【正文】 《機(jī)電控制工程基礎(chǔ)》書面輔導(dǎo)（ 16） 安慶電大 程曦 1 概 述 《機(jī)電控制工程基礎(chǔ)》是以控制理論為基礎(chǔ)，密切結(jié)合工程實(shí)際的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)必修課。 本課程所討論的問題，都是在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上抽象出來的問題，是分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的共性問題，這些問題理論較強(qiáng)，涉及的面也十分廣泛。因此，討論問題的周期長是本課程特點(diǎn)之一。為了學(xué)好本課程，在學(xué)習(xí)過程中就應(yīng)對學(xué)過的內(nèi)容經(jīng)常復(fù)習(xí)，明確前后問題的聯(lián)系，掌握進(jìn)度。 本課程中應(yīng)用的數(shù)學(xué)較多，但是，所討論的問題都是和工程實(shí)踐緊密聯(lián)系著的。因此，學(xué)習(xí)本課程要特別重視理論聯(lián)系實(shí)際，重視在物理概念的基礎(chǔ)上對 問題的理解。 負(fù)反饋是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的基本控制策略。因此，牢固地掌握反饋在工程系統(tǒng)中的應(yīng)用是學(xué)好本課程的關(guān)鍵。 控制系統(tǒng)分析，就是建立給定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在規(guī)定的工作條件下，對它的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析研究。其研究的內(nèi)容就是穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)（暫態(tài)）性能，以及分析某些參數(shù)變化對上述性能的影響，決定如何選取合理的參數(shù)等。 系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，就是在給定對系統(tǒng)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能要求情況下，根據(jù)己知的被控制對象，合理的確定控制器的數(shù)學(xué)模型，控制規(guī)律和參數(shù)，并驗(yàn)證所綜合的控制系統(tǒng)是否是滿足性能指標(biāo)要求。 機(jī)電控制工程基礎(chǔ) 的基本問題是：建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；系統(tǒng)分析計(jì)算；綜合校正確定控制規(guī)律。 本課程的基本任務(wù)，是使學(xué)生獲得機(jī)電控制系統(tǒng)的基本理論，掌握系統(tǒng)的基本分析方法和計(jì)算方法。為設(shè)計(jì)機(jī)電控制系統(tǒng)及后繼課程的學(xué)習(xí)和進(jìn)一步研究學(xué)習(xí)控制理論打下一定的基礎(chǔ)。 一、考核說明 本課程主要內(nèi)容包含相關(guān)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；數(shù)學(xué)模型的建立；時域分析；頻域分析；綜合校正；采樣系統(tǒng)的基本理論及基本分析計(jì)算方法。本課程的任務(wù)是使學(xué)生掌握控制工程基本理論的基本知識以及系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、動、靜特性的分析計(jì)算方法，具有初步分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力。 現(xiàn)將有關(guān) 考核的幾個問題說明如下： 考核對象：電大理工科類機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)本科生。 考核方式：采用形成性考核和終結(jié)性考試相結(jié)合的方式。 考核依據(jù)：本課程所用教學(xué)大綱為 2020 年審定通過并下發(fā)執(zhí)行的、電大理工科類機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)本科生《機(jī)電控制工程基礎(chǔ)教學(xué)大綱》；所用文字教材為劉恒玉編著的 2020年 12 月由中央電大出版社出版的 《機(jī)電控制工程基礎(chǔ)》 。本課程考核說明是形成性考核和終結(jié)性考試命題的基本依據(jù)。 課程總成績的記分方法：形成性考核成績在課程總成績中占 20%，終結(jié)性考試成績在課程總成績中占 80%。