1、x2160521控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)大綱課程名稱：英文名稱：控制工程基礎(chǔ)Elements of ControlEngineering課程編號(hào)：x2160521學(xué) 時(shí)數(shù)： 32其中實(shí)踐學(xué)時(shí)數(shù)：6課外學(xué)時(shí)數(shù)：0學(xué) 分?jǐn)?shù)： 2適用專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、機(jī)械工程一、課程簡(jiǎn)介控制工程基礎(chǔ)課程內(nèi)容包括機(jī)械工程控制的基本概念、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、時(shí)間響應(yīng)分析、 頻率特性分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。以數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)為例，從系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析到穩(wěn)定性判斷均以此例展開(kāi)，幫助學(xué)Th學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整的初步知識(shí)，領(lǐng)悟與學(xué)會(huì)應(yīng)用控制理論來(lái)解決機(jī)械工程的實(shí)際問(wèn)題奠定必要的基礎(chǔ)。二、課程的性質(zhì)和教學(xué)目標(biāo)控制工

2、程基礎(chǔ)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)和機(jī)械工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課。（一）課堂教學(xué)目標(biāo)：（ 1）使學(xué)Th牢固掌握控制工程基礎(chǔ)的基本概念、基本原理，學(xué)會(huì)處理控制工程中機(jī)械系統(tǒng)控制問(wèn)題的一般方法。（ 2）結(jié)合機(jī)械工程實(shí)際，連續(xù)地、系統(tǒng)地、循序漸進(jìn)講授各章內(nèi)容，使學(xué)Th對(duì)控制工程基礎(chǔ)理論知識(shí)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用有初步的認(rèn)識(shí)。（二）實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)：（ 1）了解Matlab 數(shù)值分析軟件的功能模塊。（ 2）通過(guò)Matlab 數(shù)值分析軟件平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性仿真，加深學(xué)Th對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，學(xué)會(huì)運(yùn)用Matlab 數(shù)值分析軟件分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性，為學(xué)Th今后運(yùn)用分析軟件分析工程問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。Ma

3、tlab 數(shù)值、教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系表教學(xué)目標(biāo)畢業(yè)要求(1)使學(xué)Th牢固掌握控制工程基礎(chǔ)的基本概念、基本原1-2 掌握機(jī)械電子工程專業(yè)的基礎(chǔ)知 識(shí)，能選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ陀糜诜治鰪?fù)雜機(jī) 械工程問(wèn)題。理，學(xué)會(huì)處理控制工程中機(jī)械系統(tǒng)控制問(wèn)題的一般方法。(2)結(jié)合機(jī)械工程實(shí)際，連續(xù)地、系統(tǒng)地、循序漸進(jìn)講 授各章內(nèi)2-2 能夠應(yīng)用工程基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)研究對(duì)象 進(jìn)行正容，使學(xué)Th對(duì)控制工程基礎(chǔ)理論知識(shí)在H 程實(shí) 踐中的應(yīng)用有初步的確的分析和改進(jìn)工程問(wèn)題。認(rèn)識(shí)。(3)學(xué)會(huì)運(yùn)用 Matlab 數(shù)值分析軟件分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、 靜態(tài)特2-2 能夠應(yīng)用工程基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)研究對(duì)象 進(jìn)行正性。確的分析和改進(jìn)工程問(wèn)題。四、課程教學(xué)內(nèi)容

4、、基本要求、重點(diǎn)和難點(diǎn)(一)緒論1. 教學(xué)內(nèi)容(1) 機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù)； (2)反饋的概念；(3) 控制系統(tǒng)組成及分類：控制系統(tǒng)的組成及各部分的作用，控制量、擾動(dòng)量、被控制量、控 制器和被控對(duì)象的概念，繪制控制系統(tǒng)方框圖；控制系統(tǒng)的分類。(4) 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求；(5) 機(jī)械工程控制論的發(fā)展歷程；(6) 實(shí)例：“數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)”的控制原理和控制框圖。2 .基本要求(1) 了解部分：機(jī)械工程控制的發(fā)展史、控制工程基礎(chǔ)的研究對(duì)象及任務(wù)、機(jī)械工程控制系統(tǒng) 的分類；實(shí)例：“數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)”的控制原理和控制框圖；(2) 理解部分：反饋的概念；(3) 掌握

