08315控制工程基础

1高纲1579江苏省高等教育自学考试大纲08315控制工程基础南京理工大学编江苏省高等教育自学考试委员会办公室2Ⅰ课程性质与课程目标一、课程性质和特点《控制工程基础》课程是江苏省高等教育自学考试电子工程专业本科段的必修的专业基础课，该课程是电子工程专业课程体系中的骨干课程之一。控制工程基础知识在各个领域都有着广泛的应用，如航空航天系统、现代交通运输系统、管理决策系统、生产控制系统、机械控制系统、国防武器系统等等，是人们开发、利用信息传递以支持组织自动化生产，开发自动控制设备，是一门能极大地促进现代社会组织的变革、推进社会现代化进程、提高组织自身素质与竞争能力的科学。随着自动控制技术不断发展，自动控制技术这支利剑必须切实瞄准各行各业的业务需求这个目标，做到有的放矢，才能真正发挥作用。控制工程基础这门课程的任务就是利用自动控制的理论及思想，结合具体实际情况，帮助学生掌握分析控制系统的性能及设计控制器的基本方法，从而提高学生理论水平，锻炼他们进行系统开发的能力，为将来从事实际工作奠定坚实的基础。《控制工程基础》是一门系统性很强的应用型课程，是以讲解控制系统分析、设计及提高系统性能为主要内容，引导学生利用应用数学、力学、电子工程学等知识，不断深入理解控制工程相关知识、灵活运用知识的一门科学。课程具有较强的理论性，学生通过具体的机械及电子控制系统的专门学习，在树立清晰的系统意识的基础上，掌握控制系统性能分析与系统设计的基本方法。通过本课程的学习，学生不仅可以增强自学能力和独立研究能力，而且提高自身的开发能力，成为具备较强的研究能力、创新能力和驾驭现代化控制技术能力的复合型人才。二、课程目标通过本课程的学习，应达到如下要求：1．以机械运动作为主要控制对象，重点掌握数学模型及分析的基本思想和方法。熟练掌握典型系统（特别是一阶系统、二阶系统）的时域和频域特性；2．重点掌握线性系统的性能指标的定义及意义，以及相应的求取思想和基本方法；3．重点掌握自动控制系统的稳定性的概念和常用的判定方法，能熟练应用基本的判定方法判别系统的稳定性；4．熟练掌握在典型输入信号作用下，系统的响应；5．熟练掌握控制系统建模的基本方法及模型简化的基本手段；36．掌握控制系统传递函数的概念，深刻理解传递函数性质及物理意义；7．掌握控制系统的设计思想和基本的方法；8．对基本的校正装置的作用有所了解。三、与相关课程的联系与区别本课程的前修课程是高等数学、力学、电工、电子线路等，须具备有一定的电子工程基础知识，以便能顺利掌握机械系统、电子工程中的数学模型的建立以及所需的运算工具。四、课程的重点和难点第1章重点和难点：1.控制系统的基本概念的准确把握；2.控制系统的基本组成与实例各部件的对应关系；3.控制系统的基本要求的意义；4.实际系统中控制系统的作用。第2章重点和难点：1.数学模型的建立方法；2.拉氏变换和反变换的计算；3.传递函数的准确定义及求取方法；4.实际物理系统方块图的建立；5.方块图的化简方法；6.误差传递函数、前向通道传递函数、闭环传递函数、反馈通道传递函数和开环传递函数的概念及准确计算。第3章重点和难点：1.控制系统在单位脉冲、阶跃、速度、加速度信号作用下响应的求取方法；2.欠阻尼系统的动态性能指标的求取；3.阻尼系数与各项性能指标的关系；4.二阶系统的传递函数及其无阻尼自然频率、有阻尼自然频率和阻尼比的计算。第4章重点和难点：1.频率特性函数的定义及其物理意义；2.频率特性的对数坐标图和极坐标图的概略绘制方法；3.系统极坐标图的特殊点计算及型次、阶次及零、极点位置对极坐标图的影响；4.频域性能指标及计算方法；45.最小相位系统的定义及意义。第5章重点和难点：1.系统稳定性分析的意义；2.系统稳定的必要条件、充要条件；3.判定闭环系统稳定性的时域、频域的方法；4.使控制系统稳定的某些待定参数的求取方法及其计算；5.稳定裕量的物理意义及计算方法；6.伯德图图形与系统参数相互关系。第6章重点和难点：1.