《機(jī)械控制工程基礎(chǔ) 第2版》-王潔 教學(xué)大綱

《控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱課程編號(hào)：01066課程名稱：控制工程基礎(chǔ)英文名稱：FundamentalsofControlEngineering課程類型：專業(yè)課課程要求：必修學(xué)時(shí)/學(xué)分：48/3（講課學(xué)時(shí)：44，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：4上機(jī)學(xué)時(shí)：0）開課學(xué)期：4適用專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、車輛工程授課語言：中文課程網(wǎng)站：/course/241384392.html一、課程性質(zhì)與任務(wù)控制工程基礎(chǔ)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化和車輛工程的學(xué)科基礎(chǔ)課，本課程以線性控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面系統(tǒng)地介紹了控制理論的基本原理及其在機(jī)械工程自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。主要內(nèi)容包括：自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念；控制系統(tǒng)在時(shí)域和頻域中的數(shù)學(xué)模型建立；單輸入單輸岀線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差；線性控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法、頻域分析法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)校正方法等內(nèi)容。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型的建立和研究方法，并學(xué)會(huì)應(yīng)用這些研究方法對(duì)已知系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性問題進(jìn)行分析，以及進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)的方法論，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，為后續(xù)課程、從事工程技術(shù)工作、進(jìn)行科學(xué)研究和開拓新的領(lǐng)域，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二、課程與其他課程的聯(lián)系控制工程基礎(chǔ)的先修課程包括：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)等課程，這些基礎(chǔ)知識(shí)為控制系統(tǒng)模型的建立、時(shí)域及頻域性能分析打下良好的基礎(chǔ)。后續(xù)課程包括：傳感器與測(cè)試技術(shù)、流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)、機(jī)電傳動(dòng)與控制技術(shù)、機(jī)電液一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能設(shè)備模塊化控制技術(shù)。本門課程的學(xué)習(xí)，為這些后續(xù)課程中與控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)容做好知識(shí)儲(chǔ)備。三、課程教學(xué)目標(biāo)1．了解建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本原理和方法，了解控制系統(tǒng)的時(shí)域、頻域分析的基本概念，了解控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行校正的基本概念和方法。（支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)4.1）2．了解控制系統(tǒng)的Matlab分析方法，能查閱文獻(xiàn)資料了解工程問題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，具有利用現(xiàn)代工具分析復(fù)雜機(jī)械工程問題及影響因素的基本能力。（支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)2.4）3．掌握控制系統(tǒng)綜合與校正的方法，具有利用該方法分析、設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)并改善系統(tǒng)性能的能力，了解機(jī)械工程領(lǐng)域中自動(dòng)控制問題的解決方法及改善自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的措施。（支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)1.4）4.掌握控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立方法，掌握控制系統(tǒng)時(shí)頻分析和頻域分析的方法，掌握控制系統(tǒng)誤差分析的基本方法，掌握控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的判定方法，具有利用數(shù)學(xué)模型對(duì)復(fù)雜機(jī)械工程系統(tǒng)進(jìn)行性能預(yù)測(cè)及模擬的能力，并理解該方法僅適用于線性系統(tǒng)這一局限性。通過實(shí)驗(yàn)和控制系統(tǒng)的Matlab仿真，掌握利用現(xiàn)代工具預(yù)測(cè)模擬復(fù)雜機(jī)械工程問題的方法和手段。（支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.3）四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配序號(hào)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求學(xué)時(shí)教學(xué)方式對(duì)應(yīng)教學(xué)目標(biāo)思政元素融入點(diǎn)1一、緒論1.機(jī)械工程的發(fā)展與控制理論的應(yīng)用2.機(jī)械工程自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理3.機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類4.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.掌握控制系統(tǒng)的工作原理、基本組成、基本要求和分類2.