自考30587机械控制工程基础.doc

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高纲1514

江苏省高等教育自学考试大纲

30587机械控制工程基础

扬州大学编

江苏省高等教育自学考试委员会办公室

Ⅰ课程性质与课程目标

一、课程性质和特点

《机械控制工程基础（含实践）》是机械制造及自动化专业的主要专业基础课程。

通过学习，获得机电控制系统分析及设计的基本理论、基本知识和方法；通过理论学习和仿真课程设计，具备对机电控制系统的稳定性、稳态性以及快速性等性能的分析能力，初步掌握机电控制系统的设计方法。

本课程的先修课程为：

工程力学、机械设计、机械工程材料、机械制造技术；后续课程为：

其它专业课程、课程设计、毕业设计。

二、课程目标

1.使考生掌握分析已有机电控制系统的结构、组成以及工作原理的方法；

2.掌握机电控制系统数学模型的建立、动态性能及稳态性能等的分析和计算以及系统的综合校正等基本原理和方法；

3.通过理论学习、物理实验和仿真实验，训练考生对机电控制系统的综合分析和设计能力；

4.理解机械、电气以及控制工程各领域之间的联系。

三、与相关课程的联系与区别

《机械控制工程基础》是一门新兴技术科学，也是一门边缘学科，以控制理论为基础，以有关自动控制和系统动力学的理论及其在机械工程中应用为主要研究对象。

学习本课程应具备自动控制理论、高等数学、积分变换、复变函数、电工电子技术、理论力学、机械振动等课程。

四、课程的重点和难点

1.课程的学习重点

1）建立机械控制工程的微分方程、传递函数及其方框图、频率特性等数学模型；

2）机械控制工程的一阶系统、二阶系统以及高阶系统的时间响应，时域性能指标等时域分析；

3）机械控制工程的频率响应、频率特性、开环频率特性（极坐标）图、开环对数频率特性（伯德）图；

4）机械控制系统的劳斯稳定性判据、奈奎斯特稳定性判据、增益裕量和相位裕量等相对稳定性的分析计算，系统稳态误差的分析和计算等；

5）机械控制系统的相位超前、相位滞后、相位滞后-超前以及PID等串联校正。

2.课程的学习难点

1）机械控制系统的开环频率特性、以及稳定性和相对稳定性的分析与计算；

2）机械控制系统的相位滞后-超前串联校正、PID校正，以及并联校正的分析与计算。

Ⅱ考核目标

本大纲在考核目标中，按照识记、领会、以及应用三个层次规定其应达到的能力层次要求。

三个能力层次是递升的关系，后者必须建立在前者的基础上。

各能力层次的含义是：

1.识记

理解本课程中的名词术语、基本知识、概念的意义，并能准确表达。

2.领会

在识记的基础上，能全面把握基本内容、基本理论和概念、基本方法，并注意各种概念、方法的特点与联系。

3.应用

在识记和领会的基础上，能对机械工程控制系统分析和设计中的问题进行正确的阐述、计算和分析，能运用所学的基本知识和理论、方法，解决机械工程控制系统分析和设计中的实际问题。

Ⅲ课程内容与考核要求

第1章绪论

一、学习目的与要求

考生通过对第一章的学习，了解不同阶段控制理论的发展情况以及控制系统的基本类型；掌握开环控制系统和闭环控制系统的工作原理、基本组成和结构，以及对控制系统基本性能的要求。

