机电控制工程基础书面辅导（1-6） 概 述机电控制工程基础是以控制理论为基础，密切结合工程实际的一门专业基础课，是机械设计制造及自动化专业必修课。本课程所讨论的问题，都是在工程实践的基础上抽象出来的问题，是分析和设计控制系统的共性问题，这些问题理论较强，涉及的面也十分广泛。因此，讨论问题的周期长是本课程特点之一。为了学好本课程，在学习过程中就应对学过的内容经常复习，明确前后问题的联系，掌握进度。本课程中应用的数学较多，但是，所讨论的问题都是和工程实践紧密联系着的。因此，学习本课程要特别重视理论联系实际，重视在物理概念的基础上对问题的理解。负反馈是构成自动控制系统的基本控制策略。因此，牢固地掌握反馈在工程系统中的应用是学好本课程的关键。控制系统分析，就是建立给定系统的数学模型，在规定的工作条件下，对它的数学模型进行分析研究。其研究的内容就是稳态性能和瞬态（暂态）性能，以及分析某些参数变化对上述性能的影响，决定如何选取合理的参数等。系统综合设计，就是在给定对系统瞬态和稳态性能要求情况下，根据己知的被控制对象，合理的确定控制器的数学模型，控制规律和参数，并验证所综合的控制系统是否是满足性能指标要求。机电控制工程基础的基本问题是：建立系统的数学模型；系统分析计算；综合校正确定控制规律。本课程的基本任务，是使学生获得机电控制系统的基本理论，掌握系统的基本分析方法和计算方法。为设计机电控制系统及后继课程的学习和进一步研究学习控制理论打下一定的基础。一、考核说明本课程主要内容包含相关的数学基础；数学模型的建立；时域分析；频域分析；综合校正；采样系统的基本理论及基本分析计算方法。本课程的任务是使学生掌握控制工程基本理论的基本知识以及系统数学模型的建立、动、静特性的分析计算方法，具有初步分析设计系统的能力。现将有关考核的几个问题说明如下：考核对象：电大理工科类机械设计制造及其自动化专业本科生。考核方式：采用形成性考核和终结性考试相结合的方式。考核依据：本课程所用教学大纲为2001年审定通过并下发执行的、电大理工科类机械设计制造及其自动化专业本科生机电控制工程基础教学大纲；所用文字教材为刘恒玉编著的2001年12 月由中央电大出版社出版的机电控制工程基础。本课程考核说明是形成性考核和终结性考试命题的基本依据。课程总成绩的记分方法：形成性考核成绩在课程总成绩中占20%，终结性考试成绩在课程总成绩中占80%。课程总成绩为百分制，60分为合格。形成性考核的要求和形式：形成性考核的形式有平时作业和课程实验。能够按时、按质、按量完成平时作业和课程实验者方可得满分。终结性考试的要求和形式：考试要求：本课程以应用为最终目的，考核重点是考察学员是否掌握控制工程基本理论的基本知识以及系统数学模型的建立、动、静特性的分析计算方法，具体考核要求分为几个层次：熟练掌握：要求学生能够全面、深入理解和熟练掌握所学内容，并能够用所学的内容分析、初步设计和解答与实际应用相关的问题，能够举一反三。掌握：要求学生能够较好地理解和掌握相应内容，并能够进行简单分析和判断。了解：要求学生能够一般地了解所学内容。组卷原则：在教学大纲和考核说明所规定的目的、要求和内容范围之内命题。在教学内容范围之内，按照理论联系实际原则，考察学员对所学知识应用能力的试题，不属于超纲。试题的考察要求覆盖面广，并适当突出重点。试题兼顾各个能力层次，熟练掌握60%，掌握占30%，了解占10%。试题的难易程度和题量适当，按难易程度分为三个层次：较易占30%，一般占50%，较难占20%。题量安排以平时基本能够独立完成作业者，他们能在规定的考试时间内作完并有一定时间检查为原则。试题类型及试卷结构：填空15%，单项选择题15%，判断10%，分析及计算40%，综合题20%，具体形式见后面所附“试题类型及规范解答举例”。考核形式：闭卷。答题时限：120分钟。其它说明：考生需自备计算器、直尺、铅笔、橡皮等文具。二、考核内容和要求 (一 )控制系统的基本概念考核目的：考核学员对控制系统的含义及有关概念的掌握情况考核内容：（1）控制的任务，被控制对象、输入量、输出量、扰动量的概念。（2）开环控制系统、闭环控制系统及反馈的概念。（3）控制系统的组成、基本环节及对控制系统的基本要求。考核要求：熟练掌握：开环控制、闭环控制系统的基本组成环节。掌握：控制系统概念，反馈及反馈控制概念，开环系统及闭环系统概念。(二 ) 机电控制工程数学基础 考核目的：考核学员对拉氏变换定义及其性质及有关概念的掌握情况考核内容：（1）复变函数概念。（2）初等函数定义，复变函数的导数。（3）复变函数积分，计算方法。（4）罗朗级数、留数定理。（5）拉氏变换定义、常用函数拉氏变换、拉氏变换性质、拉氏反变换。考核要求：熟练掌握：拉氏变换的定义；拉氏变换性质及应用，用部分分式法求拉氏反变换。掌握：复数域描述函数的概念。通过拉氏变换这一数学工具将时间函数变为复域的函数。了解：复变量的表示方法，复变函数的概念，计算留数。（三） 控制系统的数学模型 考核目的：考核学员是否掌握传递函数的概念、拉氏变换基本内容以及结构图简化方法求取传递函数的方法。