5、部分：控制系統(tǒng)的組成及各部分的作用，控制量、擾動(dòng)量、被控制量、控制器和被控 對(duì)象的概念，繪制控制系統(tǒng)方框圖，“數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)”的控制原理和控制框圖;(4) 熟練掌握：機(jī)械工程控制系統(tǒng)的基本要求。3 .重點(diǎn)和難點(diǎn)(1) 重點(diǎn)：反饋的概念；控制系統(tǒng)的組成及各部分的作用，控制量、擾動(dòng)量、被控制量、控制 器和被控對(duì)象的概念，繪制控制系統(tǒng)方框圖，機(jī)械工程控制系統(tǒng)的基本要求。(2) 難點(diǎn)：控制量、擾動(dòng)量、被控制量、控制器和被控對(duì)象的概念，繪制控制系統(tǒng)方框圖。 (二)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1 .教學(xué)內(nèi)容(1) 積分變換：Laplace 變換定義、性質(zhì)、計(jì)算方法和應(yīng)用， 和應(yīng)用；Laplace 逆變換

6、的定義、計(jì)算方法(2) 系統(tǒng)的微分方程：線性系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)，機(jī)械系統(tǒng)、電控系統(tǒng)的微分方程建立方法，非 線性系統(tǒng)線性化的條件和方法；(3) 傳遞函數(shù)：線性系統(tǒng)傳遞函數(shù)的定義、特點(diǎn)，傳遞函數(shù)的極點(diǎn)、零點(diǎn)和放大系數(shù)的概念； (4)典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；(5)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖建立及其簡(jiǎn)化； (6)考慮擾動(dòng)的反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；(7)相似原理：機(jī)械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的相似性； (8)數(shù)學(xué)模型的MATLAB 描述；(9)實(shí)例：“數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)”的數(shù)學(xué)模型建立。2 .基本要求(1) 了解部分：Laplace 變換的定義，考慮擾動(dòng)的反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，相似原理(

7、機(jī)械 系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的相似性)；實(shí)例：“數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系 統(tǒng)”的控制原理和控制框圖。(2) 理解部分：數(shù)學(xué)模型、線性系統(tǒng)、傳遞函數(shù)基本概念；(3) 掌握部分：Laplace 變換的計(jì)算方法、性質(zhì)， 函數(shù)；數(shù)學(xué)模型的 MATLAB 描述。Laplace 逆變換的計(jì)算方法；典型環(huán)節(jié)的傳遞(4) 熟練掌握：機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的微分方程建立、傳遞函數(shù)、方框圖的建立及其簡(jiǎn)化。3 .重點(diǎn)和難點(diǎn)(1) 重點(diǎn)：Laplace 變換的計(jì)算方法、性質(zhì)，Laplace 逆變換的計(jì)算方法；機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的微分方程建立、傳遞函數(shù)、方框圖的建立及其簡(jiǎn)化；典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。(2)

8、難點(diǎn)：Laplace 變換性質(zhì)；Laplace 逆變換的求解方法，數(shù)學(xué)模型的(三)系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析MATLAB 描述。1 .教學(xué)內(nèi)容(1) 時(shí)間響應(yīng)及其組成：時(shí)間響應(yīng)的基本概念、組成以及與系統(tǒng)傳遞函數(shù)的關(guān)系，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、 瞬態(tài)相應(yīng)、自由響應(yīng)、強(qiáng)迫響應(yīng)、零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)相應(yīng)的概念;（ 2）典型輸入信號(hào)；（ 3）一階系統(tǒng)：一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及其性能指標(biāo)；（ 4）二階系統(tǒng)：二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及其性能指標(biāo)；（ 5）高階系統(tǒng)：高階系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)概念，主導(dǎo)極點(diǎn)的概念；（ 6） 系統(tǒng)誤差分析與計(jì)算：誤差和偏差的概念與區(qū)別，影響系統(tǒng)誤差的因素，減小誤差的措施；1. 7）利用 MA TLAB 分析時(shí)間響應(yīng)；2.

