《机械控制工程基础 第2版》-王洁 教学大纲

《控制工程基础》课程教学大纲课程编号：01066课程名称：控制工程基础英文名称：FundamentalsofControlEngineering课程类型：专业课课程要求：必修学时/学分：48/3（讲课学时：44，实验学时：4上机学时：0）开课学期：4适用专业：机械设计制造及其自动化、车辆工程授课语言：中文课程网站：/course/241384392.html一、课程性质与任务控制工程基础是机械设计制造及其自动化和车辆工程的学科基础课，本课程以线性控制系统为研究对象，从时域和频域两个方面系统地介绍了控制理论的基本原理及其在机械工程自动控制系统中的应用。主要内容包括：自动控制系统的基本概念；控制系统在时域和频域中的数学模型建立；单输入单输岀线性系统的稳定性和稳态误差；线性控制系统的时域分析法、频域分析法及系统设计校正方法等内容。通过本课程的学习，使学生掌握系统动态特性数学模型的建立和研究方法，并学会应用这些研究方法对已知系统的稳定性、快速性和准确性问题进行分析，以及进行控制系统的设计。同时培养学生掌握科学的方法论，提高学生分析问题、解决问题的能力，为后续课程、从事工程技术工作、进行科学研究和开拓新的领域，打下坚实的基础。二、课程与其他课程的联系控制工程基础的先修课程包括：高等数学、大学物理、理论力学、电子技术基础、机械原理和机械设计等课程，这些基础知识为控制系统模型的建立、时域及频域性能分析打下良好的基础。后续课程包括：传感器与测试技术、流体力学与液压传动、机电传动与控制技术、机电液一体化系统设计、智能设备模块化控制技术。本门课程的学习，为这些后续课程中与控制系统分析和设计相关的内容做好知识储备。三、课程教学目标1．了解建立控制系统数学模型的基本原理和方法，了解控制系统的时域、频域分析的基本概念，了解控制系统的稳定性和对控制系统进行校正的基本概念和方法。（支撑毕业要求指标点4.1）2．了解控制系统的Matlab分析方法，能查阅文献资料了解工程问题的研究现状和发展趋势，具有利用现代工具分析复杂机械工程问题及影响因素的基本能力。（支撑毕业要求指标点2.4）3．掌握控制系统综合与校正的方法，具有利用该方法分析、设计机械系统并改善系统性能的能力，了解机械工程领域中自动控制问题的解决方法及改善自动控制系统动态特性的措施。（支撑毕业要求指标点1.4）4.掌握控制系统数学模型的建立方法，掌握控制系统时频分析和频域分析的方法，掌握控制系统误差分析的基本方法，掌握控制系统稳定性的判定方法，具有利用数学模型对复杂机械工程系统进行性能预测及模拟的能力，并理解该方法仅适用于线性系统这一局限性。通过实验和控制系统的Matlab仿真，掌握利用现代工具预测模拟复杂机械工程问题的方法和手段。（支撑毕业要求指标点5.3）四、教学内容、基本要求与学时分配序号教学内容教学要求学时教学方式对应教学目标思政元素融入点1一、绪论1.机械工程的发展与控制理论的应用2.机械工程自动控制系统的基本结构及工作原理3.机械自动控制系统的分类4.自动控制系统的基本要求1.掌握控制系统的工作原理、基本组成、基本要求和分类2.了解控制工程基础的主要任务与研究内容3.了解控制理论的发展历程、未来趋势与应用2讲授1介绍奠定控制理论学科的著名科学家及其生平（重点钱学森）2拉普拉斯变换的数学方法1.复数和复变函数2.典型时间函数的拉氏变换3.拉氏反变换4.拉氏变换在工程中的应用1.了解拉普拉斯变换的定义2.了解拉普拉斯变换的性质3.掌握典型函数的拉斯变换4.掌握拉普拉斯反变换5.了解拉普拉斯变换在控制系统分析中的应用4讲授1介绍拉普拉斯的生平事迹3三、控制系统的数学模型1.系统微分方程的建立2.非线性数学模型的线性化3.传递函数4.系统方框图和简化1.了解系统数学模型的定义2.掌握机械工程系统微分方程建立及线性化的方法3.掌握传递函数的有关定义和典型环节的传递函数4.掌握传递函数的简化方法6讲授讨论1经典控制理论和现代控制理论建模方法介绍4四、控制系统的时域分析法1.典型输入信号2.一阶系统的时间响应3.二阶系统的时间响应1.了解时间响应的定义和典型输入信号2.掌握一阶和二阶系统时间响应的分析方法3.掌握二阶系统的性能指标及其与系统动态性能关系4.了解高阶系统的时间响应4讲授讨论25五、控制系统的误差分析和计算1.系统稳态误差的基本概念2.系统稳态误差的计算3.