1、控制工程基础课程教学大纲控制工程基础课程教学大纲课程名称：控制工程基础英文名称：Control Engineering Fundamental 课程编码：51510502学时/学分：42/6课程性质：必修课适用专业：机械类各专业先修课程：高等数学，理论力学，电工与电子技术，复变函数与积分变换（可选）一、课程的目的与任务 机械工程控制基础是机械设计制造及其自动化专业的机械电子工程及相近专业方向的一门技术基础课。 本课程是在高等数学和工程数学（复变函数与积分变换）的知识基础上，结合力学、电学等相关知识，介绍机械工程类专业的重要理论基础之一工程控制论。这门学科既是一门广义的系统动力学，又是一种合乎唯
2、物辩证法的思想论和方法论，对启迪与发展人们的思维与智力有很大的作用。 本课程的基本任务是将自动控制理论应用于机械工程实际，基本要求是在阐明机械工程控制论的基本概念、基本知识与基本方法的基础上，使学生学会建立和变换系统的数学模型，掌握控制系统的时间响应分析和频率特性分析方法，并在此基础上具备讨论控制系统的稳定性，以及系统分析和校正、系统辨识等问题的能力。使学生以辩证方法冲破形而上学的思想方法，推动这一领域的生产与学科向前发展。 在学习本课程之前，学生应当从先修课程中获得动力学分析、电路分析的能力，了解微分方程求解知识和复变函数的概念，初步掌握积分变换及其逆变换的基本方法。 学习本课程之后，学生还
3、应当注意结合其它机械工程学的知识，将控制理论应用到工程实践中去。二、教学内容及基本要求 绪论教学目的和要求：本章首先阐述了机械工程控制基础这门课程的重要意义，然后介绍控制工程的基本思想、基本概念、控制系统的分类和基本要求，使学生了解机械工程控制论的研究对象与任务和系统、模型等知识，深刻理解反馈和反馈控制，接下来对控制理论的发展进行简单介绍。教学重点和难点：1系统的概述、工作原理和一般构成 2系统的基本控制方式和分类 3系统的基本要求和控制工程实践教学方法与手段：以课堂讲授为主，注意举例和采用启发式教学，配合适当的课堂练习和课外作业。0.1 自动控制理论概述 0.2 自动控制系统的工作原理和一般
4、构成 0.3 自动控制系统的基本控制方式和分类 0.4 对控制系统的基本要求 0.5 自动控制理论的发展 0.6 控制工程实践 0.7 本课程的特点与学习方法复习与作业要求：结合学习进度，适当安排思考题，习题量适中或较少为宜。考核知识点：自动控制系统概述、工作原理、一般构成；系统的控制方式和分类；对控制系统的基本要求；控制工程实践。辅助教学活动：无第一章 控制系统的数学模型1.1 教学目的和要求：了解微分方程的列写方法及相关知识，掌握传递函数的概念和特点，熟悉典型环节的传递函数，熟练掌握传递函数方框图和信号流图，掌握闭环控制系统的传递函数。教学重点和难点：1动态微分方程2. 拉普拉斯变换与反变
5、换3. 传递函数4. 系统方框图和信号流图教学方法与手段：以课堂讲授为主，本章重点部分应详解精讲，尽量采用启发式教学，配合适当的课堂练习和课外作业。1.1 数学模型的基本概念1.2 数学的动态微分方程1.3 拉普拉斯变换与拉普拉斯反变换1.4 传递函数1.5 典型环节1.6 系统方框图1.7 信号交流1.8 闭环控制系统的传递函数复习与作业要求：结合学习进度，适当安排思考题和练习题，习题量宜适中。考核知识点：系统的动态微分方程；传递函数；典型环节的传递函数；系统方框图；信号流图；闭环控制系统的传递函数。辅助教学活动：无第2章 控制系统的时域分析教学目的和要求：了解时间响应及其组成，深刻理解一阶
6、、二阶系统的时间响应分析，熟练掌握和应用一阶、二阶系统的性能指标计算，了解高阶系统的时间响应分析，了解并基本掌握系统误差分析与计算方法。教学重点和难点：1典型输入信号和线性系统的时域性能指标 2一阶、二阶和高阶系统的时间响应分析 3、系统的稳态误差教学方法与手段：以课堂讲授为主，本章重点部分应详解精讲，注意举例和采用启发式教学，配合适当的课堂练习和课外作业。2.1 典型输入信号2.2 线性系统的时域性能指标2.3 一阶系统的时间响应2.4 二阶系统的时间响应2.5 高阶系统的时间响应2.6 系统的稳态误差复习与作业要求：结合学习进度安排练习题，习题量可适当加大。考核知识点：线性系统的时域性能指
