《控制工程基础与应用》教学大纲

1、控制工程基础与应用教学大纲一、课程基本情况英文名称：Foundation and Application of Automatic Control Engineering课程编号：F071730009048总 学 时：48 讲课学时：38 实践学时：10总 学 分：3课程性质：必修考核方式：考试适用对象：机械设计制造及其自动化专业先修课程：高等数学、大学物理、电工电子学、理论力学参考文献：1 赵丽娟.控制工程基础与应用M.徐州：中国矿业大学出版社，20172 杨叔子.机械工程控制基础(第7版) M.武汉：华中科技大学出版社，20173 Katsuhiko Ogata著；卢伯英、佟明安 译现代控

2、制工程M.北京：电子工业出版社，2011二、课程简介与目标控制工程基础与应用课程是高等工科院校机械类专业必修的一门专业技术基础课，以工程控制论为理论基础，综合应用信息理论和计算机理论的相关概念，主要阐述有关反馈控制技术的基础理论，注重机、电、液控制系统的特点及应用，是一门跨学科的综合性工程科学。主要研究在控制系统分析及设计中所必须的基本知识和基本技能，具有分析和解决工程实际问题及应用有关技术资料和反馈控制原理建立简单控制系统数学模型或改进系统性能和品质的能力。结合课程实践及综合实验等教学环节，进行机械工程技术人员所需的使用现代工具及信息技术对复杂工程问题模拟和预测的基本技能训练，为进一步学习有

3、关专业课程和日后从事机械设计制造及其自动化工作，直接服务于社会奠定良好的基础。培养诚实守信的职业素养以及团队意识和合作精神。通过本课程的学习，达到如下目标：目标1：掌握经典控制理论基本知识，能够分析控制系统的组成及工作原理，掌握建立自动控制系统数学模型的方法，在不考虑非技术因素影响的前提下，能综合运用数学、力学和电工电子学等理论知识分析和描述复杂工程问题，并建立控制系统数学模型的能力。目标2：掌握反馈控制原理，对于实际控制系统的数学模型，掌握系统时域及频域分析方法，掌握系统稳定性判据、系统误差计算方法，并能根据系统性能要求采用正确方法进行校正。能够通过分析结果获得合理有效的结论，具有分析和解决

4、复杂机械工程问题的能力。目标3：掌握自动控制系统综合与校正的基本原理和方法，具有能够通过实验结果针对机械工程领域的实际需求，设计合理的校正方案。目标4：运用现代工具（MATLAB软件）对机械自动化系统的性能指标进行模拟和预测，并能够分析其局限性。 三、课程教学目标与毕业要求关系矩阵 课程目标毕业要求目标1目标2目标3目标4指标点1-2 掌握数学、力学等知识，能用于工矿机械设计与制造过程中复杂机械工程问题的建模与求解。H指标点2-3 能够运用机械工程原理、技术和方法，认识到解决复杂机械工程问题有多种方案，能借助文献研究寻找可替代的解决方案，并能分析工程问题的影响因素，获得有效结论。H指标点4-4

5、 能对实验结果进行分析和解释，通过信息综合得到合理有效的结论。H指标点5-3 能够针对解决复杂机械工程问题的过程和结果，运用现代工具和信息技术工具，进行模拟和预测，并能够分析其局限性。H四、教学内容、教学方法和手段、学时分配（一）教学内容知识单元1：绪论（支撑课程目标1）（建议 2 学时）教与学要求：了解控制理论的发展简史及其在机械工程中的应用。能解释自动控制系统的基本概念及工作原理；能说明反馈控制系统的基本组成；能说明自动控制系统的分类；能解释对自动控制系统性能的基本要求。教学内容：1-1控制理论的发展简史。1-2自动控制系统的基本概念。1-3控制系统的分类及性能要求。1-4本课程主要内容。

