《运动控制技术》教学大纲

《运动控制技术》教学大纲课程编号：13220313英文名称：MotionControlTechnology学分：3学时：总学时56学时，其中理论40学时，实践16学时先修课程：电机与电力拖动基础、自动控制原理、电力电子技术、传感器与检测技术等课程类别：专业主干课程授课对象：自动化专业学生教学单位：机械与电气工程学院修读学期：第5学期一、课程描述和目标本课程是为自动化类专业的三年级学生开设的专业必修课。通过本课程的学习，学生具备对运动控制系统进行分析、设计、实验的基本能力，为专业课的学习和自动化专业实践提供必要的理论基础。学生具备对运动控制系统进行分析与设计的综合能力。本课程拟达到的课程目标:课程目标1：能针对直流或者交流电机具体的对象，运用自动控制原理学过的拉氏变换等知识，建立VM或PWM等系统的数学模型，调速范围D和静差率s等关键指标论证和预测；课程目标2：能够将时域分析和频域分析等相关知识和方法，用于推演、分析交直流控制系统的动态性能、稳定性指标，设计实验验证解决方案；课程目标3：能够运用建立机电系统的稳态和动态模型，对其进行稳定性分析和动态矫正；运用MatLab等工具进行调节器进行系统仿真和验证；二、课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求指标点课程目标支撑强度2.2能基于电路、控制等相关科学原理和数学模型方法正确表达自动化相关领域的复杂工程问题。课程目标1H4.1能够基于科学原理，通过文献研究或专业调研等相关方法，调研和分析自动化相关领域复杂工程问题的实验设计思路及解决方案。课程目标2L5.2能够选择与使用恰当的仪器、信息资源、工程工具和专业模拟软件，对自动化相关领域的复杂工程问题进行分析、计算与设计。课程目标3H三、教学内容、基本要求与学时分配1．理论教学内容序号教学内容基本要求及重、难点（含德育要求）学时教学方式对应课程目标1结合案例，讲授运动控制技术的学习目标、学习方法、以及课程的教学形式、计划、考核要求；学习运动控制系统的定义、应用范围和发展趋势。复习直流电动机的原理，讨论他励直流电动机的改变电枢电阻调速、调压降速和弱磁升速的原理；对比这三种方法的优缺点和应用场合。基本要求：运动控制技术及其应用领域；掌握运动控制系统及其组成；掌握运动控制系统的转矩控制规律。重点难点：掌握直流电动机的固有机械特性曲线；能根据应用场合选择直流电动机的调速方式。德育要求：社会责任2集中讲授12复习VM系统的结构图；讨论基于VM直流供电系统的调速原理；讲述电流的连续和断续的机械特性、抑制电流断续的措施；讨论建立VM系统的数学模型。复习PWM电路工作原理，讲述和讨论无制动不可逆、有制动不可逆和可逆PWM系统的结构图、调压调速原理、电流回路分析、系统的数学模型、PWM调速系统的问题和解决方法。基本要求：掌握VM和PWM系统直流调速的公式，元器件参数选型，电路设计参数的选择和传函建模。重点要求：无制动不可逆、有制动不可逆和可逆PWM系统的结构图、调压调速原理、电流回路分析。德育要求：社会责任8集中讲授13讲述和讨论调速系统的调速、稳速和加减速定性描述；在定性基础上，提出调速范围（D）和静差率s的关系。讲述和讨论为什么需要转速反馈。转速反馈系统的结构和静特性方程的推导、开环和闭环系统的机械特性对比。讲述和讨论为什么需要无静差调速系统。讲述和讨论积分调节器的控制规律。积分调节器和比例调节器的特性对比。基本要求：掌握调速系统的定量和定性描述；能推导D和s的关系式；能基于D和s进行计算。理解设计转速反馈的原因；重点要求：建立系统的各个部分传递函数、系统开环和闭环传函的推导；能理解转速闭环的基本特征。理解和分析抗干扰性能能力分析。理解设计无静差调速系统的原因、掌握积分和比例调节器电路的参数设计。掌握比例和积分调机器的动态调整过程德育要求：社会责任10集中讲授14讲述和讨论转速检测的方法。讲述转速检测的误差、精度。讲述和讨论基于光栅编码器的M法、T法和M/T法三种转速检测的应用场合和性能对比。基本要求：理解为什么转速检测通常采用光栅编码器。重点要求：掌握转速检测的性能指标。对比M法、T法和M/T法的性能和应用场景。德育要求：社会责任2集中讲授25讲述和讨论为什么需要双闭环直流调速系统？双闭环直流调速系统结构设计、调节器的设计。双闭环直流调速系统的数学模型和动态分析。双闭环直流调速系统的抗干扰性能分析。转速、电流控制器的典型系统校正和调节器设计。基本要求：掌握转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析。重点要求：控制系统的动态性能指标和调速系统中调节器的工程设计方法。德育要求：社会责任10集中讲授2,36复习交流异步电动机的原理。讲述和讨论交流异步电动机机械特性建模和转速控制分析。交流调压调速的结构和原理、与直流调压调速系统的对比。交流调压调频（VVVF）的原理和特性曲线。德育要求：社会责任掌握交流异步电动机调速时转差功率变化规律和处理方法，交流异步电动机稳态模型和调速方法；重点要求：掌握异步电动机变压变频调速基本原理及机械特性。德育要求：社会责任4集中讲授37学习基于Matlab的系统仿真设计，并进行总复习。