了解控制工程基礎(chǔ)的主要任務(wù)與研究內(nèi)容3.了解控制理論的發(fā)展歷程、未來趨勢(shì)與應(yīng)用2講授1介紹奠定控制理論學(xué)科的著名科學(xué)家及其生平（重點(diǎn)錢學(xué)森）2拉普拉斯變換的數(shù)學(xué)方法1.復(fù)數(shù)和復(fù)變函數(shù)2.典型時(shí)間函數(shù)的拉氏變換3.拉氏反變換4.拉氏變換在工程中的應(yīng)用1.了解拉普拉斯變換的定義2.了解拉普拉斯變換的性質(zhì)3.掌握典型函數(shù)的拉斯變換4.掌握拉普拉斯反變換5.了解拉普拉斯變換在控制系統(tǒng)分析中的應(yīng)用4講授1介紹拉普拉斯的生平事跡3三、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1.系統(tǒng)微分方程的建立2.非線性數(shù)學(xué)模型的線性化3.傳遞函數(shù)4.系統(tǒng)方框圖和簡化1.了解系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的定義2.掌握機(jī)械工程系統(tǒng)微分方程建立及線性化的方法3.掌握傳遞函數(shù)的有關(guān)定義和典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)4.掌握傳遞函數(shù)的簡化方法6講授討論1經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論建模方法介紹4四、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法1.典型輸入信號(hào)2.一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)3.二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)1.了解時(shí)間響應(yīng)的定義和典型輸入信號(hào)2.掌握一階和二階系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的分析方法3.掌握二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)及其與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能關(guān)系4.了解高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)4講授討論25五、控制系統(tǒng)的誤差分析和計(jì)算1.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的基本概念2.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算3.減小穩(wěn)態(tài)誤差的途徑1.了解控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的基本概念2.掌握系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算方法2講授討論26六、控制系統(tǒng)的頻域分析法1.頻率特性概述2.典型環(huán)節(jié)頻率特性的Nyquist圖3.系統(tǒng)Nyquist圖的畫法4.典型環(huán)節(jié)頻率特性的Bode圖5.頻域性能指標(biāo)6.最小相位系統(tǒng)1.了解系統(tǒng)頻率特性的概念、求法及特點(diǎn)2.掌握根據(jù)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型繪制系統(tǒng)Nyquist圖和Bode圖、的方法。3.了解頻域性能指標(biāo)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能關(guān)系8講授討論2摩天大樓防風(fēng)抗震的秘密武器——阻尼器6七、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定1.系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念及穩(wěn)定條件2.代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)3.幾何穩(wěn)定性判據(jù)4.系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性1.了解穩(wěn)定性的基本概念和系穩(wěn)定的充分必要條件2.掌握控制系統(tǒng)的Routh判據(jù)、Nyquist判據(jù)、Bode判據(jù)3.掌握系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性等判斷系統(tǒng)穩(wěn)定的方法6講授討論2謝緒愷與穩(wěn)定性判據(jù)介紹7控制系統(tǒng)的根軌跡分析1.根軌跡概述2.根軌跡的繪制方法3.利用根軌跡法進(jìn)行系統(tǒng)性能分析1.掌握系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性的定義及相位裕度、幅值裕度的求法2.重點(diǎn)掌握頻率特性的根軌跡作圖規(guī)則。4講授討論18實(shí)驗(yàn)1：一級(jí)倒立擺控制實(shí)通過一級(jí)倒立擺實(shí)驗(yàn)，掌握控制系統(tǒng)的時(shí)域、頻域性能的分析方法2實(shí)驗(yàn)49九、控制系統(tǒng)的綜合與校正1.概述2.系統(tǒng)的性能指標(biāo)3.系統(tǒng)閉環(huán)零點(diǎn)、極點(diǎn)的分布與系統(tǒng)性能的關(guān)系4.并聯(lián)校正5.串聯(lián)校正6.控制器類型7.按希望特性設(shè)計(jì)控制器1.了解系統(tǒng)分析和校正的初步知識(shí)2.了解系統(tǒng)閉環(huán)零點(diǎn)、極點(diǎn)的分布與系統(tǒng)性能的關(guān)系3.掌握系統(tǒng)并聯(lián)、串聯(lián)及PID校正的基本方法6講授討論310十、控制系統(tǒng)的MATLAB分析1.控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的MATLAB2.時(shí)間響應(yīng)的MATLAB分析3.頻率響應(yīng)的MATLAB分析4.穩(wěn)定性MATLAB分析5.根軌跡MATLAB分析6.系統(tǒng)校正MATLAB分析1.了解MATLAB分析控制系統(tǒng)特性及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本命令2.了解利用MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基本方法2講授討論411實(shí)驗(yàn)2：平衡小球控制實(shí)驗(yàn)通過平衡小球?qū)嶒?yàn)，掌握控制系統(tǒng)的時(shí)域、頻域性能的分析方法2實(shí)驗(yàn)4課程思政元素案例解析：1.介紹奠定控制理論學(xué)科的著名科學(xué)家及其生平（重點(diǎn)錢學(xué)森）介紹奠定控制理論學(xué)科的著名科學(xué)家及其生平事跡，重點(diǎn)介紹錢學(xué)森及其所完成的著作《工程控制論》。