减小稳态误差的途径1.了解控制系统稳态误差的基本概念2.掌握系统稳态误差的计算方法2讲授讨论26六、控制系统的频域分析法1.频率特性概述2.典型环节频率特性的Nyquist图3.系统Nyquist图的画法4.典型环节频率特性的Bode图5.频域性能指标6.最小相位系统1.了解系统频率特性的概念、求法及特点2.掌握根据控制系统数学模型绘制系统Nyquist图和Bode图、的方法。3.了解频域性能指标与系统动态性能关系8讲授讨论2摩天大楼防风抗震的秘密武器——阻尼器6七、控制系统的稳定1.系统稳定性的基本概念及稳定条件2.代数稳定性判据3.几何稳定性判据4.系统的相对稳定性1.了解稳定性的基本概念和系稳定的充分必要条件2.掌握控制系统的Routh判据、Nyquist判据、Bode判据3.掌握系统的相对稳定性等判断系统稳定的方法6讲授讨论2谢绪恺与稳定性判据介绍7控制系统的根轨迹分析1.根轨迹概述2.根轨迹的绘制方法3.利用根轨迹法进行系统性能分析1.掌握系统的相对稳定性的定义及相位裕度、幅值裕度的求法2.重点掌握频率特性的根轨迹作图规则。4讲授讨论18实验1：一级倒立摆控制实通过一级倒立摆实验，掌握控制系统的时域、频域性能的分析方法2实验49九、控制系统的综合与校正1.概述2.系统的性能指标3.系统闭环零点、极点的分布与系统性能的关系4.并联校正5.串联校正6.控制器类型7.按希望特性设计控制器1.了解系统分析和校正的初步知识2.了解系统闭环零点、极点的分布与系统性能的关系3.掌握系统并联、串联及PID校正的基本方法6讲授讨论310十、控制系统的MATLAB分析1.控制系统数学模型的MATLAB2.时间响应的MATLAB分析3.频率响应的MATLAB分析4.稳定性MATLAB分析5.根轨迹MATLAB分析6.系统校正MATLAB分析1.了解MATLAB分析控制系统特性及系统设计的基本命令2.了解利用MATLAB对控制系统分析与设计的基本方法2讲授讨论411实验2：平衡小球控制实验通过平衡小球实验，掌握控制系统的时域、频域性能的分析方法2实验4课程思政元素案例解析：1.介绍奠定控制理论学科的著名科学家及其生平（重点钱学森）介绍奠定控制理论学科的著名科学家及其生平事迹，重点介绍钱学森及其所完成的著作《工程控制论》。维纳1948年提出的控制论，更多地是哲学和数学的，而钱学森把工程控制论变成了一门真正具有可实践性的学科。激发学生树立学习科学技术、报效祖国理想信念。2.介绍拉普拉斯的生平事迹皮埃尔-西蒙·拉普拉斯，法国数学家、天文学家，法国科学院院士。拉普拉斯在研究天体问题的过程中，创造和发展了许多数学的方法，以他的名字命名的拉普拉斯变换、拉普拉斯定理和拉普拉斯方程，在科学技术的各个领域有着广泛的应用。培养学生对科学家的敬仰崇敬之情，进而愿意投身到科学研究工作和事业中去。3.经典控制理论和现代控制理论建模方法介绍按照发展过程，自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论，本课程主要学习经典控制理论。现代控制理论是在20世纪50年代中期在空间技术推动下发展起来的，1954年美国学者R.贝尔曼于创立了\t"/item/%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%90%86%E8%AE%BA/_blank"动态规划，并在1956年应用于控制过程，研究成果解决了空间技术中出现的复杂控制问题，并开拓了\t"/item/%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%90%86%E8%AE%BA/_blank"最优控制理论这一新领域。拓展学生对诸如把\t"/item/%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%90%86%E8%AE%BA/_blank"宇宙火箭和\t"/item/%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%90%86%E8%AE%BA/_blank"人造卫星用最少燃料或最短时间准确发射到预定轨道一类复杂控制问题解决方法的了解认知。4.摩天大楼防风抗震的秘密武器——阻尼器基于控制理论频率特性分析知识，讨论摩天大楼防风抗震的秘密武器—阻尼器的工作原理，这个案例应用经典控制理论第五章频率响应可以给出理论分析。