《機械控制工程基礎 第2版》-王潔 教學大綱

《控制工程基礎》課程教學大綱課程編號：01066課程名稱：控制工程基礎英文名稱：FundamentalsofControlEngineering課程類型：專業(yè)課課程要求：必修學時/學分：48/3（講課學時：44，實驗學時：4上機學時：0）開課學期：4適用專業(yè)：機械設計制造及其自動化、車輛工程授課語言：中文課程網(wǎng)站：/course/241384392.html一、課程性質與任務控制工程基礎是機械設計制造及其自動化和車輛工程的學科基礎課，本課程以線性控制系統(tǒng)為研究對象，從時域和頻域兩個方面系統(tǒng)地介紹了控制理論的基本原理及其在機械工程自動控制系統(tǒng)中的應用。主要內容包括：自動控制系統(tǒng)的基本概念；控制系統(tǒng)在時域和頻域中的數(shù)學模型建立；單輸入單輸岀線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差；線性控制系統(tǒng)的時域分析法、頻域分析法及系統(tǒng)設計校正方法等內容。通過本課程的學習，使學生掌握系統(tǒng)動態(tài)特性數(shù)學模型的建立和研究方法，并學會應用這些研究方法對已知系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性問題進行分析，以及進行控制系統(tǒng)的設計。同時培養(yǎng)學生掌握科學的方法論，提高學生分析問題、解決問題的能力，為后續(xù)課程、從事工程技術工作、進行科學研究和開拓新的領域，打下堅實的基礎。二、課程與其他課程的聯(lián)系控制工程基礎的先修課程包括：高等數(shù)學、大學物理、理論力學、電子技術基礎、機械原理和機械設計等課程，這些基礎知識為控制系統(tǒng)模型的建立、時域及頻域性能分析打下良好的基礎。后續(xù)課程包括：傳感器與測試技術、流體力學與液壓傳動、機電傳動與控制技術、機電液一體化系統(tǒng)設計、智能設備模塊化控制技術。本門課程的學習，為這些后續(xù)課程中與控制系統(tǒng)分析和設計相關的內容做好知識儲備。三、課程教學目標1．了解建立控制系統(tǒng)數(shù)學模型的基本原理和方法，了解控制系統(tǒng)的時域、頻域分析的基本概念，了解控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對控制系統(tǒng)進行校正的基本概念和方法。（支撐畢業(yè)要求指標點4.1）2．了解控制系統(tǒng)的Matlab分析方法，能查閱文獻資料了解工程問題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，具有利用現(xiàn)代工具分析復雜機械工程問題及影響因素的基本能力。（支撐畢業(yè)要求指標點2.4）3．掌握控制系統(tǒng)綜合與校正的方法，具有利用該方法分析、設計機械系統(tǒng)并改善系統(tǒng)性能的能力，了解機械工程領域中自動控制問題的解決方法及改善自動控制系統(tǒng)動態(tài)特性的措施。（支撐畢業(yè)要求指標點1.4）4.掌握控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立方法，掌握控制系統(tǒng)時頻分析和頻域分析的方法，掌握控制系統(tǒng)誤差分析的基本方法，掌握控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的判定方法，具有利用數(shù)學模型對復雜機械工程系統(tǒng)進行性能預測及模擬的能力，并理解該方法僅適用于線性系統(tǒng)這一局限性。通過實驗和控制系統(tǒng)的Matlab仿真，掌握利用現(xiàn)代工具預測模擬復雜機械工程問題的方法和手段。（支撐畢業(yè)要求指標點5.3）四、教學內容、基本要求與學時分配序號教學內容教學要求學時教學方式對應教學目標思政元素融入點1一、緒論1.機械工程的發(fā)展與控制理論的應用2.機械工程自動控制系統(tǒng)的基本結構及工作原理3.機械自動控制系統(tǒng)的分類4.自動控制系統(tǒng)的基本要求1.掌握控制系統(tǒng)的工作原理、基本組成、基本要求和分類2.了解控制工程基礎的主要任務與研究內容3.了解控制理論的發(fā)展歷程、未來趨勢與應用2講授1介紹奠定控制理論學科的著名科學家及其生平（重點錢學森）2拉普拉斯變換的數(shù)學方法1.