《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)大綱.docx

1、控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)大綱、課程基本信息英文名稱BasicofControlEngineering課程代碼MEEN3001課程性質(zhì)專業(yè)必修課程授課對象機械類專業(yè)學(xué)分2.5學(xué)時45指定教材機械工程控制基礎(chǔ)（第7版）楊叔子楊克沖等編著華中科技大學(xué)出版社二、課程目標(biāo)（一）總體目標(biāo)：機械控制工程基礎(chǔ)是機械類本科專業(yè)的一門專業(yè)必修課程。針對機械類專業(yè)的特點，以古典控制理論知識為主，結(jié)合實際工程系統(tǒng)應(yīng)用，旨在培養(yǎng)能適應(yīng)機械工程技術(shù)的發(fā)展，融合多學(xué)科知識與工程技能，具有采用系統(tǒng)思維的控制思想研究并解決機械工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題的能力，能在機械工程及相關(guān)領(lǐng)域從事控制等方面研究的復(fù)合型人才。（-）課程目標(biāo)：控制工

2、程基礎(chǔ)是研究“控制論”在“機械工程”中應(yīng)用的一門技術(shù)學(xué)科。本課程的主要內(nèi)容包括：自動控制基本概念、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、拉氏變換及反變換、典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)、方框圖及其簡化、時間響應(yīng)及系統(tǒng)性能指標(biāo)、一階/二階系統(tǒng)時間響應(yīng)、誤差分析與計算、頻率特性的基本概念、頻率特性圖形表示法（Nyquist圖/Bode圖）、傳遞函數(shù)繪制系統(tǒng)頻率特性曲線、頻率特性曲線求系統(tǒng)傳遞函數(shù)、系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念、系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件、勞斯穩(wěn)定性判據(jù)、Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)、控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性、系統(tǒng)校正概述、串聯(lián)校正、頻域法對控制系統(tǒng)進行綜合與校正、PID控制器。學(xué)習(xí)和掌握古典控制理論，并運用控制論的基本原理及基本思想方法，

3、分析實際工程中提煉出來的各種控制理論問題，使學(xué)生具有一定的解決自動控制實際問題的能力。課程目標(biāo)1：1.1運用數(shù)學(xué)知識，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理，針對機電控制系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)建模，并運用控制論的基本原理及思想、方法分析實際工程中各種控制問題。1.2掌握機電控制系統(tǒng)動、靜態(tài)性能分析方法，提出改善系統(tǒng)性能的設(shè)計依據(jù)和改善途徑；課程目標(biāo)2:2. 1了解控制系統(tǒng)的實際構(gòu)成并直接體會控制參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響；課程目標(biāo)3:3. 1利用計算機仿真工具設(shè)計分析系統(tǒng)的動靜態(tài)特性，初步掌握使用仿真工具對控制系統(tǒng)進行分析與設(shè)計能力。課程目標(biāo)3.1:利用計算機仿真工具設(shè)計分析系統(tǒng)的動靜態(tài)特性，初步掌握使用仿真工具對控制系

4、統(tǒng)進行分析與設(shè)計能力20%20%（三）評分標(biāo)準（小四號黑體）課程目標(biāo)評分標(biāo)準90-10080-8970-7960-69<60優(yōu)良中合格不合格ABCDF課程目標(biāo)1,2,3知識及概念掌握全面，運用得當(dāng)。解題過程正確、完整，邏輯性強，答案正確率超過90%,書面清晰。知識及概念掌握較全面，能正確運用。解題過程較正確、完整，邏輯性較強，答案正確率超過80%,書面表達清晰。知識及概念掌握較全面，能夠運用，但存在漏點。解題過程較基本正確、完整，答案正確率超過70%。知識及概念掌握一般，不能正確運用。解題過程存在錯誤，答案正確率超過60%o沒有掌握知識及概念，不會運用公式。解題過程錯誤，答案正確率低于6