6、重点：自动控制系统的基本概念、基本构成及自动控制系统的工作原理、分类和性能要求。难点：自动控制系统的工作原理。知识单元2：控制系统动态数学模型（支撑课程目标1）（建议 8 学时）教与学要求：能解释控制系统数学模型的基本概念，能应用经典控制理论和高度抽象的方法建立不同类型系统的微分方程；掌握拉氏变换及其基本性质及求解拉氏反变换的方法。能解释传递函数的基本概念，明确典型环节的传递函数；掌握系统方块图的绘制及简化方法；掌握绘制系统信号流图的方法，并会应用梅逊公式求解系统的传递函数。教学内容：2-1 HYPERLINK l _Toc482971346 数学模型的基本概念。2-2建立系统数学模型的一般步

7、骤和方法。2-3典型元件及系统时域数学模型的建立。2-4数学模型的线性化。2-5拉氏变换与反变换。2-6传递函数及典型环节的传递函数。2-7系统方块图及其简化。2-8系统信号流图及梅逊公式重点：典型元件及系统时域数学模型的建立，传递函数的概念、特点及求法。难点：传递函数方框图的绘制及化简。知识单元3：时域瞬态响应分析（支撑课程目标2）（建议 6 学时）教与学要求：能在外加典型输入信号作用下，根据系统的数学模型描述一、二阶系统的阶跃响应并确定二阶系统的性能指标；能识别高阶系统的闭环主导极点。教学内容：3-1典型输入信号。3-2一阶系统的时域响应。3-3二阶系统的瞬态响应分析。3-4系统的闭环极点

8、。3-5上机操作：Matlab基本使用方法，应用matlab处理控制系统数学模型。重点：欠阻尼二阶系统的态性能指标的计算。难点：二阶系统的瞬态响应分析。知识单元4：线性系统的根轨迹法（支撑课程目标2）（建议 2 学时）教与学要求：能解释根轨迹法的基本概念，掌握绘制根轨迹图的一般步骤和规则，能说明系统开环增益的变化对系统性能的影响。教学内容：4-1根轨迹和根轨迹图。4-2根轨迹作图的一般规则。4-3根轨迹图绘制实例。重点：根轨迹作图的一般规则及开环增益对系统性能的影响。难点：识别系统开环增益的变化对系统性能的影响。知识单元5：控制系统的频率特性（支撑课程目标2）（建议8学时）教与学要求：能解释频

9、率特性的基本概念；掌握系统对谐和函数输入的稳态响应计算方法及系统频率特性的对数坐标图和极坐标图的绘制方法。能根据最小相位系统的伯德图写出其传递函数，解决应用系统的频率特性对系统进行分析和设计问题。5-1频率特性的基本概念。5-2频域系统的稳态响应。5-3频率响应的极坐标图(Nyquist图)。5-4频率响应的对数坐标图(Bode图)。5-5由系统传递函数绘伯德图。5-6最小相位系统的概念。5-7由对数频率特性求传递函数。5-8 上机操作：练习MATLAB SIMULINK 建立控制系统数学模型的方法。重点：频率特性的基本概念及Nyquist图、Bode图的画法；频域系统的稳态响应及最小相位系统

10、的概念、由对数频率特性求传递函数。难点：频率特性的Nyquist图的画法及特点。知识单元6：控制系统的稳定性分析（支撑课程目标2）（建议6学时）教与学要求：能解释线性定常系统稳定性的基本概念；掌握三种常用的稳定性判据：劳斯稳定判据、奈奎斯特稳定判据和伯德稳定判据；根据系统稳定的充分必要条件，应用三种常用的稳定性判据论证系统的稳定性，理解系统的相对稳定性及其表示形式，掌握相位裕量和幅值裕量的概念及计算方法。6-1稳定性的概念。6-2稳定性的充分必要条件。6-3代数稳定判据(Routh稳定判据)。6-4乃奎斯特稳定判据(Nyquist稳定判据)。6-5伯德稳定判据（Bode稳定判据）。6-6系统的