課程總成績?yōu)榘俜种疲?60分為合格。 形成性考核的要求和形式：形成性考核的形式有平時作業(yè)和課程實(shí)驗(yàn)。能夠按時、按質(zhì)、《機(jī)電控制工程基礎(chǔ)》書面輔導(dǎo)（ 16） 安慶電大 程曦 2 按量完成平時作業(yè)和課程實(shí)驗(yàn)者方可得滿分。 終結(jié)性考試的要求和形式： 考試要求：本課程以應(yīng)用為最終目的，考核重點(diǎn)是考察學(xué)員是否掌握控制工程基本理論的基本知識以及系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、動、靜特性的分析計(jì)算方法，具體考核要求分為幾個層次： 熟練掌握：要求學(xué)生能夠全面、深入理解和熟練掌握所學(xué)內(nèi)容，并能夠用所學(xué)的內(nèi)容分析、初步設(shè)計(jì)和解答與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的問題，能夠舉一反三。 掌握：要求學(xué)生能夠較好地理 解和掌握相應(yīng)內(nèi)容，并能夠進(jìn)行簡單分析和判斷。 了解：要求學(xué)生能夠一般地了解所學(xué)內(nèi)容 。 組卷原則： 在教學(xué)大綱和考核說明所規(guī)定的目的、要求和內(nèi)容范圍之內(nèi)命題。在教學(xué)內(nèi)容范圍之內(nèi)，按照理論聯(lián)系實(shí)際原則，考察學(xué)員對所學(xué)知識應(yīng)用能力的試題，不屬于超綱。 試題的考察要求覆蓋面廣，并適當(dāng)突出重點(diǎn)。 試題兼顧各個能力層次，熟練掌握 60%，掌握占 30%，了解占 10%。 試題的難易程度和題量適當(dāng)，按難易程度分為三個層次：較易占 30%，一般占 50%，較難占 20%。題量安排以平時基本能夠獨(dú)立完成作業(yè)者，他們能在規(guī)定的考試時間 內(nèi)作完并有一定時間檢查為原則。 試題類型及試卷結(jié)構(gòu)：填空 15%，單項(xiàng)選擇題 15%，判斷 10%，分析及計(jì)算 40%，綜合題20%，具體形式見后面所附“試題類型及規(guī)范解答舉例”。 考核形式：閉卷。 答題時限： 120分鐘。 其它說明：考生需自備計(jì)算器、直尺、鉛筆、橡皮等文具。 二、考核內(nèi)容和要求 (一 )控制系統(tǒng)的基本概念 [考核目的 ]： 考核學(xué)員對控制系統(tǒng)的含義及有關(guān)概念的掌握情況 [考核內(nèi)容 ]： （ 1）控制的任務(wù)，被控制對象、輸入量、輸出量、擾動量的概念。 （ 2）開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)及反饋的概念 。 （ 3）控制系統(tǒng)的組成、基本環(huán)節(jié)及對控制系統(tǒng)的基本要求。 [考核要求 ]： 熟練掌握：開環(huán)控制、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成環(huán)節(jié)。 掌握：控制系統(tǒng)概念，反饋及反饋控制概念，開環(huán)系統(tǒng)及閉環(huán)系統(tǒng)概念。 (二 ) 機(jī)電控制工程數(shù)學(xué)基礎(chǔ) [考核目的 ]： 《機(jī)電控制工程基礎(chǔ)》書面輔導(dǎo)（ 16） 安慶電大 程曦 3 考核學(xué)員對拉氏變換定義及其性質(zhì)及有關(guān)概念的掌握情況 [考核內(nèi)容 ]： （ 1）復(fù)變函數(shù)概念。 （ 2）初等函數(shù)定義，復(fù)變函數(shù)的導(dǎo)數(shù)。 （ 3）復(fù)變函數(shù)積分，計(jì)算方法。 （ 4）羅朗級數(shù)、留數(shù)定理。 （ 5）拉氏變換定義、常用函數(shù)拉氏變換、拉氏變換性質(zhì)、拉氏反變換。 [考核 要求 ]： 熟練掌握：拉氏變換的定義；拉氏變換性質(zhì)及應(yīng)用，用部分分式法求拉氏反變換。 掌握：復(fù)數(shù)域描述函數(shù)的概念。通過拉氏變換這一數(shù)學(xué)工具將時間函數(shù)變?yōu)閺?fù)域的函數(shù)。 了解：復(fù)變量的表示方法，復(fù)變函數(shù)的概念，計(jì)算留數(shù)。 （三） 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 [考核目的 ]： 考核學(xué)員是否掌握傳遞函數(shù)的概念、拉氏變換基本內(nèi)容以及結(jié)構(gòu)圖簡化方法求取傳遞函數(shù)的方法。是否理解數(shù)學(xué)模型的含義。 [考核內(nèi)容 ]： （ 1）數(shù)學(xué)模型概念。簡單機(jī)、電元件及系統(tǒng)列寫微分方程式的方法。 （ 2）傳遞函數(shù)的定義、性質(zhì)、求法，典型環(huán)節(jié)的傳遞函 數(shù)及瞬態(tài)（動態(tài)）特性。 （ 3）控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖繪制方法步驟及簡化原則，環(huán)節(jié)串聯(lián)、并聯(lián)傳遞函數(shù)、反饋連接時傳遞函數(shù)。 [考核要求 ]： 熟練掌握： （ 1）傳遞函數(shù)的概念、定義、性質(zhì)及求法，典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)及 瞬 態(tài)特性。 （ 2）串聯(lián)、并聯(lián)、反饋連接等效傳遞函數(shù)的求法； （ 3） 控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)、閉環(huán)傳遞函數(shù)、誤差傳遞函數(shù)的 含 義 掌握： （ 1） 數(shù)學(xué)模型基本概念，能夠運(yùn)用力學(xué)、電學(xué)知識列寫簡單機(jī)、電元件及系統(tǒng)的微分方程式。 （ 2） 結(jié)構(gòu)圖等效 變換 原則，用結(jié)構(gòu)圖簡化方法求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 了解： 根據(jù)系統(tǒng)方程 式繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 (四 ) 控制系統(tǒng)時域分析 [考核目的 ]： 考核學(xué)員是否掌握拉氏反變換知識和終值定理，是否理解系統(tǒng)性能指標(biāo)的含義以及計(jì)算方法。 [考核內(nèi)容 ]： （ 1）典型輸入信號和時域性能指標(biāo)。 （ 2）時間響應(yīng)概念 （ 3）一階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。 （ 4）二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，性能指標(biāo)。 （ 5）勞斯穩(wěn)定判據(jù)；穩(wěn)態(tài)誤差分析計(jì)算（誤差定義、靜態(tài)誤差系數(shù)、動態(tài)誤差系數(shù)）；擾動誤差；減小穩(wěn)態(tài)誤差方法。 《機(jī)電控制工程基礎(chǔ)》書面輔導(dǎo)（ 16） 安慶電大 程曦 4 [考核要求 ] 熟練掌握： （ 1）定常系統(tǒng)時域性能分析的基本內(nèi)容。典型輸入信號形式及性能指標(biāo)的規(guī)定。一階系統(tǒng) 的瞬態(tài) 響應(yīng)。 （ 2）勞斯穩(wěn)定判據(jù)，穩(wěn)態(tài)誤差的概念。 掌握： （ 1）時間響應(yīng)的基本概念。 （ 2）二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)及性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算。 了解： （ 1）動態(tài)誤差系數(shù)。 (五 ) 控制系統(tǒng)的頻域分析 [考核目的 ]： 考核學(xué)員是否掌握與 控制系統(tǒng)的頻域分析 有關(guān)概念以及方法，是否會用頻率法對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及性能指標(biāo)進(jìn)行判斷和分析。 [考核內(nèi)容 ]： （ 1）頻率特性基本概念。 （ 2）頻率特性的表示方法：極坐標(biāo)圖、對數(shù)頻率特性圖。 （ 3）典型環(huán)節(jié)頻率特性，系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線繪制方法。 （ 4）奈氏穩(wěn)定判據(jù)、相角裕量、幅值裕量。 （ 5）對數(shù)幅頻 2/1/ 2/1/3特性。 （ 6）時域性能指標(biāo)與頻域性能指標(biāo)關(guān)系。 [考核要求 ] 熟練掌握： （ 1）頻率特性基本概念；頻率特性兩種表示方法；典型環(huán)節(jié)頻率特性曲線圖。 （ 2）系統(tǒng)的開環(huán)奈氏頻率特性和對數(shù)頻率特性畫法。 （ 3）奈氏穩(wěn)定判據(jù)的基本原理及其判別方法。 掌握： （ 1）頻域性能指標(biāo)與時域性能指標(biāo)的關(guān)系。 （ 2） 相角裕量，幅值裕量定義及計(jì)算方法，頻域性能指標(biāo) 了解：對數(shù)幅頻 2/1/ 2/1/3特性； (六 ) 用頻率法綜合控制系統(tǒng) [考核目的 ]： 考核學(xué)員是否理 解校正的含義，是否能夠根據(jù)要求進(jìn)行系統(tǒng)校正 [考核內(nèi)容 ]： （ 1）校正的基本概念 （ 2）校正方式 [考核要求 ] 熟練掌握 ： （ 1）系統(tǒng)綜合的基本概念；超前校正，遲后校正，遲后 —— 超前校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及其特 點(diǎn)。 