5、0%（三）課程目標(biāo)與畢業(yè)要求、課程內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系表1:課程目標(biāo)與課程內(nèi)容、畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系表課程目標(biāo)課程子目標(biāo)對應(yīng)課程內(nèi)容對應(yīng)畢業(yè)要求課程目標(biāo)11.11. 控制工程基礎(chǔ)基本概論2. 拉氏變換與反變換3. 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型1.工程知識1-3能將專業(yè)知識和數(shù)學(xué)模型方法用于機械工程專業(yè)問題的推演與分析；1.24.系統(tǒng)的時間響應(yīng)分析6.系統(tǒng)穩(wěn)定性課程目標(biāo)22.15. 控制系統(tǒng)的頻域分析6. 系統(tǒng)穩(wěn)定性2.問題分析2-1能運用相關(guān)科學(xué)原理，識別和判斷機械產(chǎn)品設(shè)計、制造與測控復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；課程目標(biāo)33.16. 系統(tǒng)穩(wěn)定性7. 系統(tǒng)性能分析與校正8. 控制系統(tǒng)matlab仿真設(shè)計5.使用現(xiàn)代工具

6、5-2能夠選擇并使用恰當(dāng)?shù)臋C械工程專業(yè)技術(shù)資源、工程工具對特定的復(fù)雜機械工程問題進行分析、計算與設(shè)計；三、教學(xué)內(nèi)容第一章緒論1. 教學(xué)目標(biāo)了解自動控制理論研究的對象、作用；掌握自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖；掌握輸入量、輸出量、反饋、偏差等基本概念；了解控制系統(tǒng)的組成、分類及基本要求。2. 教學(xué)重難點掌握自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖及控制系統(tǒng)輸入量、輸出量、反饋、偏差等基本概念。3. 教學(xué)內(nèi)容1）概述2）控制的基本方式3）反饋控制系統(tǒng)基本組成4）控制系統(tǒng)基本分類5）控制系統(tǒng)性能要求4. 教學(xué)方法講授法：相關(guān)概念及理論框架。課題討論：舉例討論實際生活中存在控制系統(tǒng)，分析

7、它們的工作過程、原理及隱含的控制思想。5. 教學(xué)評價問題提問：強化控制系統(tǒng)工作原理、方框框圖及基本概念的理解。第二章控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型1. 教學(xué)目標(biāo)拉氏變換和反變換及其應(yīng)用；掌握機械、電氣系統(tǒng)微分方程數(shù)學(xué)模型的建立：了解非線性方程的線性化；熟悉線性定常微分方程的解法；掌握傳遞函數(shù)定義、性質(zhì)；掌握系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖的化簡。2. 教學(xué)重難點掌握拉氏變換和反變換、傳遞函數(shù)定義、性質(zhì)及系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖的化簡。3. 教學(xué)內(nèi)容1）拉氏變換與拉氏反變換2）控制系統(tǒng)的微分方程建立3）傳遞函數(shù)定義、性質(zhì)與典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)4）系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖及其簡化5）相似原理4. 教學(xué)方法講授法：拉氏變換及其反變換、傳遞函數(shù)

8、及框圖簡化。案例教學(xué)方法：系統(tǒng)框圖化簡。討論法：系統(tǒng)模型傳遞函數(shù)與系統(tǒng)的輸入輸出位置是否有關(guān)。5. 教學(xué)評價問題提問、課后作業(yè)：強化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立，傳遞函數(shù)派生出相關(guān)概念的理解及其系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖的簡化。第三章系統(tǒng)時間響應(yīng)分析1. 教學(xué)目標(biāo)掌握一階系統(tǒng)的時間響應(yīng)：掌握二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)與性能指標(biāo)；了解高階系統(tǒng)零、極點對時間響應(yīng)的影響；掌握控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析、計算。2. 教學(xué)重難點掌握二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)與性能指標(biāo)、控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析與計算。3. 教學(xué)內(nèi)容1）時間響應(yīng)和典型輸入信號2）一階系統(tǒng)的時間響應(yīng)3）一階系統(tǒng)的時間響應(yīng)4）控制系統(tǒng)的誤差分析與計算4. 教學(xué)方法講授法：系統(tǒng)時間響應(yīng)。案

