《機械控制工程基礎》課程教學大綱

1、機械控制工程基礎課程教學大綱一、課程基本信息1.課程編號：MACH4008012 課程體系/類別：專業(yè)類/專業(yè)核心課3.學時/學分：56學時/ 3學分4先修課程：高等數(shù)學、積分變換、理論力學、電工電子技術、機械設計基礎、大學 計算機基礎、咼級程序設計5適用專業(yè)：機械大類專業(yè)（包括機械工程、車輛工程、測控技術與儀器、能源與動 力工程和工業(yè)工程）二、課程目標及學生應達到的能力機械控制工程基礎是西安交通大學機械類專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，主要授課內(nèi)容是運用現(xiàn)代數(shù)學知識、自動控制理論和信息技術來分析、 設計典型機電控制系統(tǒng)。旨在培養(yǎng) 學生運用科學方法和工具來解決機械工程基本問題的系統(tǒng)分析設計能力、綜合創(chuàng)

2、新能力。本課程的主要任務是通過課堂教學、計算機仿真實訓、實驗教學等教學方式， 使學生掌握實現(xiàn)機械系統(tǒng)自動控制的基本理論；學會典型機電系統(tǒng)的數(shù)學建模、運行性能分析和系統(tǒng)設計、校正與補償?shù)然局R和基本技能；具有基本的機電控制系統(tǒng)分析設計能力，以及對復雜機械系統(tǒng)的控制問題進行分析、求解和論證的能力，并了解機械控制領域的新理論和新技術，支撐畢業(yè)要求中的相應指標點。課程目標及能力要求具體如下：課程目標1.掌握機械控制系統(tǒng)的基本概念和組成原理，具備自動控制原理與系統(tǒng)的基礎概念；掌握典型機電傳動單元與系統(tǒng)的數(shù)學建模方法；掌握機電系統(tǒng)的時域和頻域分析設計校正方法。（畢業(yè)要求中的第1）課程目標2.培養(yǎng)學生對機

3、械控制工程中復雜問題的分析能力，能夠?qū)碗s機械控制系 統(tǒng)進行分析、設計，并能夠采用相關軟件進行模擬仿真，能夠構建實驗控制系統(tǒng)進行分析研究，具有研究和解決機械控制工程問題的能力。（畢業(yè)要求中的第2、4）課程目標3.初步了解機械系統(tǒng)常用的控制方法，以及現(xiàn)代控制和智能控制的原理，了解機械控制理論的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。培養(yǎng)學生運用機械控制工程領域新技術新方法對復雜機械工程中的系統(tǒng)控制問題進行理論分析、實驗研究的能力。（畢業(yè)要求中的第4）畢業(yè)要求畢業(yè)要求指標點課程目標對畢業(yè)要求的支撐關系1.工程知識1.4掌握機械設計、制造及其自動化領域的專業(yè)知識，能將其與 數(shù)理基礎、工程基礎和經(jīng)濟管理等知識相結合，綜合應用

4、于解決 復雜機械工程問題。課程目標12.問題分析2.2能夠通過文獻查閱、分析或?qū)嶒?、實踐，對復雜工程問題進 行解釋并提岀相應的解決方案。能理解工程問題解決方案的多樣 性，并對不同方案進行比較、評價。課程目標24.研究4.2能夠?qū)碗s工程問題中所涉及到的物理現(xiàn)象、材料特性以及 系統(tǒng)性能進行理論分析或?qū)嶒灉y試、驗證；課程目標3三、課程教學內(nèi)容與學時分配序 號教學內(nèi)容教學要求推薦 學時教學 方式對應的課程 目標)1)第一章緒論1.1引言機電控制工程的研究對象、用途、 基本內(nèi)容、學科發(fā)展簡史等1.2機電控制系統(tǒng)基本概念與術語 控制系統(tǒng)的定義及組成，控制系統(tǒng) 分析與設計的主要性能指標，計算 機輔助設計，

5、控制系統(tǒng)主要任務等 1.3典型機電控制系統(tǒng)的介紹 運用微分方程對典型機電控制系 統(tǒng)進行分析，并利用拉普拉斯變換 對系統(tǒng)進行處理。1. 掌握機械控制丄程的基本概念以及 學科發(fā)展史；2. 掌握典型機電控制系統(tǒng)的數(shù)學分析 方法。2講授12第二章機電系統(tǒng)數(shù)學建模2.1從建立機電系統(tǒng)的運動微分方 程入手，經(jīng)Laplace變換，引出傳 遞函數(shù)、方框圖等概念。2.2典型的電路環(huán)節(jié)、平動機械傳 動環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)動機械傳動環(huán)節(jié)、典型 機電對象的傳遞函數(shù)。2.3復雜機電系統(tǒng)傳遞函數(shù)的構 建，系統(tǒng)方塊圖的繪制、簡化等。1. 掌握機電控制系統(tǒng)通過微分方程數(shù) 學建模、傳遞函數(shù)建模的基本方法；2. 掌握典型機電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)數(shù)

