《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)大綱

《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)大綱注：課程類別是指公共基礎(chǔ)課/學(xué)科基礎(chǔ)課/專業(yè)課；課程性質(zhì)是指必修/限選/任選。課程英文名FundamentalsofControlEngineering課程代碼06M0089學(xué)分2總學(xué)時(shí)40理論學(xué)時(shí)32實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐學(xué)時(shí)8課程類別學(xué)科基礎(chǔ)課課程性質(zhì)選修先修課程《大學(xué)物理》《高等數(shù)學(xué)》《電工與電子技術(shù)》適用專業(yè)安全工程開(kāi)課學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院一、課程地位與課程目標(biāo)（一）課程地位隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)控制技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和國(guó)防、宇航等領(lǐng)域，并成為當(dāng)今備受重視的高技術(shù)之一。掌握和了解自動(dòng)控制的基本理論和方法,對(duì)各專業(yè)的科學(xué)技術(shù)人員都是十分必要的。控制工程基礎(chǔ)是研究各類控制系統(tǒng)共性的一門技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)，具有科學(xué)方法論的鮮明特點(diǎn),研究的問(wèn)題帶有普遍性，對(duì)工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義，該課程的開(kāi)設(shè)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用控制原理的基本方法，提高分析和解決各種工程問(wèn)題的能力奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。使學(xué)生掌握有關(guān)自動(dòng)控制的基本概念、基本理論和基本方法，能夠自覺(jué)運(yùn)用反饋原理解決工程實(shí)際中的相關(guān)問(wèn)題。學(xué)會(huì)用系統(tǒng)的方法分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，逐步提高創(chuàng)新意識(shí)和能力。（二）課程目標(biāo).了解安全生產(chǎn)技術(shù)與控制工程的密切關(guān)系，了解安全生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)大學(xué)生的視野,了解本專業(yè)中控制工程與和安全生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)系。.掌握一般安全生產(chǎn)裝置的物理建模方法；掌握主要的超前、滯后校正、PID校正方法；掌握一般安全生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)分析過(guò)程中的頻率分析方法；掌握系統(tǒng)穩(wěn)定的三種判據(jù),使學(xué)生具有一定的工程實(shí)踐學(xué)習(xí)經(jīng)歷進(jìn)行實(shí)際控制系統(tǒng)分析的能力。.掌握主要的超前、滯后校正、PID校正方法，旨在使學(xué)生掌握安全生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的校正方法并使系統(tǒng)獲得良好的性能，學(xué)生具有系統(tǒng)的工程實(shí)踐學(xué)習(xí)經(jīng)歷。.結(jié)合新興控制方法，了解安全生產(chǎn)過(guò)程中的控制新策略、新方法，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新、勇于探索的科學(xué)精神。二、課程目標(biāo)達(dá)成的途徑與方法（1）課程以課堂教學(xué)為主，通過(guò)介紹控制工程的基本概念、相關(guān)理論方法，使學(xué)生了掌握控制工程理論與實(shí)際應(yīng)用。（2）課程教學(xué)中融入實(shí)際工程案例講解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能夠更加容易理解抽象的頻率特性等知識(shí)點(diǎn)，熟悉控制工程的理論知識(shí)體系，了解控制新策略、新方法，激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新、勇于探索的科學(xué)精神。在課堂教學(xué)中，充分引入互動(dòng)環(huán)節(jié)，提高教學(xué)效果。（3）教學(xué)中設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程，通過(guò)典型環(huán)節(jié)的時(shí)域響應(yīng)分析、典型環(huán)節(jié)的頻域響應(yīng)分析、控制系統(tǒng)根軌跡圖的計(jì)算機(jī)繪制等實(shí)驗(yàn)，以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析判斷能力，為解決復(fù)雜工程問(wèn)題打下基礎(chǔ)。三、課程主要內(nèi)容與基本要求第一章緒論了解機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類、機(jī)械控制工程的研究對(duì)象與方法、控制理論的發(fā)展等。與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)了解控制工程的基礎(chǔ)知識(shí)，了解安全生產(chǎn)技術(shù)與控制工程的密切關(guān)系，了解安全生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合控制技術(shù)中的新技術(shù)，新方法，促進(jìn)學(xué)生對(duì)安全工程領(lǐng)域的控制策略的思考，擴(kuò)大學(xué)生的視野，了解本專業(yè)中控制工程與和安全生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)系。