《控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱

《控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱課程名稱：控制工程基礎(chǔ)英文名稱：ControlEngineeringFundamental課程編碼：51510502學(xué)時(shí)/學(xué)分：42/6課程性質(zhì)：必修課適用專業(yè)：機(jī)械類各專業(yè)先修課程：高等數(shù)學(xué)，理論力學(xué)，電工與電子技術(shù)，復(fù)變函數(shù)與積分變換（可選）一、課程的目的與任務(wù)《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的機(jī)械電子工程及相近專業(yè)方向的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。（復(fù)變函數(shù)與積分變換電學(xué)等相關(guān)知識(shí)，介紹機(jī)械工程類專業(yè)的重要理論基礎(chǔ)之一——工程控制論。這門學(xué)科既是一門廣義的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，又是一種合乎唯物辯證法的思想論和方法論，對(duì)啟迪與發(fā)展人們的思維與智力有很大的作用。本課程的基本任務(wù)是將自動(dòng)控制理論應(yīng)用于機(jī)械工程實(shí)際，基本要求是在闡明機(jī)械工程控制論的基本概念、基本知識(shí)與基本方法的基礎(chǔ)上，使學(xué)生學(xué)會(huì)建立和變換系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，掌握控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析和頻率特性分析方法，并在此基礎(chǔ)上具備討論控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)分析和校正、系統(tǒng)辨識(shí)等問題的能力。使學(xué)生以辯證方法沖破形而上學(xué)的思想方法，推動(dòng)這一領(lǐng)域的生產(chǎn)與學(xué)科向前發(fā)展。在學(xué)習(xí)本課程之前，學(xué)生應(yīng)當(dāng)從先修課程中獲得動(dòng)力學(xué)分析、電路分析的能力，了解微分方程求解知識(shí)和復(fù)變函數(shù)的概念，初步掌握積分變換及其逆變換的基本方法。學(xué)習(xí)本課程之后，學(xué)生還應(yīng)當(dāng)注意結(jié)合其它機(jī)械工程學(xué)的知識(shí)，將控制理論應(yīng)用到工程實(shí)踐中去。二、教學(xué)內(nèi)容及基本要求緒論教學(xué)目的和要求：本章首先闡述了機(jī)械工程控制基礎(chǔ)這門課程的重要意義，然后介紹控制工程的基本思想、基本概念、控制系統(tǒng)的分類和基本要求，使學(xué)生了解機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù)和系統(tǒng)、模型等知識(shí)，深刻理解反饋和反饋控制，接下來對(duì)控制理論的發(fā)展進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1．系統(tǒng)的概述、工作原理和一般構(gòu)成系統(tǒng)的基本控制方式和分類系統(tǒng)的基本要求和控制工程實(shí)踐教學(xué)方法與手段：以課堂講授為主，注意舉例和采用啟發(fā)式教學(xué)，配合適當(dāng)?shù)恼n堂練習(xí)和課外作業(yè)。自動(dòng)控制理論概述自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理和一般構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式和分類對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制理論的發(fā)展控制工程實(shí)踐本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法復(fù)習(xí)與作業(yè)要求：結(jié)合學(xué)習(xí)進(jìn)度，適當(dāng)安排思考題，習(xí)題量適中或較少為宜?？己酥R(shí)點(diǎn)：自動(dòng)控制系統(tǒng)概述、工作原理、一般構(gòu)成；系統(tǒng)的控制方式和分類；對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求；控制工程實(shí)踐。輔助教學(xué)活動(dòng)：無第一章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1.1教學(xué)目的和要求：了解微分方程的列寫方法及相關(guān)知識(shí)，掌握傳遞函數(shù)的概念和特點(diǎn)，熟悉典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，熟練掌握傳遞函數(shù)方框圖和信號(hào)流圖，掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1．動(dòng)態(tài)微分方程拉普拉斯變換與反變換傳遞函數(shù)系統(tǒng)方框圖和信號(hào)流圖教學(xué)方法與手段：以課堂講授為主，本章重點(diǎn)部分應(yīng)詳解精講，盡量采用啟發(fā)式教學(xué)，配合適當(dāng)?shù)恼n堂練習(xí)和課外作業(yè)。數(shù)學(xué)模型的基本概念數(shù)學(xué)的動(dòng)態(tài)微分方程拉普拉斯變換與拉普拉斯反變換傳遞函數(shù)典型環(huán)節(jié)系統(tǒng)方框圖信號(hào)交流閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)復(fù)習(xí)與作業(yè)要求：結(jié)合學(xué)習(xí)進(jìn)度，適當(dāng)安排思考題和練習(xí)題，習(xí)題量宜適中?？