《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱

1、機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程教學(xué)大綱一、課程基本信息課程代碼：03160110課程名稱：機(jī)械工程控制基礎(chǔ) 課程英文名稱： Mechanical Control Engineering 課程所屬單位：機(jī)械系過程裝備與控制工程教研室 課程面向?qū)I(yè)：機(jī)械類專業(yè)課程類型：必修課、限選課先修課程：復(fù)變函數(shù)、積分變換，大學(xué)物理，電工學(xué) 學(xué)分：2.5（2） 總學(xué)時： 40 （其中理論學(xué)時：36 實(shí)驗(yàn)學(xué)時：4） 二、課程性質(zhì)與目的本課程側(cè)重原理，其內(nèi)容密切結(jié)合工程實(shí)際，是一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它是控制論為理論基礎(chǔ)，以機(jī)械工程系統(tǒng)為研究對象的廣義系統(tǒng)動力學(xué)；同時，它又是一種方法論。學(xué)習(xí)本課程的目的在于使學(xué)生能以動力學(xué)的觀點(diǎn)而

2、不是靜態(tài)觀點(diǎn)去看待一個機(jī)械工程系統(tǒng)；從整體的而不是分離的角度，從整個系統(tǒng)中的信息之傳遞、轉(zhuǎn)換和反饋等角度來分析系統(tǒng)的動態(tài)行為；能結(jié)合工程實(shí)際，應(yīng)用經(jīng)典控制論中的基本概念和基本方法來分析、研究和解決其中的問題。這包括兩個方面：對機(jī)電系統(tǒng)中存在的問題能夠以控制論的觀點(diǎn)和思維方法進(jìn)行科學(xué)分析，以找出問題的本質(zhì)和有效的解決方法；如何控制一個機(jī)電系統(tǒng)，使之按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動，以達(dá)到預(yù)定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)最佳控制打下基礎(chǔ)。三、課程教學(xué)內(nèi)容與要求第一章 緒論1、教學(xué)內(nèi)容與要求：（1）了解機(jī)械工程控制論的基本含義和研究對象；（2）掌握反饋的概念，了解正反饋和負(fù)反饋、外反饋和內(nèi)反饋的概念；（3）掌握控制系統(tǒng)的

3、工作原理及其各組成部分的作用；學(xué)會繪制控制系統(tǒng)的方框圖；（4）了解控制系統(tǒng)中的基本概念和常用名詞術(shù)語；（5）掌握對控制系統(tǒng)的基本要求，了解控制系統(tǒng)的幾種分類方法。2、教學(xué)重點(diǎn)：學(xué)會用系統(tǒng)論、信息論的觀點(diǎn)分析廣義系統(tǒng)的動態(tài)特性，理解信息反饋的含義及作用；掌握控制系統(tǒng)的工作原理、基本概念和組成；繪制控制系統(tǒng)方框圖。3、教學(xué)難點(diǎn)： 廣義系統(tǒng)中的信息反饋及控制系統(tǒng)方框圖的繪制。第二章 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1、教學(xué)內(nèi)容與要求：（1）了解數(shù)學(xué)模型的基本概念；運(yùn)用動力學(xué)、電學(xué)及專業(yè)知識，列寫機(jī)械系統(tǒng)、電網(wǎng)絡(luò)的微分方程；（2）掌握拉氏變換的定義及其主要定理，能夠用拉氏變換的方法求解線性微分方程；（3）掌握傳遞函數(shù)的

4、概念、特點(diǎn)及傳遞函數(shù)的零點(diǎn)、極點(diǎn)和放大系數(shù)的概念；（4）掌握典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)的基本形式及相關(guān)參數(shù)的物理意義；（5）了解傳遞函數(shù)方框圖的組成及連接形式；能夠根據(jù)系統(tǒng)微分方程繪制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖，并簡化方框圖，求出系統(tǒng)傳遞函數(shù)；（6）掌握前向通道傳遞函數(shù)、開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)的定義及求法；（7）掌握干擾作用下，系統(tǒng)的輸出及傳遞函數(shù)的求法；（8）了解相似原理的概念。2、教學(xué)重點(diǎn)：（1）系統(tǒng)微分方程的列寫；（2）傳遞函數(shù)的概念、特點(diǎn)及求法；典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（3）傳遞函數(shù)方框圖的繪制及簡化。3、教學(xué)難點(diǎn)： （1）系統(tǒng)微分方程的列寫；（2）傳遞函數(shù)方框圖的繪制及簡化；第三章 時間響應(yīng)分析1、

