《机电系统控制工程及应用》课程教学大纲

1、机电系统控制工程及应用课程教学大纲课程中文名称：机电系统控制工程及应用课程英文名称： Control Engineering for Mechatronics & Applications课程编号：ZH16602课程类型：专业核心课学 时：总学时80、理论课学时40、实验课学时40学 分：4.5适用对象：机械电子工程，机电技术教育先修课程：电工技术，电子技术，传感器与检测技术，单片机原理与应用，机械工程控制基础，电气控制与PLC，机电一体化技术，电机与电力拖动课程简介：机电系统控制工程及应用课程是机械电子工程专业的一门专业核心课程。它是培养机电一体化应用型人才所需电知识的主干课程，是从机电一体

2、化技术需要出发，在机械电子领域中为培养具有较高的理论知识，又具备一定的分析和解决实际问题能力的高级技术人才。本课程对实现我校高水平应用型机电类人才的培养发挥着重要的作用，与电工技术、电子技术、传感器与检测技术、单片机原理与应用、机械工程控制基础、电气控制与PLC、机电一体化技术和电机与电力拖动，以及专业技能训练等实践环节共同构成了机电控制类课程的主要内容，由此而构成了机电控制核心课程群，同时为后面的智能控制与故障诊断方向类课程提供了知识储备，并打下了良好的基础。本课程集电机、电器、电力电子学、可编程序控制器、自动控制系统于一体的机电综合性课程。通过本课程的学习，使学生了解机电传动与控制系统的发

3、展动向及最新技术，开阔学生的视野，使其适应不断发展的现代化生产的需要；掌握机电传动控制必须的基础理论知识，如：电动机、电器、电力半导体等的工作原理、特性、应用和选用方法；掌握由继电器-接触器、PLC等组成的常用机电传动控制系统的工作原理、特点、分析与设计方法；掌握常用的直流调速、交流调速以及伺服控制等各种开环、闭环控制系统的工作原理、特点、性能以及应用；通过具体的应用实例和试验环节，提高学生分析和解决实际问题的能力。本课程以工程项目包括产品设计、生产流程和系统从研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动实践的方式学习工程技术， 强调在基于项目的反复学习训练中，让学生获取知识（ 自主学习）、共享知

4、识（团队合作）、应用知识（ 解决问题）、总结知识（技术创新）、传播知识（ 沟通交流），特别注意培养现代职业岗位所需的，时代型，专业型，技术型，技能型的高素质的应用型技术人才。一、教学目标及任务1、知识目标：了解现代设计与传统设计的区别与联系，能够撰写常用机电产品设计任务书，根据任务书要求给出多套设计方案，并对方案进行优选；掌握目前比较成熟的单片机控制、电机传动与控制、PLC控制和微机控制，能够熟练运用与现代控制技术相关的软件如MATLAB、Proteus等软件，能够综合运用智能控制和故障诊断相关软件解决一般机电产品的控制和分析问题。2、能力目标：能根据设计任务书的要求分析问题，设计出合理的方案

5、，具有解决中等机电控制问题的能力，同时通过本课程的学习提高学生的决策能力、沟通能力、创新能力、动手能力、管理能力和适应能力。3、素质目标：团队合作精神和信息搜索、整理、归纳的综合素质。二、学时分配章 节教学内容计划学时*备注第一单元绪论2第二单元电机传动与控制技术20第三单元PLC控制技术20第四单元单片机控制技术16第五单元计算机控制技术16第六单元机电控制综合设计6合计80*注：本课程采用教学做一体化模式进行授课，计划学时数不是单独依据传统的教师授课学时构成，由老师教、学生学和做（实际）三个部分有机组成。三、教学手段与方式本课程的主要教学手段为多媒体教学、教师演示与学生操作结合，自主学习部

6、分采用科研小组进行集体学习。根据专业人才培养目标和应用型人才培养具体要求，以一个典型机电产品为案例，采取“教学做创”一体化、理实融合的教学模式，具体教学过程中采用案例教学和项目驱动的方法，明确教师教授的内容、学生学的要求、学生做的内容，在此基础上综合运用知识进行创新设计，完成一个或多个典型机电控制系统的设计。四、课程内容体系机电系统控制工程及应用这门课程开设的主导思想实际些学生在前几年的学习过程中，学习了单片机原理与应用、机械工程控制基础、电气控制与PLC、机电一体化技术和电机与电力拖动等控制类课程，但是学生对机电系统的控制部分掌握得不够全面，虽然学过若干课程，但是没有一个系统的、整体的和全局