二、课程内容

控制工程概述、控制系统的结构、控制系统的基本类型、对控制系统的基本要求。

三、考核知识点与考核要求

1.控制系统的结构

识记：

开环控制系统及其特点；闭环控制系统及其特点；半闭环控制系统及其特点；反馈控制系统；正反馈和负反馈；反馈控制系统的组成元件及含义。

领会：

闭环控制系统工作过程；检测偏差用于纠正偏差的原理。

应用：

参考对闭环恒温箱控制系统，分析教材习题1.4所述仓库大门自动控制系统及习题1.5所示液位自动控制系统的工作原理，并画出控制系统框图。

2.控制系统的基本类型

识记：

恒值控制系统；伺服跟踪系统；程序控制系统；连续模拟式控制系统；离散数字式控制系统；有差系统；无差系统。

领会：

各类型控制系统的基本含义；不同类型控制系统间的异同。

3.对控制系统的基本要求

识记：

稳定性；快速性；准确性；稳态误差。

领会：

稳、准、快各自的意义及其间的相互影响。

四、本章重点、难点

重点：

闭环控制系统的组成及工作原理；对控制系统的基本要求。

难点：

闭环控制系统的工作原理、闭环控制系统的方框图。

第2章控制系统的数学模型

一、学习目的与要求

掌握建立机械控制系统的数学模型、传递函数以及控制方框图模型等方法，分析复杂闭环控制系统方框图模型等效变化。

二、课程内容

控制系统的微分方程；控制系统的传递函数；典型环节的传递函数；控制系统的方框图；典型系统的数学模型分析。

三、考核知识点与考核要求

1.控制系统的微分方程

识记：

线性系统及其特性；非线性系统及其特性；间隙非线性；死区非线性；摩擦力非线性；饱和非线性；平方律非线性；本质非线性；非本质非线性；微分方程；自由运动状态；自由运动模态；微分方程的通解；微分方程的特解和特解；自然响应；强迫响应。

领会：

线性系统的两个重要特性；微分方程和齐次微分方程的意义。

应用：

建立控制系统微分方程；用拉普拉斯变换求解微分方程。

2.控制系统的传递函数

识记：

传递函数的定义；传递函数的特点；传递函数的基本模型（一般形式）；传递函数的零极点模型；传递函数的时间常数模型；系统的零点；系统的极点；系统的传递系数（根轨迹增益）；静态（稳态）增益；时间常数；典型环节及其传递函数；储能元件和耗能元件。

领会：

传递函数表达式的含义；传递函数与微分方程之间的关系；微分环节对系统的控制作用。

应用：

建立机械、液压、电气等元件或系统的传递函数。

3.控制系统的函数方框图模型

识记：

方框图的基本结构要素及特性；控制系统串联联接；控制系统的并联联接；控制系统的反馈联接；前向通路；反馈通路；闭环传递函数；开环传递函数；反馈传递函数；干扰输入传递函数；闭环特征方程。

领会：

闭环控制系统框图模型的特点；方框图模型中分支点前移或后移的等效变换图；方框图模型中相加点前移或后移的等效变换图。

应用：

根据系统各原件数学模型绘制系统的方框图模型；由系统方框图模型求系统的传递函数；同一方框图模型以不同输出时的传递函数；由方框图等效变换求传递函数。

四、本章重点、难点

重点：

建立控制系统的微分方程；建立控制系统的传递函数；由方框图模型等效变换求系统传递函数。

难点：

建立控制系统的微分方程；由方框图模型等效变换求系统传递函数。

第3章控制系统的时域分析

一、学习目的与要求

掌握一阶系统、二阶系统数学模型、特点、系统的时间响应及组成，二级系统的时域性能指标的计算，综合分析高阶系统的时间响应及性能影响因素。

二、课程内容

控制系统的瞬态响应；一阶系统的数学模型及时间响应；典二阶系统的数学模型及时间响应；高阶系统的时间响应及性能分析。

三、考核知识点与考核要求

1.控制系统的瞬态响应

识记：

单位阶跃信号及其拉氏变换；单位斜坡信号及其拉氏变换；单位抛物线信号及其拉氏变换；单位脉冲信号及其拉氏变换；单位正弦信号及其拉氏变换；时间响应；稳态响应；瞬态响应；稳态分量；瞬态分量；延迟时间；上升时间；峰值时间；最大超调量；调节时间；振荡次数；稳态误差。

领会：

时间响应的组成；稳态响应；瞬态响应。

2.一阶系统的数学模型及时间响应

识记：

一阶系统的微分方程及传递函数；一阶系统的极点；一阶系统的时间常数；一阶系统的单位阶跃响应；一阶系统的单位脉冲响应；一阶系统的单位斜坡响应。

领会：

一阶系统极点对稳定性的影响；一阶系统时间常数对快速性的影响；一阶系统单位阶跃响应的组成；一阶系统单位阶跃响应的特性；一阶系统的调节时间；一阶系统的单位脉冲响应的稳态分量和瞬态分量；一阶系统单位斜坡响应的稳态分量和瞬态分量；一阶系统单位斜坡响应的稳态误差。