9、例教學(xué)方法：二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)性能指標(biāo)計算。5. 教學(xué)評價問題提問、課后作業(yè)：強化時間響應(yīng)概念的理解；強化系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)各指標(biāo)的計算。第四章控制系統(tǒng)頻域分析1. 教學(xué)目標(biāo)掌握頻率特性的定義，幅頻、相頻、實頻、虛頻的計算；掌握典型環(huán)節(jié)頻率特性的圖示方法-一奈氏圖、波特圖；掌握由波特圖反求最小相位系統(tǒng)傳遞函數(shù)，相反由傳遞函數(shù)繪制波特圖；了解時域指標(biāo)與頻域指標(biāo)的關(guān)系，了解最小與非最小相位系統(tǒng)。2. 教學(xué)重難點掌握頻率特性的定義；幅頻、相頻、實頻、虛頻的計算；頻率特性的圖示方法一-奈氏圖、波特圖。3. 教學(xué)內(nèi)容1）頻率特性基本概念2）典型環(huán)節(jié)的頻率特性與乃奎斯特圖3）乃奎斯特圖繪制-一開環(huán)系統(tǒng)

10、的奈氏圖4）典型環(huán)節(jié)的對數(shù)坐標(biāo)圖（波特圖）5）最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng)4. 教學(xué)方法講授法：系統(tǒng)頻率特性。案例教學(xué)方法：頻率特性圖示法。5. 教學(xué)評價問題提問、課后作業(yè)：強化頻率特性概念理解，系統(tǒng)頻率特性的圖示方法。第五章系統(tǒng)穩(wěn)定性1. 教學(xué)目標(biāo)掌握控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與勞斯判據(jù)；掌握乃奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)；掌握頻率特性用于系統(tǒng)穩(wěn)定性判別及穩(wěn)定裕度計算。2. 教學(xué)重難點掌握控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、勞斯判據(jù)、奈氏判據(jù)及穩(wěn)定裕度計算。3. 教學(xué)內(nèi)容1）系統(tǒng)穩(wěn)定性概念及其條件2）控制系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)-一勞斯判據(jù)與奈氏判據(jù)3）系統(tǒng)相對穩(wěn)定性4. 教學(xué)方法講授法：系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、勞斯判據(jù)、奈氏判據(jù)等。案例教學(xué)方

11、法：奈氏判據(jù)、穩(wěn)定裕度計算。討論法：討論系統(tǒng)相對穩(wěn)定性，如何利用系統(tǒng)開環(huán)頻率特性圖判別系統(tǒng)穩(wěn)定性與相對穩(wěn)定性的方法。5. 教學(xué)評價問題提問、課后作業(yè)：強化系統(tǒng)穩(wěn)定性理解，系統(tǒng)穩(wěn)定性的勞斯判據(jù)方法與奈氏判據(jù)方法，及系統(tǒng)穩(wěn)定裕度計算。第六章系統(tǒng)性能分析與校正1. 教學(xué)目標(biāo)理解控制系統(tǒng)校正和綜合的一般概念，頻率法進行校正的原理、方式；熟練利用頻率特性法設(shè)計串聯(lián)超前校正裝置；掌握PID控制器形式及其各環(huán)節(jié)的作用。2. 教學(xué)重難點利用頻率特性法設(shè)計串聯(lián)超前校正裝置，PID控制器形式及其各環(huán)節(jié)的作用。3. 教學(xué)內(nèi)容1）控制系統(tǒng)校正一般概念2）串聯(lián)超前校正、滯后校正3）滯后超前校正，PID校正4. 教學(xué)方法