6、學 模型。4講授1、23第三章系統(tǒng)的時域響應分析3.1時間響應與時域特性概念3.2 一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)的時域響 應及其性能指標3.3高階系統(tǒng)的時間響應與閉環(huán)主 導極點3.4系統(tǒng)誤差分析1. 掌握機械控制系統(tǒng)的時域分析方法；2. 掌握典型機電系統(tǒng)的性能指標表征 和分析方法。8講授1、24第四章系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析4.1系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念及準則4.2勞斯穩(wěn)定性判據(jù)及應用4.3奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)及應用4.4系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性1 .掌握系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念及基本 判斷方法；2 掌握系統(tǒng)相對穩(wěn)定性的校驗方法。45第五章基于根軌跡法的系統(tǒng)設計 與校正5.1根軌跡的定義、性質(zhì)、畫法、 應用法則等5.2基于根軌跡法的

7、系統(tǒng)校正補償 方法，包括PI校正、PD校正、PID 校正等1. 掌握根軌跡法設計與校正系統(tǒng)原理；2. 掌握用計算機求解根軌跡設計校正方 法。3. 初步掌握PID校正方法10講授1、26第六章基于頻率響應的系統(tǒng)設計 與校正5.1系統(tǒng)頻率響應的定義、性質(zhì)， 一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)的頻率特性Bode圖、Nyquist圖畫法與應用，典型機電系統(tǒng)的頻域特性分析和 系統(tǒng)辨識等1. 掌握系統(tǒng)頻率響應分析的基本思想；2. 掌握用bode圖，Nyquist圖進行典型 機電系統(tǒng)頻域分析和校正的方法8講授1、25.2基于系統(tǒng)頻率響應系統(tǒng)校止 補償，相位超前、相位滯后、相位 超前滯后校正等5.3 PID校正方法7第七章現(xiàn)

8、代智能控制理論的發(fā)展 趨勢和應用7.1現(xiàn)代控制理論基本概念及其應 用7.2智能控制理論方法及其發(fā)展趨 勢1.查閱中英文文獻，撰寫關于機器人智 能控制理論現(xiàn)狀及其未來發(fā)展趨勢的 課程報告，并做PPT進行簡要匯報。（此 內(nèi)容每屆需更新）4講授38上機一 Matlab計算基礎Matlab界面與定義，數(shù)值計算，邏 輯計算，矩陣運算，符號運算，復 數(shù)和復變函數(shù)運算，Laplace變換 等在典型機電系統(tǒng)中的應用。1、掌握用Matlab進行一般數(shù)值計算的 方法。2、利用Matlab軟件對彈簧-質(zhì)量-阻尼 等二階機械系統(tǒng)特性進行分析。4上機29上機二Simulink 仿真基礎Simulink建模仿真，功能模塊

9、處 理，仿真器參數(shù)設置，S函數(shù)設置 與典型機電控制系統(tǒng)的應用等。學會使用Simulink搭建彈簧-質(zhì)量-阻 尼、機械傳動等控制系統(tǒng)結構圖，并在 不同仿真條件下觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4上機210上機三控制系統(tǒng)數(shù)學模型 Simulink中的控制系統(tǒng)模型表示， 系統(tǒng)數(shù)學模型的轉(zhuǎn)換與連接。學會在Simulink環(huán)境下建立彈簧-質(zhì)量 -阻尼、機械傳動、機床切削過程等控 制系統(tǒng)數(shù)學模型。2上機1、211上機四時域分析法及應用 時域響應性能指標求取，二階系統(tǒng) 參數(shù)對時域響應性能的影響，LTIViewer應用，穩(wěn)定性分析1. 學會用 Matlab函數(shù)和LTI Viewer分 析一階彈簧-阻尼系統(tǒng)、二階機械平移、