质量调谐阻尼器涉及到的一个核心问题就是设计一个控制系统，当检测到楼房震动时，做出控制决策，控制大摆锤摆动产生同频率反作用力，使得二者偏差趋于零或者有界。这是解决社会实际问题时我们控制系统的一个典型应用。首先，能够针对社会热点问题，科学冷静的分析问题本因，不盲从、盲信，在条缕分析现象本质后，自然而然培养了学生的科学精神和文化自信。其次，通过案例讲解，对我国建筑技术的发展和在世界上的地位有了更精准的认识，弘扬社会主义核心价值观，传播爱国、爱党、积极向上的主流价值观精神。培养学生创新和工匠精神及使命担当。5.谢绪恺与稳定性判据介绍在自动控制领域，控制系统的稳定性研究是一个绕不开的课题。“就好像人走路不稳就会摔跤，稳定性是系统能够工作的首要条件。”谢绪恺说，“我尝试用一个代数判据来描述系统的稳定性，分别给出稳定性的充分条件和必要条件，这样的判据比经典判据计算量要小得多，使用起来更方便，实用价值更大。”1957年，经过大胆假设、缜密论证，谢绪恺打破常规，给出了线性控制系统稳定性的新代数判据。此时，他刚刚32岁。复旦大学1959年出版的《一般力学》中，将这个成果命名为“谢绪恺判据”，清华大学教授吴麒、王诗宓主编的教材《自动控制原理》将“谢绪恺-聂义勇判据”与世界公认的两大判据——“劳斯判据”和“赫尔维茨判据”并列，将原有的两大判据变成三大判据，国际控制学界第一次出现了以中国人名字命名的研究成果。2015年，90岁高龄的谢绪恺深感现行高等数学教材内容偏重演绎推理，学生学习起来倍觉吃力，于是决定写一本通俗易懂、深入浅出的高等数学参考书，力争用通俗易懂的语言，使高等数学学习同实际工程问题和日常生活知识相结合，让学生在喜闻乐见中读懂深奥的数学原理。三十而立，你的名字载入史册；耄耋之年，依旧笔耕不辍。五、其他教学环节实验：（4学时）（1）倒立摆实验：要求通过倒立摆实验，掌握建立常见机电系统频域描述模型的基本方法，会对所建立的系统进行时域与频域分析。（2）小球平衡实验：要求通过小球平衡实验，掌握建立常见机电系统频域描述模型的基本方法，掌握对所建立的控制系统进行性能校正的方法，改善其动态特性性能指标。大作业：（课后）布置利用Matlab仿真软件完成的针对特定控制系统进行分析和设计的课后作业，掌握利用Matlab科学计算软件进行控制系统建模、求解、校正的方法和手段。六、教学方法本门课程的特点是：应用数学知识较多、理论性较强、知识点抽象。针对该特点，本课程采用课堂理论教学为主，结合案例教学、课后作业、课程实验、自学等教学手段和形式完成课程的教学任务。教学中采用线上线下相结合、课堂讨论、启发式教学、案例教学等方法，将本课程的理论性、实践性及应用性有机结合。线上线下相结合：通过超星学习通建立了本门课程的网络学习平台，针对每节课的学习内容，配套了相应的习题。在完成理论讲授任务的前提下，利用平台中的在线习题，通过随堂测试、课下测试等手段，巩固理论学习内容，引导学生自觉、及时掌握学习效果，将线下教学和线上教学进行有机结合。课堂讨论法：在课堂教学中，通过讲授、提问、习题讲解和讨论等教学方法和手段让学生理解控制系统的基本概念、基本原理和基本方法，突出本课程理论学习的目的、意义和必要性。启发式教学法：通过课堂教学中讲解和演示工程实例、课后作业和实验课等教学环节，使学生将控制理论与机械工程中的实际问题联系起来，培养学生发现问题与解决问题的能力、自主学习能力、信息获取和整理的能力、实验数据分析能力，激发学生的创新思维。案例教学法：将“工作台位置自动控制系统”这一工程实例，从基本结构分析，到系统建模、时域分析、频域分析、稳定性分析，直到系统设计的全过程贯穿于整个课程的教学过程中，使学生具备利用基本控制理论分析和解决机电控制工程中实际技术问题的能力，掌握控制理论在工程实际问题中的分析方法与应用。七、考核及成绩评定考核内容、方式及评分依据考查教学目标达成成绩占比课堂测试1.网上测试，并在测试后发布测试题讲解视频2.考查平时授课的掌握情况3.根据信息化教学平台记录结果（是否完成及完成情况）评分。1、2、330%60分课内实验1.考核学生针对特定的机电系统、利用拉普拉斯变换等数学手段，建立系统模型，及对系统模型进行时域分析和频域分析的手段和方法的掌握程度，考核学生对复杂机械工程系统进行预测及模拟方法的掌握程度。2.本课程共安排两次课内实验