12、講授法：控制系統(tǒng)校正、PID。案例教學(xué)方法：串聯(lián)超前校正。5. 教學(xué)評價問題提問、課后作業(yè)：強化根據(jù)系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)，設(shè)計系統(tǒng)校正傳遞函數(shù)。四、學(xué)時分配表2：各章節(jié)的具體內(nèi)容和學(xué)時分配表章節(jié)章節(jié)內(nèi)容學(xué)時分配五、教學(xué)進度（四號黑體）第一章緒論3第二章數(shù)學(xué)基礎(chǔ)-拉氏變換/反變換控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型9(2+7)第三章系統(tǒng)時間響應(yīng)分析9第四章控制系統(tǒng)頻域分析9第五章系統(tǒng)穩(wěn)定性6第六章系統(tǒng)性能分析與校正系統(tǒng)matlab仿真設(shè)計9(6+3)總計45表3：教學(xué)進度表（五號宋體）周次日期章節(jié)名稱內(nèi)容提要授課時數(shù)作業(yè)及要求備注1緒論自動控制概念、控制方式、閉環(huán)反饋及性能要求3作業(yè)：1、完成本章思考題。要求：理解控

13、制系統(tǒng)一些基本概念無2-4數(shù)學(xué)基礎(chǔ)拉氏變換控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型拉氏變換及反變換傳遞函數(shù)方框圖簡化9作業(yè)：1、完成本章思考題。要求：掌握拉氏變換和反變換、傳遞函數(shù)定義、性質(zhì)及系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖的化簡。無5-7系統(tǒng)的時間響應(yīng)分析一階、二階系統(tǒng)時間響應(yīng)、性能指9作業(yè)：1、完成本章思考題。要求：掌無標(biāo)計算及穩(wěn)態(tài)誤差分析計算握二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)與性能指標(biāo)、控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析、計算。8-10控制系統(tǒng)頻域分析頻率特性奈奎斯特圖波特圖最小相位/非最小相位系統(tǒng)9作業(yè)：1、完成本章思考題。要求：掌握頻率特性的定義，幅頻、相頻、實頻、虛頻的計算，頻率特性的圖示方法-奈氏圖、波特圖。無11-13系統(tǒng)穩(wěn)定性勞斯判據(jù)奈氏判

14、據(jù)穩(wěn)定裕度6作業(yè)：1、完成本章思考題。要求：掌握控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、勞斯判據(jù)、奈氏判據(jù)及穩(wěn)定裕度計算。無14-15系統(tǒng)性能分析與校正控制理論matlab仿真設(shè)計系統(tǒng)校正和一般概念PID控制器控制系統(tǒng)Matlab仿真9作業(yè)：1、完成本章思考題。要求：利用頻率特性法設(shè)計串聯(lián)超前校正裝置；掌握PID控制器形式及其各環(huán)節(jié)的作用。無六、教材及參考書目1. 楊叔子楊克沖吳波熊良才編著.機械工程控制基礎(chǔ)（第7版）.華中科技大學(xué)出版社，2019.012. 李友善編著，自動控制原理（第3版），國防工業(yè)出版社，2014.073. 胡壽松主編，自動控制原理（第3版），科學(xué)出版社，2019.（）1七、教學(xué)方法在教學(xué)方

15、式上，根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容，綜合運用課堂講授和演示、課堂討論、課堂練習(xí)、發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)法和自學(xué)指導(dǎo)法，通過引入問題和啟發(fā)式教學(xué)，使學(xué)生更加明確教學(xué)內(nèi)容的知識體系，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，激發(fā)內(nèi)在學(xué)習(xí)動機，提高課堂的積極性。及時布置習(xí)題作業(yè)練習(xí)，強化所學(xué)知識的理解和運用，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。結(jié)合理論知識，鼓勵學(xué)生進行MATLAB計算機仿真分析設(shè)計試驗，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，思考解決方案，為后續(xù)教學(xué)內(nèi)容作鋪墊。結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容，本課程所采用的教學(xué)方法說明如下：1. 緒論。教學(xué)內(nèi)容偏向概念、定義與理念及思想，在教學(xué)中采用多媒體課件、電子備課和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合教學(xué)方式，理論聯(lián)系實際，將抽象問題具體化，強化學(xué)生對自動

