高綱1514

江蘇省高等教育自學(xué)考試大綱

30587  機(jī)械控制工程基礎(chǔ)

揚(yáng)州大學(xué)編

江蘇省高等教育自學(xué)考試委員會(huì)辦公室

Ⅰ  課程性質(zhì)與課程目標(biāo)

一、課程性質(zhì)和特點(diǎn)

《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)（含實(shí)踐）》是機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課程。通過(guò)學(xué)習(xí)，獲得機(jī)電控制系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)的基本理論、基本知識(shí)和方法；通過(guò)理論學(xué)習(xí)和仿真課程設(shè)計(jì)，具備對(duì)機(jī)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(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

本課程的先修課程為：工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械工程材料、機(jī)械制造技術(shù)；后續(xù)課程為：其它專業(yè)課程、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)。

二、課程目標(biāo)

1. 使考生掌握分析已有機(jī)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(jī)電控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)性能等的分析和計(jì)算以及系統(tǒng)的綜合校正等基本原理和方法；

3. 通過(guò)理論學(xué)習(xí)、物理實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練考生對(duì)機(jī)電控制系統(tǒng)的綜合分析和設(shè)計(jì)能力；

4. 理解機(jī)械、電氣以及控制工程各領(lǐng)域之間的聯(lián)系。

三、與相關(guān)課程的聯(lián)系與區(qū)別

《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》是一門新興技術(shù)科學(xué)，也是一門邊緣學(xué)科，以控制理論為基礎(chǔ)，以有關(guān)自動(dòng)控制和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的理論及其在機(jī)械工程中應(yīng)用為主要研究對(duì)象。學(xué)習(xí)本課程應(yīng)具備自動(dòng)控制理論、高等數(shù)學(xué)、積分變換、復(fù)變函數(shù)、電工電子技術(shù)、理論力學(xué)、機(jī)械振動(dòng)等課程。

四、課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)

1.課程的學(xué)習(xí)重點(diǎn)

1）建立機(jī)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(xué)模型；

2）機(jī)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(shí)間響應(yīng)，時(shí)域性能指標(biāo)等時(shí)域分析；

3）機(jī)械控制工程的頻率響應(yīng)、頻率特性、開(kāi)環(huán)頻率特性（極坐標(biāo)）圖、開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性（伯德）圖；

4）機(jī)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(duì)穩(wěn)定性的分析計(jì)算，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的分析和計(jì)算等；

5）機(jī)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(xué)習(xí)難點(diǎn)

1）機(jī)械控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性、以及穩(wěn)定性和相對(duì)穩(wěn)定性的分析與計(jì)算；

2）機(jī)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(jì)算。

Ⅱ  考核目標(biāo)

本大綱在考核目標(biāo)中，按照識(shí)記、領(lǐng)會(huì)、以及應(yīng)用三個(gè)層次規(guī)定其應(yīng)達(dá)到的能力層次要求。三個(gè)能力層次是遞升的關(guān)系，后者必須建立在前者的基礎(chǔ)上。各能力層次的含義是：

1.識(shí)記

理解本課程中的名詞術(shù)語(yǔ)、基本知識(shí)、概念的意義，并能準(zhǔn)確表達(dá)。

2.領(lǐng)會(huì)

在識(shí)記的基礎(chǔ)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(diǎn)與聯(lián)系。

3.應(yīng)用

在識(shí)記和領(lǐng)會(huì)的基礎(chǔ)上，能對(duì)機(jī)械工程控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中的問(wèn)題進(jìn)行正確的闡述、計(jì)算和分析，能運(yùn)用所學(xué)的基本知識(shí)和理論、方法，解決機(jī)械工程控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中的實(shí)際問(wèn)題。

Ⅲ  課程內(nèi)容與考核要求

第1章  緒論

一、學(xué)習(xí)目的與要求

考生通過(guò)對(duì)第一章的學(xué)習(xí)，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(kāi)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(duì)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(duì)控制系統(tǒng)的基本要求。

三、考核知識(shí)點(diǎn)與考核要求

1. 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

識(shí)記：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)；閉環(huán)控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)；半閉環(huán)控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)；反饋控制系統(tǒng)；正反饋和負(fù)反饋；反饋控制系統(tǒng)的組成元件及含義。

領(lǐng)會(huì)：閉環(huán)控制系統(tǒng)工作過(guò)程；檢測(cè)偏差用于糾正偏差的原理。

應(yīng)用：參考對(duì)閉環(huán)恒溫箱控制系統(tǒng)，分析教材習(xí)題1.4所述倉(cāng)庫(kù)大門自動(dòng)控制系統(tǒng)及習(xí)題1.5所示液位自動(dòng)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(shí)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(wú)差系統(tǒng)。