己酥R(shí)點(diǎn)：系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)微分方程；傳遞函數(shù)；典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；系統(tǒng)方框圖；信號(hào)流圖；閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。輔助教學(xué)活動(dòng)：無第2章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析教學(xué)目的和要求：了解時(shí)間響應(yīng)及其組成，深刻理解一階、二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析，熟練掌握和應(yīng)用一階、二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算，了解高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析，了解并基本掌握系統(tǒng)誤差分析與計(jì)算方法。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1．典型輸入信號(hào)和線性系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)2．一階、二階和高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析3、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差教學(xué)方法與手段：以課堂講授為主，本章重點(diǎn)部分應(yīng)詳解精講，注意舉例和采用啟發(fā)式教學(xué)，配合適當(dāng)?shù)恼n堂練習(xí)和課外作業(yè)。典型輸入信號(hào)線性系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差復(fù)習(xí)與作業(yè)要求：結(jié)合學(xué)習(xí)進(jìn)度安排練習(xí)題，習(xí)題量可適當(dāng)加大?？己酥R(shí)點(diǎn)：線性系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)；一階、二階和高階系統(tǒng)的單位脈沖、單位階躍響應(yīng)；系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。輔助教學(xué)活動(dòng)：無第三章控制系統(tǒng)的頻域分析教學(xué)目的和要求：理解頻率特性及相關(guān)概念，熟練掌握頻率特性的圖示方法，了解最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng)的概念，了解頻域性能指標(biāo)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1．頻率特性的概念2．頻率特性的圖示方法教學(xué)方法與手段：以課堂講授為主，本章重點(diǎn)部分應(yīng)詳解精講，注意舉例和采用啟發(fā)式教學(xué)，配合適當(dāng)?shù)恼n堂練習(xí)和課外作業(yè)。頻率特性的基本概述典型環(huán)節(jié)的頻率特性系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性圖最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng)系統(tǒng)頻域性能指標(biāo)復(fù)習(xí)與作業(yè)要求：結(jié)合學(xué)習(xí)進(jìn)度，適當(dāng)安排練習(xí)題，習(xí)題量宜適中。考核知識(shí)點(diǎn)：頻率特性的概念；頻率特性的求法；典型環(huán)節(jié)的Nyquist圖；典型環(huán)節(jié)的BodeBode輔助教學(xué)活動(dòng)：無第四章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析教學(xué)目的和要求：了解穩(wěn)定性的基本概述，掌握勞斯穩(wěn)定判據(jù)、奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)和Bode穩(wěn)定判據(jù)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1．勞斯穩(wěn)定判據(jù)2.奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)教學(xué)方法與手段：以課堂講授為主，注意舉例和采用啟發(fā)式教學(xué)，配合適當(dāng)?shù)恼n堂練習(xí)和課外作業(yè)。穩(wěn)定性的基本概述勞斯穩(wěn)定判據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)Bode穩(wěn)定判據(jù)復(fù)習(xí)與作業(yè)要求：結(jié)合學(xué)習(xí)進(jìn)度，適當(dāng)安排練習(xí)題，習(xí)題量適中或較少為宜?？己酥R(shí)點(diǎn)：穩(wěn)定性，勞斯穩(wěn)定判據(jù)，奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，Bode穩(wěn)定判據(jù)。輔助教學(xué)活動(dòng)：無第五章控制系統(tǒng)的根軌跡法教學(xué)目的和要求：了解根軌跡法的基本概述，掌握繪制根軌跡的基本規(guī)則和用根軌跡分析控制系統(tǒng)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1.根軌跡法的基本概述繪制根軌跡的基本規(guī)則繪制根軌跡分析控制系統(tǒng)教學(xué)方法與手段：以課堂講授為主，注意實(shí)例教學(xué)，配合適當(dāng)?shù)恼n堂練習(xí)和課外作業(yè)。根軌跡法的基本概述繪制根軌跡的基本規(guī)則參量根軌跡的繪制非最小相位系統(tǒng)的根軌跡用根軌跡分析控制系統(tǒng)復(fù)習(xí)與作業(yè)要求：結(jié)合學(xué)習(xí)進(jìn)度，適當(dāng)安排思考題和練習(xí)題，習(xí)題量適中或較少為宜?？