《机械控制工程A》教学大纲

《机械控制工程A》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：01140441课程性质：专业必修课学分：2学分学时：32学时（其中：理论26学时，实验6学时）先修课程：复变函数与积分变换、理论力学、电工与电子技术、机械原理、机械设计等后续课程：机械创新综合能力训练、机电传动控制与PLC等适用专业：机械设计制造及其自动化开课单位：机械工程学院 一、课程说明本课程是机械设计制造及其自动化专业本科学生的专业必修课。课程主要是讲授建立机械控制系统数学模型、控制系统分析方法、控制系统稳定性以及系统综合与校正的基本理论。通过本课程的学习，使学生能以动态（即动力学）的观点去看待一个机械工程系统；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。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：掌握机械控制系统的基本概念和基本理论，能够用于提出和分析机械工程中的复杂控制问题，培养学生理性思维和用于探究的科学精神。课程目标2：能运用机械控制原理，求取机械工程控制系统的时间响应、频率特性、误差和偏差，分别运用劳斯判据、Nyquist判据等判据判断系统的稳定性，对控制系统进行动态和稳态分析，时域和频域分析，培养学生积极进取、勇于创新的时代精神和服务社会的意识。课程目标3：通过实验手段获取数据，分析机械工程控制系统的性能，对不满足控制要求的系统，提出相应的改进措施，通过参数优化，从而改善系统，培养学生严谨的工作作风和社会责任感。三、课程目标与毕业要求《机械控制工程》课程教学目标对机械设计制造及其自动化专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识1.3掌握专业基础知识，能够将机械工程领域的相关知识和数学模型用于推演和分析，并将该能力用于解决机械工程中的复杂问题。课程目标1：掌握机械控制系统的基本概念和基本理论，能够用于提出和分析机械工程中的复杂控制问题，培养学生理性思维和用于探究的科学精神。H2.问题分析2.1能够应用工程科学的基本原理，识別和判断复杂机械工程问题的关键环节和参数。课程目标2：能运用机械控制原理，求取机械工程控制系统的时间响应、频率特性、误差和偏差，分别运用劳斯判据、Nyquist判据等判据判断系统的稳定性，对控制系统进行动态和稳态分析，时域和频域分析，培养学生积极进取、勇于创新的时代精神和服务社会的意识。M4.研究4.2能够基于科学原理并采用科学方法对具体机械工程中的复杂工程问题设计实验，并对实验数据进行采集、分析与处理。课程目标3：通过实验手段获取数据，分析机械工程控制系统的性能，对不满足控制要求的系统，提出相应的改进措施，通过参数优化，从而改善系统，培养学生严谨的工作作风和社会责任感。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验对应的课程目标1.控制系统的研究内容和基本原理1.1机械工程控制论的研究对象与任务1.2系统及其模型1.3反馈1.4系统的分类及对控制系统的基本要求1.5机械制造的发展与控制理论的应用1.6控制理论发展的简单回顾教学要求：（1）了解本课程的研究对象、任务以及学习本课程的目的和意义；（2）熟悉关于“系统”、“信息传递”和“反馈”及“反馈控制”等基本概念；（3）掌握常见机械控制系统的工作原理以及控制系统性能的基本要求。重点：控制系统的基本工作原理、控制系统性能的基本要求。难点：控制系统的基本工作原理。212.控制系统的数学模型2.1系统的微分方程建立2.2系统的传递函数2.3系统传递函数方框图及其简化2.4考虑扰动的反馈控制系统的传递函数2.5相似原理教学要求：（1）了解数学模型的基本概念;能够运用动力学电学及机械专业知识,列写机械系统电网络的微分方程；（2）掌握传递函数的概念、特点，能够求传递函数的零点极点及放大系数；（3）能够用分析法求系统的传递函数；（4）掌握各个典型环节的特点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意义，能够根据系统微分方程绘制系统传递函数方框图，并实现简化，从而求出系统传递函数；（6）掌握闭环系统中前向通道传递函数、开环传递函数、闭环传递函数的定义及求法，掌握干扰作用下，系统的输出及传递函数的求法和特点；（7）了解相似原理的概念。