高綱1514

江蘇省高等教育自學考試大綱

30587  機械控制工程基礎

揚州大學編

江蘇省高等教育自學考試委員會辦公室

Ⅰ  課程性質(zhì)與課程目標

一、課程性質(zhì)和特點

《機械控制工程基礎（含實踐）》是機械制造及自動化專業(yè)的主要專業(yè)基礎課程。通過學習，獲得機電控制系統(tǒng)分析及設計的基本理論、基本知識和方法；通過理論學習和仿真課程設計，具備對機電控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性以及快速性等性能的分析能力，初步掌握機電控制系統(tǒng)的設計方法。

本課程的先修課程為：工程力學、機械設計、機械工程材料、機械制造技術；后續(xù)課程為：其它專業(yè)課程、課程設計、畢業(yè)設計。

二、課程目標

1. 使考生掌握分析已有機電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成以及工作原理的方法；

2. 掌握機電控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立、動態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)性能等的分析和計算以及系統(tǒng)的綜合校正等基本原理和方法；

3. 通過理論學習、物理實驗和仿真實驗，訓練考生對機電控制系統(tǒng)的綜合分析和設計能力；

4. 理解機械、電氣以及控制工程各領域之間的聯(lián)系。

三、與相關課程的聯(lián)系與區(qū)別

《機械控制工程基礎》是一門新興技術科學，也是一門邊緣學科，以控制理論為基礎，以有關自動控制和系統(tǒng)動力學的理論及其在機械工程中應用為主要研究對象。學習本課程應具備自動控制理論、高等數(shù)學、積分變換、復變函數(shù)、電工電子技術、理論力學、機械振動等課程。

四、課程的重點和難點

1.課程的學習重點

1）建立機械控制工程的微分方程、傳遞函數(shù)及其方框圖、頻率特性等數(shù)學模型；

2）機械控制工程的一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)以及高階系統(tǒng)的時間響應，時域性能指標等時域分析；

3）機械控制工程的頻率響應、頻率特性、開環(huán)頻率特性（極坐標）圖、開環(huán)對數(shù)頻率特性（伯德）圖；

4）機械控制系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定性判據(jù)、奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)、增益裕量和相位裕量等相對穩(wěn)定性的分析計算，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的分析和計算等；

5）機械控制系統(tǒng)的相位超前、相位滯后、相位滯后-超前以及PID等串聯(lián)校正。

2.課程的學習難點

1）機械控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性、以及穩(wěn)定性和相對穩(wěn)定性的分析與計算；

2）機械控制系統(tǒng)的相位滯后-超前串聯(lián)校正、PID校正，以及并聯(lián)校正的分析與計算。

Ⅱ  考核目標

本大綱在考核目標中，按照識記、領會、以及應用三個層次規(guī)定其應達到的能力層次要求。三個能力層次是遞升的關系，后者必須建立在前者的基礎上。各能力層次的含義是：

1.識記

理解本課程中的名詞術語、基本知識、概念的意義，并能準確表達。

2.領會

在識記的基礎上，能全面把握基本內(nèi)容、基本理論和概念、基本方法，并注意各種概念、方法的特點與聯(lián)系。

3.應用

在識記和領會的基礎上，能對機械工程控制系統(tǒng)分析和設計中的問題進行正確的闡述、計算和分析，能運用所學的基本知識和理論、方法，解決機械工程控制系統(tǒng)分析和設計中的實際問題。

Ⅲ  課程內(nèi)容與考核要求

第1章  緒論

一、學習目的與要求

考生通過對第一章的學習，了解不同階段控制理論的發(fā)展情況以及控制系統(tǒng)的基本類型；掌握開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理、基本組成和結(jié)構(gòu)，以及對控制系統(tǒng)基本性能的要求。

二、課程內(nèi)容

控制工程概述、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的基本類型、對控制系統(tǒng)的基本要求。

三、考核知識點與考核要求

1. 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

識記：開環(huán)控制系統(tǒng)及其特點；閉環(huán)控制系統(tǒng)及其特點；半閉環(huán)控制系統(tǒng)及其特點；反饋控制系統(tǒng)；正反饋和負反饋；反饋控制系統(tǒng)的組成元件及含義。

