《機械控制工程A》教學大綱

《機械控制工程A》教學大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：01140441課程性質(zhì)：專業(yè)必修課學分：2學分學時：32學時（其中：理論26學時，實驗6學時）先修課程：復(fù)變函數(shù)與積分變換、理論力學、電工與電子技術(shù)、機械原理、機械設(shè)計等后續(xù)課程：機械創(chuàng)新綜合能力訓練、機電傳動控制與PLC等適用專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化開課單位：機械工程學院 一、課程說明本課程是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)本科學生的專業(yè)必修課。課程主要是講授建立機械控制系統(tǒng)數(shù)學模型、控制系統(tǒng)分析方法、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性以及系統(tǒng)綜合與校正的基本理論。通過本課程的學習，使學生能以動態(tài)（即動力學）的觀點去看待一個機械工程系統(tǒng)；從整個系統(tǒng)中的信息之傳遞、轉(zhuǎn)換和反饋等角度來分析系統(tǒng)的動態(tài)行為；能結(jié)合工程實際，應(yīng)用經(jīng)典控制論中的基本概念和基本方法來分析、研究和解決其中的問題。二、課程目標通過本課程的學習，使學生達到如下目標：課程目標1：掌握機械控制系統(tǒng)的基本概念和基本理論，能夠用于提出和分析機械工程中的復(fù)雜控制問題，培養(yǎng)學生理性思維和用于探究的科學精神。課程目標2：能運用機械控制原理，求取機械工程控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)、頻率特性、誤差和偏差，分別運用勞斯判據(jù)、Nyquist判據(jù)等判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對控制系統(tǒng)進行動態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，時域和頻域分析，培養(yǎng)學生積極進取、勇于創(chuàng)新的時代精神和服務(wù)社會的意識。課程目標3：通過實驗手段獲取數(shù)據(jù)，分析機械工程控制系統(tǒng)的性能，對不滿足控制要求的系統(tǒng)，提出相應(yīng)的改進措施，通過參數(shù)優(yōu)化，從而改善系統(tǒng)，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L和社會責任感。三、課程目標與畢業(yè)要求《機械控制工程》課程教學目標對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學目標與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度1.工程知識1.3掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識，能夠?qū)C械工程領(lǐng)域的相關(guān)知識和數(shù)學模型用于推演和分析，并將該能力用于解決機械工程中的復(fù)雜問題。課程目標1：掌握機械控制系統(tǒng)的基本概念和基本理論，能夠用于提出和分析機械工程中的復(fù)雜控制問題，培養(yǎng)學生理性思維和用于探究的科學精神。H2.問題分析2.1能夠應(yīng)用工程科學的基本原理，識別和判斷復(fù)雜機械工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)。課程目標2：能運用機械控制原理，求取機械工程控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)、頻率特性、誤差和偏差，分別運用勞斯判據(jù)、Nyquist判據(jù)等判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對控制系統(tǒng)進行動態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，時域和頻域分析，培養(yǎng)學生積極進取、勇于創(chuàng)新的時代精神和服務(wù)社會的意識。M4.研究4.2能夠基于科學原理并采用科學方法對具體機械工程中的復(fù)雜工程問題設(shè)計實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行采集、分析與處理。課程目標3：通過實驗手段獲取數(shù)據(jù)，分析機械工程控制系統(tǒng)的性能，對不滿足控制要求的系統(tǒng)，提出相應(yīng)的改進措施，通過參數(shù)優(yōu)化，從而改善系統(tǒng)，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L和社會責任感。