应用：

掌握一阶系统的稳态值、稳态误差、时间常数、增益系数的计算方法。

3.二阶系统的数学模型及时间响应

识记：

二阶系统的微分方程及传递函数；二阶系统的极点（特征根）；无阻尼固有频率；阻尼比；有阻尼固有频率；零阻尼状态；欠阻尼状态；临界阻尼状态；过阻尼状态就；二阶系统的单位阶跃响应；二阶系统的单位脉冲响应；二阶系统的单位斜坡响应；二阶系统的稳态误差；二阶系统的时域性能指标。

领会：

二级系统极点随阻尼比变化在s复平面上的分布规律；不同阻尼状态下二阶系统时间响应的组成；二阶系统的特性参数阻尼比和固有频率对系统动态性能（快速性和稳定性）的影响；在单位斜坡信号作用下二阶系统的稳态误差。

应用：

二阶系统的固有频率和阻尼比的计算；欠阻尼状态下二阶系统单位阶跃响应的分析计算；单位斜坡信号作用下二阶系统的稳态响应及稳态误差分析计算；欠阻尼状态下二阶系统的时域性能指标的分析与计算。

4.高阶系统的时间响应及性能分析

识记：

高阶系统组成；高阶系统的特征根；高阶系统的实数极点；高阶系统的共轭复数极点；高阶系统的传递函数；高阶系统的单位阶跃响应；高阶系统的单位脉冲响应；高阶系统的稳态分量和瞬态分量；高阶系统的模态；高阶系统的稳定状态、临界稳定状态、不稳定状态；主导极点。

领会：

高阶系统时间阶跃响应的组成及其与控制信号（输入信号）或系统极点之间的关系；高阶系统自由运动模态的具体形式；高阶系统稳定性的充分必要条件；系统极点对系统动态性能的影响；系统的零点及增益对系统动态性能的影响。

四、本章重点、难点

重点：

一阶系统的单位阶跃响应及特性分析；二阶系统的时间响应及性能分析；二阶系统时域性能指标的分析与计算；判断系统稳定的充分必要条件；高阶系统时间响应组成模态；系统极点、零点及增益对系统性能的影响。

难点：

二阶系统时域性能指标的分析与计算；高阶系统自由运动模态的结构形式；高阶系统的性能分析。

第4章控制系统的频域分析

一、学习目的与要求

掌握机械控制系统的频率特性、开环极坐标频率特性曲线及开环对数坐标频率特性曲线的绘制；了解闭环频率特性及其频域性能指标的意义。

二、课程内容

频率特性的基本概念；典型环节的频率特性；控制系统的开环频率特性；控制系统的闭环频率特性。

三、考核知识点与考核要求

1.频率响应及频率特性

识记：

频率响应；频率特性；幅频特性和相频特性；实频特性和虚频特性；对数幅频特性和对数相频特性；十倍频程；幅值穿越频率（截止频率）；相频穿越频率（相位交点频率）；典型环节的频率特性及其频率特性图；惯性、一阶微分、振荡以及二阶微分等环节的转折频率；惯性、一阶微分、振荡以及二阶微分等环节的低频渐近线和高频渐近线。

领会：

频率响应的分析推导；各频率特性之间的关系；幅相频特性图（极坐标图）和对数频率特性图（Bode）图的对应关系；典型环节的频率特性及频率特性图。

应用：

由控制系统微分方程或传递函数求系统的频率响应；由频率响应求频率特性；由传递函数求频率特性；幅值穿越频率和相频穿越频率的计算；绘制典型环节的幅相频特性（极坐标）图和对数频率特性（Bode）图。

2.控制系统的开环频率特性

识记：

开环频率特性；开环极坐标图；系统类型；最小相位传递函数和非最小相位传递函数；最小相位系统和非最小相位系统；非最小相位环节；开环对数频率特性；开环对数频率特性（Bode）图；闭环频域性能指标。

领会：

不同类型系统在ω=0及ω=+∞时的幅频特性和相频特性的意义；v≠0时系统在ω=0即ω从0－→0＋的极坐标图；开环极坐标图的起点和终点渐近线（或切线）；最小相位系统和非最小相位系统频率特性的特点；非最小相位系统的极坐标图；开环对数幅率特性和开环对数相频特性；开环对数幅频特性起始段渐近线的斜率与系统类型的对应关系；不同典型环节转折频率后渐近线对应的斜率变化；最小相位系统由开环幅率特性图求开环传递函数的方法；一阶系统和二阶系统的闭环频域性能分析。

应用：

计算开环极坐标图的起点、终点，以及与实轴、虚轴交点的频率特性；绘制开环极坐标