11、相对稳定性。6-7直流调速电机系统频率特性模拟实验。重点：系统稳定性的基本概念、Routh(劳斯)稳定判据、Nyquist(乃奎斯特)稳定判据及对数频率（Bode）稳定判据；伯德稳定判据与奈奎斯特稳定判据间的关系。难点：系统相对稳定性及相位裕量和幅值裕量的计算方法。知识单元7：控制系统的误差分析和计算（支撑课程目标2）（建议 6 学时）教与学要求：能解释系统稳态误差的基本概念，理解误差传递函数及静态误差系数的含义；掌握线性控制系统原理性稳态误差的计算方法。理解用扰动本身进行补偿及用系统输入本身进行补偿的原理；掌握改善系统稳态精度的方法。理解动态误差系数的定义，掌握动态误差系数的计算方法。7-1

12、稳态误差的基本概念。7-2输入引起的稳态误差。7-3扰动引起的误差。7-4改善系统稳态精度的方法。7-5动态误差系数。7-6动态误差的工程实例计算分析。7-7恒温控制系统时域特性模拟实验。重点：系统稳态误差的基本概念及计算方法。难点：理解系统动态误差系数的定义及其计算方法。知识单元8：控制系统的性能校正（支撑课程目标2）（建议 10 学时）教与学要求：能解释系统性能校正的概念；理解系统开环对数频率特性与系统性能的关系。 理解超前校正网络、滞后校正网络、滞后-超前校正网络及其性能；掌握系统超前校正装置的设计方法及典型期望对数频率特性设计方法，应用串联校正、PID校正及反馈校正等方法设计满足需求的

13、控制系统，提高运用所学知识分析、解决工程实际问题的能力，强调基本概念和工程背景的分析掌握以及在实践中予以应用的能力。8-1控制系统性能校正的基本概念。8-2常用校正装置及其性能分析。8-3串联校正。8-4串联校正装置的期望对数频率特性设计。8-5反馈校正。8-6控制系统校正设计。8-7控制系统性能校正模拟实验：对直流调速电机系统及温度控制系统进行校正分析。重点：控制系统性能校正的基本概念及作用、系统开环对数频率特性与系统性能的关系、常用校正装置及其性能分析。难点：控制系统性能校正的基本方法及控制系统校正设计。（二）学时分配教学内容学时课堂教学学时自主学习教与学方式、方法讲授实验上机作业训练教学

14、单元12222案例式教学、多媒体课件、阅读、翻转课堂网络学习平台教学单元2-122讲授、多媒体课件教学单元2-222讲授、多媒体课件、网络学习平台教学单元2-32222案例式教学、多媒体课件、翻转课堂、作业教学单元2-42222案例式教学、多媒体课件教学单元3-122讲授、多媒体课件教学单元3-2422312案例式教学、多媒体课件、作业、上机教学单元42211讲授、多媒体课件、网络学习平台教学单元5-122讲授、多媒体课件教学单元5-222案例式教学、多媒体课件教学单元5-342211案例式教学、多媒体课件、上机、作业教学单元6-122案例式教学、多媒体课件教学单元6-242222讲授、多媒体

15、课件、模拟实验、实践平台教学单元7-122讲授、多媒体课件教学单元7-242222案例式教学、多媒体课件、模拟实验实践平台、作业教学单元8-122案例式教学、多媒体课件教学单元8-244案例式教学、多媒体课件、网络学习平台教学单元8-342233案例式教学、多媒体课件、模拟实验实践平台、作业学时合计4838641899五、实践教学环节实验目的：能应用控制工程基础知识，建立实际物理系统的数学模型，使用现代工具（MATALAB软件）对系统的性能指标进行模拟和预测，并能够分析其局限性；能够与团队其他成员进行有效合作，针机电控制系统中的复杂工程问题，设计综合实验方案，并根据个人的角色自行完成实验过程，

16、获得实验数据并对其进行正确处理、分析与综合，得出对应的结论，具有分析和解决复杂机械工程问题的能力。上机及模拟实验内容与要求见下表：（建议10学时）序号实验项目名称实验目的主要内容实验学时实验类型开出要求支撑课程目标1MATLAB基本使用方法应用MATLAB处理控制系统数学模型1、用MATLAB展开部分分式；2、利用MATLAB求多项式乘法；3、控制系统三种基本连接方式的MATLAB应用2验证必做42MATLAB/SIMULINK 建立控制系统数学模型的方法。建立实际物理系统数学模型并对其进行瞬态响应分析，体会二阶系统在阶跃信号作用下其响应的过渡过程以及参数对过渡过程的影响。雷达天线速度位置控制