9、 8）實(shí)例：“數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)”的時(shí)間響應(yīng)分析。3. 基本要求（ 1）了解部分：典型輸入信號(hào)；高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)；“數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)” 的時(shí)間響應(yīng)分析；（ 2）理解部分：時(shí)間響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)相應(yīng)的概念；穩(wěn)態(tài)誤差、偏差的概念；（ 3）掌握部分：一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及其性能指標(biāo)；利用MA TLAB 分析時(shí)間響應(yīng)；（ 4）熟練掌握：二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及其性能指標(biāo)；系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算方法。4. 重點(diǎn)和難點(diǎn)（ 1）重點(diǎn)：系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的求解；一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及其性能指標(biāo)；二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及其性能指標(biāo)；系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算方法；（ 2）難點(diǎn)：系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的求解；系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的

10、計(jì)算方法，利用MA TLAB 分析時(shí)間響應(yīng)。（四）系統(tǒng)的頻率特性分析1. 教學(xué)內(nèi)容（ 1）頻率特性概述：頻率響應(yīng)和頻率特性的基本概念，頻率特性的物理意義，頻率響應(yīng)和頻率特性的求解方法；（ 2）頻率特性的圖解方法：典型環(huán)節(jié)的Nyquist 圖的特征，繪制系統(tǒng)的Nyquist 圖的方法，0型、I 型和 n 型系統(tǒng)的 Nyquist 圖特點(diǎn)；典型環(huán)節(jié)的 Bode 圖的特征，繪制系統(tǒng)的 Bode 圖的方法；（ 3）頻率特性的特征量：零頻值、諧振頻率、諧振峰值、截止頻率、系統(tǒng)頻寬的概念及其物理意義；（ 4）最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng)。（ 5）利用 MA TLAB 分析頻率特性；（ 6）實(shí)例：“數(shù)控直線

11、運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)”的頻率特性分析。2.基本要求“數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)”的頻率特性分析；（ 2） 理解部分： 頻率響應(yīng)和頻率特性的基本概念，頻率特性的物理意義，頻率響應(yīng)、頻率特性、零頻值、諧振頻率、諧振峰值、截止頻率、系統(tǒng)頻寬的基本概念及其物理意義；（ 3）掌握部分：頻率響應(yīng)和頻率特性的求解方法；利用MATLAB 分析頻率特性；（ 4）熟練掌握：頻率特性的極坐標(biāo)圖（Nyquist 圖）；頻率特性的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖（Bode 圖）。3. 重點(diǎn)和難點(diǎn)（ 1）重點(diǎn)：頻率響應(yīng)和頻率特性的求解方法；諧振頻率、諧振峰值、截止頻率、系統(tǒng)頻寬的基本概念及其物理意義；頻率特性的極坐標(biāo)圖（ 2）難點(diǎn)：頻率

12、特性的極坐標(biāo)圖（Nyquist 圖）；頻率特性的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖（Nyquist 圖）；頻率特性的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖（Bode 圖）Bode 圖）；利用MATLAB 分析頻率特性。（五）系統(tǒng)的穩(wěn)定性1. 教學(xué)內(nèi)容（ 1）系統(tǒng)穩(wěn)定性的初步概念：系統(tǒng)穩(wěn)定的概念，穩(wěn)定的充分必要條件；（ 2） Routh 穩(wěn)定判據(jù)：Routh 穩(wěn)定判據(jù)的內(nèi)容， 穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用；Routh 穩(wěn)定判據(jù)應(yīng)用中的兩種特殊情況，Routh（ 3） Nyquist 穩(wěn)定判據(jù)： Nyquist 穩(wěn)定判據(jù)的證明、內(nèi)容，應(yīng)用中步驟；Nyquist 圖的補(bǔ)圖方法、判斷（ 4） Bode 穩(wěn)定判據(jù)以及系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性：幅值穿越頻率、相位穿越頻率；系統(tǒng)的

13、相對(duì)穩(wěn)定性概念；穿越的概念；（ 5） 用MA TLAB 分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（ 6） 例：“數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)”的穩(wěn)定性分析。2. 基本要求（ 1）了解部分：控制系統(tǒng)穩(wěn)定的概念；“數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)”的穩(wěn)定性分析；（ 2）理解部分：幅值穿越頻率、相位穿越頻率；系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性概念；穿越的概念；（ 3）掌握部分：控制系統(tǒng)穩(wěn)定的概念；穩(wěn)定的充分必要條件；判Routh 穩(wěn)定判據(jù)；Nyquist 穩(wěn)定據(jù)； Bode 穩(wěn)定判據(jù)；系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性裕量計(jì)算；利用MATLAB 分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（ 4）熟練掌握：Routh 穩(wěn)定判據(jù)；Nyquist 穩(wěn)定判據(jù)； Bode 穩(wěn)定判據(jù)；系統(tǒng)的

