《机械工程控制基础》课程教学大纲

1、机械工程控制基础课程教学大纲一、课程基本信息课程代码：03160110课程名称：机械工程控制基础 课程英文名称： Mechanical Control Engineering 课程所属单位：机械系过程装备与控制工程教研室 课程面向专业：机械类专业课程类型：必修课、限选课先修课程：复变函数、积分变换，大学物理，电工学 学分：2.5（2） 总学时： 40 （其中理论学时：36 实验学时：4） 二、课程性质与目的本课程侧重原理，其内容密切结合工程实际，是一门专业基础课。它是控制论为理论基础，以机械工程系统为研究对象的广义系统动力学；同时，它又是一种方法论。学习本课程的目的在于使学生能以动力学的观点而

2、不是静态观点去看待一个机械工程系统；从整体的而不是分离的角度，从整个系统中的信息之传递、转换和反馈等角度来分析系统的动态行为；能结合工程实际，应用经典控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中的问题。这包括两个方面：对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题的本质和有效的解决方法；如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。三、课程教学内容与要求第一章 绪论1、教学内容与要求：（1）了解机械工程控制论的基本含义和研究对象；（2）掌握反馈的概念，了解正反馈和负反馈、外反馈和内反馈的概念；（3）掌握控制系统的

3、工作原理及其各组成部分的作用；学会绘制控制系统的方框图；（4）了解控制系统中的基本概念和常用名词术语；（5）掌握对控制系统的基本要求，了解控制系统的几种分类方法。2、教学重点：学会用系统论、信息论的观点分析广义系统的动态特性，理解信息反馈的含义及作用；掌握控制系统的工作原理、基本概念和组成；绘制控制系统方框图。3、教学难点： 广义系统中的信息反馈及控制系统方框图的绘制。第二章 系统的数学模型1、教学内容与要求：（1）了解数学模型的基本概念；运用动力学、电学及专业知识，列写机械系统、电网络的微分方程；（2）掌握拉氏变换的定义及其主要定理，能够用拉氏变换的方法求解线性微分方程；（3）掌握传递函数的

4、概念、特点及传递函数的零点、极点和放大系数的概念；（4）掌握典型环节的传递函数的基本形式及相关参数的物理意义；（5）了解传递函数方框图的组成及连接形式；能够根据系统微分方程绘制系统传递函数方框图，并简化方框图，求出系统传递函数；（6）掌握前向通道传递函数、开环传递函数和闭环传递函数的定义及求法；（7）掌握干扰作用下，系统的输出及传递函数的求法；（8）了解相似原理的概念。2、教学重点：（1）系统微分方程的列写；（2）传递函数的概念、特点及求法；典型环节的传递函数；（3）传递函数方框图的绘制及简化。3、教学难点： （1）系统微分方程的列写；（2）传递函数方框图的绘制及简化；第三章 时间响应分析1、

5、教学内容与要求：（1）了解系统时间响应的概念、组成及时间响应中常用的典型输入信号及其特点；（2）掌握一阶系统的定义和基本参数；掌握一阶系统时间响应曲线的基本形状及意义；（3）掌握二阶系统的定义和基本参数；掌握二阶系统单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系；（4）掌握二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系；（5）了解主导极点的定义及作用；（6）掌握系统误差的定义、系统误差与系统偏差的关系、误差与稳态误差的定义及计算；（7）了解单位脉冲响应函数与系统传递函数之间的关系。2、教学重点：（1）系统稳定性与特征根实部的关系；（2）一阶系统的定义和基本参数；一阶系统时

6、间响应曲线的基本形状及意义；（3）二阶系统的定义和基本参数；二阶系统单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系；（4）二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系；（5）系统误差的定义、系统误差与系统偏差的关系、误差与稳态误差的计算。3、教学难点：（1）二阶系统的定义和基本参数；二阶系统单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系；（2）二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系；（3）系统的输入、系统的结构和参数以及干扰对系统偏差的影响。第四章 频率特性分析1、教学内容与要求：（1）掌握频率特性的概念和表示方法、频率特性与传递函数及微分

7、方程之间的相互关系；（2）掌握频率特性的两种常用图示方法，熟悉典型环节的极坐标图和博德图的特点及其绘制；（3）掌握一般系统的极坐标图和博德图的特点及绘制；（4）了解最小相位系统的概念；（5）掌握用尼奎斯特稳定判据及对数尼奎斯特稳定判据判别系统的稳定性；（6）了解闭环频率特性与开环频率特性之间的关系；（7）掌握频域性能指标的定义及与系统性能的关系；2、教学重点：（1）频率特性的概念和表示方法；（2）频率特性的两种常用图示方法，典型环节的图示法的特点，一般系统的极坐标图和博德图的绘制；（3）频域性能指标。3、教学难点： （1）一般系统频率特性的极坐标图和博德图的绘制；（2）频域性能指标与时域性能指