領會：閉環(huán)控制系統(tǒng)工作過程；檢測偏差用于糾正偏差的原理。

應用：參考對閉環(huán)恒溫箱控制系統(tǒng)，分析教材習題1.4所述倉庫大門自動控制系統(tǒng)及習題1.5所示液位自動控制系統(tǒng)的工作原理，并畫出控制系統(tǒng)框圖。

2. 控制系統(tǒng)的基本類型

識記：恒值控制系統(tǒng)；伺服跟蹤系統(tǒng)；程序控制系統(tǒng)；連續(xù)模擬式控制系統(tǒng)；離散數(shù)字式控制系統(tǒng)；有差系統(tǒng)；無差系統(tǒng)。

領會：各類型控制系統(tǒng)的基本含義；不同類型控制系統(tǒng)間的異同。

3. 對控制系統(tǒng)的基本要求

識記：穩(wěn)定性；快速性；準確性；穩(wěn)態(tài)誤差。

領會：穩(wěn)、準、快各自的意義及其間的相互影響。

四、本章重點、難點

重點：閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成及工作原理；對控制系統(tǒng)的基本要求。

難點：閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理、閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖。

第2章  控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

一、學習目的與要求

掌握建立機械控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、傳遞函數(shù)以及控制方框圖模型等方法，分析復雜閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖模型等效變化。

二、課程內(nèi)容

控制系統(tǒng)的微分方程；控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；控制系統(tǒng)的方框圖；典型系統(tǒng)的數(shù)學模型分析。

三、考核知識點與考核要求

1.控制系統(tǒng)的微分方程

識記：線性系統(tǒng)及其特性；非線性系統(tǒng)及其特性；間隙非線性；死區(qū)非線性；摩擦力非線性；飽和非線性；平方律非線性；本質(zhì)非線性；非本質(zhì)非線性；微分方程；自由運動狀態(tài)；自由運動模態(tài)；微分方程的通解；微分方程的特解和特解；自然響應；強迫響應。

領會：線性系統(tǒng)的兩個重要特性；微分方程和齊次微分方程的意義。

應用：建立控制系統(tǒng)微分方程；用拉普拉斯變換求解微分方程。

2.控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

識記：傳遞函數(shù)的定義；傳遞函數(shù)的特點；傳遞函數(shù)的基本模型（一般形式）；傳遞函數(shù)的零極點模型；傳遞函數(shù)的時間常數(shù)模型；系統(tǒng)的零點；系統(tǒng)的極點；系統(tǒng)的傳遞系數(shù)（根軌跡增益）；靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）增益；時間常數(shù)；典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)；儲能元件和耗能元件。

領會：傳遞函數(shù)表達式的含義；傳遞函數(shù)與微分方程之間的關系；微分環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的控制作用。

應用：建立機械、液壓、電氣等元件或系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

3.控制系統(tǒng)的函數(shù)方框圖模型

識記：方框圖的基本結(jié)構(gòu)要素及特性；控制系統(tǒng)串聯(lián)聯(lián)接；控制系統(tǒng)的并聯(lián)聯(lián)接；控制系統(tǒng)的反饋聯(lián)接；前向通路；反饋通路；閉環(huán)傳遞函數(shù)；開環(huán)傳遞函數(shù)；反饋傳遞函數(shù)；干擾輸入傳遞函數(shù)；閉環(huán)特征方程。

領會：閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖模型的特點；方框圖模型中分支點前移或后移的等效變換圖；方框圖模型中相加點前移或后移的等效變換圖。

應用：根據(jù)系統(tǒng)各原件數(shù)學模型繪制系統(tǒng)的方框圖模型；由系統(tǒng)方框圖模型求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；同一方框圖模型以不同輸出時的傳遞函數(shù)；由方框圖等效變換求傳遞函數(shù)。

四、本章重點、難點

重點：建立控制系統(tǒng)的微分方程；建立控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；由方框圖模型等效變換求系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

難點：建立控制系統(tǒng)的微分方程；由方框圖模型等效變換求系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