掌握： （ 2）串聯(lián)校正，反饋校正的方法和步驟。 《機(jī)電控制工程基礎(chǔ)》書面輔導(dǎo)（ 16） 安慶電大 程曦 5 第 1 章 控制系統(tǒng)的基本概念 主要學(xué)習(xí)內(nèi)容： （ 1） 控制任務(wù)，被控制對象、輸入量、輸出量、擾動量。 （ 2） 開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)及反饋的概念。 （ 3） 控制系統(tǒng)的組成、基本環(huán)節(jié)及對控制系統(tǒng)的基本要求。 被控制對象或?qū)ο? ── 我們稱這些需要控制的工作機(jī)器、 裝備為被控制對象或?qū)ο蟆? 輸出量（被控制量） ── 將表征這些機(jī)器裝備工作狀態(tài)需要加以控制的物理參量，稱為被控制量（輸出量）。 輸入量（控制量） ── 將要求這些機(jī)器裝備工作狀態(tài)應(yīng)保持的數(shù)值，或者說，為了保證對象的行為達(dá)到所要求的目標(biāo)，而輸入的量，稱為輸入量（控制量） 擾動量 ── 使輸出量偏離所要求的目標(biāo)，或者說妨礙達(dá)到目標(biāo)，所作用的物理量稱為擾動量。 控制的任務(wù)實(shí)際上就是形成控制作用的規(guī)律，使不管是否存在擾動，均能使被控制對象的輸出量滿足給定值的要求。 開環(huán)控制系統(tǒng) 只有給定量影響輸出量（被控制量），被控制 量只能受控于控制量，而被控制量不能反過來影響控制量的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制。 開環(huán)控制系統(tǒng)可以用結(jié)構(gòu)示意圖表示，如圖所示。 擾動量 輸入量 輸出量 ur u a n 圖 開環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 閉環(huán)控制系統(tǒng) 為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對輸出量進(jìn)行測量，并將測量的結(jié)果反饋到輸入端與輸入量相減得到偏差，再由偏差產(chǎn)生直接控制作用去消除偏差。因此，整個控制系統(tǒng)形成一個閉合環(huán)路。我們把輸出量直接或間接地反饋到輸入端，形成閉環(huán) ,參與控制的系統(tǒng)，稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于系統(tǒng)是根據(jù)負(fù)反饋原理按偏差進(jìn)行控制的，也叫作反饋控制系統(tǒng)或偏差控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)中各元件的作用和信號的流通情況，可用結(jié)構(gòu)圖表示。 ur ue ua n 輸入量 輸出量 ucf 反饋 圖 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 歸納一下開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)各自的特點(diǎn)如下： 控制器 被控制對象 控制器 被控制對象 檢測裝置 《機(jī)電控制工程基礎(chǔ)》書面輔導(dǎo)（ 16） 安慶電大 程曦 6 （ 1） 開環(huán)控制系統(tǒng)中，只有輸入量對輸出量產(chǎn) 生控制作用；從控制結(jié)構(gòu)上來看，只有從輸入端到輸出端的信號傳遞通道（該通道稱為前向通道），控制系統(tǒng)簡單，實(shí)現(xiàn)容易。 閉環(huán)控制系統(tǒng)中除前向通道外，還必須有從輸出端到輸入端的信號傳遞通道，使輸出信號也參與控制，該通道稱為反饋通道。閉環(huán)控制系統(tǒng)就是由前向通道和反饋通道組成的，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 （ 2） 閉環(huán)控制系統(tǒng)能抑制內(nèi)部和外部各種形式的干擾，對干擾不甚敏感。因此，可采用不太精密和成本較低的元件來構(gòu)成控制精度較高的系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度，完全由采用高精度元件和有效的抗干擾措施來保證。 （ 3） 對閉環(huán)控制系 統(tǒng)來說，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，始終是一個首要問題。穩(wěn)定是閉環(huán)控制系統(tǒng)正常工作必要條件。對于開環(huán)控制系統(tǒng)，或者不存在不穩(wěn)定問題，或者容易解決。 例題： (1) 什么叫反饋？什么是負(fù)反饋？