己酥R(shí)點(diǎn)：根軌跡概述，根軌跡的繪制，用根軌跡分析控制系統(tǒng)輔助教學(xué)活動(dòng)：無第六章自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正PID教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1.反饋校正復(fù)合校正串聯(lián)滯后-超前校正復(fù)合控制教學(xué)方法與手段：以簡(jiǎn)要介紹為主，可少量安排或不安排課堂練習(xí)和課外作業(yè)。PID簡(jiǎn)介校正的基本概述串聯(lián)校正反饋校正復(fù)合校正串聯(lián)超前校正串聯(lián)滯后校正串聯(lián)滯后-超前校正復(fù)合控制方法復(fù)習(xí)與作業(yè)要求：可少量安排或不安排課堂練習(xí)和課外作業(yè)?？己酥R(shí)點(diǎn)：校正的概述，串聯(lián)校正，反饋校正，復(fù)合校正，串聯(lián)超前校正，串聯(lián)滯后校正，串聯(lián)滯后-超前校正，復(fù)合控制方法。輔助教學(xué)活動(dòng)：無第七章基于MATLAB語言的控制系統(tǒng)分析教學(xué)目的和要求：了解MATLAB語言，掌握MATLAB用于各種分析教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1．?dāng)?shù)學(xué)模型的MATLAB描述MATLAB對(duì)線性系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域響應(yīng)分析MATLAB進(jìn)行控制系統(tǒng)頻域分析MATLAB的根軌跡繪制與性能分析教學(xué)方法與手段：以簡(jiǎn)要介紹為主，可少量安排或不安排課堂練習(xí)和課外作業(yè)。MATLAB語言簡(jiǎn)介MATLAB描述用MATLAB 對(duì)線性系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域響應(yīng)分析用MATLAB 進(jìn)行控制系統(tǒng)頻域分析基于MATLAB 的根軌跡繪制與性能分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)校正的MATLAB 實(shí)現(xiàn)復(fù)習(xí)與作業(yè)要求：可少量安排或不安排課堂練習(xí)和課外作業(yè)?？己酥R(shí)點(diǎn)用MATLAB 對(duì)線性系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域響應(yīng)分析用MATLAB 進(jìn)行控制系統(tǒng)域分析，基于MATLAB 的根軌跡繪制與性能分析。輔助教學(xué)活動(dòng)：無三、課程教學(xué)的特色說明1全而深，要求學(xué)生在理解相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，能較好地分析系統(tǒng)，解決實(shí)際問題。本大30～42拓寬面向、精選內(nèi)容、更新知識(shí)的原則，力求做到針對(duì)性強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)，講解清晰。674～6251增加或結(jié)合使用。本課程主要介紹經(jīng)典控制理論。在介紹了如何建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，介紹時(shí)域分析方法和頻域分析方法，并在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和校正等問題進(jìn)行討論，如時(shí)間寬裕，最后還可簡(jiǎn)要介紹離散控制系統(tǒng)和現(xiàn)代控制理論。四、考試大綱考試的目的與作用機(jī)械工程控制基礎(chǔ)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。學(xué)生的考試成績(jī)是對(duì)其學(xué)習(xí)水平評(píng)價(jià)的重要因素之一。通過復(fù)習(xí)考試，可以鞏固學(xué)生對(duì)機(jī)械工程控制論的基本概念、基本知識(shí)與基本方法的認(rèn)識(shí)和理解。考察學(xué)生對(duì)建立通過考試還可以檢查教學(xué)效果，為今后進(jìn)一步提高機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)課程建設(shè)提供重要的參考依據(jù)?？己藘?nèi)容與考核目標(biāo)本課程考試內(nèi)容主要針對(duì)機(jī)械工程控制論的基本概念、基本知識(shí)與基本方法，建立和變換系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的方法，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間響應(yīng)分析和頻率特性分析的方法，以及在此基礎(chǔ)上討論控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)分析和校正、系統(tǒng)辨識(shí)等問題。主要參考書［1］彭珍瑞，董海棠.控制工程基礎(chǔ)［M］.2版.北京：高等教育出版社，2015.［2］玄兆燕，朱洪俊，楊秀萍，等.機(jī)械控制工程基礎(chǔ)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.［3］董景新，趙長(zhǎng)德，郭美鳳，等.控制工程基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2015.［4］鄒伯敏.自動(dòng)控制理論［M］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.［5］孔祥東，王益群.控制工程基礎(chǔ)［M］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.［6］王正林，王勝開，陳國(guó)順，等.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.［7］苗宇，蔣大明.自動(dòng)控制原理［M］.2版.北京：清華大學(xué)出版社，2013.［8］高鐵紅，曲云霞.控制工程基礎(chǔ)［M］.2版.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2010.［9］楊叔子，楊克沖，等.