領(lǐng)會(huì)：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(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

識(shí)記：穩(wěn)定性；快速性；準(zhǔn)確性；穩(wěn)態(tài)誤差。

領(lǐng)會(huì)：穩(wěn)、準(zhǔn)、快各自的意義及其間的相互影響。

四、本章重點(diǎn)、難點(diǎn)

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

難點(diǎn)：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(xué)模型

一、學(xué)習(xí)目的與要求

掌握建立機(jī)械控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、傳遞函數(shù)以及控制方框圖模型等方法，分析復(fù)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(xué)模型分析。

三、考核知識(shí)點(diǎn)與考核要求

1.控制系統(tǒng)的微分方程

識(shí)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)；自由運(yùn)動(dòng)模態(tài)；微分方程的通解；微分方程的特解和特解；自然響應(yīng)；強(qiáng)迫響應(yīng)。

領(lǐng)會(huì)：線性系統(tǒng)的兩個(gè)重要特性；微分方程和齊次微分方程的意義。

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

領(lǐng)會(huì)：傳遞函數(shù)表達(dá)式的含義；傳遞函數(shù)與微分方程之間的關(guān)系；微分環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的控制作用。

應(yīng)用：建立機(jī)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(shí)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(kāi)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(lǐng)會(huì)：閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖模型的特點(diǎn)；方框圖模型中分支點(diǎn)前移或后移的等效變換圖；方框圖模型中相加點(diǎn)前移或后移的等效變換圖。

應(yīng)用：根據(jù)系統(tǒng)各原件數(shù)學(xué)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(shí)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(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)：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(diǎn)：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(shí)域分析

一、學(xué)習(xí)目的與要求

掌握一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、特點(diǎn)、系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及組成，二級(jí)系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)的計(jì)算，綜合分析高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及性能影響因素。

二、課程內(nèi)容

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

三、考核知識(shí)點(diǎn)與考核要求

1.控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)

識(shí)記：?jiǎn)挝浑A躍信號(hào)及其拉氏變換；單位斜坡信號(hào)及其拉氏變換；單位拋物線信號(hào)及其拉氏變換；單位脈沖信號(hào)及其拉氏變換；單位正弦信號(hào)及其拉氏變換；時(shí)間響應(yīng)；穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；瞬態(tài)響應(yīng)；穩(wěn)態(tài)分量；瞬態(tài)分量；延遲時(shí)間；上升時(shí)間；峰值時(shí)間；最大超調(diào)量；調(diào)節(jié)時(shí)間；振蕩次數(shù)；穩(wěn)態(tài)誤差。

領(lǐng)會(huì)：時(shí)間響應(yīng)的組成；穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；瞬態(tài)響應(yīng)。

2.一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及時(shí)間響應(yīng)

識(shí)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(diǎn)；一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)；一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)；一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)；一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)。

領(lǐng)會(huì)：一階系統(tǒng)極點(diǎn)對(duì)穩(wěn)定性的影響；一階系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)對(duì)快速性的影響；一階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的組成；一階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的特性；一階系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間；一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)分量和瞬態(tài)分量；一階系統(tǒng)單位斜坡響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)分量和瞬態(tài)分量；一階系統(tǒng)單位斜坡響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

應(yīng)用：掌握一階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值、穩(wěn)態(tài)誤差、時(shí)間常數(shù)、增益系數(shù)的計(jì)算方法。

3.二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及時(shí)間響應(yīng)

識(shí)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(diǎn)（特征根）；無(wú)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(guò)阻尼狀態(tài)就；二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)；二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)；二階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)；二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；二階系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)。

領(lǐng)會(huì)：二級(jí)系統(tǒng)極點(diǎn)隨阻尼比變化在s復(fù)平面上的分布規(guī)律；不同阻尼狀態(tài)下二階系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的組成；二階系統(tǒng)的特性參數(shù)阻尼比和固有頻率對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能（快速性和穩(wěn)定性）的影響；在單位斜坡信號(hào)作用下二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

應(yīng)用：二階系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比的計(jì)算；欠阻尼狀態(tài)下二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的分析計(jì)算；單位斜坡信號(hào)作用下二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)誤差分析計(jì)算；欠阻尼狀態(tài)下二階系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)的分析與計(jì)算。

4.高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及性能分析

識(shí)記：高階系統(tǒng)組成；高階系統(tǒng)的特征根；高階系統(tǒng)的實(shí)數(shù)極點(diǎn)；高階系統(tǒng)的共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)；高階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)；高階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)；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(dǎo)極點(diǎn)。

領(lǐng)會(huì)：高階系統(tǒng)時(shí)間階躍