M注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學內(nèi)容、基本要求與學時分配1.理論部分理論部分的教學內(nèi)容、基本要求與學時分配見表2。表2教學內(nèi)容、基本要求與學時分配教學內(nèi)容教學要求，教學重點難點理論學時實驗對應(yīng)的課程目標1.控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容和基本原理1.1機械工程控制論的研究對象與任務(wù)1.2系統(tǒng)及其模型1.3反饋1.4系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求1.5機械制造的發(fā)展與控制理論的應(yīng)用1.6控制理論發(fā)展的簡單回顧教學要求：（1）了解本課程的研究對象、任務(wù)以及學習本課程的目的和意義；（2）熟悉關(guān)于“系統(tǒng)”、“信息傳遞”和“反饋”及“反饋控制”等基本概念；（3）掌握常見機械控制系統(tǒng)的工作原理以及控制系統(tǒng)性能的基本要求。重點：控制系統(tǒng)的基本工作原理、控制系統(tǒng)性能的基本要求。難點：控制系統(tǒng)的基本工作原理。212.控制系統(tǒng)的數(shù)學模型2.1系統(tǒng)的微分方程建立2.2系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.3系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖及其簡化2.4考慮擾動的反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.5相似原理教學要求：（1）了解數(shù)學模型的基本概念;能夠運用動力學電學及機械專業(yè)知識,列寫機械系統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò)的微分方程；（2）掌握傳遞函數(shù)的概念、特點，能夠求傳遞函數(shù)的零點極點及放大系數(shù)；（3）能夠用分析法求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；（4）掌握各個典型環(huán)節(jié)的特點傳遞函數(shù)的基本形式及相關(guān)參數(shù)的物理意義；（5）了解傳遞函數(shù)方框圖的組成及意義，能夠根據(jù)系統(tǒng)微分方程繪制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖，并實現(xiàn)簡化，從而求出系統(tǒng)傳遞函數(shù)；（6）掌握閉環(huán)系統(tǒng)中前向通道傳遞函數(shù)、開環(huán)傳遞函數(shù)、閉環(huán)傳遞函數(shù)的定義及求法，掌握干擾作用下，系統(tǒng)的輸出及傳遞函數(shù)的求法和特點；（7）了解相似原理的概念。重點：系統(tǒng)微分方的列寫，傳遞函數(shù)的概念、特點及求法，，典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)方框圖的繪制及簡化。難點：系統(tǒng)微分方的列寫，傳遞函數(shù)方框圖的繪制及簡化。61、23.系統(tǒng)的時間響應(yīng)分析3.1時間響應(yīng)及其組成3.2典型輸入信號3.3一階系統(tǒng)3.4二階系統(tǒng)3.5系統(tǒng)誤差分析與計算教學要求：（1）了解時間響應(yīng)的基本概念以及典型輸入信號；（2）熟悉典型輸入信號下系統(tǒng)的一、二階響應(yīng)；（3）掌握二階系統(tǒng)響應(yīng)的性能指標，系統(tǒng)的類型及各型系統(tǒng)的位置、速度、加速度誤差。重點：一階系統(tǒng)的時間響應(yīng)、二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)的性能指標。難點：二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)、控制系統(tǒng)的誤差分析與計算。421、34.系統(tǒng)的頻率特性分析4.1頻率特性概述4.2頻率特性的圖示方法4.3頻率特性特征量4.4最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng)教學要求：（1）掌握頻率特性的定義和代數(shù)表示法以及與傳遞函數(shù)、單位脈沖響應(yīng)函數(shù)和微分方程之間的相互關(guān)系，掌握頻率特性和頻率響應(yīng)的求法，掌握動剛度與動柔度的概念；（2）掌握頻率特性的Nyquist圖和Bode圖的組成原理及其物理意義，熟悉典型環(huán)節(jié)的Nyquist圖和Bode圖的特點及其繪制，握一般系統(tǒng)的Nyquist圖和Bode圖的特點和繪制；（3）掌握頻域中性能指標的定義和求法了解頻域性能指標與系統(tǒng)性能的關(guān)系；（4）了解最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng)的概念。