《运动控制系统》课程教学大纲（本科）

《运动控制系统》课程教学大纲注：课程类别是指公共基础课/学科基础课/专业课；课程性质是指必修/限选/任选。课程英文名MotionControlSystem课程代码01M0135学分2总学时32理论学时32实验/实践学时课程类别专业教育课课程性质必修先修课程《电子技术》、《电机原理与拖动》、《自动控制理论》、《现代控制理论》适用专业自动化及其相关专业开课学院机电工程学院执笔人审定人制定时间2020年11月一、课程地位与课程目标（一）课程地位随着电子、信息等高新技术的发展与进步，传统运动控制技术获得了改造、创新的可能和手段，自动化专业的学生除了深刻了解过程控制的原理和系统外，更需要具备运用电子技术（电力电子技术、微电子技术）、现代控制理论和技术实现运动控制系统高新技术改造的能力。《运动控制系统》是自动化专业的重要学专业课程，教学目的是培养学生利用所学控制原理知识、控制系统设计知识、电机原理与拖动知识、建模方法、机构运动分析等知识，分析和设计运动控制系统。通过课程学习，使学生理解运动控制系统的基本概念，掌握运动控制系统建模的方法，熟练掌握系统性能指标的分析计算方法，理解新型驱动器及智能控制算法在复杂运动控制系统中的应用。为今后实现控制工程中有关运动控制系统奠定基础。学生通过本课程的学习，可针对电机或气动、液压驱动的多自由度运动机构进行运动分析、动力学分析、位置控制系统设计、速度控制系统设计、伺服运动系统控制器设计等，并掌握典型的运动控制对象，如机器人，并理解在计量领域运动控制相关应用。（二）课程目标.介绍电机产业发展历史与现状，引导学生了解目前我国电机行业在国际上所处的地位,并通过自主潜心研发，达到了当前水准，牢固树立“四个自信”，激发爱国热情；.掌握组成运动系统的驱动、传动、传感、控制等组件的工作原理；.具有对多个自由度运动机构建立运动学、简化动力学模型、控制对象建模（传递函数、状态空间等）能力；.能够针对多个自由度机构协调运动控制任务，应用控制原理设计串级（位置、速度、电流三环）控制算法，并能进行稳定性分析，应用微控制器和电子、电路知识设计运动控制器；.能够将智能控制算法（滑模变结构）与工程实际常用控制算法PID进行比较和分析，掌握复杂运动控制系统改进方法。二、课程目标达成的途径与方法《运动控制理论》课程教学以课堂教学为主，结合自主学习、典型案例分析和作业练习。(1)课堂教学主要讲述典型机构、减速器、联轴器、连杆机构等；坐标系的建立，位置运动学、典型的动力学建模方法；位移、角度、速度、加速度传感器；电机驱动器、新型驱动器；被控对象建模、分析；PID控制算法、滑模变结构控制算法、智能控制算法；仿真基础；单电机的控制；PMSM伺服运动控制系统仿真分析；运动控制器硬件与软件；运动控制系统发展方向等，结合作业练习，使得学生掌握运动控制系统相关基本理论知识。(2)通过对典型对象：机器人、倒立摆、电机驱动的关节等案例分析，使学生获得对多自由度运动机构建模能力。(3)通过对PMSM电机的位置、速度、电流闭环控制算法设计过程分析、基于MATLAB的仿真方法演示及其控制器系统的讲解和案例分析，使得学生掌握综合应用所需原理知识、控制器、电路技术等，设计控制系统能力。(4)通过课堂提问、交流和大作业(电机驱动的单关节运动控制)讨论不同控制算法的优劣以及对具体复杂工程问题的适用性，使得学生获得比较、分析和改进设计的能力。三、课程目标与相关毕业要求的对应关系注：1.支撑强度分别填写H、M或L(其中H表示支撑程度高、M为中等、L为低);课程目标毕业要求(支撑程度H、M、L)2-33-14-3课程目标1H课程目标2L课程目标3M课程目标4H2.毕业要求须根据课程所在专业培养方案进行描述。四、课程主要内容与基本要求(1)运动控制系统基本概念理解运动的基本概念与分类；掌握运动控制系统的组成和分类；熟练掌握运动控制系统的特点；理解运动机构分析；掌握运动副的概念和描述方法。(2)运动形式与机构掌握常见的运动类型和运动机构；理解常见的传动机构；理解运动机构的串并联与开闭链。（3）运动的数学描述理解运动学基本术语；掌握运动的建模方法；熟练掌握坐标变换；理解动力学建模方法；掌握倒立摆建模与分析。（4）运动的感知掌握旋转变压器，光电传感器，脉冲编码器，光栅，同步器，磁尺，限位开关，电位计等工作原理；理解运动的避障感知；理解全局运动检测。（5）驱动器及其运动调节方式理解致动方式；熟练掌握伺服电机驱动器；理解液压、气压驱动简介；理解新型驱动器简介。（6）伺服电动机模型及控制策略熟练掌握电动机的稳态特性和控制方式；掌握旋转磁场理论；熟练掌握永磁同步伺服电动机工作原理；熟练掌握稳态性能分析方法；熟练掌握转速闭环直流调速系统；熟练掌握基本控制策略分析；熟练掌握矢量控制策略分析。（7）运动控制对象建模与控制算法设计熟练掌握运动控制对象建模；掌握常用伺服控制策略；熟练掌握PID控制算法剖析；熟练掌握滑模变结构控制基本原理；理解PMSM电机的控制系统设计与仿真。（8）运动控制系统软硬件掌握运动控制器硬件、软件分类；熟练掌握数控机床运动控制系统分析，数控程序简介；理解工业机器人控制器案例分析，编程语言简介。五、课程学时安排