稳态误差的定义及计算方法；2.静态误差系数的定义及与系统误差的概念；3.减小系统误差的分析方法。第7章重点和难点：1.系统校正的意义；2.串联校正及反馈校正的原理；3.PID校正的意义及方法；4.相位超前校正、相位滞后校正的特点。Ⅱ考核目标本大纲在考核目标中，按照领会、掌握、熟练掌握三个层次要求考生，三个能力层次是递进关系，各能力层次分别表示：1.领会：知晓本课程中有关的名词、概念、知识的意义，并能正确认识和表达，这是最低层次的要求。2.掌握：在领会的基础上，能全面理解《控制工程基础》中提出的基本概念、原理、方法，回答一些基本的问题，并能对各种概念、原理、方法进行联系和区别，这是较高层次的要求。3.熟练掌握：在领会和掌握的基础上，能运用基本概念、原理与方法进行控制系统分析过程中各个阶段工作，同时能用各种图、表、文字、数据正确地表述、完整地表达自己对某实际系统进行分析与设计的思路与过程，这是最高层次的要求，也是本课程的重点内容。4．其中打*的部分，自学考试大纲不做要求。5Ⅲ课程内容与考核要求第1章概论一、学习目的与要求通过本章的学习使学生走进控制工程领域，了解控制理论在工程中的应用发展现状，了解自动控制理论在机械制造工业中的一些具体应用，了解本课程学习的知识结构和安排，掌握控制系统的基本概念。二、课程内容本章主要介绍了控制理论发展过程及在工程上的应用；自动控制系统的基本概念；控制理论在机械制造工业中的应用；课程的整体安排。三、考核知识点与考核要求（一）领会控制理论的发展过程，及在发展各阶段的主要特点（二）熟练掌握自动控制系统的基本概念：1．自动控制系统的工作原理2.开环控制3.闭环控制4.反馈控制系统基本组成及组成的元件5.自动控制系统的基本类型6.对控制系统的基本要求（三）领会控制理论在机械制造工业中的应用：1.离心调速器2.机器人关节司服系统3.三坐标数控机床4.六自由度工业机器人5.感应导线式自动导引车6.柔性制造系统（四）掌握本课程的基本要求四、本章的重点和难点1.控制系统的基本概念的准确把握62.控制系统的基本组成与实例各部件的对应关系3.控制系统的基本要求的意义4.实际系统中控制系统的作用第2章控制系统的动态数学模型一、学习目的与要求通过本章学习明确为了分析、研究机械电子工程系统的动态特性，或对它们进行控制，最重要的一步首先是建立系统的数学模型，明确数学模型的含义，掌握采用解析方法建立一些简单机、电系统的数学模型。明确拉普拉斯（简称拉氏）变换是分析研究线性动态系统的有力工具，通过拉氏变换将时域的微分方程变换为复数域的代数方程，掌握拉氏变换的定义，用定义求常用函数的拉氏变换，会查拉氏变换表，掌握拉氏变换的重要性质及其应用，掌握用部分分式法求拉氏变换的方法以及了解用拉氏变换求解线性微分方程的方法。掌握传递函数定义、特点及推导方法，方块图及其简化法则。了解信号流程图及梅逊公式的应用，以及数学模型、传递函数、方块图和信号流程图之间的关系。二、课程内容本章主要介绍：（一）基本环节的数学模型1．质量——弹簧——阻尼系统应用牛顿第二定律建立质量——弹簧——阻尼系统的运动微分方程2．电路网络应用基尔霍夫定律和区姆定律建立电路网络系统的微分方程3．电动机应用力学、电学方面定律建立电枢控制式直流电动机的数学模型（二）数学模型的线性化1．各类非线性现象2．系统线性化处理的方法（三）拉氏变换及反变换1．拉氏变换定义2．简单函数的拉氏变换7（1）单位阶跃函数（2）指数函数（3）正弦函数和余弦函数（4）幂函数3．拉氏变换的性质（1）叠加原理（2）微分定理（3）积分定理（4）衰减定理（5）延时定理（6）初值定理（7）终值定理（8）时间比例尺改变的象函数（9）tx(t)的象函数（10）x(t)/t的拉氏变换（11）周期函数的象函数（12）卷积分的象函数4．拉氏反变换（1）只含不同单极点的情况（2）含共轭复数极点的情况（3）含多重极点的情况5．用拉氏变换解常系数线性微分方程（四）传递函数以及典型环节的传递函数1．