重点：系统微分方的列写，传递函数的概念、特点及求法，，典型环节的传递函数，传递函数方框图的绘制及简化。难点：系统微分方的列写，传递函数方框图的绘制及简化。61、23.系统的时间响应分析3.1时间响应及其组成3.2典型输入信号3.3一阶系统3.4二阶系统3.5系统误差分析与计算教学要求：（1）了解时间响应的基本概念以及典型输入信号；（2）熟悉典型输入信号下系统的一、二阶响应；（3）掌握二阶系统响应的性能指标，系统的类型及各型系统的位置、速度、加速度误差。重点：一阶系统的时间响应、二阶系统的时间响应、瞬态响应的性能指标。难点：二阶系统的时间响应、控制系统的误差分析与计算。421、34.系统的频率特性分析4.1频率特性概述4.2频率特性的图示方法4.3频率特性特征量4.4最小相位系统与非最小相位系统教学要求：（1）掌握频率特性的定义和代数表示法以及与传递函数、单位脉冲响应函数和微分方程之间的相互关系，掌握频率特性和频率响应的求法，掌握动刚度与动柔度的概念；（2）掌握频率特性的Nyquist图和Bode图的组成原理及其物理意义，熟悉典型环节的Nyquist图和Bode图的特点及其绘制，握一般系统的Nyquist图和Bode图的特点和绘制；（3）掌握频域中性能指标的定义和求法了解频域性能指标与系统性能的关系；（4）了解最小相位系统和非最小相位系统的概念。重点：幅相频率特性曲线和对数幅相频特性曲线的画法、频域性能指标。难点：频率特性的图示法。621、35.系统的稳定性5.1系统稳定性的初步概念5.2Routh稳定判据5.3Nyquist稳定判据5.4Bode稳定判据教学要求：（1）掌握系统稳定性的定义和条件；（2）掌握Routh判据的必要条件和充分条件,学会应用Routh判据判定系统是否稳定，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Nyquist判据；（4）理解Nyquist图和Bode图之间的关系；（5）掌握Bode判据；（6）理解系统相对稳定性的概念，会求相位度和幅值度并能够在Nyquist图和Bode图上加以表示。重点：Routh判据、Nyquist判据和Bode判据的应用，系统相对稳定性，相位度和值裕度的求法及其在Nyquist图和Bode图上的表示。难点：Nyquist判据和Bode判据及其应用。41、36.系统的性能指标与校正6.1系统的性能指标6.2系统的校正6.3PID校正教学要求：（1）了解系统的性能指标，校正的一般概念以及常用的校正方法与分类；（2）熟悉PID调节器的基本特性以及顺馈校正与反馈校正的基本特性；（3）掌握相位超前校正、相位滞后校正、相位超前—滞后校正的基本特性及其频域设计方法。重点：相位超前校正、相位滞后校正以及相位滞后—超前校正的基本特性及其频域设计方法，PID调节器的基本特性与设计方法。难点：PID调节器的工程设计方法。421合计2662.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.典型信号输入激励下单轴/双轴时间响应实验实验内容：在二维工作台用实验方法记录二阶系统的性能指标。实验要求：理解上升时间、峰值时间、最大超调量、调整时间和最大超调量的含义。能够通过给出的时间响应曲线和性能参数分析系统的性能。212.典型信号输入激励下频率特性实验实验内容：在二维工作台完成单轴频率响应特性测试。实验要求：理解频率特性的概念，掌握系统频率特性的测试原理及方法；掌握频率特性的Nyquist图和Bode图的组成原理及绘制；能够根据给出的传递函数运用MATLAB求出幅相频特性和对数频率特性；了解典型信号输入下单轴的频率响应特性。21、23.球杆系统的数学建模与PID控制实验内容：建立球杆系统数学模型，增加PID控制环节，优化控制参数，实现球杆系统稳定控制。实验要求：掌握实际物理系统模型的建模及Simulink仿真分析方法，了解球杆系统在实际中的PID控制过程。21、2、3合计6五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，结合讨论、案例、视频资源共享、实验等教学手段完成课程教学任务和相关能力的培养。讲授环节主要采用教师讲解、演示、互动的教学形式。