17、系统的时域响应分析。 2设计必做43温度控制箱仿真实验了解温度控制系统工作原理，控制系统方块图绘制方法，MATLAB/SIMULINK仿真方法，研究PID控制器对系统稳定性及过渡过程的影响规律。1、根据温度控制系统结构图及工作原理，绘制温度控制系统方块图。2、建立温度控制系统的传递函数方框图；3、运用MATLAB仿真模拟温度控制的时域响应（阶跃响应和斜坡响应）（MATLAB/SIMULINK）4、分析BODE图和Nyquist图，判定系统稳定性；5、对温度控制系统进行PID控制，分析P、I、D对系统动态响应的的作用规律。3综合必做34直流电机伺服系统转速实验通过实验了解直流电机伺服系统，掌握直

18、流电机系统的方块图，传递函数，熟练运用MATLAB/SIMULINK仿真进行时域响应分析，熟练应用MATLAB绘制Bode图和Nyquist图，分析系统的稳定性及稳定裕量；熟悉直流电机的转速及位置矫正控制。1、通过简化模型建立微分方程；2、通过拉氏变换建立传递函数、绘制传递函数方块图；3、建立直流电机转速控制系统MATLAB/SIMULINK模型，给定不同输入信号分析系统时域响应；4、画出Bode图和Nyquist图，判定系统稳定性；5、对直流电机调速系统进行校正分析，理解校正参数对系统性能的影响规律。3综合必做3六、成绩构成和评价方法（一）考核方式说明1.以试卷、作业（翻转课堂）及课外训练、

19、上机及课内模拟实验等形式考核。2.采用闭卷考试，试卷成绩占总成绩50%，平时成绩占总成绩50%：其中上机操作占10%，作业及课外训练占20%，模拟实验（含报告）占20%。（二）考核权重分配 考核方式及权重教学内容考试作业及课外训练上机操作模拟实验备注50%10%10%10%20%教学单元1教学单元2教学单元3教学单元4教学单元5教学单元6教学单元7教学单元8七、成绩评价标准1.平时成绩评价标准（1）作业及课外训练成绩评价标准基本要求评价标准完成情况得分目标1：掌握经典控制理论基本知识，能够分析控制系统的组成及工作原理，掌握建立自动控制系统数学模型的方法，具有在不考虑非技术因素影响的前提下，能综

20、合运用数学、力学和电工电子学等理论知识分析和描述复杂工程问题，并建立控制系统数学模型的能力。毕业要求指标点1-2能准确运用经典控制理论基本知识分析控制系统的组成及工作原理，综合运用数学、物理和电工电子学等理论知识分析和描述复杂工程问题，准确建立控制系统数学模型；计算步骤完整，结果正确；准时上交；作业整洁、书写工整。90100能准确运用经典控制理论基本知识分析控制系统的组成及工作原理，综合运用数学、物理和电工电子学等理论知识分析和描述复杂工程问题，较准确建立控制系统数学模型；计算步骤完整，结果正确；准时上交；作业有涂改、书写较工整。8089能基本准确地运用经典控制理论基本知识分析控制系统的组成及

21、工作原理，综合运用数学、物理和电工电子学等理论知识分析和描述复杂工程问题，较准确建立控制系统数学模型；计算步骤较完整，个别有误；按时上交、作业有涂改、书写较一般。7079能基本准确地运用经典控制理论基本知识分析控制系统的组成及工作原理，综合运用数学、物理和电工电子学等理论知识分析和描述复杂工程问题，较准确建立控制系统数学模型；计算步骤较完整，结果不正确；按时上交、作业有涂改、书写潦草。6069所表述的概念错误较多；建立的控制系统数学模型不正确；未准时上交、书写潦草。059目标2：掌握反馈控制原理，对于实际控制系统的数学模型，掌握系统时域及频域分析方法，掌握系统稳定性、准确性的判别方法，并能根据