重点要求：掌握综合项目分析与设计4集中讲授3合计402．实验教学内容序号实验项目实验内容与要求学时类型对应课程目标1转速开环VM调压调速系统实验掌握VM系统调速原理，分析数据。要求：必修。4验证课程目标12转速闭环不可逆直流调速系统实验掌握转速闭环调速的建模和数据分析。要求：必修。4设计课程目标13双闭环不可逆直流调速系统实验掌握双闭环直流调速系统建模和数据分析。要求：必修。4综合课程目标14正弦波脉宽调制SPWM变频调速系统实验掌握调压调频的曲线和低压补偿方法。要求：必修。4验证课程目标1合计16注：实验要求包括必修、选修；实验类型包括演示、验证、综合、设计等。四、课程教学方法（1）理论学习以集中授课的形式为主，讨论为辅；（2）综合项目设计以小组形式，课外分散完成集中评价。五、学业评价和课程考核（一）考核方式及具体要求1.课程成绩构成与要求课程考核注重形成性和终结性评价相结合，考核内容主要由平时作业、课程实验、线上测试、综合项目设计、期末考核组成，均按百分制计分，其中期末考核成绩占50%、平时作业成绩占5%、课程实验成绩占20%、随堂测试10%、综合项目设计成绩占15%。2.课程目标达成考核与评价序号考核方式课程目标1（分值）课程目标2（分值）课程目标3（分值）合计1平时作业50052课程实验01010203随堂测试1000104综合设计0015155期末考试15201550课程目标对应分值303040100注：(1)考勤不加分，但旷课1次扣平时分1分，扣满5分为止；(2)期末总成绩不能低于50分；低于50分者，其总评成绩为不及格。（二）考核与评价标准1.平时成绩考核与评价标准等级观测点优（100-90分）良（89-80分）中（79-70分）及格（69-60分）不及格（≤59分）作业按时完成，学习态度很认真，计算正确，解答答案正确或合理，字迹工整，完成质量高。按时完成，学习态度认真，计算基本正确，解答答案基本正确或合理，字迹工整，完成质量较高。按时完成，学习态度较认真，计算有错误，解答答案大部分正确或合理，字迹比较工整，完成质量一般。延时完成，学习态度一般，计算、解答答案错误较多，字迹基本工整，完成质量尚可。延时完成，学习态度很不认真，计算、解答答案错误较多或者不答，字迹潦草，完成质量差，或有抄袭行为。2.实验考核与评价标准分值观测点90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分实验态度20%能按时出勤、全程认真听老师讲解实验原理、并提出问题。能按时出勤、全程认真听老师讲解实验原理。迟到5分钟以内、基本能认真听老师讲解。迟到5分钟以内、老师讲解过程偶尔有玩手机等走神。迟到、早退5分钟以上，基本都是在玩手机。实验设计操作能力50%能根据实验目的自主完成实验步骤设计、正确使用相关仪器，记录相关数据，并具备排查故障能力，具备探索精神。能在老师指导下自主完成实验步骤设计、正确使用相关仪器，记录相关数据，具备一定的探究能力。完成老师讲解操作、能在老师指导下完成相关仪器设备的操作，实现实验目的。完成老师讲解操作、相关仪器需要老师多次讲解才能正确使用，基本实现实验目的。不能按照实验步骤完成实验。实验报告数据分析30%实验报告版面整洁、内容完整，问题剖析深刻。设计报告版面较为整洁、内容完整，问题剖析较深刻。设计报告版面整洁度、内容完整性一般，问题剖析不够深刻。设计报告版面基本整洁、内容基本完整，问题剖析简单。设计报告版面混乱、内容不完整，无问题剖析。2.随堂测试与评价标准随堂测试内容主要是基础概念的考察，共2次，每次按照满分100计算。每次占总评成绩5分，2次总分10分。3.综合设计考核与评价标准分值观测点优（100-90分）良（89-80分）中（79-70分）及格（69-60分）不及格（≤59分）理论分析30%能熟练运用自动控制原理知识建立数学模型复杂工程问题进行分析。能运用自动控制原理知识建立数学模型复杂工程问题进行分析。能运用自动控制原理知识建立数学模型复杂工程问题进行分析，但是瑕疵。能运用自动控制原理知识建立数学模型复杂工程问题进行分析，有一些错误。不能运用自动控制原理知识对复杂工程问题进行分析。软件和演示40%（1）基于Matlab控制系统的闭环设计和转速检测误差算法的分析和计算正确。（2）演示和计算结果一致。（1）基于Matlab控制系统的闭环设计和转速检测误差算法的分析和计算正确。（2）演示和计算结果有误差。（1）基于Matlab控制系统的闭环设计和转速检测误差算法的分析和计算有瑕疵。（2）演示和计算结果差距较大。（1）控制系统的闭环设计和转速检测误差算法的分析和计算基本正确。（2）演示和计算结果误差较大。（1）分析和计算不完整。（2）没有完整演示。答辩成绩20%（1）汇报时能清楚表述系统原理；（2）回答问题正确。（1）汇报时能较清楚表述系统原理；（2）回答问题正确。（1）汇报时能表述系统原理；（2）大部分问题回答正确。（1）汇报时能表述部分系统原理；（2）能回答部分问题。（1）汇报时清楚表述不清楚；（2）回答问题基本不正确。成员系数10%（1）组长（2）核心成员参与硬件、软件设计参与资料收集，文档整理等参与部分项目基本没有参与项目设计4