復數(shù)和復變函數(shù)2.典型時間函數(shù)的拉氏變換3.拉氏反變換4.拉氏變換在工程中的應用1.了解拉普拉斯變換的定義2.了解拉普拉斯變換的性質3.掌握典型函數(shù)的拉斯變換4.掌握拉普拉斯反變換5.了解拉普拉斯變換在控制系統(tǒng)分析中的應用4講授1介紹拉普拉斯的生平事跡3三、控制系統(tǒng)的數(shù)學模型1.系統(tǒng)微分方程的建立2.非線性數(shù)學模型的線性化3.傳遞函數(shù)4.系統(tǒng)方框圖和簡化1.了解系統(tǒng)數(shù)學模型的定義2.掌握機械工程系統(tǒng)微分方程建立及線性化的方法3.掌握傳遞函數(shù)的有關定義和典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)4.掌握傳遞函數(shù)的簡化方法6講授討論1經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論建模方法介紹4四、控制系統(tǒng)的時域分析法1.典型輸入信號2.一階系統(tǒng)的時間響應3.二階系統(tǒng)的時間響應1.了解時間響應的定義和典型輸入信號2.掌握一階和二階系統(tǒng)時間響應的分析方法3.掌握二階系統(tǒng)的性能指標及其與系統(tǒng)動態(tài)性能關系4.了解高階系統(tǒng)的時間響應4講授討論25五、控制系統(tǒng)的誤差分析和計算1.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的基本概念2.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計算3.減小穩(wěn)態(tài)誤差的途徑1.了解控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的基本概念2.掌握系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計算方法2講授討論26六、控制系統(tǒng)的頻域分析法1.頻率特性概述2.典型環(huán)節(jié)頻率特性的Nyquist圖3.系統(tǒng)Nyquist圖的畫法4.典型環(huán)節(jié)頻率特性的Bode圖5.頻域性能指標6.最小相位系統(tǒng)1.了解系統(tǒng)頻率特性的概念、求法及特點2.掌握根據(jù)控制系統(tǒng)數(shù)學模型繪制系統(tǒng)Nyquist圖和Bode圖、的方法。3.了解頻域性能指標與系統(tǒng)動態(tài)性能關系8講授討論2摩天大樓防風抗震的秘密武器——阻尼器6七、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定1.系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念及穩(wěn)定條件2.代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)3.幾何穩(wěn)定性判據(jù)4.系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性1.了解穩(wěn)定性的基本概念和系穩(wěn)定的充分必要條件2.掌握控制系統(tǒng)的Routh判據(jù)、Nyquist判據(jù)、Bode判據(jù)3.掌握系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性等判斷系統(tǒng)穩(wěn)定的方法6講授討論2謝緒愷與穩(wěn)定性判據(jù)介紹7控制系統(tǒng)的根軌跡分析1.根軌跡概述2.根軌跡的繪制方法3.利用根軌跡法進行系統(tǒng)性能分析1.掌握系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性的定義及相位裕度、幅值裕度的求法2.重點掌握頻率特性的根軌跡作圖規(guī)則。4講授討論18實驗1：一級倒立擺控制實通過一級倒立擺實驗，掌握控制系統(tǒng)的時域、頻域性能的分析方法2實驗49九、控制系統(tǒng)的綜合與校正1.概述2.系統(tǒng)的性能指標3.系統(tǒng)閉環(huán)零點、極點的分布與系統(tǒng)性能的關系4.并聯(lián)校正5.串聯(lián)校正6.控制器類型7.按希望特性設計控制器1.