是否理解数学模型的含义。考核内容：（1）数学模型概念。简单机、电元件及系统列写微分方程式的方法。（2）传递函数的定义、性质、求法，典型环节的传递函数及瞬态（动态）特性。（3）控制系统的结构图绘制方法步骤及简化原则，环节串联、并联传递函数、反馈连接时传递函数。考核要求：熟练掌握：（1）传递函数的概念、定义、性质及求法，典型环节传递函数及瞬态特性。（2）串联、并联、反馈连接等效传递函数的求法；（3）控制系统开环传递函数、闭环传递函数、误差传递函数的含义掌握： （1）数学模型基本概念，能够运用力学、电学知识列写简单机、电元件及系统的微分方程式。（2） 结构图等效变换原则，用结构图简化方法求系统的传递函数。了解： 根据系统方程式绘制系统结构图 (四 ) 控制系统时域分析考核目的：考核学员是否掌握拉氏反变换知识和终值定理，是否理解系统性能指标的含义以及计算方法。考核内容：（1）典型输入信号和时域性能指标。（2）时间响应概念（3）一阶系统的瞬态响应。（4）二阶系统的瞬态响应，性能指标。（5）劳斯稳定判据；稳态误差分析计算（误差定义、静态误差系数、动态误差系数）；扰动误差；减小稳态误差方法。考核要求熟练掌握：（1）定常系统时域性能分析的基本内容。典型输入信号形式及性能指标的规定。一阶系统的瞬态响应。（2）劳斯稳定判据，稳态误差的概念。掌握：（1）时间响应的基本概念。（2）二阶系统的阶跃响应及性能指标稳态误差计算。了解：（1）动态误差系数。(五) 控制系统的频域分析 考核目的：考核学员是否掌握与控制系统的频域分析有关概念以及方法，是否会用频率法对控制系统的稳定性以及性能指标进行判断和分析。考核内容：（1）频率特性基本概念。（2）频率特性的表示方法：极坐标图、对数频率特性图。（3）典型环节频率特性，系统开环频率特性曲线绘制方法。（4）奈氏稳定判据、相角裕量、幅值裕量。（5）对数幅频-2/-1/-2、-2/-1/-3特性。（6）时域性能指标与频域性能指标关系。考核要求熟练掌握：（1）频率特性基本概念；频率特性两种表示方法；典型环节频率特性曲线图。（2）系统的开环奈氏频率特性和对数频率特性画法。（3）奈氏稳定判据的基本原理及其判别方法。掌握：（1）频域性能指标与时域性能指标的关系。（2） 相角裕量，幅值裕量定义及计算方法，频域性能指标了解：对数幅频-2/-1/-2、-2/-1/-3特性； (六) 用频率法综合控制系统 考核目的：考核学员是否理解校正的含义，是否能够根据要求进行系统校正考核内容：（1）校正的基本概念（2）校正方式考核要求熟练掌握：（1）系统综合的基本概念；超前校正，迟后校正，迟后超前校正环节的传递函数及其特点。掌握：（2）串联校正，反馈校正的方法和步骤。第1章 控制系统的基本概念 主要学习内容：（1） 控制任务，被控制对象、输入量、输出量、扰动量。（2） 开环控制系统、闭环控制系统及反馈的概念。（3） 控制系统的组成、基本环节及对控制系统的基本要求。被控制对象或对象 我们称这些需要控制的工作机器、装备为被控制对象或对象。输出量（被控制量） 将表征这些机器装备工作状态需要加以控制的物理参量，称为被控制量（输出量）。输入量（控制量） 将要求这些机器装备工作状态应保持的数值，或者说，为了保证对象的行为达到所要求的目标，而输入的量，称为输入量（控制量）扰动量 使输出量偏离所要求的目标，或者说妨碍达到目标，所作用的物理量称为扰动量。控制的任务实际上就是形成控制作用的规律，使不管是否存在扰动，均能使被控制对象的输出量满足给定值的要求。开环控制系统只有给定量影响输出量（被控制量），被控制量只能受控于控制量，而被控制量不能反过来影响控制量的控制系统称为开环控制。开环控制系统可以用结构示意图表示，如图所示。控制器被控制对象 扰动量 输入量 输出量 ur u a n 图 开环控制结构图闭环控制系统为了实现闭环控制，必须对输出量进行测量，并将测量的结果反馈到输入端与输入量相减得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。因此，整个控制系统形成一个闭合环路。我们把输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环,参与控制的系统，称作闭环控制系统。由于系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的，也叫作反馈控制系统或偏差控制系统。闭环控制系统中各元件的作用和信号的流通情况，可用结构图表示。控制器被控制对象检测装置 ur ue ua n 输入量 输出量 ucf 反馈 图 闭环系统结构图 归纳一下开环与闭环控制系统各自的特点如下：（1） 开环控制系统中，只有输入量对输出量产生控制作用；从控制结构上来看，只有从输入端到输出端的信号传递通道（该通道称为前向通道），控制系统简单，实现容易。闭环控制系统中除前向通道外，还必须有从输出端到输入端的信号传递通道，使输出信号也参与控制，该通道称为反馈通道。闭环控制系统就是由前向通道和反馈通道组成的，控制系统结构复杂。（2） 闭