22、系统要求采用正确方法进行校正。能够通过分析结果获得合理有效的结论，具有分析和解决复杂机械工程问题的能力。毕业要求指标点2-3正确分析系统瞬态响应，熟练掌握二阶系统在阶跃信号作用下其响应的过渡过程以及参数对过渡过程的影响。准确建立实际控制系统数学模型，正确使用控制工程中的时域或频域分析法对系统的性能进行准确分析；正确判断系统稳定性、计算系统误差；正确使用校正方法使系统满足设计要求。计算步骤完整，结论正确；准时上交；作业整洁、书写工整。90100能够正确分析系统瞬态响应，正确掌握二阶系统在阶跃信号作用下其响应的过渡过程以及参数对过渡过程的影响。准确建立实际控制系统数学模型，正确使用控制工程中的时域

23、或频域分析法对系统的性能进行分析；基本正确判断系统的稳定性、计算系统误差；使用校正方法使系统基本满足设计要求。计算步骤完整，结论正确；准时上交；作业有涂改、书写较工整。8089能够基本正确分析系统瞬态响应，基本正确掌握二阶系统在阶跃信号作用下其响应的过渡过程以及参数对过渡过程的影响。正确建立实际控制系统数学模型，几根正确正确使用控制工程中的时域或频域分析法对系统的性能进行分析；基本正确判断系统的稳定性、计算系统误差；能够使用校正方法使系统基本满足设计要求。计算步骤较完整，个别有误；按时上交、作业有涂改、书写较一般。7079分析系统瞬态响应，掌握二阶系统在阶跃信号作用下其响应的过渡过程以及参数对

24、过渡过程的方法。基本正确正确建立实际控制系统数学模型，基本正确使用控制工程中的时域或频域分析法对系统的性能进行分析；基本正确判断系统的稳定性、计算系统误差；几根正确的使用校正方法使系统基本满足设计要求。计算步骤较完整，结果不正确；按时上交、作业有涂改、书写潦草。6069所表述的概念错误较多；建立的控制系统数学模型及分析方法不正确；未准时上交、书写潦草。059上机及实验成绩评价标准基本要求评价标准完成情况得分目标3：掌握自动控制系统综合与校正的基本原理和方法，能够通过实验结果针对机械工程领域的实际需求，设计合理的校正方案。毕业要求指标点4-4掌握控制系统实验方法，实验步骤正确，获取的实验数据准确

25、、有效。掌握实验数据整理方法，系统时域响应曲线绘制正确。准确使用时域或频域分析方法对系统稳定性、快速性及误差等性能指标进行分析，结论准确有效。能够正确使用校正方法对系统进行校正，所运用的原理准确、校正方案设计正确。90100掌握控制系统实验方法，实验步骤正确，获取的实验数据基本准确。掌握实验数据整理方法，系统时域响应曲线绘制基本正确。正确使用时域或频域分析方法对系统稳定性、误差等性能指标进行分析，结论正确。能够正确使用校正方法对系统进行校正，所运用的原理整确、校正方案设计基本正确。8089基本掌握控制系统实验方法，实验步骤基本正确，获取的实验数据基本准确。掌握实验数据整理方法，系统时域响应曲线

26、绘制基本正确。正确使用时域或频域分析方法对系统稳定性、误差等性能指标进行分析，结论基本正确。能够正确使用校正方法对系统进行校正，所运用的原理整确、校正方案设计基本正确。7079基本掌握控制系统实验方法，实验步骤基本正确。掌握实验数据整理方法，系统时域响应曲线绘制基本正确。使用时域或频域分析方法对系统稳定性、误差等性能指标进行分析过程基本正确，结论基本正确。能够使用校正方法对系统进行校正，所运用的原理整确、校正方案设计基本正确。6069未掌握控制系统实验方法，实验步骤错误。未掌握实验数据整理方法，系统时域响应曲线绘制错误。使用时域或频域分析方法对系统稳定性、误差等性能指标进行分析过程不正确。对系