了解系統(tǒng)分析和校正的初步知識2.了解系統(tǒng)閉環(huán)零點、極點的分布與系統(tǒng)性能的關系3.掌握系統(tǒng)并聯(lián)、串聯(lián)及PID校正的基本方法6講授討論310十、控制系統(tǒng)的MATLAB分析1.控制系統(tǒng)數(shù)學模型的MATLAB2.時間響應的MATLAB分析3.頻率響應的MATLAB分析4.穩(wěn)定性MATLAB分析5.根軌跡MATLAB分析6.系統(tǒng)校正MATLAB分析1.了解MATLAB分析控制系統(tǒng)特性及系統(tǒng)設計的基本命令2.了解利用MATLAB對控制系統(tǒng)分析與設計的基本方法2講授討論411實驗2：平衡小球控制實驗通過平衡小球實驗，掌握控制系統(tǒng)的時域、頻域性能的分析方法2實驗4課程思政元素案例解析：1.介紹奠定控制理論學科的著名科學家及其生平（重點錢學森）介紹奠定控制理論學科的著名科學家及其生平事跡，重點介紹錢學森及其所完成的著作《工程控制論》。維納1948年提出的控制論，更多地是哲學和數(shù)學的，而錢學森把工程控制論變成了一門真正具有可實踐性的學科。激發(fā)學生樹立學習科學技術、報效祖國理想信念。2.介紹拉普拉斯的生平事跡皮埃爾-西蒙·拉普拉斯，法國數(shù)學家、天文學家，法國科學院院士。拉普拉斯在研究天體問題的過程中，創(chuàng)造和發(fā)展了許多數(shù)學的方法，以他的名字命名的拉普拉斯變換、拉普拉斯定理和拉普拉斯方程，在科學技術的各個領域有著廣泛的應用。培養(yǎng)學生對科學家的敬仰崇敬之情，進而愿意投身到科學研究工作和事業(yè)中去。3.經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論建模方法介紹按照發(fā)展過程，自動控制理論分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論，本課程主要學習經(jīng)典控制理論?，F(xiàn)代控制理論是在20世紀50年代中期在空間技術推動下發(fā)展起來的，1954年美國學者R.貝爾曼于創(chuàng)立了\t"/item/%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%90%86%E8%AE%BA/_blank"動態(tài)規(guī)劃，并在1956年應用于控制過程，研究成果解決了空間技術中出現(xiàn)的復雜控制問題，并開拓了\t"/item/%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%90%86%E8%AE%BA/_blank"最優(yōu)控制理論這一新領域。拓展學生對諸如把\t"/item/%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%90%86%E8%AE%BA/_blank"宇宙火箭和\t"/item/%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%90%86%E8%AE%BA/_blank"人造衛(wèi)星用最少燃料或最短時間準確發(fā)射到預定軌道一類復雜控制問題解決方法的了解認知。4.摩天大樓防風抗震的秘密武器——阻尼器基于控制理論頻率特性分析知識，討論摩天大樓防風抗震的秘密武器—阻尼器的工作原理，這個案例應用經(jīng)典控制理論第五章頻率響應可以給出理論分析。質量調諧阻尼器涉及到的一個核心問題就是設計一個控制系統(tǒng)，當檢測到樓房震動時，做出控制決策，控制大擺錘擺動產(chǎn)生同頻率反作用力，使得二者偏差趨于零或者有界。這是解決社會實際問題時我們控制系統(tǒng)的一個典型應用。首先，能夠針對社會熱點問題，科學冷靜的分析問題本因，不盲從、盲信，在條縷分析現(xiàn)象本質后，自然而然培養(yǎng)了學生的科學精神和文化自信。其次，通過案例講解，對我國建筑技術的發(fā)展和在世界上的地位有了更精準的認識，弘揚社會主義核心價值觀，傳播愛國、愛黨、積極向上的主流價值觀精神。培養(yǎng)學生創(chuàng)新和工匠精神及使命擔當。5.謝緒愷與穩(wěn)定性判據(jù)介紹在自動控制領域，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究是一個繞不開的課題?！熬秃孟袢俗呗凡环€(wěn)就會摔跤，穩(wěn)定性是系統(tǒng)能夠工作的首要條件?！