比例环节2．一阶惯性环节3．微分环节（1）理想微分环节（2）近似微分环节4．积分环节5．二阶振荡环节8（五）系统函数方块图及其简化1．系统方块图的基本单元2．比较点3．引出点4．串联5．并联6．反馈7．系统方块图变换法则8．系统方块图简化（六）系统信号流图及梅逊公式1．信号流图的表示方法2．梅逊公式（七）受控机械对象数学模型1．高谐振频率2．高刚度3．适当阻尼4．低转动惯量（八）绘制实际物理系统的函数方块图1．各种典型机械系统的传递函数2．各种电网络及电气系统的传递函数*（九）控制系统数学模型的MATLAB实现*（十）状态空间方程基本概念三、考核知识点与考核要求（一）数学模型的概念1．熟练掌握数学模型的含义2．熟练掌握线性系统含义及其最重要的特征——可以运用叠加原理3．熟练掌握线性定常系统和线性时变系统的点义4．领会非线性系统的定义及其线性化方法（二）系统微分方程的建立1.掌握对于机械系统运用牛顿第二定律建立运动微分方程式92.掌握对于电气系统运用基尔霍夫定律建立微分方程式（三）熟练掌握拉氏变换与拉氏反变换定义（四）熟练掌握典型时间函数的拉氏变换1.单位阶跃函数的拉氏变换2.指数函数的拉氏变换3.正弦函数和余弦函数的拉氏变换4.幂函数的拉氏变换（五）掌握拉氏变换的性质1.熟练掌握叠加原理2.熟练掌握微分定理3.熟练掌握积分定理4.衰减定理5.延时定理6.熟练掌握初值定理7.熟练掌握终值定理8.时间比例尺改变的象函数9.tx(t)的象函数10.x(t)/t的拉氏变换11.周期函数的象函数12.卷积分的象函数（六）掌握拉氏反变换1.拉氏反变换2.拉氏反变换的部分分式法：无重极点和有重极点的情况（七）熟练掌握用拉氏变换解常微分方程（八）熟练掌握传递函数1.传递函数的定义2.传递函数的主要特点（九）熟练掌握方块图及系统的构成1.方块图表示方法及其构成2.系统的构成10（1）串联环节的构成及计算（2）并联环节的构成及计算（3）反馈环节的构成及计算（4）误差传递函数、前向通道传递函数、闭环传递函数、反馈通道传递函数和开环传递函数的定义及计算3.方块图的简化4.画系统方块图及求传递函数步骤（十）掌握信号流图与梅逊公式1.信号流图表示方法及其成2.信号流统与方块图之间的关系3.梅逊公式的应用（十一）掌握受控机械对象的数学模型1.高谐振频率2.高刚度3.适当阻尼4.低转动惯量（十二）掌握实际物理系统的传递函数方块图1.各种机械系统的传递函数2.各种电网络及电气系统的传递函数四、本章的重点和难点1.数学模型的建立方法2.拉氏变换和反变换的计算3.传递函数的准确定义及求取方法4.实际物理系统方块图的建立方法5.方块图的化简方法6.误差传递函数、前向通道传递函数、闭环传递函数、反馈通道传递函数和开环传递函数的概念及准确计算第3章时域瞬态响应分析一、学习目的与要求11通过本章学习，明确一个系统在建立了系统的数学模型（包括微分方程和传递函数）之后，就可以采用不同的方法来分析和研究系统的动态性能，时域分析是重要的方法之一。明确系统在外加作用激励下，根据所描述系统的数学模型，求出系统的输出量随时间变化的规律，并由此确定系统的性能，明确系统的时间响应及其组成，脉冲响应函数的概念，掌握一阶、二阶系统的典型时间响应和高阶系统的时间响应以及主导极点的概念。二、课程内容（一）时域响应以及典型输入信号1.时域响应的含义（1）瞬态响应的含义（2）稳态响应当含义2.典型输入信号的概念（1）选择典型输入信号的好处（2）常见的典型输入信号阶跃函数、斜坡函数、加速度函数、脉冲函数、正弦函数（二）一阶系统的瞬态响应1.一阶系统的单位阶跃响应2.一阶系统的单位斜坡响应3.一阶系统的单位脉冲响应（三）二阶系统的瞬态响应1.二阶系统的单位阶跃响应（1）欠阻尼情况（2）临界阻尼情况（3）过阻尼情况（4）零阻尼情况（5）负阻尼情况2.二阶系统的单位脉冲响应（1）欠阻尼情况（2）临界阻尼情况（3）过阻尼情况3.二阶系统的单位斜坡响应