5、教學(xué)內(nèi)容與要求：（1）了解系統(tǒng)時間響應(yīng)的概念、組成及時間響應(yīng)中常用的典型輸入信號及其特點(diǎn)；（2）掌握一階系統(tǒng)的定義和基本參數(shù)；掌握一階系統(tǒng)時間響應(yīng)曲線的基本形狀及意義；（3）掌握二階系統(tǒng)的定義和基本參數(shù)；掌握二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線的基本形狀及其振蕩情況與系統(tǒng)阻尼比之間的對應(yīng)關(guān)系；（4）掌握二階系統(tǒng)性能指標(biāo)的定義及其與系統(tǒng)特征參數(shù)之間的關(guān)系；（5）了解主導(dǎo)極點(diǎn)的定義及作用；（6）掌握系統(tǒng)誤差的定義、系統(tǒng)誤差與系統(tǒng)偏差的關(guān)系、誤差與穩(wěn)態(tài)誤差的定義及計(jì)算；（7）了解單位脈沖響應(yīng)函數(shù)與系統(tǒng)傳遞函數(shù)之間的關(guān)系。2、教學(xué)重點(diǎn)：（1）系統(tǒng)穩(wěn)定性與特征根實(shí)部的關(guān)系；（2）一階系統(tǒng)的定義和基本參數(shù)；一階系統(tǒng)時

6、間響應(yīng)曲線的基本形狀及意義；（3）二階系統(tǒng)的定義和基本參數(shù)；二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線的基本形狀及其振蕩情況與系統(tǒng)阻尼比之間的對應(yīng)關(guān)系；（4）二階系統(tǒng)性能指標(biāo)的定義及其與系統(tǒng)特征參數(shù)之間的關(guān)系；（5）系統(tǒng)誤差的定義、系統(tǒng)誤差與系統(tǒng)偏差的關(guān)系、誤差與穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算。3、教學(xué)難點(diǎn)：（1）二階系統(tǒng)的定義和基本參數(shù)；二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線的基本形狀及其振蕩情況與系統(tǒng)阻尼比之間的對應(yīng)關(guān)系；（2）二階系統(tǒng)性能指標(biāo)的定義及其與系統(tǒng)特征參數(shù)之間的關(guān)系；（3）系統(tǒng)的輸入、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及干擾對系統(tǒng)偏差的影響。第四章 頻率特性分析1、教學(xué)內(nèi)容與要求：（1）掌握頻率特性的概念和表示方法、頻率特性與傳遞函數(shù)及微分

7、方程之間的相互關(guān)系；（2）掌握頻率特性的兩種常用圖示方法，熟悉典型環(huán)節(jié)的極坐標(biāo)圖和博德圖的特點(diǎn)及其繪制；（3）掌握一般系統(tǒng)的極坐標(biāo)圖和博德圖的特點(diǎn)及繪制；（4）了解最小相位系統(tǒng)的概念；（5）掌握用尼奎斯特穩(wěn)定判據(jù)及對數(shù)尼奎斯特穩(wěn)定判據(jù)判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（6）了解閉環(huán)頻率特性與開環(huán)頻率特性之間的關(guān)系；（7）掌握頻域性能指標(biāo)的定義及與系統(tǒng)性能的關(guān)系；2、教學(xué)重點(diǎn)：（1）頻率特性的概念和表示方法；（2）頻率特性的兩種常用圖示方法，典型環(huán)節(jié)的圖示法的特點(diǎn)，一般系統(tǒng)的極坐標(biāo)圖和博德圖的繪制；（3）頻域性能指標(biāo)。3、教學(xué)難點(diǎn)： （1）一般系統(tǒng)頻率特性的極坐標(biāo)圖和博德圖的繪制；（2）頻域性能指標(biāo)與時域性能指