14、相對(duì)穩(wěn)定性裕量計(jì)算。3. 重點(diǎn)和難點(diǎn)（ 1）重點(diǎn)：控制系統(tǒng)穩(wěn)定的概念；穩(wěn)定的充分必要條件；Routh 穩(wěn)定判據(jù)；Nyquist穩(wěn)定判據(jù)；Bode 穩(wěn)定判據(jù)；系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性裕量計(jì)算；(2) 難點(diǎn)：Nyquist 穩(wěn)定判據(jù)；利用 MATLAB 分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。五、教學(xué)方式及學(xué)時(shí)分配序號(hào)教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)分配教學(xué)方式輔導(dǎo)答疑一緒論2講授2: 1一系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型8講授2: 1三系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析4+2講授+實(shí)驗(yàn)2: 1四系統(tǒng)的頻率特性分析6+2講授+實(shí)驗(yàn)2: 1五系統(tǒng)的穩(wěn)定性6+2講授+實(shí)驗(yàn)2: 1六、課程其他教學(xué)環(huán)節(jié)要求(一)實(shí)踐教學(xué)：(6 學(xué)時(shí))序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)者 類實(shí)驗(yàn) 回實(shí)驗(yàn) 要

15、求別1時(shí)間響應(yīng)特性分析用 MATLAB 軟件仿真的方 法，求取典型環(huán)節(jié)及二階系統(tǒng) 的階躍響應(yīng)2驗(yàn)證 性必修本科Th2系統(tǒng)頻率特性分析用 MATLAB 軟件仿真的方 法，求取慣性環(huán)節(jié)和二階系統(tǒng) 的頻率特性2驗(yàn)證 性必修本科Th3系統(tǒng)穩(wěn)定性分析用 MATLAB 軟件仿真的方 法，求取系統(tǒng)的頻率特性并進(jìn) 行穩(wěn)定性分析2驗(yàn)證 性必修本科Th1 .實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求(1) 實(shí)驗(yàn)一人一組，每個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間均為2 小時(shí)；(2) 要求學(xué)Th在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師的幫助下自行完成操作、記錄和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的整理工作。2 .實(shí)驗(yàn)考核方式、內(nèi)容及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（ 1）實(shí)驗(yàn)成績(jī)按實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)所占課程總學(xué)時(shí)的比例（10-20 ）計(jì)，目前為15

16、分。（ 2）以學(xué)Th的實(shí)驗(yàn)報(bào)告及在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)為依據(jù)進(jìn)行考核，最終的實(shí)驗(yàn)成績(jī)?yōu)楦鞔螌?shí)驗(yàn)成績(jī)的平均值。（ 3）學(xué)Th必須完成本課程規(guī)定的實(shí)驗(yàn)，成績(jī)合格者才能參加期末考試。（二）課后作業(yè)每周固定2 小時(shí)答疑，每課后留作業(yè)，每章收一次作業(yè)，要求獨(dú)立完成，布置作業(yè)題，教師對(duì)作業(yè)全批全改并作平時(shí)成績(jī)記載。（三）課堂筆記每 2 周檢查一次課堂筆記。20-25 道習(xí)七、本課程與其他課程的聯(lián)系（一）先修課程：高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)、理論力學(xué)、機(jī)械原理、電工學(xué)和電子學(xué)等。（二）后修課程：機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制、液壓伺服控制、液壓比例控制、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)八、建議教材及教學(xué)參考書目（一）主講教材：機(jī)械工程控制基礎(chǔ)（第六版），（二）參考書：楊叔子、楊克沖等編著，華中科技大學(xué)出版社，2013。1 . 控制工程基礎(chǔ)（第 4 版），董景新等編，清華大學(xué)出版社，2 .控制工程基礎(chǔ)（第1 版），王積偉等編，高等教育出版社，2017。2001。3 . Elements of Control Systems ， Sudhir Gupta 著，機(jī)械工業(yè)出版社， 2004。九、課程考核方式與成績(jī)?cè)u(píng)定辦法（一）課程考核方式為：平時(shí)成績(jī)+實(shí)驗(yàn)成績(jī) +期末閉卷考試（二）成績(jī)?cè)u(píng)定方法：總成績(jī) = 平時(shí)成績(jī)*15 + 實(shí)驗(yàn)成績(jī) *15 + 期末成績(jī)*70 ， 其中平時(shí)成績(jī)包括課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)和課堂筆記等考察