7、的把握，很难运用所学的知识设计与分析一个控制系统，本课程以培养学生在机电液控制领域以微机为主进行控制设计能力的一门课程，本课程主要研究控制系统的建模、微机检测与控制系统的设计技术、液压控制系统的设计与分析、可编程控制器控制系统的设计与分析。通过本课程的学习，能够对机电液控制系统具有明确的基本概念，必要的基础知识，熟练的硬件连结和软件设计能力，一定的分析能力和初步的实践能力，让学生以主动实践的方式学习工程技术，能够完成典型机电系统控制工程的设计设计和开发。五、教学评价与考核：1、形成性评价与终结性评价相结合，形成性评价成绩占总成绩的70%，终结性评价成绩占总成绩的30%，形成性评价突出操作技能、

8、分析问题和解决问题能力考核，终结性评价突出理论考核，分阶段进行考核，根据知识段的分量和重要程度，团队教师讨论决定权重；2、形成性评价内容包括：项目完成情况、平时作业、课堂操作情况等；3、计算机操作考核与书面考核相结合。考核成绩表姓 名班 级学 号专 业考核类别序号考 核 内 容考核方式单项成绩（百分制）权重考核结果形成性评价1绪论小论文0.052电机传动与控制技术步进电机、伺服电机控制0.203PLC控制技术小型自动化生产线0.204单片机控制技术基于单片机的温度控制0.205计算机控制技术基于PC的过程控制0.206机电控制综合设计上料机械手0.15过程考核总成绩终结性评价7理论考核闭卷考核

9、最终成绩（过程考核成绩占70%，期末考核成绩占30%）六、教学团队本课程教学团队由本校专职教师和企业兼职技术人员组成，其中企业兼职教师授课学时不少于总学时的25%，重点指导学生做和创新的内容，教学团队年龄结构、职称结构要合理，团队成员要热爱本科教学，具有强烈的改革意识和创新精神，教学质量高。七、学生人数：单班授课，单班不超过35人八、教学内容及教学要求章节（内容）学时分配教（理论）学（应用）做（工程项目）创（新思维）考核方式方法第一单元 绪论1.1 概述31.1.1机电控制系统概念了解机电控制系统的组成和发展，发现机电行业的控制应用实例。课外通过网络搜索现代控制技术方面的信息，比如PLC技术，

10、单片机控制技术，DSP技术等，尤其是现代控制技术在典型机电产品中的应用情况，如汽车、空调、电动机等。在机械工程控制基础和单片机原理与应用等课程实验的基础上，运用现代控制技术对以前的课程设计内容进行重新规划，为下一步方案设计和优化设计打下基础。针对一个汽车电器控制，撰写一篇小论文，重点说明经典控制和现代控制技术对于产品设计的区别与联系，小论文成绩占总成绩的5%。1.1.2 机电控制理论1.1.3机电控制系统的发展1.2机电控制系统的一般构成1.2.1机电控制系统的构成掌握控制系统的主要构成元素，机电控制技术的经典和现代控制方法和控制装置。1.2.2 控制装置及其他1.2.3机电控制系统基本控制方

11、法1.3机电控制系统的设计过程1.3.1机电控制系统设计的方法掌握机电控制系统的设计步骤和过程。1.3.2 机电控制系统设计的步骤第二单元 电机传动与控制系统2.1 机电系统传动力学42.1.1机电传动系统的动力学模型的建立2.1.2机电传动系统稳定性分析2.1.3机电系统过渡过程。1. 掌握机电传动系统的运行规律，并学会分析与判别机电传动系统的运行状态；理解过渡过程产生的原因和研究过渡过程的实际意义，以及缩短过渡过程的方法。课堂多媒体教学，实物解剖，参观电机实验室，结合应用实例进行分析、计算；及时进行相关实验。电机数学模型的阶次如何确定？如何非线性化处理？如何将控制理论应用到电机实例中？以小

12、车受力模型为例，利用理论分析建模方法和实验法建立系统数学模型,占总成绩的5%。2.2直流电机控制6直流电机原理直流电机结构直流电机励磁方式直流电机铭牌直流电机工作原理直流控制系统设计1. 掌握用实验方法测定直流电机的运行特性，并根据所测得的运行特性评定该被试电机的有关性能。2. 直流电机的各种运转状态时的机械特性。3. 掌握无刷直流电机优点和工作原理。 拆装直流电机，了解并认识其组成包括的电刷，换向片，绕组线圈和主磁极。进行直流电机控制系统设计，首先画出系统硬件组成图，然后选择主控单元模块，隔离单元模块，电机驱动模块，过流保护模块，速度反馈模块和通信模块。最后使用Protel画出系统仿真图。在