重點：幅相頻率特性曲線和對數(shù)幅相頻特性曲線的畫法、頻域性能指標。難點：頻率特性的圖示法。621、35.系統(tǒng)的穩(wěn)定性5.1系統(tǒng)穩(wěn)定性的初步概念5.2Routh穩(wěn)定判據(jù)5.3Nyquist穩(wěn)定判據(jù)5.4Bode穩(wěn)定判據(jù)教學要求：（1）掌握系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義和條件；（2）掌握Routh判據(jù)的必要條件和充分條件,學會應(yīng)用Routh判據(jù)判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定，對于不穩(wěn)定系統(tǒng),能夠指出系統(tǒng)包含不穩(wěn)定特征根的個數(shù)；（3）掌握Nyquist判據(jù)；（4）理解Nyquist圖和Bode圖之間的關(guān)系；（5）掌握Bode判據(jù)；（6）理解系統(tǒng)相對穩(wěn)定性的概念，會求相位度和幅值度并能夠在Nyquist圖和Bode圖上加以表示。重點：Routh判據(jù)、Nyquist判據(jù)和Bode判據(jù)的應(yīng)用，系統(tǒng)相對穩(wěn)定性，相位度和值裕度的求法及其在Nyquist圖和Bode圖上的表示。難點：Nyquist判據(jù)和Bode判據(jù)及其應(yīng)用。41、36.系統(tǒng)的性能指標與校正6.1系統(tǒng)的性能指標6.2系統(tǒng)的校正6.3PID校正教學要求：（1）了解系統(tǒng)的性能指標，校正的一般概念以及常用的校正方法與分類；（2）熟悉PID調(diào)節(jié)器的基本特性以及順饋校正與反饋校正的基本特性；（3）掌握相位超前校正、相位滯后校正、相位超前—滯后校正的基本特性及其頻域設(shè)計方法。重點：相位超前校正、相位滯后校正以及相位滯后—超前校正的基本特性及其頻域設(shè)計方法，PID調(diào)節(jié)器的基本特性與設(shè)計方法。難點：PID調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法。421合計2662.實驗部分實驗部分的教學內(nèi)容、基本要求與學時分配見表3。表3實驗項目、實驗內(nèi)容與學時實驗項目實驗內(nèi)容和要求實驗學時對應(yīng)的課程目標1.典型信號輸入激勵下單軸/雙軸時間響應(yīng)實驗實驗內(nèi)容：在二維工作臺用實驗方法記錄二階系統(tǒng)的性能指標。實驗要求：理解上升時間、峰值時間、最大超調(diào)量、調(diào)整時間和最大超調(diào)量的含義。能夠通過給出的時間響應(yīng)曲線和性能參數(shù)分析系統(tǒng)的性能。212.典型信號輸入激勵下頻率特性實驗實驗內(nèi)容：在二維工作臺完成單軸頻率響應(yīng)特性測試。實驗要求：理解頻率特性的概念，掌握系統(tǒng)頻率特性的測試原理及方法；掌握頻率特性的Nyquist圖和Bode圖的組成原理及繪制；能夠根據(jù)給出的傳遞函數(shù)運用MATLAB求出幅相頻特性和對數(shù)頻率特性；了解典型信號輸入下單軸的頻率響應(yīng)特性。21、23.球桿系統(tǒng)的數(shù)學建模與PID控制實驗內(nèi)容：建立球桿系統(tǒng)數(shù)學模型，增加PID控制環(huán)節(jié)，優(yōu)化控制參數(shù)，實現(xiàn)球桿系統(tǒng)穩(wěn)定控制。實驗要求：掌握實際物理系統(tǒng)模型的建模及Simulink仿真分析方法，了解球桿系統(tǒng)在實際中的PID控制過程。21、2、3合計6五、教學方法及手段本課程以課堂講授為主，結(jié)合討論、案例、視頻資源共享、實驗等教學手段完成課程教學任務(wù)和相關(guān)能力的培養(yǎng)。講授環(huán)節(jié)主要采用教師講解、演示、互動的教學形式。教師講解知識點、仿真模擬演示，使學生對知識點形成直觀印象，并通過課堂教學雙方互相提問，與學生互動，鼓勵學生在課堂上發(fā)表自己的見解，加深對知識點的理解，達到課程目標。在實驗教學環(huán)節(jié)中，借助Matlab軟件、二維工作臺、球桿實驗設(shè)備等機電綜合控制設(shè)備，通過啟發(fā)式教學、討論式教學培養(yǎng)學生機械工程控制領(lǐng)域的基本理論、基本知識和基本應(yīng)用。培養(yǎng)學生自主學習能力、實際動手能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。六、課程資源1.推薦教材：（1）楊叔子.機械控制工程基礎(chǔ)[M].武漢:華中科技大學出版社,2023.2.參考書：（1）徐小力.機械控制工程基礎(chǔ)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2020.（2）王潔.