8、标之间的关系。第五章 系统的稳定性1、教学内容与要求：（1）了解系统稳定性的定义、系统稳定的条件；（2）掌握Routh判据的必要条件和充要条件，学会应用Routh判据判断系统是否稳定，对于不稳定系统，能够指出系统包含不稳定特征根的个数；（3）掌握尼奎斯特判据和博德判据；（4）理解尼奎斯特图和博德图之间的关系；（5）理解系统相对稳定性的概念，会求相位裕量和幅值裕度，并能够在尼奎斯特图和博德图上加以表示。2、教学重点：（1）Routh判据、尼奎斯特判据和博德判据的应用；（2）系统相对稳定性；相位裕量和幅值裕度的求法及其在奎斯特图和博德图上的表示法。3、教学难点：尼奎斯特判据及其应用。第六章 系统的

9、性能指标与校正1、教学内容与要求：（1）了解系统时域性能指标、频域性能指标和综合性能指标的概念；了解频域性能指标和时域性能指标的关系；（2）了解统校正的基本概念；（3）掌握相位超前校正装置、相位滞后校正装置和相位滞后超前校正装置的模型、频率特性及有关量的概念、求法及意义；（4）掌握PID调节器的规律、特点及设计方法；（5）理解反馈校正的特点、功能及设计方法。2、教学重点：（1）相位超前校正装置、相位滞后校正装置和相位滞后超前校正装置的模型、频率特性及有关量的概念、求法及意义；（2）PID调节器的规律及特点及设计方法；（3）反馈校正的作用及设计方法。3、教学难点：能够运用各种校正方法设计校正装置

10、。附：实验教学内容与要求实验一：系统频率特性测量 （学时数：2 ）基本要求： 了解频率特性的基本概念掌握用系统的传递函数来求取频率特性的方法掌握伯德图的绘制熟悉TAP-2仪器的操作方法主要内容：在可能涉及到的频率范围内，测量出系统或元件在足够多的频率点上的幅值比和相位移，由这些实验测得的数据画出系统或元件的伯德图，并与用传递函数求取的该系统或元件的特性进行比较，从而以实验的角度来验证该系统或元件的频率特性。操作要点：1、频率特性实验时，必须采用合适的正弦信号发生器。对于时间常数比较大的系统，实验时所取的频率范围可为0.0011000Hz/s；正弦信号必须没有谐波和波形畸变。2、必须合理地选择正

11、弦信号的幅值，使系统工作在线性段上，要求在测试过程中对系统的输出波进行监测。3、用以测量系统输出的测量装置必须有足够的频宽，在其工作范围内应该具有接近平直的幅频特性。主要仪器设备：TAP-2仪器实验二：连续系统串联校正 （学时数 ：2 ）基本要求：1、掌握串联校正中的相位超前校正、滞后校正、滞后-超前校正的特点及设计方法；2、对于一个无源网络系统，根据未校正系统的特性会选择校正方式的种类。主要内容：针对不同未校正的无源网络系统，分别选择相位超前校正、滞后校正、滞后- 超前校正网络来进行无源校正装置的设计。操作要点：1、根据稳态精度的要求确定系统的开环放大系数，用这一放大系数绘制原系统的博德图2

12、、TAP-2仪器的实验台上有电阻电容等元器件，根据本实验的需要组成不同的校正装置，并计算其参数3、验算4、计算后并选择无源网络的元件值主要仪器设备：TAP-2仪器四、学时分配学时分配表序号教学内容（按章填写）学 时课堂讲授实验课习题课讨论课其它1绪论32系统的数学模型73时间响应分析64频率特性分析85系统的稳定性626系统的性能指标与校正62小计364比例9:1合计40实验学时分配表序号实验项目（或内容）名称实验学时实验类型每组实验人数说明验证性设计性综合性其它1系统频率特性测量252连续系统串联校正25小计4五、教学环节与教学要求：本课程采用多媒体形式进行教学，授课学时为36学时，实验4学

13、时；复习、做习题、写实验报告等课外学时为50学时以上。作业每四个学时布置一次作业，每次作业题量不少于4道题，教师对作业全批全改并作平时成绩记载。由于控制工程基础是机械工程专业的重要专业基础课之一，每章布置一定量的习题目的是为了学生在掌握控制理论的基础知识和基本概念的基础上，能结合机械工程系统，将控制理论应用于工程实际，解决实际问题；最终使机械工程控制论的理论和方法成为学生掌握分析问题和解决问题的有效手段之一。每次发作业的那节课，抽出一定的时间进行讨论和习题讲解；在课下也安排一定的时间进行解疑；复习课在课程结束之后安排两节课的时间进行全面复习。实验报告按统一格式，采用统一封面和报告纸,实验报告内容应包括：实验名称、目的、内容、原理、实验设备及仪表（名称、规格或型号） 、实验系统示意图、实验步骤、原始数据记录、数据处理、实验结果分析。六、课程考核办法：本课程设为闭卷考试。平时成绩评定办法为：包括作业和出勤率按百分制分别计成绩，各占比例：80%、20%。实验成绩评定办法为：包括预习报告、实验操作以及实验报告按百分制分别计成绩，各占比例：10%、40%、50%。总评成绩评定办法为：卷面成绩占总评成绩的60%；平时成绩占总评成