16、控制定義、控制方式及反饋等思想的理解；同時介紹控制理論的前沿內(nèi)容及一些最新成果，拓寬學(xué)生的視野，從理論知識和應(yīng)用方面不斷更新教學(xué)內(nèi)容。2. 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模，時域、頻域分析，穩(wěn)定性、系統(tǒng)分析與校正。教學(xué)內(nèi)容偏向控制理論，原理性內(nèi)容比較多，知識點也較難理解。對丁缺乏實際經(jīng)驗的學(xué)生而言，內(nèi)容比較抽象，對所有理論內(nèi)容逐一講解的效果較差。在教學(xué)中采用多媒體課件、電子備課和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合方式，通過案例分析，加深對數(shù)學(xué)建模、時頻域分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性、分析與校正的認識，根據(jù)具體目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生自行對系統(tǒng)進行分析與校正設(shè)計，并能將之應(yīng)用于實際機電控制系統(tǒng)中。3. 結(jié)合控制理論，并與MATLAB計算機仿真分析設(shè)計試

17、驗相結(jié)合方式，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)拓展，強化對學(xué)生理論與實際結(jié)合的能力、工程問題分析能力的培養(yǎng)，強化學(xué)生的工程意識和系統(tǒng)建模分析能力的培養(yǎng)。在教學(xué)方法的實際執(zhí)行過程中，每個教學(xué)環(huán)節(jié)都應(yīng)具有明確的目的性。同時，以上教學(xué)方法需要根據(jù)教學(xué)過程中的實際效果、學(xué)生對知識點的掌握和應(yīng)用情況不斷改進。教學(xué)效果不好、學(xué)生對知識點理解程度不高時,應(yīng)適當(dāng)調(diào)整教學(xué)方法，適當(dāng)增加演示法或習(xí)題訓(xùn)練法，或在講授后續(xù)教學(xué)內(nèi)容時，引導(dǎo)學(xué)生前后聯(lián)系，結(jié)合前置難點內(nèi)容進行討論，強化知識掌握。在學(xué)生對知識掌握情況較好，系統(tǒng)性較好、習(xí)題訓(xùn)練效果較好的情況下，適當(dāng)提高教學(xué)內(nèi)容或?qū)嶒瀮?nèi)容的難度，或增加發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)法和自學(xué)指導(dǎo)法，設(shè)置具體應(yīng)用問題，引

18、導(dǎo)學(xué)生探索解決方案。八、考核方式及評定方法（-）課程考核與課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系表4：課程考核與課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系表課程目標(biāo)考核要點考核方式課程目標(biāo)1.1:運用數(shù)學(xué)知識，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理，針對機電控制系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)建模，并運用控制論的基本原理及思想、方法分析實際工程中各種控制問題基本概念、拉氏變換與反變換;機械、電氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模，傳遞函數(shù)，動態(tài)結(jié)構(gòu)圖簡化。平時作業(yè)及期中測驗，期末閉卷筆試（二）評定方法（小四號黑體）課程目標(biāo)1.2:掌握機電控制系統(tǒng)動、靜態(tài)性能分析方法，提出改善系統(tǒng)性能的設(shè)計依據(jù)和改善途徑典型二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)與性能指標(biāo)。平時作業(yè)及期中測驗，期末閉卷筆試課程目標(biāo)2.1:了解控制系統(tǒng)的實際構(gòu)成并直接體會控制參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響頻率特性與Nyquist圖;波特圖；相對穩(wěn)定性；勞斯判據(jù)；奈氏穩(wěn)定性判據(jù)。平時作業(yè)及期中測驗，期末閉卷筆試課程目標(biāo)3.1:利用計算機仿真工具設(shè)計分析系統(tǒng)的動靜態(tài)特性，初步掌握使用仿真工具對控制系統(tǒng)進行分析與設(shè)計能力控制系統(tǒng)超前、滯后校正；PID控制器、各環(huán)節(jié)作用。平時作業(yè)及期中測驗，期末閉卷筆試1. 評定方法（五號宋體）平時成績20%,期中成績30知期末成績