自動控制原理工程認證版機制 課程教學大綱

教學大綱【自動控制原理】【AutomaticControlPrinciple】一、基本信息課程代碼：【2080264】課程學分：【2】面向專業(yè)：【機械設計制造及其自動化】、【智能制造工程】課程性質：【專業(yè)必修課】開課院系：機電學院機械系使用教材：主教材：【自動控制原理王雪松等編著機械工業(yè)出版社2021年8月第1版】參考書目：【自動控制原理鄒見效機械工業(yè)出版社2020年1月第1版】、【自動控制原理胡壽松科學出版社2019年2月第7版】、【自動控制原理盧京潮等主編清華大學出版社2013年3月第1版】、【自動控制原理習題集盧京潮等主編清華大學出版社2013年3月第1版】課程網站網址：/mooc2-ans/mycourse/tch?courseid=202755401&clazzid=62838852&cpi=51359909&enc=ab8f833d385ce51ea52f33be03991715&t=1663521242199先修課程：【高等數學】、【大學物理】二、課程簡介本課程是機械系的一門專業(yè)必修課，也是該專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，是一門研究有關自動控制系統(tǒng)中基本概念、基本原理和基本方法的理論課程。鑒于授課對象屬于非自動化類專業(yè)，故本門課程只講授線性定常系統(tǒng)相關知識，課程共2個學分，32學時。課程主要內容分為4大部分：第一部分介紹了有關自動控制系統(tǒng)的一般概念和控制系統(tǒng)的數學模型；第二部分闡述了線性系統(tǒng)的時域分析與校正；第三部分介紹根軌跡法；第四部分介紹線性系統(tǒng)的頻域分析與校正。課程注重體系的基本結構：從自動控制的一般概念到系統(tǒng)的數學模型建立再到認識系統(tǒng)改造系統(tǒng)，體系完整，層次分明。本課程在講解理論基礎的同時引入了很多應用實例，學生在學習理論知識的基礎之上學會舉一反三、融會貫通，能夠建立系統(tǒng)的數學模型并對模型進行分析。課程主要采用講練結合的方式，學生通過一些控制系統(tǒng)示例進行數學模型建立、分析其性能指標，掌握該門課程。整個課程注重理論的完整性與工程實用性相結合，培養(yǎng)學生的工程意識和分析問題解決問題的能力。同時在教學過程中融入課程思政元素，通過對學生的價值引領，培養(yǎng)學生技術報國的愛國情懷，樹立社會主義核心價值觀以及顧大局識大體意識，能用哲學的觀點分析問題，合理規(guī)劃自己的人生目標。本門課程目標：課程目標1：理解自動控制系統(tǒng)的組成及相關概念。課程目標2：能夠應用本專業(yè)知識建立控制系統(tǒng)的數學模型。課程目標3：能過通過時域法、復域法和頻域法三大方法對線性定常系統(tǒng)進行分析。課程目標4：能夠通過常用的校正方法對自動控制系統(tǒng)進行校正，改善系統(tǒng)的性能。三、選課建議本課程適合機械設計制造及其自動化、智能制造等非自動化專業(yè)三年級學生學習，先修課程為高等數學、大學物理。四、課程目標與畢業(yè)要求的對應關系畢業(yè)要求 指標點課程目標1工程知識：掌握解決復雜機械工程問題所必需的數學、自然科學、機械工程基礎和專業(yè)知識，能夠將所學知識用于解決復雜機械工程問題。1-1掌握數學與化學、物理等自然科學知識，能用于復雜機械工程問題的計算、求解和建立抽象模型；課程目標21-2掌握理論力學、材料力學、熱流體、電工電子學、材料科學等工程基礎知識，能用于復雜機械工程問題的分析、設計和評價；1-3掌握機械設計原理與方法、機械制造工程原理與技術、機械系統(tǒng)中的傳動與控制等專業(yè)知識，能用于機械系統(tǒng)設計和工藝流程設計、智能制造等復雜機械工程問題。2問題分析：能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，通過查閱文獻對復雜機械工程問題進行分析、表達和研究，以獲得有效結論。