7、标；一阶、二阶和高阶系统的单位脉冲、单位阶跃响应；系统的稳态误差。辅助教学活动：无第三章 控制系统的频域分析教学目的和要求：理解频率特性及相关概念，熟练掌握频率特性的图示方法，了解最小相位系统与非最小相位系统的概念，了解频域性能指标。教学重点和难点：1频率特性的概念 2频率特性的图示方法教学方法与手段：以课堂讲授为主，本章重点部分应详解精讲，注意举例和采用启发式教学，配合适当的课堂练习和课外作业。3.1 频率特性的基本概述3.2 典型环节的频率特性3.3 系统的开环频率特性图3.4 最小相位系统和非最小相位系统3.5 系统频域性能指标 复习与作业要求：结合学习进度，适当安排练习题，习题量宜适中
8、。考核知识点：频率特性的概念；频率特性的求法；典型环节的Nyquist图；典型环节的Bode图；绘制系统Bode图的步骤辅助教学活动：无第四章 控制系统的稳定性分析教学目的和要求：了解稳定性的基本概述，掌握劳斯稳定判据、奈奎斯特稳定判据和Bode稳定判据教学重点和难点：1劳斯稳定判据2. 奈奎斯特稳定判据教学方法与手段：以课堂讲授为主，注意举例和采用启发式教学，配合适当的课堂练习和课外作业。4.1 稳定性的基本概述4.2 劳斯稳定判据4.3 奈奎斯特稳定判据4.4 Bode稳定判据复习与作业要求：结合学习进度，适当安排练习题，习题量适中或较少为宜。考核知识点：稳定性，劳斯稳定判据，奈奎斯特稳定
9、判据，Bode稳定判据。辅助教学活动：无第五章 控制系统的根轨迹法教学目的和要求：了解根轨迹法的基本概述，掌握绘制根轨迹的基本规则和用根轨迹分析控制系统教学重点和难点：1. 根轨迹法的基本概述2. 绘制根轨迹的基本规则3. 绘制根轨迹4. 分析控制系统教学方法与手段：以课堂讲授为主，注意实例教学，配合适当的课堂练习和课外作业。5.1 根轨迹法的基本概述5.2 绘制根轨迹的基本规则5.3 参量根轨迹的绘制5.4 非最小相位系统的根轨迹5.5 用根轨迹分析控制系统复习与作业要求：结合学习进度，适当安排思考题和练习题，习题量适中或较少为宜。考核知识点：根轨迹概述，根轨迹的绘制，用根轨迹分析控制系统辅
10、助教学活动：无第六章 自动控制系统的设计与校正教学目的和要求：了解PID，熟练掌握各种校正和复合控制方法教学重点和难点：1. 反馈校正2. 复合校正3. 串联滞后-超前校正4. 复合控制教学方法与手段：以简要介绍为主，可少量安排或不安排课堂练习和课外作业。6.1 PID简介6.2 校正的基本概述6.3 串联校正6.4 反馈校正6.5 复合校正6.6 串联超前校正6.7 串联滞后校正6.8 串联滞后-超前校正6.9 复合控制方法复习与作业要求：可少量安排或不安排课堂练习和课外作业。考核知识点：校正的概述，串联校正，反馈校正，复合校正，串联超前校正，串联滞后校正，串联滞后-超前校正，复合控制方法。
11、辅助教学活动：无第七章 基于MATLAB语言的控制系统分析教学目的和要求：了解MATLAB语言，掌握MATLAB用于各种分析教学重点和难点：1数学模型的MATLAB描述2. 用MATLAB对线性系统进行时域响应分析3. 用MATLAB进行控制系统频域分析4. 基于MATLAB的根轨迹绘制与性能分析教学方法与手段：以简要介绍为主，可少量安排或不安排课堂练习和课外作业。7.1 MATLAB语言简介7.2 数学模型的MATLAB描述7.3 用MATLAB对线性系统进行时域响应分析7.4 用MATLAB进行控制系统频域分析7.5 基于MATLAB的根轨迹绘制与性能分析7.6 系统设计校正的MATLAB