敝x緒愷說，“我嘗試用一個代數(shù)判據(jù)來描述系統(tǒng)的穩(wěn)定性，分別給出穩(wěn)定性的充分條件和必要條件，這樣的判據(jù)比經(jīng)典判據(jù)計算量要小得多，使用起來更方便，實用價值更大?！?957年，經(jīng)過大膽假設、縝密論證，謝緒愷打破常規(guī)，給出了線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的新代數(shù)判據(jù)。此時，他剛剛32歲。復旦大學1959年出版的《一般力學》中，將這個成果命名為“謝緒愷判據(jù)”，清華大學教授吳麒、王詩宓主編的教材《自動控制原理》將“謝緒愷-聶義勇判據(jù)”與世界公認的兩大判據(jù)——“勞斯判據(jù)”和“赫爾維茨判據(jù)”并列，將原有的兩大判據(jù)變成三大判據(jù)，國際控制學界第一次出現(xiàn)了以中國人名字命名的研究成果。2015年，90歲高齡的謝緒愷深感現(xiàn)行高等數(shù)學教材內容偏重演繹推理，學生學習起來倍覺吃力，于是決定寫一本通俗易懂、深入淺出的高等數(shù)學參考書，力爭用通俗易懂的語言，使高等數(shù)學學習同實際工程問題和日常生活知識相結合，讓學生在喜聞樂見中讀懂深奧的數(shù)學原理。三十而立，你的名字載入史冊；耄耋之年，依舊筆耕不輟。五、其他教學環(huán)節(jié)實驗：（4學時）（1）倒立擺實驗：要求通過倒立擺實驗，掌握建立常見機電系統(tǒng)頻域描述模型的基本方法，會對所建立的系統(tǒng)進行時域與頻域分析。（2）小球平衡實驗：要求通過小球平衡實驗，掌握建立常見機電系統(tǒng)頻域描述模型的基本方法，掌握對所建立的控制系統(tǒng)進行性能校正的方法，改善其動態(tài)特性性能指標。大作業(yè)：（課后）布置利用Matlab仿真軟件完成的針對特定控制系統(tǒng)進行分析和設計的課后作業(yè)，掌握利用Matlab科學計算軟件進行控制系統(tǒng)建模、求解、校正的方法和手段。六、教學方法本門課程的特點是：應用數(shù)學知識較多、理論性較強、知識點抽象。針對該特點，本課程采用課堂理論教學為主，結合案例教學、課后作業(yè)、課程實驗、自學等教學手段和形式完成課程的教學任務。教學中采用線上線下相結合、課堂討論、啟發(fā)式教學、案例教學等方法，將本課程的理論性、實踐性及應用性有機結合。線上線下相結合：通過超星學習通建立了本門課程的網(wǎng)絡學習平臺，針對每節(jié)課的學習內容，配套了相應的習題。在完成理論講授任務的前提下，利用平臺中的在線習題，通過隨堂測試、課下測試等手段，鞏固理論學習內容，引導學生自覺、及時掌握學習效果，將線下教學和線上教學進行有機結合。課堂討論法：在課堂教學中，通過講授、提問、習題講解和討論等教學方法和手段讓學生理解控制系統(tǒng)的基本概念、基本原理和基本方法，突出本課程理論學習的目的、意義和必要性。啟發(fā)式教學法：通過課堂教學中講解和演示工程實例、課后作業(yè)和實驗課等教學環(huán)節(jié)，使學生將控制理論與機械工程中的實際問題聯(lián)系起來，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力、自主學習能力、信息獲取和整理的能力、實驗數(shù)據(jù)分析能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。案例教學法：將“工作臺位置自動控制系統(tǒng)”這一工程實例，從基本結構分析，到系統(tǒng)建模、時域分析、頻域分析、穩(wěn)定性分析，直到系統(tǒng)設計的全過程貫穿于整個課程的教學過程中，使學生具備利用基本控制理論分析和解決機電控制工程中實際技術問題的能力，掌握控制理論在工程實際問題中的分析方法與應用。七、考核及成績評定考核內容、方式及評分依據(jù)考查教學目標達成成績占比課堂測試1.網(wǎng)上測試，并在測試后發(fā)布測試題講解視頻2.考查平時授課的掌握情況3.根據(jù)信息化教學平臺記錄結果（是否完成及完成情況）評分。1、2、330%60分課內實驗1.考核學生針對特定的機電系統(tǒng)、利用拉普拉斯變換等數(shù)學手段，建立系統(tǒng)模型，及對系統(tǒng)模型進行時域分析和頻域分析的手段和方法的掌握程度，考核學生對復雜機械工程系統(tǒng)進行預測及模擬方法的掌握程度。2.本課程共安排兩次課內實驗