2-1能識別和判斷復雜機械工程問題的關鍵環(huán)節(jié)和參數；2-2能運用工程科學和專業(yè)知識對機械工程問題進行原理分析和表達；課程目標12-3能認識到解決復雜機械工程問題有多種方案，并能通過查閱手冊、文獻、行業(yè)規(guī)范和國家標準等技術資料分析尋求機械工程問題的有效解決方案；2-4能基于數學、自然科學和工程原理，比較分析所涉及實際問題的多種解決途徑，證實解決方案的合理性。3設計/開發(fā)解決方案：能夠針對機械產品設計制造、設備控制、產品開發(fā)與應用過程中的復雜工程問題設計解決方案；能夠設計滿足特定需求的機械產品、機械系統(tǒng)、零部件或制造工藝，并能夠在相應的設計和制造環(huán)節(jié)中鼓勵創(chuàng)新意識，并綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。3-1能針對特定需求合理地確定復雜機械工程問題的設計目標；3-2能夠運用工程知識，通過類比、改進或創(chuàng)新等方式，提出滿足特定需求的機械產品、制造工藝和控制系統(tǒng)的合理解決方案，并體現創(chuàng)新意識；課程目標33-3能在設計復雜機械工程問題解決方案過程中綜合考慮社會、環(huán)境、健康、安全、法律和文化等制約因素；3-4能基于特定條件和解決方案進行設計計算，完成總體機械結構、控制系統(tǒng)、零部件及制造工藝設計；課程目標43-5能用圖紙、程序、設計報告等方式正確表達解決方案。4研究：能夠基于科學原理并采用相應的科學方法對機械產品設計制造、設備控制、產品開發(fā)與應用過程中的相應的復雜機械工程問題開展研究，包括設計實驗方案、進行實驗、分析與解釋數據，并通過綜合理論分析、實驗數據和文獻研究得出合理有效結論。4-1能夠對機械相關的光、聲、電、熱等物理現象和材料特性進行研究和實驗驗證；4-2能夠對機械原理、零件和裝置性能、控制系統(tǒng)制定實驗方案，能正確操作實驗裝置；4-3具有一定的分析、綜合能力，能夠根據科學實驗結果及相關數據進行綜合分析，并得到合理、有效的結論。5使用現代工具：能針對復雜機械工程問題選擇與使用計算機仿真、設計開發(fā)軟件和實驗設備等恰當的技術、資源、現代工程和信息技術工具，進行建模仿真、實現與測試，并能夠理解計算機仿真、實驗與工程實現之間的差別。5-1能夠了解和初步掌握現代機械設計、制造和自動控制的工程技術、資源和工具；5-2能夠對復雜機械工程問題進行建模仿真、實現與實驗，并能理解計算機仿真、實驗與工程實現之間的差別。6工程與社會：能基于機械設計制造及其自動化專業(yè)領域和相關行業(yè)工程背景進行合理分析、評價本專業(yè)的工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。6-2了解機械設計制造及其自動化專業(yè)領域和相關行業(yè)工程背景，以及與機械工程相關的技術標準、知識產權、法律法規(guī)和行業(yè)產業(yè)政策；6-2能基于機械工程知識，合理認識和評價機械產品設計制造技術、工程實踐等對社會、健康、安全、法律和文化的影響，理解應承擔的社會責任。7環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展：能夠理解與本專業(yè)相關的職業(yè)和行業(yè)的生產、設計制造、研究與開發(fā)在環(huán)境保護和社會可持續(xù)性發(fā)展等方面的方針、政策，并能評價針對機械工程問題的工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。7-1能夠理解與本專業(yè)相關的職業(yè)和行業(yè)的生產、設計制造、研究與開發(fā)在環(huán)境保護和社會可持續(xù)性發(fā)展等方面的方針、政策和法律法規(guī)；7-2能正確認識和理解針對機械工程問題的工程實踐對環(huán)境與社會可持續(xù)發(fā)展的影響。8職業(yè)規(guī)范：具有人文社會科學素養(yǎng)、社會責任感，能在工程實踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范，履行相應的責任。