12、实现复习与作业要求：可少量安排或不安排课堂练习和课外作业。考核知识点：用MATLAB对线性系统进行时域响应分析，用MATLAB进行控制系统频域分析，基于MATLAB的根轨迹绘制与性能分析。辅助教学活动：无三、课程教学的特色说明 1本教学大纲定位于普通大学机械类专业学生在本科学习阶段的要求，不求理论全而深，要求学生在理解相关理论的基础上，能较好地分析系统，解决实际问题。本大纲适用于3042学时机械工程控制基础课程教学使用。按照减少学时、降低重心、拓宽面向、精选内容、更新知识的原则，力求做到针对性强，适应性强，讲解清晰。 2如教学学时不足，第6 章、第7章以及其它章部分内容可安排学生自学。 3课内
13、建议安排习题课46学时，建议第2至5章各约1学时，可根据需要适当增加或结合使用。本课程主要介绍经典控制理论。在介绍了如何建立系统数学模型的基础上，介绍时域分析方法和频域分析方法，并在此基础上对系统的稳定性和校正等问题进行讨论，如时间宽裕，最后还可简要介绍离散控制系统和现代控制理论。四、考试大纲 1考试的目的与作用 机械工程控制基础是机械设计制造及其自动化专业的一门技术基础课。 学生的考试成绩是对其学习水平评价的重要因素之一。通过复习考试，可以巩固学生对机械工程控制论的基本概念、基本知识与基本方法的认识和理解。考察学生对建立和变换系统的数学模型的方法，控制系统的时间响应分析和频率特性分析方法的掌
14、握程度，以及在此基础上具备讨论控制系统的稳定性，以及系统分析和校正、系统辨识等问题的能力。教师通过考试可以考核学生对所学知识点的掌握程度，找出共性问题；另外，通过考试还可以检查教学效果，为今后进一步提高机械工程控制基础课程的教学质量，促进课程建设提供重要的参考依据。 2考核内容与考核目标 本课程考试内容主要针对机械工程控制论的基本概念、基本知识与基本方法，建立和变换系统的数学模型的方法，对控制系统进行时间响应分析和频率特性分析的方法，以及在此基础上讨论控制系统的稳定性，以及系统分析和校正、系统辨识等问题。 3主要参考书1 彭珍瑞，董海棠.控制工程基础M.2版.北京：高等教育出版社，2015.2
15、 玄兆燕，朱洪俊，杨秀萍，等.机械控制工程基础M.北京：电子工业出版社，2011.3 董景新，赵长德，郭美凤，等.控制工程基础M.北京：清华大学出版社，2015.4 邹伯敏.自动控制理论M.3版.北京：机械工业出版社，2011.5 孔祥东，王益群.控制工程基础M.3版.北京：机械工业出版社，2011.6 王正林，王胜开，陈国顺，等.MATLAB/Simulink与控制系统仿真M.2版.北京：电子工业出版社，2012.7 苗宇，蒋大明.自动控制原理M.2版.北京：清华大学出版社，2013.8 高铁红，曲云霞.控制工程基础M.2版.北京：中国计量出版社，2010.9 杨叔子，杨克冲，等.机械工程控
16、制基础M.6版.武汉：华中科技大学出版社，2011.10 王积伟，吴振顺.控制工程基础M.2版.北京：高等教育出版社，2010.11 孔祥东，王益群.控制工程基础M.3版.北京：机械工业出版社，2011.12 左健民.机电控制工程基础M.北京：机械工业出版社，2011.13 朱骥北.机械控制工程基础M.北京：机械工业出版社，2013.14 董玉红，徐莉萍.机械控制工程基础M.北京：机械工业出版社，2013.15 安林超，司尧华，程雪利.机械控制工程基础M.北京：化学工业出版社，2011.16 严学华，司乃潮.检测技术与自动控制工程基础M.北京：化学工业出版社，2011.17 王建辉，顾树生.自
17、动控制原理M.2版.北京：清华大学出版社，2014.18 程鹏.自动控制原理M.2版.北京：高等教育出版社，2010.19 杜继宏，王诗宓，窦曰轩.控制工程基础M.北京：清华大学出版社，2014. 4课程考试内容与教材的关系 课程考试内容与教材基本一致，教材内容较多，部分章节在本考试中不涉及或较少涉及，具体情况参见教学大纲。 5分章节的考核知识点 绪论 识记：系统的分类；对控制系统的基本要求 理解：系统；反馈和反馈控制 第一章 控制系统的数学模型 识记：典型环节的传递函数 理解：拉氏变换及拉氏反变换；传递函数；相似系统 应用：列写微分方程的一般方法；系统的方框图及其简化 第二章 控制系统的时域