27、统进行校正，使用的校正方法错误。059课程目标4：运用现代工具（MATLAB软件）对机械自动化系统的性能指标进行模拟和预测，并能够分析其局限性。毕业要求指标点5-3熟悉MATLAB/SIMULINK基本使用方法，正确应用MATLAB/SIMULINK 建立实际物理系统的数学模型并对其进行瞬态响应分析、频率特性分析并得出合理有效的结论。所运用的原理准确、校正方案设计正确，仿真图形或曲线趋势合理，指标符合设计要求，报告书写思路清晰，结果正确。90100熟悉MATLAB/SIMULINK基本使用方法，正确应用MATLAB/SIMULINK 建立实际物理系统的数学模型并对其进行瞬态响应分析、频率特性分

28、析并得出合理有效的结论。所运用的原理准确、实验方案设计及图形绘制正确，仿真曲线趋势合理，指标符合设计要求，报告书写思路比较清晰，结果正确。8089掌握MATLAB基本使用方法，能够应用MATLAB处理控制系统数学模型；步骤基本完整、结果正确、准时提交。应用MATLAB/SIMULINK 建立实际物理系统的数学模型并对其进行瞬态响应分析、频率特性分析并得出合理有效的结论。并得出合理的结论。所运用的原理准确、实验方案设计思路比较清楚，图形绘制及仿真曲线趋势合理，指标基本符合设计要求，报告书写思路比较清晰，个别仿真图形标注比较齐全。7079掌握MATLAB基本使用方法，应用MATLAB处理控制系统数

29、学模型；步骤基本正确、按时提交。应用MATLAB/SIMULINK 建立实际物理系统的数学模型并对其进行瞬态响应分析、频率特性分析结论基本正确。所运用的原理基本准确，能够提出一种设计方案，图形或曲线与预期有一定的差距，报告书写思路不够清晰，个别仿真图形标注不齐全。6069未掌握MATLAB基本使用方法，应用MATLAB处理控制系统数学模型结果不正确；步骤不完整。应用MATLAB/SIMULINK 建立实际物理系统的数学模型并对其进行瞬态响应分析、频率特性分析不正确，未得出有效结果。所运用的原理不准确、校正方案不合理，仿真图形或曲线趋势不正确，指标不符合设计要求。设计方案不够合理，图形或曲线与预

30、期差距很大，报告书写格式混乱。0592.期末考试评价与评分标准期末考试试卷的评分标准和评价标准的制定见下表，其中评价标准决定评分标准，依据评价标准制定的详细评分标准见考试试卷“标准答案及评分标准”。基本要求评价标准知识掌握情况得分目标1：掌握经典控制理论基本知识，能够分析控制系统的组成及工作原理，掌握建立自动控制系统数学模型的方法，在不考虑非技术因素影响的前提下，能综合运用数学、力学和电工电子学等理论知识分析和描述复杂工程问题，并建立控制系统数学模型的能力。毕业要求指标点1-2对所学的控制工程概念、基本理论、方法和基本知识认知清晰，理解正确，准确建立控制系统数学模型；计算步骤完整，结果正确。9

31、0100对所学的控制工程概念、基本理论、方法和基本知识认知比较清晰，理解正确，准确建立控制系统数学模型；计算步骤基本完整，结果正确。8990对所学的控制工程概念、基本理论、方法和基本知识比较清晰，理解基本正确，建立的控制系统数学模型基本正确；计算步骤基本完整，结果基本正确。7079对所学的控制工程概念、基本理论、方法和基本知识认知基本清晰，理解基本正确，建立的控制系统数学模型基本正确；计算步骤不完整，结果有误。6069不能正确理解和记忆所学控制工程基本知识，建立的控制系统数学模型不正确；计算步骤不完整，结果有误。059目标2：掌握反馈控制原理，对于实际控制系统的数学模型，掌握系统时域及频域分析方法，掌握系统稳定性、准确性的判别方法，并能根据系统要求采用正确方法进行校正。能够通过分析结果获得合理有效的结论，具有分析和解决复杂机械工程问题的能力。毕业要求指标点2-3在准确建立实际控制系统数学模型后，采用控制工程中的时域或频域分析法对系统的性能进行分析；通过系统稳定性、快速性及误差分析进行系统的综合校正。计算步骤完整，结论正确；准时上交；作业整洁、书写工整。90