教师讲解知识点、仿真模拟演示，使学生对知识点形成直观印象，并通过课堂教学双方互相提问，与学生互动，鼓励学生在课堂上发表自己的见解，加深对知识点的理解，达到课程目标。在实验教学环节中，借助Matlab软件、二维工作台、球杆实验设备等机电综合控制设备，通过启发式教学、讨论式教学培养学生机械工程控制领域的基本理论、基本知识和基本应用。培养学生自主学习能力、实际动手能力，激发学生的创新思维。六、课程资源1.推荐教材：（1）杨叔子.机械控制工程基础[M].武汉:华中科技大学出版社,2023.2.参考书：（1）徐小力.机械控制工程基础[M].北京:机械工业出版社,2020.（2）王洁.机械控制工程基础[M].北京:机械工业出版社,2018.（3）罗忠.现代机械控制工程[M].北京:科学出版社,2022.（4）卢伯英.现代控制工程[M].北京:电子工业出版社,2022.（5）王朝晖.机械控制工程基础[M].西安：西安交通大学出版社，2022.3.期刊：（1）《动力学与控制学报》,中国力学学会.（2）《计算机测量与控制》,中国计算机自动测量与控制技术协会.（3）《控制理论与应用》,华南理工大学；中国科学院系统科学研究所.（4）《电机与控制学报》,哈尔滨理工大学.（5）《IEEETransactionsonAutomaticControl》,IEEE控制系统学会.4.网络资源：（1）罗忠.机械工程控制基础[DB/OL].2017.中国大学MOOC./course/NEU-1001812007.（2）吴波.机械工程控制基础[DB/OL].2019./video/av40710294/.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课程表现16（1）根据课堂回答问题和随堂练习情况进行考核，满分100分。（2）以课堂表现成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√844作业16（1）主要考核学生对各知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩乘以权重占比得到成绩之和作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√844实验18（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分。（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√4410期末考核50（1）卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核系统的数学模型、系统的时间响应分析、系统的频率特性分析、系统的稳定性等内容。（3）考试题型：选择题、填空题、简答题和计算分析题等。√√√251510合计：100分452728八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、实验、作业、期末考试等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末试卷成绩和过程性评价成绩组成。其中：期末试卷成绩为100分（权重50%），试题类型为选择题、填空题、简答题、分析计算题等类型，试卷中基本知识、基本理论、基本技能的试题分值不超过50%，综合应用题、分析题不低于50%；课堂表现、实验、作业等过程性评价成绩为100分（权重50%）；过程性评价和考试试题分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100＞x≥9090＞x≥8080＞x≥7070＞x≥60x＜60课堂表现32参与教学平台随堂发布的各项教学活动，平台统计分数≥90分。参与教学平台随堂发布的各项教学活动，平台统计分数≥80分。参与教学平台随堂发布的各项教学活动，平台统计分数≥70分。偶尔参与教学平台随堂发布的各项教学活动，平台统计分数≥60分。较少参与教学平台随堂发布的各项教学活动，平台统计分数＜60分。作业32每次作业成绩依据作业答案来评价，再乘以权重占比，得到成绩之和≥90分。每次作业成绩依据作业答案来评价，再乘以权重占比，得到成绩之和≥80分。每次作业成绩依据作业答案来评价，再乘以权重占比，得到成绩之和≥70分。每次作业成绩依据作业答案来评价，再