第3章  控制系統(tǒng)的時域分析

一、學習目的與要求

掌握一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)數(shù)學模型、特點、系統(tǒng)的時間響應及組成，二級系統(tǒng)的時域性能指標的計算，綜合分析高階系統(tǒng)的時間響應及性能影響因素。

二、課程內(nèi)容

控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應；一階系統(tǒng)的數(shù)學模型及時間響應；典二階系統(tǒng)的數(shù)學模型及時間響應；高階系統(tǒng)的時間響應及性能分析。

三、考核知識點與考核要求

1.控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應

識記：單位階躍信號及其拉氏變換；單位斜坡信號及其拉氏變換；單位拋物線信號及其拉氏變換；單位脈沖信號及其拉氏變換；單位正弦信號及其拉氏變換；時間響應；穩(wěn)態(tài)響應；瞬態(tài)響應；穩(wěn)態(tài)分量；瞬態(tài)分量；延遲時間；上升時間；峰值時間；最大超調(diào)量；調(diào)節(jié)時間；振蕩次數(shù)；穩(wěn)態(tài)誤差。

領會：時間響應的組成；穩(wěn)態(tài)響應；瞬態(tài)響應。

2.一階系統(tǒng)的數(shù)學模型及時間響應

識記：一階系統(tǒng)的微分方程及傳遞函數(shù)；一階系統(tǒng)的極點；一階系統(tǒng)的時間常數(shù)；一階系統(tǒng)的單位階躍響應；一階系統(tǒng)的單位脈沖響應；一階系統(tǒng)的單位斜坡響應。

領會：一階系統(tǒng)極點對穩(wěn)定性的影響；一階系統(tǒng)時間常數(shù)對快速性的影響；一階系統(tǒng)單位階躍響應的組成；一階系統(tǒng)單位階躍響應的特性；一階系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間；一階系統(tǒng)的單位脈沖響應的穩(wěn)態(tài)分量和瞬態(tài)分量；一階系統(tǒng)單位斜坡響應的穩(wěn)態(tài)分量和瞬態(tài)分量；一階系統(tǒng)單位斜坡響應的穩(wěn)態(tài)誤差。

應用：掌握一階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值、穩(wěn)態(tài)誤差、時間常數(shù)、增益系數(shù)的計算方法。

3.二階系統(tǒng)的數(shù)學模型及時間響應

識記：二階系統(tǒng)的微分方程及傳遞函數(shù)；二階系統(tǒng)的極點（特征根）；無阻尼固有頻率；阻尼比；有阻尼固有頻率；零阻尼狀態(tài)；欠阻尼狀態(tài)；臨界阻尼狀態(tài)；過阻尼狀態(tài)就；二階系統(tǒng)的單位階躍響應；二階系統(tǒng)的單位脈沖響應；二階系統(tǒng)的單位斜坡響應；二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；二階系統(tǒng)的時域性能指標。

領會：二級系統(tǒng)極點隨阻尼比變化在s復平面上的分布規(guī)律；不同阻尼狀態(tài)下二階系統(tǒng)時間響應的組成；二階系統(tǒng)的特性參數(shù)阻尼比和固有頻率對系統(tǒng)動態(tài)性能（快速性和穩(wěn)定性）的影響；在單位斜坡信號作用下二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

應用：二階系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比的計算；欠阻尼狀態(tài)下二階系統(tǒng)單位階躍響應的分析計算；單位斜坡信號作用下二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應及穩(wěn)態(tài)誤差分析計算；欠阻尼狀態(tài)下二階系統(tǒng)的時域性能指標的分析與計算。

4.高階系統(tǒng)的時間響應及性能分析

識記：高階系統(tǒng)組成；高階系統(tǒng)的特征根；高階系統(tǒng)的實數(shù)極點；高階系統(tǒng)的共軛復數(shù)極點；高階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；高階系統(tǒng)的單位階躍響應；高階系統(tǒng)的單位脈沖響應；高階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分量和瞬態(tài)分量；高階系統(tǒng)的模態(tài)；高階系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)、臨界穩(wěn)定狀態(tài)、不穩(wěn)定狀態(tài)；主導極點。

領會：高階系統(tǒng)時間階躍