機械系統設計與控制課程大綱日期:目錄CATALOGUE課程導論機械系統設計理論控制系統設計與實現系統性能分析與驗證典型工程應用案例前沿發展與課程總結課程導論01機械系統設計基本概念機械系統組成機械系統由傳動機構、執行機構、控制系統等組成。01研究系統如何實現預期的功能，包括運動傳遞、力傳遞和能量轉換等。02系統評價方法基于系統性能、成本、可靠性等因素對機械系統進行評價。03系統功能分析基于傳遞函數和頻域分析，研究系統穩定性、動態性能和穩態精度。經典控制理論以狀態空間為基礎，研究系統狀態觀測、最優控制和魯棒控制等。現代控制理論包括模糊控制、神經網絡控制等，適用于復雜和不確定性系統。智能控制方法控制理論核心框架課程目標與學習路徑掌握機械系統設計的基本原理和控制理論的核心知識，培養系統分析和設計能力。課程目標從基礎知識學習開始，逐步深入到機械系統與控制技術的實際應用，最后通過項目實踐鞏固所學知識。學習路徑機械系統設計理論02牛頓運動定律應用通過牛頓第二定律，計算質點或剛體在外力作用下的加速度，并進而確定其運動軌跡。拉格朗日方程基于能量守恒原理，描述系統動力學行為，適用于完整系統或有約束的質點系。哈密爾頓原理在拉格朗日方程基礎上，引入廣義坐標和廣義動量，適用于更復雜的動力學系統。動力學仿真利用計算機模擬系統動力學行為，驗證理論模型的有效性，優化設計參數。系統動力學建模方法模塊化設計原則與流程模塊化設計原則與流程模塊劃分模塊組合接口設計模塊測試根據功能需求，將系統劃分為若干獨立且相互關聯的模塊。確保各模塊之間的接口標準化，便于模塊間的連接與替換。按照一定規則，將各模塊進行組合，形成完整的系統或設備。對每個模塊進行單獨測試，確保其性能滿足設計要求。可靠性分析與優化策略可靠性評估可靠性優化設計故障模式與影響分析（FMEA）維修性與可測試性通過統計方法，評估系統或設備在規定條件下完成規定功能的能力。識別系統中潛在的故障模式，評估其影響程度，并提出改進措施。在系統設計階段，通過調整參數、優化結構等方法，提高系統可靠性。確保系統易于維修和測試，以降低維修成本和時間。控制系統設計與實現03經典控制算法（PID、魯棒控制）01PID控制算法介紹PID控制算法的基本原理、實現方法、調試技巧和應用場景，重點討論P、I、D三個參數的調節及其對系統性能的影響。02魯棒控制算法介紹魯棒控制的基本原理、設計方法和實際應用，包括不確定系統的魯棒性分析、魯棒控制器設計等內容。介紹模糊控制的基本原理、模糊控制器設計和應用，包括模糊集合、模糊規則和模糊推理等內容。模糊控制算法現代智能控制技術（模糊、神經網絡）介紹神經網絡控制的基本原理、結構、訓練方法和應用，包括前饋神經網絡、反饋神經網絡和強化學習等內容。神經網絡控制算法硬件在環仿真與調試介紹硬件在環仿真的基本原理、仿真平臺構建和調試方法，包括實時仿真、半實物仿真等。硬件在環仿真技術介紹控制系統調試的步驟、方法和注意事項，包括參數整定、性能評估、故障診斷和排除等內容。控制系統調試系統性能分析與驗證04系統從靜止到達到穩態值所需的時間。上升時間系統從受到擾動到恢復到穩態值所需的時間。調節時間系統超過穩態值的最大偏差量。超調量010302時域/頻域響應評價指標通過頻率特性分析得到的指標，如帶寬、相位裕度等。頻域指標04穩定性判據與裕度計算勞斯判據根據系統特征方程的系數判斷系統穩定性。01奈奎斯特判據通過繪制系統的奈奎斯特圖來判斷系統的穩定性。02增益裕度和相位裕度衡量系統相對穩定性的指標，通過計算系統的幅值裕度和相位裕度來評估系統的穩定性。03采用合適的傳感器和采集設備，確保數據的準確性和可靠性。數據采集方法對采集的數據進行處理和分析，提取有用信息，消除噪聲和干擾。數據處理與分析分析實驗過程中可能產生的誤差來源，并采取措施進行修正，提高實驗結果的準確性。誤差來源與修正實驗數據采集與誤差修正典型工程應用案例05工業機器人運動控制系統工業機器人種類與特點介紹工業機器人分類、應用領域、基本組成及工作原理。02040301動力學與控制探討機器人運動過程中的動力學問題，包括關節驅動力、力矩及動態特性，以及控制方法。機器人運動學研究機器人末端執行器的位置、速度和加速度與關節變量之間的關系。編程與仿真介紹機器人編程語言、仿真軟件及離線編程技術。車輛傳動系統協同設計車輛傳動系統協同設計車輛傳動系統概述協同設計與優化傳動系統參數匹配傳動系統仿真與試驗介紹車輛傳動系統的基本組成、功能及分類。研究發動機與傳動系統的參數匹配，包括功率、轉速、轉矩等。探討傳動系統與其他車輛系統（如轉向、制動、懸架等）的協同設計與優化方法。介紹傳動系統仿真技術、試驗方法及標準。航空航天作動器閉環控制航空航天作動器概述介紹航空航天領域常用的作動器類型、特點及應用。閉環控制系統原理闡述閉環控制系統的基本組成、工作原理及性能指標。作動器閉環控制策略探討針對航空航天作動器的閉環控制策略，包括PID控制、自適應控制等。控制系統設計與實現介紹控制系統設計流程、關鍵技術及實現方法，包括傳感器選擇與布置、控制算法實現等。前沿發展與課程總結06數字孿生技術融合應用數字孿生技術在機械系統中的應用利用數字孿生技術構建高精度機械系統模型，實現運行狀態監測、故障診斷與預測。數字孿生驅動的協同設計數字孿生在智能制造中的應用基于數字孿生技術，實現多學科協同設計與優化，提高產品設計效率和質量。整合數字孿生技術與智能制造技術，實現生產過程數字化、智能化和可視化。123自主化系統設計挑戰探討自主化系統在面對復雜環境和任務時的穩定性與可靠性問題，提出解決方案。自主化系統的穩定性與可靠性研究自主化系統如何實現智能感知、分析與決策，提高系統自主性和適應性。自主化系統的智能感知與決策分析自主化系統可能帶來的倫理與安全問題，提出相應的規范與標準。自主化系統的倫理與安全問題課程知識圖譜梳理知識體系結構