8、標(biāo)之間的關(guān)系。第五章 系統(tǒng)的穩(wěn)定性1、教學(xué)內(nèi)容與要求：（1）了解系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義、系統(tǒng)穩(wěn)定的條件；（2）掌握Routh判據(jù)的必要條件和充要條件，學(xué)會應(yīng)用Routh判據(jù)判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定，對于不穩(wěn)定系統(tǒng)，能夠指出系統(tǒng)包含不穩(wěn)定特征根的個數(shù)；（3）掌握尼奎斯特判據(jù)和博德判據(jù)；（4）理解尼奎斯特圖和博德圖之間的關(guān)系；（5）理解系統(tǒng)相對穩(wěn)定性的概念，會求相位裕量和幅值裕度，并能夠在尼奎斯特圖和博德圖上加以表示。2、教學(xué)重點(diǎn)：（1）Routh判據(jù)、尼奎斯特判據(jù)和博德判據(jù)的應(yīng)用；（2）系統(tǒng)相對穩(wěn)定性；相位裕量和幅值裕度的求法及其在奎斯特圖和博德圖上的表示法。3、教學(xué)難點(diǎn)：尼奎斯特判據(jù)及其應(yīng)用。第六章 系統(tǒng)的

9、性能指標(biāo)與校正1、教學(xué)內(nèi)容與要求：（1）了解系統(tǒng)時域性能指標(biāo)、頻域性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)的概念；了解頻域性能指標(biāo)和時域性能指標(biāo)的關(guān)系；（2）了解統(tǒng)校正的基本概念；（3）掌握相位超前校正裝置、相位滯后校正裝置和相位滯后超前校正裝置的模型、頻率特性及有關(guān)量的概念、求法及意義；（4）掌握PID調(diào)節(jié)器的規(guī)律、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法；（5）理解反饋校正的特點(diǎn)、功能及設(shè)計(jì)方法。2、教學(xué)重點(diǎn)：（1）相位超前校正裝置、相位滯后校正裝置和相位滯后超前校正裝置的模型、頻率特性及有關(guān)量的概念、求法及意義；（2）PID調(diào)節(jié)器的規(guī)律及特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法；（3）反饋校正的作用及設(shè)計(jì)方法。3、教學(xué)難點(diǎn)：能夠運(yùn)用各種校正方法設(shè)計(jì)校正裝置

10、。附：實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與要求實(shí)驗(yàn)一：系統(tǒng)頻率特性測量 （學(xué)時數(shù)：2 ）基本要求： 了解頻率特性的基本概念掌握用系統(tǒng)的傳遞函數(shù)來求取頻率特性的方法掌握伯德圖的繪制熟悉TAP-2儀器的操作方法主要內(nèi)容：在可能涉及到的頻率范圍內(nèi)，測量出系統(tǒng)或元件在足夠多的頻率點(diǎn)上的幅值比和相位移，由這些實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)畫出系統(tǒng)或元件的伯德圖，并與用傳遞函數(shù)求取的該系統(tǒng)或元件的特性進(jìn)行比較，從而以實(shí)驗(yàn)的角度來驗(yàn)證該系統(tǒng)或元件的頻率特性。操作要點(diǎn)：1、頻率特性實(shí)驗(yàn)時，必須采用合適的正弦信號發(fā)生器。對于時間常數(shù)比較大的系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)時所取的頻率范圍可為0.0011000Hz/s；正弦信號必須沒有諧波和波形畸變。2、必須合理地選擇正