13、了解电机结构原理的基础上，学会利用或控制电机的特性，来实现机电系统的相关功能或性能。2.3 步进电机控制系统42.3.1步进电机的分类2.3.2步进电机的基本原理2.3.3步进电机的基本参数2.3.4步进电机的特点与特性2.3.5步进电机的测速方法2.3.6 步进电机控制系统设计1. 运用单片机控制步进电机的转速与方向。2. 了解步进电机控制的基本原理。3. 掌握控制步进电机的编程方法。4. 了解单片机控制外部设备的常用电路。1.拆装步进电机。步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，以三相为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极 。 2. 调整两相步进电机通电后的转动方向的方法

14、，以及低速运转下克服振动和噪音的方法。通常使用PLC输出脉冲，方向，脱机信号给驱动器，由驱动器控制电机。3. 步进电机基本参数的计算。利用步进电机接受数字信号，并转为对应的角位移或线位移的特点，结合微型计算机和微电子技术的发展，探讨步进电机的控制方法选用一种步进电机及配套控制器，结合实验室所用PLC，设计一控制系统 ，完成步进电机的启停、正反转、加速、匀速及减速过程，占总成绩的5%。2.4 伺服电机控制系统62.4.1伺服电机的工作原理2.4.2 伺服电机的作用2.4.3交流伺服电机的结构和特性2.4.4直流伺服电机的运行特性、动态特性与时间常数2.4.5 伺服电机控制系统设计1. 交流伺服电

15、机与直流伺服电机的控制方法以及技术要求。2. 伺服电机相比交流电机的优缺点。3. 伺服电机的适用领域。交流伺服电机的机械特性及调节特性的测量方法。以三相异步电机为例。掌握额定转矩、最大转矩与启动转矩的关系。在了解直流伺服电机与交流伺服电机的基础上，掌握两种电机的控制方法针对同一工况，设计两种电机的控制系统，占总成绩的5%。第三单元 PLC控制系统31 PLC概述23.1.1 PLC分类3.1.2 PLC结构3.1.3 PLC发展状况和趋势3.1.4了解PLC输入电路的类型和传感器输出信号的形式3.1.5了解PLC的几种输出电路形式和他们的求别常用开关电器的工作原理、特点、应用场合和表示符号，电

16、器控制电路设计规范；可编程序控制器的基本结构、原理，编程语言及指令系统。掌握源型与漏型输入区别，并重点了解西门子PLC源型与漏型输入与其他厂家PLC的区别1. 搜索总结当今运用比较广泛的PLC型号并简单了解它们之间的区别与优缺点。2. 认知常见的PLC产品。世界上PLC产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。重点了解德国西门子公司PLC产品。3. 画出实验中“步进电机运动控制”PLC输入输出电路。重点在所使用相应型号PLC端子定义与接线。在了解西门子PLC的基础上，学习其它品牌PLC，掌握其不同点，及其相应的应用场合3.2 PLC编程83.2.1

17、S7-200/300可编程序的基本指令与编程方法3.2.2 STEP-Micro/WIN32的编程软件功能1. 熟悉S7-200/300系列的编程控制器的外部接线方法。2.了解编程软件STEP-Micro/WIN32 的编程环境及使用方法。3. 掌握与、或、非逻辑功能的编程方法。1.学习S7-200/300系列软件编程并进行仿真。2.运用编程软件用梯形图编写实验“步进电机运动控制”的程序，并在实验台上编译运行。3.3 PLC的工作原理及应用103.3.1 建立I/O映像区3.3.2 循环扫描的工作方式3.3.3 PLC工程应用实例掌握PLC工作原理，包括软件安装及硬件连接，通信参数的设置和修改

18、。了解其工作方式，包括功能指令的使用与输入输出端口的分配。应用PLC进行工程实例设计。1. 工业控制应用，PLC控制电机转向与速度来实现深孔钻组合机床钻头的进刀、退刀与工作时长。2. 电气控制应用，PLC控制步进电机来实现机械手精确横向、纵向移动抓放工件。3.以上两个工程实例练习，首先规划好每个实验的具体步骤，然后根据每个步骤分配输出输入端口，运用autocad软件画出PLC输入/输出电路。根据相应端口编写每一步的程序，最后运用仿真实验台实验，验证。以所学基础知识为依据设计基于PLC技术的小型自动化生产线控制系统，占总成绩的5%。第四单元 单片机控制系统4.1 单片机I/O引脚及单片机最小系统