18、分析 识记：时间响应及其组成；高阶系统的时域分析 理解：一阶、二阶系统的单位脉冲、单位阶跃响应 应用：一阶、二阶系统响应的性能指标 第三章 控制系统的频域分析 识记：典型环节的Nyquist图；典型环节的Bode图； 理解：频率响应与频率特性；频率特性的求法 应用：绘制系统Bode图的步骤 第四章 控制系统的稳定性 识记：稳定性的初步概念；相对稳定性 理解：稳定的定义和条件 应用：稳定性判据 第五章 控制系统的根轨迹法识记：根轨迹法的基本概述； 理解：绘制根轨迹的基本规则 应用：参量根轨迹的绘制；非最小相位系统的根轨迹；用根轨迹分析控制系统 第六章 控制系统的校正 识记：系统的性能指标；系统校
19、正的概念和分类 理解：数字PID控制算法；各种校正 应用：串联校正；反馈校正；复合校正；串联超前校正；串联滞后校正；串联滞后；超前校正；复合控制方法第七章 基于MATLAB语言的控制系统分析 识记：MATLAB语言； 理解：用MATLAB对线性系统进行时域响应分析；用MATLAB进行控制系统频域分析 应用：基于MATLAB的根轨迹绘制与性能分析；系统设计校正的MATLAB实现 6题目类型与考核方式 题目类型一般可包括：选择题、填空题、判断正误、名词解释、简答题、计算题、作图题、证明题等，也可采用其它题型。考核方法建议采用闭卷考试，也可采用开卷考试。 7成绩评定办法 一般考试试卷成绩占80%，平
20、时成绩占20%。平时成绩一般依据课堂出勤、提问、作业及平时表现等进行评定，所占比例也可根据实际情况适当修改。五、学时分配学时分配表教学环节教学时数课程内容讲课实验习题课其它小计 绪论2第一章 控制系统的数学模型82第二章 控制系统的时域分析42第三章 控制系统的频域分析6第四章 控制系统的稳定性42第五章 控制系统的根轨迹法4第六章 控制系统的校正6第七章 基于MATLAB语言的控制系统分析8复习总 计426六、课程主要参考书1 彭珍瑞，董海棠.控制工程基础M.2版.北京：高等教育出版社，2015.2 玄兆燕，朱洪俊，杨秀萍，等.机械控制工程基础M.北京：电子工业出版社，2011.3 董景新，
21、赵长德，郭美凤，等.控制工程基础M.北京：清华大学出版社，2015.4 邹伯敏.自动控制理论M.3版.北京：机械工业出版社，2011.5 孔祥东，王益群.控制工程基础M.3版.北京：机械工业出版社，2011.6 王正林，王胜开，陈国顺，等.MATLAB/Simulink与控制系统仿真M.2版.北京：电子工业出版社，2012.7 苗宇，蒋大明.自动控制原理M.2版.北京：清华大学出版社，2013.8 高铁红，曲云霞.控制工程基础M.2版.北京：中国计量出版社，2010.9 杨叔子，杨克冲，等.机械工程控制基础M.6版.武汉：华中科技大学出版社，2011.10 王积伟，吴振顺.控制工程基础M.2版
22、.北京：高等教育出版社，2010.11 孔祥东，王益群.控制工程基础M.3版.北京：机械工业出版社，2011.12 左健民.机电控制工程基础M.北京：机械工业出版社，2011.13 朱骥北.机械控制工程基础M.北京：机械工业出版社，2013.14 董玉红，徐莉萍.机械控制工程基础M.北京：机械工业出版社，2013.15 安林超，司尧华，程雪利.机械控制工程基础M.北京：化学工业出版社，2011.16 严学华，司乃潮.检测技术与自动控制工程基础M.北京：化学工业出版社，2011.17 王建辉，顾树生.自动控制原理M.2版.北京：清华大学出版社，2014.18 程鹏.自动控制原理M.2版.北京：高等教育出版社，2010.19 杜继宏，王诗宓，窦曰轩.控制工程基础M.北京：清华大学出版社，2014.修订人： 审核人： 批准人：修订时间： 审核时间： 批准时间：