10、轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的時域特性，并對系統(tǒng)的響應 時間、超調(diào)量等參數(shù)進行分析。2. 針對球桿系統(tǒng)、倒立擺系統(tǒng)、帶彈簧 的直線伺服電機系統(tǒng)等建立數(shù)學模型， 并轉(zhuǎn)換成傳遞函數(shù)，通過 Simulink對 系統(tǒng)特性進行分析。2上機1、212上機五根軌跡法根軌跡分析相關的 MATLAB函數(shù)， 根軌跡分析與設計工具 rltool ， 利用MATLAB繪制根軌跡圖，正反 饋系統(tǒng)的根軌跡，參數(shù)根軌跡，時 滯系統(tǒng)的根軌跡，用根軌跡法分析 系統(tǒng)的瞬態(tài)特性，控制系統(tǒng)的根軌 跡法校正。1. 學會用 Matlab及其rltool 工具對機 械一階、二階控制系統(tǒng)進行根軌跡分析 與校正。2. 對球桿系統(tǒng)、倒立擺系統(tǒng)、帶彈簧的 直線伺服電

11、機系統(tǒng)等系統(tǒng)分析其根軌 跡特性，確定控制參數(shù)。4上機1、213上機六頻域分析與PID校正 系統(tǒng)的Bode圖Nyquist圖畫法， 系統(tǒng)的頻率響應分析與穩(wěn)定性分 析，應用 MATLAB/Simulink 設計 PID控制器。1. 學會用Matlab中函數(shù)對系統(tǒng)的頻率 響應進行分析，學會PID控制器設計與 參數(shù)整定；2. 并在simulink 對PID等控制算法設 計的參數(shù)對系統(tǒng)進行校正仿真4上機214實驗一：基于直流伺服電機的旋轉(zhuǎn) 運動控制與校正實驗1. 通過對直流伺服電機進行建模， 通過 Matlab對模型進行分析，掌握直流伺服 電機控制系統(tǒng)的時域與頻域特征；2. 通過編程和仿真綜合實驗裝置，

12、觀察 和分析不同參數(shù)的頻率特性，掌握 PID 參數(shù)的整定方法；3. 掌握直流伺服電機控制系統(tǒng)的校正 方法，分析不同PID參數(shù)與電機控制系 統(tǒng)性能的關系。2（ 4）實驗1、2、315實驗二：基于比例電磁鐵的直線運 動控制與校正實驗1. 掌握比例電磁鐵控制系統(tǒng)的時域與頻域特征；2. 通過編程和仿真綜合實驗裝置，觀察 和分析不同參數(shù)的頻率特性，掌握 PID 參數(shù)的整定方法；3. 掌握比例電磁鐵控制系統(tǒng)的校正方 法，分析PID參數(shù)與比例電磁鐵控制系2（ 4）實驗1、2、3統(tǒng)性能的關系。16實驗三：基于直線伺服電機的控制 與校正實驗1. 建立直線伺服電機、彈簧系統(tǒng)的數(shù) 學模型，通過Matlab等軟件對直

13、線伺 服電機系統(tǒng)進行分析，掌握直線伺服電 機系統(tǒng)的時域與頻域特征；2. 通過編程和仿真綜合實驗裝置，觀察 和分析不同參數(shù)的頻率特性，并根據(jù)根 軌跡方法確定球桿系統(tǒng)的調(diào)整參數(shù)；3. 掌握直線伺服電機控制系統(tǒng)的校正 方法，分析PID參數(shù)與直線伺服電機控 制系統(tǒng)性能的關系。4 (8)實驗1、2、3實驗四：基于直流伺服電機的球桿 控制與校正實驗1. 建立球桿系統(tǒng)的數(shù)學模型，通過 Matlab等軟件對球桿系統(tǒng)進行分析，掌 握球桿位置控制系統(tǒng)的時域與頻域特征；2. 通過編程和仿真綜合實驗裝置，觀察 和分析不同參數(shù)的頻率特性，并根據(jù)根 軌跡方法確定球桿系統(tǒng)的調(diào)整參數(shù)，明；3. 掌握在Simulink實時控制

14、系統(tǒng)中， 球桿位置控制系統(tǒng)的校正方法，通過對 比球桿系統(tǒng)的仿真結果與球桿位置控制系統(tǒng)，分析PID參數(shù)與控制系統(tǒng)性能 之間關系。174 (8)實驗1、2、318實驗五：基于倒立擺系統(tǒng)的控制與 校正系統(tǒng)1. 建立倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學模型，通過 Matlab等軟件對倒立擺系統(tǒng)進行分析， 掌握倒立擺系統(tǒng)的時域與頻域特征；2. 通過編程和仿真綜合實驗裝置，觀察 和分析不同參數(shù)的頻率特性，并根據(jù)根 軌跡方法確定球桿系統(tǒng)的調(diào)整參數(shù)；3. 掌握在Simulink實時控制系統(tǒng)中，倒立擺系統(tǒng)的校正方法，通過對比倒立 擺系統(tǒng)的仿真結果與實時控制系統(tǒng)，分析PID參數(shù)與控制系統(tǒng)性能之間關系。4 (8)實驗1、2、3備注:(