機械控制工程基礎(chǔ)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2018.（3）羅忠.現(xiàn)代機械控制工程[M].北京:科學出版社,2022.（4）盧伯英.現(xiàn)代控制工程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2022.（5）王朝暉.機械控制工程基礎(chǔ)[M].西安：西安交通大學出版社，2022.3.期刊：（1）《動力學與控制學報》,中國力學學會.（2）《計算機測量與控制》,中國計算機自動測量與控制技術(shù)協(xié)會.（3）《控制理論與應(yīng)用》,華南理工大學；中國科學院系統(tǒng)科學研究所.（4）《電機與控制學報》,哈爾濱理工大學.（5）《IEEETransactionsonAutomaticControl》,IEEE控制系統(tǒng)學會.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）羅忠.機械工程控制基礎(chǔ)[DB/OL].2017.中國大學MOOC./course/NEU-1001812007.（2）吳波.機械工程控制基礎(chǔ)[DB/OL].2019./video/av40710294/.七、課程考核對課程目標的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標123過程性考核課程表現(xiàn)16（1）根據(jù)課堂回答問題和隨堂練習情況進行考核，滿分100分。（2）以課堂表現(xiàn)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?44作業(yè)16（1）主要考核學生對各知識點的復(fù)習、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績乘以權(quán)重占比得到成績之和作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?44實驗18（1）根據(jù)每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質(zhì)量單獨評分，滿分100分。（2）每次實驗單獨評分，取各次實驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實驗成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?410期末考核50（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）主要考核系統(tǒng)的數(shù)學模型、系統(tǒng)的時間響應(yīng)分析、系統(tǒng)的頻率特性分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性等內(nèi)容。（3）考試題型：選擇題、填空題、簡答題和計算分析題等?！獭獭?51510合計：100分452728八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、實驗、作業(yè)、期末考試等方式對學生進行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┰嚲沓煽兒瓦^程性評價成績組成。其中：期末試卷成績?yōu)?00分（權(quán)重50%），試題類型為選擇題、填空題、簡答題、分析計算題等類型，試卷中基本知識、基本理論、基本技能的試題分值不超過50%，綜合應(yīng)用題、分析題不低于50%；課堂表現(xiàn)、實驗、作業(yè)等過程性評價成績?yōu)?00分（權(quán)重50%）；過程性評價和考試試題分值分配應(yīng)與教學大綱各章節(jié)的學時基本成比例。2.過程性考核成績的標準過程性考核方式重點考核內(nèi)容、評價標準、所占比重見表5。表5過程性考核方式評價標準考核方式所占比重(%)100＞x≥9090＞x≥8080＞x≥7070＞x≥60x＜60課堂表現(xiàn)32參與教學平臺隨堂發(fā)布的各項教學活動，平臺統(tǒng)計分數(shù)≥90分。參與教學平臺隨堂發(fā)布的各項教學活動，平臺統(tǒng)計分數(shù)≥80分。參與教學平臺隨堂發(fā)布的各項教學活動，平臺統(tǒng)計分數(shù)≥70分。偶爾參與教學平臺隨堂發(fā)布的各項教學活動，平臺統(tǒng)計分數(shù)≥60分。較少參與教學平臺隨堂發(fā)布的各項教學活動，平臺統(tǒng)計分數(shù)＜60分。作業(yè)32每次作業(yè)成績依據(jù)作業(yè)答案來評價，再乘以權(quán)重占比，得到成績之和≥90分。每次作業(yè)成績依據(jù)作業(yè)答案來評價，再乘以權(quán)重占比，得到成績之和≥80分。每次作業(yè)成績依據(jù)作業(yè)答案來評價，再乘以權(quán)重占比，得到成績之和≥70分。每次作業(yè)成績依據(jù)作業(yè)答案來評價，再