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)［M］.6版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.［10］王積偉，吳振順.控制工程基礎(chǔ)［M］.2版.北京：高等教育出版社，2010.孔祥東，王益群.控制工程基礎(chǔ)［M］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.［12］.機(jī)電控制工程基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.［13］.機(jī)械控制工程基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.［14］董玉紅，徐莉萍.機(jī)械控制工程基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.［15］.［16］.檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)控制工程基礎(chǔ)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.［17］王建輝，顧樹生.自動(dòng)控制原理［M］.2版.北京：清華大學(xué)出版社，2014.［18］程鵬.自動(dòng)控制原理［M］.2版.北京：高等教育出版社，2010.［19］杜繼宏，王詩(shī)宓，竇曰軒.控制工程基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2014.課程考試內(nèi)容與教材的關(guān)系課程考試內(nèi)容與教材基本一致，教材內(nèi)容較多，部分章節(jié)在本考試中不涉及或較少涉及，具體情況參見教學(xué)大綱。緒論⑴．識(shí)記：系統(tǒng)的分類；對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求⑵．理解：系統(tǒng)；反饋和反饋控第一章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型⑴．識(shí)記：典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)⑵．理解：拉氏變換及拉氏反變換；傳遞函數(shù)；相似系統(tǒng)⑶．應(yīng)用：列寫微分方程的一般方法；系統(tǒng)的方框圖及其簡(jiǎn)第二章 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析⑴．識(shí)記：時(shí)間響應(yīng)及其組成；高階系統(tǒng)的時(shí)域分析⑵．理解：一階、二階系統(tǒng)的單位脈沖、單位階躍響應(yīng)⑶．應(yīng)用：一階、二階系統(tǒng)響應(yīng)的性能指第三章 控制系統(tǒng)的頻域分析⑴．識(shí)記：典型環(huán)節(jié)的Nyquist圖；典型環(huán)節(jié)的Bode圖；⑵．理解：頻率響應(yīng)與頻率特性；頻率特性的求法⑶．應(yīng)用：繪制系統(tǒng)Bode圖的步第四章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性⑴．識(shí)記：穩(wěn)定性的初步概念；相對(duì)穩(wěn)定性⑵．理解：穩(wěn)定的定義和條件⑶．應(yīng)用：穩(wěn)定性判據(jù)第五章 控制系統(tǒng)的根軌跡法⑴．識(shí)記：根軌跡法的基本概述；⑵．理解：繪制根軌跡的基本規(guī)則⑶．應(yīng)用：參量根軌跡的繪制；非最小相位系統(tǒng)的根軌跡；用根軌跡分析控制系統(tǒng)第六章 控制系統(tǒng)的校正⑴．識(shí)記：系統(tǒng)的性能指標(biāo)；系統(tǒng)校正的概念和分類⑵．理解：數(shù)字PID控制算法；各種校正⑶．應(yīng)用：串聯(lián)校正；反饋校正；復(fù)合校正；串聯(lián)超前校正；串聯(lián)滯后校正；串聯(lián)滯后；超前校正；復(fù)合控制方法第七章基于MATLAB語言的控制系統(tǒng)分析⑴．識(shí)記：MATLAB語言；MATLABMATLAB制系統(tǒng)頻域分析MATLABMATLAB實(shí)現(xiàn)題目類型與考核方式題目類型一般可包括：選擇題、填空題、判斷正誤、名詞解釋、簡(jiǎn)答題、計(jì)算題、作圖題、證明題等，也可采用其它題型?？己朔椒ńㄗh采用閉卷考試，也可采用開卷考試。成績(jī)?cè)u(píng)定辦法80%20%作業(yè)及平時(shí)表現(xiàn)等進(jìn)行評(píng)定，所占比例也可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)修改。五、學(xué)時(shí)分配

教學(xué)時(shí)數(shù)課程內(nèi)容教學(xué)時(shí)數(shù)課程內(nèi)容緒論第一章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第四章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性84644682第二章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析2第三章控制系統(tǒng)的頻域分析2第五章控制系統(tǒng)的根軌跡法第六章控制系統(tǒng)的校正第七章基于MATLAB語言的控制系統(tǒng)分析復(fù)習(xí)總計(jì)426教學(xué)環(huán)節(jié)講實(shí)習(xí)其小課驗(yàn)題課它計(jì)2六、課程主要參考書［1］彭珍瑞，董海棠.控制工程基礎(chǔ)［M］.2版.北京：高等教育出版社，2015.［2］玄兆燕，朱洪俊，楊秀萍，等.機(jī)械控制工程基礎(chǔ)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.［3］董景新，趙長(zhǎng)德，郭美鳳，等.控制工程基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2015.［4］鄒伯敏.自動(dòng)控制理論［M］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.［5］孔祥東，王益群.控制工程基礎(chǔ)［M］.