（課程目標(biāo)1）第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型熟悉控制系統(tǒng)的微分方程的建立過(guò)程，掌握拉氏變換及反變換的計(jì)算方法，能夠利用拉氏變換求解微分方程；掌握傳遞函數(shù)的定義及基本環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；掌握框圖及其簡(jiǎn)化的常用方法,掌握信號(hào)流圖及梅遜公式，能夠利用梅遜公式求解復(fù)雜控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握一般安全生產(chǎn)過(guò)程中控制系統(tǒng)的建模及求解方法，使學(xué)生能夠獨(dú)立分析復(fù)雜工程問(wèn)題中的控制系統(tǒng)，并利用拉氏變換、梅遜公式等方法進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析。（課程目標(biāo)2）第三章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析了解時(shí)間響應(yīng)的概念，系統(tǒng)輸入的種類，瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的定義；掌握一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，單位脈沖響應(yīng)，響應(yīng)之間的關(guān)系，熟練掌握一階系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的性能指標(biāo)；掌握二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，單位脈沖響應(yīng)，響應(yīng)之間的關(guān)系，熟練掌握二階系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的性能指標(biāo)的分析求解；掌握控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義，并能夠利用勞斯判據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性判斷。與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)學(xué)習(xí)一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)、單位脈沖響應(yīng)等知識(shí)，了解安全生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能分析，熟悉掌握動(dòng)態(tài)響應(yīng)的相關(guān)性能指標(biāo)，并能夠判斷復(fù)雜工程控制系統(tǒng)中的穩(wěn)定性。（課程目標(biāo)2）第四章控制系統(tǒng)的根軌跡分析法掌握根軌跡方法的來(lái)源，掌握根軌跡的基本概念；掌握繪制常規(guī)根軌跡的8個(gè)法則，能夠利用根軌跡的繪制法則，繪制出控制系統(tǒng)的概略根軌跡。與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)學(xué)習(xí)根軌跡的概念及其繪制方法，旨在使學(xué)生能夠通過(guò)根軌跡法對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、瞬態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性等性能指標(biāo)進(jìn)行判斷。（課程目標(biāo)2）第五章控制系統(tǒng)的頻域分析理解頻率特性的基本概念，頻率特性的求解方法、物理意義和數(shù)學(xué)本質(zhì)。掌握比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)以及延時(shí)環(huán)節(jié)等典型環(huán)節(jié)的幅頻特性和相頻特性的求法。了解系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻率特性求解，了解BODE圖的繪制。了解最小系統(tǒng)的概念和閉環(huán)頻率特性的求法。與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)頻率特性分析的基礎(chǔ)知識(shí)，了解一般安全生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)分析過(guò)程中的頻率分析方法，包括Bode圖的繪制。（課程目標(biāo)2）第六章系統(tǒng)和綜合與校正理解校正的實(shí)質(zhì)、校正的方式；掌握相位超前校正、滯后校正、滯后一超前校正、PID校正技術(shù)；了解反饋與順饋校正。與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)控制系統(tǒng)校正的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握主要的超前、滯后校正、PID校正方法，旨在使學(xué)生掌握安全生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的校正方法并使系統(tǒng)獲得良好的性能，學(xué)生具有系統(tǒng)的工程實(shí)踐學(xué)習(xí)經(jīng)歷。（課程目標(biāo)3）四、課程學(xué)時(shí)安排

