)    已知对控制系统提出的性能指标。

系统校正的主要内容如图2所示:

01.jpg

学习目标:

1. 主导极点的概念
2. 系统校正的方法
3. 并联矫正
4. 串联矫正 

学习内容: 

    单元一 控制系统性能校正的含义
    单元二 控制系统的性能指标
    单元三 闭环控制系统零极点与性能的关系
    单元四 反馈校正
    单元五 顺馈校正
    单元六 Bode定理及应用
    单元七 相位超前校正
    单元八 相位滞后校正
    单元九 相位滞后-超前校正
    单元十 PID控制器
    单元十一 有源和无源校正环节的对比
    单元十二 按希望特性校正的含义
    单元十三 典型I型系统的设计方法
    单元十四 典型Ⅱ型系统的设计方法
    单元十五 按希望特性设计控制器的图解法
    单元十六 按希望特性设计控制器的直接法
    单元十七 机械工程控制基础理论在实际控制系统中的应用

 

罗忠            男   1978年4月生  

工学博士     东北大学教授、博士生导师 

2001年7月大学本科毕业于东北大学机械工程及自动化专业。

2004年3月毕业于东北大学机械电子工程专业,获工学硕士学位,并留校工作。

2007年3月于东北大学机械电子工程专业获工学博士学位。

2010年至2012年在中航工业沈阳发动机设计研究所从事发动机设计方面的博士后研究工作。

2012年2月至5月在英国谢菲尔德大学访问交流。

       现任东北大学机械工程与自动化学院机械工程系主任,“航空动力装备振动及控制”教育部重点实验室副主任,中国振动工程学会转子动力学专业委员会常务理事。获得教育部科技进步二等奖(4/11)、东北大学军工科研先进工作者、东北大学五四青年奖章(青年岗位能手)、东北大学“三育人”先进个人、曾多次被评为东北大学优秀毕业设计指导教师,获得东北大学青年教师教学基本功大赛一等奖、东北大学优秀网络课程一等奖、机械学院青年教师讲课比赛一等奖、连续多次获得机械学院年度贡献奖和机械学院毕业生最喜爱老师奖等。

       主要的研究领域是机械动力学与自动控制,模型试验理论与方法等。获得国防发明专利1项,申请国家发明专利5项,软件著作权登记3项,作为项目负责人承担国防973子课题、民口973子课题、国家自然科学基金(面上和青年)和中国博士后基金项目等10余项,出版专著1部,参编教材、机械设计手册10部,以第一作者和通讯作者公开发表论文80余篇,其中SCI检索论文20余篇,EI检索论文40余篇。

主要成员情况姓名所在单位职称承担工作
郝丽娜东北大学教授、博导主讲教师
房立金东北大学教授、博导主讲教师
胡    明东北大学副教授主讲教师
马树军东北大学副教授主讲教师
程红太东北大学副教授主讲教师
王    菲东北大学讲师主讲教师
鄂晓宇东北大学高级工程师实验教师


学习本课程之前,您需要了解与掌握的课程有:《高等数学》、《电工电子学》、《机械振动》、《测试技术》

1 完成全部课程学习;

2 完成课程模块测试;

3 至少完成6次作业互评(共8次);

4 完成期末考试;

5 积极参与课程讨论;

由任课教师签发课程结业证书,其中60≤成绩<85者获得合格证书,成绩≥85者将获得优秀证书。

成绩评定方法:模块测验30%,模块作业30%,考试35%,课程讨论5%。