8-1能正確認識機械工程師的職業(yè)性質與社會責任、職業(yè)規(guī)范與道德的內涵，熱愛祖國，具有較高的人文社會科學素養(yǎng)和社會責任感；8-2具有健康的體魄和良好的心理素質，承擔建設祖國與保衛(wèi)祖國的光榮任務，理解個人對于社會的責任；（3）能在工程實踐中遵守職業(yè)道德和規(guī)范，履行責任。9個人和團隊：能在多學科背景下的團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色。9-1具備基本的人際交往與溝通能力和團隊意識，能夠理解團隊不同角色的責任和作用，并能處理好個人、團隊和其他成員的關系；9-2能在多學科背景下的團隊中擔當團隊成員或負責人的角色。10溝通：能夠至少掌握一門外語，能順利閱讀本專業(yè)的外文資料，能就復雜機械工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，能夠根據需要撰寫報告和設計文稿、陳述發(fā)言、清晰表達技術思想。并具備一定的國際視野，能在跨文化背景下進行溝通和交流。10-1至少掌握一門外語，具有基本的外語聽說讀寫能力和較強的應用能力；10-2具有書面總結、歸納、整理并闡述調研報告、實驗報告、實習報告、課程設計和畢業(yè)設計等機械工程技術文件的能力；10-3能通過口頭及書面方式就復雜實際機械工程問題與同行進行有效溝通和交流，陳述自己的想法，并具有一定國際視野，能在跨文化背景下進行溝通。11項目管理：理解并掌握機械產品開發(fā)制造、安裝等從事本專業(yè)工作所需的工程管理與企業(yè)管理基本原理和經濟決策方法，并能在多學科環(huán)境的項目管理中應用。11-1理解并能掌握從事本專業(yè)工作所需的工程管理與企業(yè)管理基本原理和方法；11-2能將工程管理原理與經濟決策方法在多學科環(huán)境下的項目管理中應用。12終身學習：具有較強的終身學習意識和不斷學習、適應社會經濟和工程技術發(fā)展的能力。12-1能正確認識終身學習的重要性，具有終身學習意識；12-2能不斷學習，并具有適應社會和機械工程技術發(fā)展的能力。五、課程目標/課程預期學習成果（必填項）序號畢業(yè)要求指標點課程目標教與學方式評價方式1指標點2-2能運用工程科學和專業(yè)知識對機械工程問題進行原理分析和表達；課程目標1：理解自動控制系統(tǒng)的組成及相關概念。1.理論教學2.邊講邊練3.翻轉課堂1.期末考試2.作業(yè)3.章節(jié)測驗4.主題討論2指標點1-1掌握數學與化學、物理等自然科學知識，能用于復雜機械工程問題的計算、求解和建立抽象模型；課程目標2：能夠應用本專業(yè)知識建立控制系統(tǒng)的數學模型。1.理論教學2.邊講邊練3.翻轉課堂1.期末考試2.作業(yè)3.章節(jié)測驗4.主題討論3指標點3-2：能夠運用工程知識，通過類比、改進或創(chuàng)新等方式，提出滿足特定需求的機械產品、制造工藝和控制系統(tǒng)的合理解決方案，并體現創(chuàng)新意識。課程目標3：能過通過時域法、復域法和頻域法三大方法對線性定常系統(tǒng)進行分析。1.理論教學2.邊講邊練3.翻轉課堂1.期末考試2.作業(yè)3.章節(jié)測驗4.主題討論4指標點3-4能基于特定條件和解決方案進行設計計算，完成總體機械結構、控制系統(tǒng)、零部件及制造工藝設計；課程目標4：能夠通過常用的校正方法對自動控制系統(tǒng)進行校正，改善系統(tǒng)的性能。1.理論教學2.邊講邊練3.翻轉課堂1.期末考試2.作業(yè)3.章節(jié)測驗4.主題討論六、課程內容單元知識點能力要求教學難點1.自動控制的一般概念（2課時理論）1.知道自動控制和自動控制系統(tǒng)的基本概念。2.理解自動控制系統(tǒng)的基本組成。3.運用控制理論的基本原理繪制方框圖。4.分析自動控制系統(tǒng)的類型。5.知道控制系統(tǒng)性能的基本要求。1.能夠運用自動控制理論的基本組成和原理，由系統(tǒng)工作原理圖繪制方框圖。2.能夠掌握負反饋控制系統(tǒng)的特點及原理。1.由實際的自動控制系統(tǒng)工作原理圖繪制方框圖。