章節(jié)號(hào)教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)數(shù)學(xué)生任務(wù)對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)第1章.概述.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念.控制工程基礎(chǔ)的主要任務(wù)與研究?jī)?nèi)容4課后復(fù)習(xí)第1章內(nèi)容，課程目標(biāo)1第2章.控制系統(tǒng)的微分方程及線性化方程.拉氏變換及反變換.傳遞函數(shù)及基本環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù).框圖及其簡(jiǎn)化?信號(hào)流圖及梅遜公式12課后復(fù)習(xí)第2章內(nèi)容，預(yù)習(xí)第3章內(nèi)容。補(bǔ)充習(xí)題3道課程目標(biāo)2第3章.時(shí)間響應(yīng)及系統(tǒng)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).穩(wěn)定性及其代數(shù)穩(wěn)定數(shù)據(jù).誤差分析與計(jì)算10課后復(fù)習(xí)第3章內(nèi)容，預(yù)習(xí)第4章節(jié)內(nèi)容。補(bǔ)充習(xí)題8道課程目標(biāo)2第4章.根軌跡的基本概念.常規(guī)根軌跡6課后復(fù)習(xí)第4章內(nèi)容，預(yù)習(xí)第5章內(nèi)容。補(bǔ)充習(xí)題2道課程目標(biāo)2第5章.頻率特性的基本概念.頻率特性圖形表示法.閉環(huán)頻率特性.域指標(biāo)與頻域指標(biāo)的關(guān)系.幾何穩(wěn)定判據(jù)4課后復(fù)習(xí)第5章內(nèi)容，預(yù)習(xí)第6章內(nèi)容課程目標(biāo)2第6章.概述.串聯(lián)校正裝置的形式及其特性.用頻率特性法確定串聯(lián)校正裝置.反饋校正.復(fù)合校正4課后復(fù)習(xí)第6章內(nèi)容課程目標(biāo)3五、實(shí)踐環(huán)節(jié)及基本要求

序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱學(xué)時(shí)基本要求學(xué)生任務(wù)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)類別1典型環(huán)節(jié)的時(shí)域響應(yīng)分析2掌握比例環(huán)節(jié)，微分環(huán)節(jié)，一階系統(tǒng)的靜態(tài)特性課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告驗(yàn)證必做2典型環(huán)節(jié)的頻域響應(yīng)分析2利用實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)典型環(huán)節(jié)組成的控制系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)施加不同頻率和幅值的正弦波信號(hào)，用示波器觀察輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的幅值情況和相位情況，認(rèn)真測(cè)量各信號(hào)的特征量，從而理解各典型環(huán)節(jié)的頻率相應(yīng)特點(diǎn)，以及它們對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)快速性和穩(wěn)定性的影響。課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告驗(yàn)證必做3控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)定性分析2一階,二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告驗(yàn)證選做4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及PID控制與調(diào)節(jié)2在Matlab中Simulink環(huán)境下，建立控制系統(tǒng)的方框圖，進(jìn)行仿真，調(diào)整PID參數(shù),觀察系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的變化，并記錄幾組PID參數(shù)作為實(shí)際系統(tǒng)控制參數(shù)。課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告驗(yàn)證選做5控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析2學(xué)習(xí)Matlab程序?qū)σ詡鬟f函數(shù)為數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的仿真，設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，觀察其輸出仿真的波特圖，從幅頻特性和相頻特性上得出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能參數(shù),從而理解系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和穩(wěn)定性全過(guò)程。課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告驗(yàn)證選做6控制系統(tǒng)根軌跡圖的計(jì)算機(jī)繪制2利用MATLAB繪制BODE圖和根軌跡圖課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告設(shè)計(jì)選做注：1.實(shí)驗(yàn)性質(zhì)指演示性、驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性等；2.實(shí)驗(yàn)類別指必做、選做等。六、考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定考核內(nèi)容考核方式評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)(依據(jù))占總成績(jī)比例過(guò)程考核以點(diǎn)名、課堂作業(yè)形式，檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度及知識(shí)掌握情況。共5次點(diǎn)名，5次作業(yè)15%實(shí)踐考核針對(duì)課堂理論教學(xué)，設(shè)置4次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐共4次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告并按百分15%期末考核閉卷考試，考核各知識(shí)點(diǎn)的基本概念及實(shí)際應(yīng)用。題型為選擇、