19、2介绍单片机最小系统及控制系统组成原则、单片机I/O引脚功能和特点。4.1.1单片机控制系统概述4.1.2单片机I/O引脚功能和特点4.1.3单片机最小系统了解单片机控制的基本概念。掌握单片机控制系统的特点、基本组成 ，单片机最小系统。掌握I/O功能、特点及使用方法。设计位置跟随控制系统，并用汇编语言编写应用程序。通过网络查询控制器、传感器、驱动器的新技术、新材料、新工艺，了解和掌握单片机控制位置跟随系统的方法。撰写一篇小论文，重点阐述位置跟随控制系统的设计思想、设计方案（5%）。4.2 单片机应用系统开发仿真工具2Keil C软件、proteus软件软件的运行环境，软件结构及基本使用方法。4

20、.2.1 Keil C软件4.2.2 Proteus软件 掌握Keil C软件和proteus软件联调方法设计88点阵屏控制系统，用Keil C、proteus软件软件调试设计的体统。Proteus元件库中新元件符号的制作；PCB板制作。1、88点阵屏控制系统。4.3单片机外设扩展4.3.1单片机系统扩展设计思路和方法4.3.2元器件的选用原则和方法3正确建立系统模型；科学、合理划分软件功能；了解单片机系统扩展设计的方法，掌握器件（芯片）的协议和时序，掌握元器件的选用。能够根据系统要求合理规划系统结构，设计具有一定性价比应用系统。设计速度控制系统1、用互联网查找电子元器件及资料的方法；2、通过

21、网络查询飞思卡尔公司的主要产品；3、掌握申请样片及网上采购电子元器件方法。速度控制系统（5%）。4.4单片机定时/计数器4.4.1 定时/计数器的结构4.4.2 定时/计数器工作原理4.4.3 定时/计数器的编程方法3定时/计数器的结构和工作原理；定时/计数器的工作方式和特点；了解定时/计数器的结构和工作原理；掌握定时/计数器的初始化方法；掌握定时/计数器的编程方法脉冲宽度调制器设计步进电机设计脉冲宽度调制器设计（5%）。4.5单片机中断系统4.5.1 中断系统结构4.5.2 中断系统工作原理4.5.3 中断系统编程方法3中断系统的结构和工作原理；中断系统的工作方式和特点了解中断系统的结构和工

22、作原理；掌握中断系统的初始化方法掌握中断系统的编程方法。传送带产品计数系统设计用时钟芯片(如DS1302等)设计一个带定时功能的数字时钟。传送带产品计数系统设计（5%）。4.6单片机串行通信4.6.1串行通信概念4.6.2串行通信协议4.6.3串行通信编程方法3串行通信的结构和工作原理；串行通信的工作方式和特点了解串行通信的结构和工作原理；掌握串行通信波特率的设置方法；掌握串行通信的初始化方法；掌握串行通信的编程方法。单片机与上位机通信系统设计1、I2C总线通信系统设计；2、USB与PC通信（虚拟串口）通信系统设计。1、单片机与上位机通信系统设计；2、USB与PC通信（虚拟串口）通信系统设计。

23、第五单元 计算机控制系统5.1计算机控制系统概述5.1.1 计算机控制系统组成5.1.2智能控制系统2介绍计算机控制系统的结构、特点及应用现状了解计算机控制的基本概念。明确计算机控制技术对于机电控制系统的重要意义。掌握计算机控制系统的特点、基本组成和分类。了解计算机控制技术在机电控制系统中的应用和发展。课外通过网络搜索计算机控制技术在典型机电产品中的应用情况，并举例说明其结构组成。运用计算机技术的相关内容对以前的课程设计内容进行重新规划，为下一步方案设计和优化设计打下基础。5.2 采样控制系统5.2.1采样过程与采样定理 5.2.2模拟数字转换器(ADC)、数字模拟转换器(DAC)2了解采样定

24、理，了解模拟数字转换器(ADC)与数字模拟转换器(DAC)，掌握AD及DA的典型电路设计及对模块的初始化过程掌握AD、DA的工作原理及常用器件的工作电路，能够根据所选AD 、DA芯片资料，完成相应的电路设计及初始化程序的编写按照课本内容设计一AD 、DA接口电路，并完成相应初始化程序的编写利用单片机最小系统，完成一多路AD采样电路的设计，并利用C语言编写采样程序针对学生设计的采样电路，重点从方案设计和绘图能力以及程序编写进行考察打分，给出本部分成绩，其占总成绩的10%5.3. 计算机控制系统的离散化设计5.3.1有限拍控制系统设计5.3.2有限拍无波纹系统设计5.3.3 w变换法5.3.4 数字控制器的实现6介绍有限拍控制系统设计的方法、W变换法和大林算法，重点介绍有限拍无波纹系统