15、1 )實驗室提供以上5個大綜合實驗條件，要求學生自由選擇其中4個；(2)學生4-5人一組自由組合。每個綜合實驗 1個組長4個組員，由組長協(xié)調(diào)組員的分工；第2個綜合實驗換1個組長，新組長協(xié)調(diào)組員完成新的綜合實驗。(3)對于每個綜合實驗，2-4學時課內(nèi)、4-8學時課外。(4 )綜合實驗完成后除了提交實驗報告外，還需準備PPT進行答辯。每組答辯總時間20分鐘,每個小組由 2個人分別匯報每個綜合實驗完成情況，每人匯報7分鐘，2人共14分鐘，教師提問6分鐘。(5 )答辯時由任課教師與實驗教師共同組成評委，評委給岀每個小組、每個綜合實驗的總成績,由組長根據(jù)組員在實驗中的實際貢獻度分配成績，原則上不可平分。

16、四、課程教學方法(一) 課堂講授(40學時)1 采用啟發(fā)式教學，通過結合具體如機器人控制系統(tǒng)、機床運動控制系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)等實例教學，激發(fā)學生主動學習的興趣，培養(yǎng)學生獨立思考、分析問題和解決問題 的能力，引導學生主動通過實踐和自學獲得自己想學到的知識。2在教學內(nèi)容上，系統(tǒng)講授古典控制理論應用于機電系統(tǒng)的基本理論、基本知識和基本方法，初步介紹現(xiàn)代控制、智能控制理論的基本知識和方法，并通過學生查閱中英文文獻,撰寫有關機器人智能控制理論前沿發(fā)展報告，使學生能夠系統(tǒng)掌握用于解決機械控制工程問題的專業(yè)基礎知識，并了解學科前沿知識。3 在機械控制系統(tǒng)緒論、數(shù)學建模、時域分析、穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)設計與校

17、正、頻域分析等教學環(huán)節(jié)中采用電子教案與多媒體教學，提高課堂教學信息量，增強教學效果。4在進行彈簧-質(zhì)量-阻尼、機械傳動等典型機械控制系統(tǒng)的案例教學環(huán)節(jié)中，理論教學、計算機仿真模擬與綜合實驗教學相結合，引導學生應用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理，采用現(xiàn)代設計方法和手段，進行機械控制系統(tǒng)的分析、設計、仿真、實驗，培養(yǎng)其 識別、表達和解決機械控制相關工程問題的思維方法和實踐能力。（二）計算機仿真操作（課外 20學時）圍繞各章教學重點內(nèi)容，介紹Matlab計算機控制仿真分析軟件，并指導學生上機操作。在進行彈簧-質(zhì)量-阻尼、機械傳動等典型機械控制系統(tǒng)的案例教學環(huán)節(jié)中，運用所學的Matlab知識進行分

18、析。（三）綜合實驗（16學時，32小時）課程選做綜合實驗 4個，學生按照實驗指導書的要求，獨立或分組完成，提交實驗報告,并進行PPT答辯。五、課程的考核環(huán)節(jié)及課程目標達成度自評方式（一）課程的考核環(huán)節(jié)課程的考核主要是檢查學生對各知識點的掌握程度和應用能力， 包括課后作業(yè)、期末考 試、實驗報告（含上機仿真與綜合實驗）三部分組成?？傇u成績以百分計，滿分 100分，各 考核環(huán)節(jié)所占分值比例可根據(jù)具體情況進行微調(diào)，建議值及考核細則如下?？己谁h(huán)節(jié)建議 分值考核/評價細則對應的課程 目標作業(yè)10（1 ）主要考核學生對每章節(jié)知識點的復習、理解和掌握程度；（2）每次作業(yè)按10分制單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。1 , 2實驗30（1 ）根據(jù)每個實驗的實驗情況和實驗報告質(zhì)量單獨評分，滿分100分；（2）取各次實驗成績的平均值乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成 績。1、2、3期末考試60（1 ）卷面成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總 評成績。（2）主要考核機械控制系統(tǒng)的基本概念和系統(tǒng)分析設計方法等內(nèi)容?？荚囶}型 為填空、選擇、判斷正誤、簡答、分析計算題等。1 , 2, 3（二）課程目標達成度評價方式課程目標達成度評價包括課程分目標達成度