11、弦信號的幅值，使系統(tǒng)工作在線性段上，要求在測試過程中對系統(tǒng)的輸出波進(jìn)行監(jiān)測。3、用以測量系統(tǒng)輸出的測量裝置必須有足夠的頻寬，在其工作范圍內(nèi)應(yīng)該具有接近平直的幅頻特性。主要儀器設(shè)備：TAP-2儀器實(shí)驗(yàn)二：連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正 （學(xué)時數(shù) ：2 ）基本要求：1、掌握串聯(lián)校正中的相位超前校正、滯后校正、滯后-超前校正的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法；2、對于一個無源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，根據(jù)未校正系統(tǒng)的特性會選擇校正方式的種類。主要內(nèi)容：針對不同未校正的無源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，分別選擇相位超前校正、滯后校正、滯后- 超前校正網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行無源校正裝置的設(shè)計(jì)。操作要點(diǎn)：1、根據(jù)穩(wěn)態(tài)精度的要求確定系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，用這一放大系數(shù)繪制原系統(tǒng)的博德圖2

12、、TAP-2儀器的實(shí)驗(yàn)臺上有電阻電容等元器件，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的需要組成不同的校正裝置，并計(jì)算其參數(shù)3、驗(yàn)算4、計(jì)算后并選擇無源網(wǎng)絡(luò)的元件值主要儀器設(shè)備：TAP-2儀器四、學(xué)時分配學(xué)時分配表序號教學(xué)內(nèi)容（按章填寫）學(xué) 時課堂講授實(shí)驗(yàn)課習(xí)題課討論課其它1緒論32系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型73時間響應(yīng)分析64頻率特性分析85系統(tǒng)的穩(wěn)定性626系統(tǒng)的性能指標(biāo)與校正62小計(jì)364比例9:1合計(jì)40實(shí)驗(yàn)學(xué)時分配表序號實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（或內(nèi)容）名稱實(shí)驗(yàn)學(xué)時實(shí)驗(yàn)類型每組實(shí)驗(yàn)人數(shù)說明驗(yàn)證性設(shè)計(jì)性綜合性其它1系統(tǒng)頻率特性測量252連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正25小計(jì)4五、教學(xué)環(huán)節(jié)與教學(xué)要求：本課程采用多媒體形式進(jìn)行教學(xué)，授課學(xué)時為36學(xué)時，實(shí)驗(yàn)4學(xué)

13、時；復(fù)習(xí)、做習(xí)題、寫實(shí)驗(yàn)報告等課外學(xué)時為50學(xué)時以上。作業(yè)每四個學(xué)時布置一次作業(yè)，每次作業(yè)題量不少于4道題，教師對作業(yè)全批全改并作平時成績記載。由于控制工程基礎(chǔ)是機(jī)械工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一，每章布置一定量的習(xí)題目的是為了學(xué)生在掌握控制理論的基礎(chǔ)知識和基本概念的基礎(chǔ)上，能結(jié)合機(jī)械工程系統(tǒng)，將控制理論應(yīng)用于工程實(shí)際，解決實(shí)際問題；最終使機(jī)械工程控制論的理論和方法成為學(xué)生掌握分析問題和解決問題的有效手段之一。每次發(fā)作業(yè)的那節(jié)課，抽出一定的時間進(jìn)行討論和習(xí)題講解；在課下也安排一定的時間進(jìn)行解疑；復(fù)習(xí)課在課程結(jié)束之后安排兩節(jié)課的時間進(jìn)行全面復(fù)習(xí)。實(shí)驗(yàn)報告按統(tǒng)一格式，采用統(tǒng)一封面和報告紙,實(shí)驗(yàn)報告內(nèi)容應(yīng)包括：實(shí)驗(yàn)名稱、目的、內(nèi)容、原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀表（名稱、規(guī)格或型號） 、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖、實(shí)驗(yàn)步驟、原始數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。六、課程考核辦法：本課程設(shè)為閉卷考試。平時成績評定辦法為：包括作業(yè)和出勤率按百分制分別計(jì)成績，各占比例：80%、20%。實(shí)驗(yàn)成績評定辦法為：包括預(yù)習(xí)報告、實(shí)驗(yàn)操作以及實(shí)驗(yàn)報告按百分制分別計(jì)成績，各占比例：10%、40%、50%?？傇u成績評定辦法為：卷面成績占總評成績的60%；平時成績占總評成