备注：根据学生学情适当安排教学进度，并安排部分教学内容为自学内容，通过大作业来对

章节号教学内容学时数学生任务对应课程目标第一章第二章运动的基本概念与分类；运动控制系统的组成和分类；运动控制系统的特点；运动机构分析；运动副；常见的运动类型和运动机构；常见的传动机构；运动机构的串并联与开闭链2理解运动控制系统的完整概念，常用运动机构等，掌握运动控制系统的特点作业1.1、1.2、1.4、1.5、2.1、2.2、2.3课程目标1第三章运动学基本术语；运动建模；坐标变换；动力学建模方法；倒立摆案例分析6理解运动的描述方法，掌握坐标变换基本原理作业3.1、3.3、3.8课程目标2第四章常用的运动测量传感器：旋转变压器，光电传感器；脉冲编码器，光栅，同步器，磁尺，限位开关，电位计等;运动的避障感知；全局运动检测4理解全局运动和运动避障所需传感器，掌握常用的运动检测传感器作业4.3>4.5>4.6、4.9、4.12或4.13、4.14或4.15课程目标1第五章致动方式；伺服电机驱动器；液压、气压驱动简介；新型驱动器简介2理解致动原理，掌握电动机基本原理作业5.1、5.4、5.6、5.10课程目标1弟八早伺服电动机模型及控制策略：电动机的稳态特性和控制方式；旋转磁场理论；调速系统性能指标，转速闭环直流调速系统；永磁同步伺服电动机工作原理，数学模型，稳态性能，控制策略等;矢量控制策略分析6熟练掌握电动机模型及其控制测量、旋转磁场理论，掌握永磁同步电机模型及其控制策略分析方法作业6.1、6・2、6.7、6・14、6.21、6.22>6.23课程目标1课程目标3第七章运动控制对象建模；常用伺服控制策略；PID控制算法剖析；滑模变结构控制基本原理；PMSM电机的控制系统设计与仿真8熟练掌握电动机运动PID控制算法，掌握滑模变结构控制原理作业7.2、7.3、7.4、7.9、7.10、7.11、7.13、7.14、7.15课程目标3课程目标4第八章运动控制器硬件、软件；数控机床运动控制系统分析；插值原理及其应用；数控程序编程；工业机器人控制器案例分析，编程语言简介4掌握运动控制器软硬件组成，熟练掌握数控原理，理解工业机器人运动控制方法作业8.1、8.3、8.4、8.5、8.7、8.9课程目标3课程目标4学生自学情况进行考核。六、实践环节及基本要求无课内实践环节，对应本课程有《运动控制装置课程设计》。七、考核方法及成绩评定表1考核方式及成绩评定表考核内容考核方式评定标准（依据）占总成绩比例过程考核大作业运动控制系统设计相关的文献检索、资料查询及运用MATLAB进行计算仿真和绘图相关报告评分标准10%作业作业参考答案和评分标准10%课堂表现以学生到课情况、课堂互动表现、随堂测试成绩等为依据10%期末考核闭卷试卷参考答案和评分标准70%考核类别考试成绩登记方式百分制表2课程目标考核环节和达成标准课程目标教学环节考核环节合格标准课程目标1讲授平时作业成绩A0.6期末考试成绩Cl0.7Cl0.1A目物'达度—X+X0.8Cl00.8Xo课程目标2讲授平时作业成绩A0.6期末考试成绩C2口……心°・7C20.1A目标达成度-O,8Xc20+o.8，课程目标3讲授平时作业成绩A0.6大作业B期末考试成绩C3…一、……0,7C30.1A0.1B目达—X+X+X0.9C300.94。0.9B0课程目标4讲授、讨论平时作业成绩A0.6课堂表现成绩D期末考试成绩C4…一、0.7C40.1A0.1D目标达成度一ccX+nnX+nnX0.9