2.授課技巧的掌握，該課程理論性較強，如何提高學生的學習興趣。2.控制系統(tǒng)的數學模型（8課時理論）1.理解控制系統(tǒng)的時域數學模型。2.知道拉氏變換及其時域微分性質，運用拉氏變換解微分方程。3.理解控制系統(tǒng)的復域數學模型，并理解典型環(huán)節(jié)。4.理解控制系統(tǒng)的結構圖，并對結構圖進行等效變換。5.運用系統(tǒng)的信號流圖和梅遜公式求系統(tǒng)傳遞函數。6.理解閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數和誤差傳遞函數。1.能夠應用控制理論建立控制系統(tǒng)的時域微分方程。2.能夠運用拉氏變換求解微分方程并求控制系統(tǒng)的傳遞函數。3.能夠運用控制元件的物理關系或系統(tǒng)的方框圖建立系統(tǒng)結構圖，并對結構圖進行等效變換。4.能夠用控制系統(tǒng)的信號流圖和梅遜公式求系統(tǒng)傳遞函數。1.建立并求解系統(tǒng)的時域數學模型。2.求解系統(tǒng)的復域數學模型。3.系統(tǒng)方框圖的等效變換。4.用信號流圖和梅遜公式求傳遞函數。3.線性系統(tǒng)的時域分析與校正（8課時理論）1.知道時域法的作用特點及系統(tǒng)的時域性能指標。2.理解一階系統(tǒng)的時間響應及動態(tài)性能指標。3.理解二階系統(tǒng)的時間響應及動態(tài)性能指標。4.分析線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性。5.分析線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。1.能夠求解典型輸入信號下一階系統(tǒng)的響應。2.能夠將二階傳遞函數化標準形式并對二階系統(tǒng)進行分類。3.能夠利用勞斯判據判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4.能夠用終值定理求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。1.求解典型輸入下一階系統(tǒng)的響應。2.系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷。3.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差求解。4.利用反饋校正改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。4.根軌跡法（3課時理論）1.知道根軌跡法的基本概念。2.理解繪制根軌跡的基本法則。3.運用根軌跡的基本法則繪制系統(tǒng)的根軌跡。4.知道廣義根軌跡的相關概念并沒能夠繪制系統(tǒng)的廣義根軌跡。5.運用根軌跡分析系統(tǒng)性能。1.能夠理解根軌跡法的基本概念和繪制根軌跡的基本法則。2.能夠運用根軌跡的基本法則繪制系統(tǒng)的根軌跡。3.能夠理解參數根軌跡和零度根軌跡。4.能夠運用根軌跡分析系統(tǒng)性能指標。1.運用根軌跡的基本法則繪制系統(tǒng)的根軌跡。2.運用根軌跡分析系統(tǒng)性能指標。5.線性系統(tǒng)的頻域分析與校正（9課時理論）1.理解頻率特性的基本概念。2.理解系統(tǒng)的幅相頻率特性。3.運用典型環(huán)節(jié)的波特圖繪制開環(huán)系統(tǒng)的波特圖。4.理解奈奎斯特穩(wěn)定判據。5.理解穩(wěn)定裕度的定義。6.運用開環(huán)對數幅頻特性分析系統(tǒng)的性能。7.理解反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率曲線。8.運用閉環(huán)頻率特性分析系統(tǒng)的性能。1.能夠理解頻率特性的基本概念。2.能夠運用典型環(huán)節(jié)的頻率特性繪制開環(huán)系統(tǒng)的幅相特性曲線。3.能夠繪制開環(huán)系統(tǒng)的波特圖。4,。能夠分析系統(tǒng)的性