維納1948年提出的控制論，更多地是哲學(xué)和數(shù)學(xué)的，而錢學(xué)森把工程控制論變成了一門真正具有可實(shí)踐性的學(xué)科。激發(fā)學(xué)生樹立學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)、報(bào)效祖國理想信念。2.介紹拉普拉斯的生平事跡皮埃爾-西蒙·拉普拉斯，法國數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家，法國科學(xué)院院士。拉普拉斯在研究天體問題的過程中，創(chuàng)造和發(fā)展了許多數(shù)學(xué)的方法，以他的名字命名的拉普拉斯變換、拉普拉斯定理和拉普拉斯方程，在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)家的敬仰崇敬之情，進(jìn)而愿意投身到科學(xué)研究工作和事業(yè)中去。3.經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論建模方法介紹按照發(fā)展過程，自動(dòng)控制理論分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論，本課程主要學(xué)習(xí)經(jīng)典控制理論?，F(xiàn)代控制理論是在20世紀(jì)50年代中期在空間技術(shù)推動(dòng)下發(fā)展起來的，1954年美國學(xué)者R.貝爾曼于創(chuàng)立了\t"/item/%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%90%86%E8%AE%BA/_blank"動(dòng)態(tài)規(guī)劃，并在1956年應(yīng)用于控制過程，研究成果解決了空間技術(shù)中出現(xiàn)的復(fù)雜控制問題，并開拓了\t"/item/%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%90%86%E8%AE%BA/_blank"最優(yōu)控制理論這一新領(lǐng)域。拓展學(xué)生對(duì)諸如把\t"/item/%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%90%86%E8%AE%BA/_blank"宇宙火箭和\t"/item/%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%90%86%E8%AE%BA/_blank"人造衛(wèi)星用最少燃料或最短時(shí)間準(zhǔn)確發(fā)射到預(yù)定軌道一類復(fù)雜控制問題解決方法的了解認(rèn)知。4.摩天大樓防風(fēng)抗震的秘密武器——阻尼器基于控制理論頻率特性分析知識(shí)，討論摩天大樓防風(fēng)抗震的秘密武器—阻尼器的工作原理，這個(gè)案例應(yīng)用經(jīng)典控制理論第五章頻率響應(yīng)可以給出理論分析。質(zhì)量調(diào)諧阻尼器涉及到的一個(gè)核心問題就是設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到樓房震動(dòng)時(shí)，做出控制決策，控制大擺錘擺動(dòng)產(chǎn)生同頻率反作用力，使得二者偏差趨于零或者有界。這是解決社會(huì)實(shí)際問題時(shí)我們控制系統(tǒng)的一個(gè)典型應(yīng)用。首先，能夠針對(duì)社會(huì)熱點(diǎn)問題，科學(xué)冷靜的分析問題本因，不盲從、盲信，在條縷分析現(xiàn)象本質(zhì)后，自然而然培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)精神和文化自信。其次，通過案例講解，對(duì)我國建筑技術(shù)的發(fā)展和在世界上的地位有了更精準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)，弘揚(yáng)社會(huì)主義核心價(jià)值觀，傳播愛國、愛黨、積極向上的主流價(jià)值觀精神。培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和工匠精神及使命擔(dān)當(dāng)。5.謝緒愷與穩(wěn)定性判據(jù)介紹在自動(dòng)控制領(lǐng)域，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究是一個(gè)繞不開的課題?！熬秃孟袢俗呗凡环€(wěn)就會(huì)摔跤，穩(wěn)定性是系統(tǒng)能夠工作的首要條件?！敝x緒愷說，“我嘗試用一個(gè)代數(shù)判據(jù)來描述系統(tǒng)的穩(wěn)定性，分別給出穩(wěn)定性的充分條件和必要條件，這樣的判據(jù)比經(jīng)典判據(jù)計(jì)算量要小得多，使用起來更方便，實(shí)用價(jià)值更大。”1957年，經(jīng)過大膽假設(shè)、縝密論證，謝緒愷打破常規(guī)，給出了線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的新代數(shù)判據(jù)。此時(shí)，他剛剛32歲。復(fù)旦大學(xué)1959年出版的《一般力學(xué)》中，將這個(gè)成果命名為“謝緒愷判據(jù)”，清華大學(xué)教授吳麒、王詩宓主編的教材《自動(dòng)控制原理》將“謝緒愷-聶義勇判據(jù)”與世界公認(rèn)的兩大判據(jù)——“勞斯判據(jù)”和“赫爾維茨判據(jù)”并列，將原有的兩大判據(jù)變成三大判據(jù)，國際控制學(xué)界第一次出現(xiàn)了以中國人名字命名的研究成果。2015年，90歲高齡的謝緒愷深感現(xiàn)行高等數(shù)學(xué)教材內(nèi)容偏重演繹推理，學(xué)生學(xué)習(xí)起來倍覺吃力，于是決定寫一本通俗易懂、深入淺出的高等數(shù)學(xué)參考書，力爭(zhēng)用通俗易懂的語言，使高等數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)同實(shí)際工程問題和日常生活知識(shí)相結(jié)合，讓學(xué)生在喜聞樂見中讀懂深?yuàn)W的數(shù)學(xué)原理。三十而立，你的名字載入史冊(cè)；耄耋之年，依舊筆耕不輟。五、其他教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)：（4學(xué)時(shí)）（1）倒立擺實(shí)驗(yàn)：要求通過倒立擺實(shí)驗(yàn)，掌握建立常見機(jī)電系統(tǒng)頻域描述模型的基本方法，會(huì)對(duì)所建立的系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域與頻域分析。（2）小球平衡實(shí)驗(yàn)：要求通過小球平衡實(shí)驗(yàn)，掌握建立常見機(jī)電系統(tǒng)頻域描述模型的基本方法，掌握對(duì)所建立的控制系統(tǒng)進(jìn)行性能校正的方法，改善其動(dòng)態(tài)特性性能指標(biāo)。大作業(yè)：（課后）布置利用Matlab仿真軟件完成的針對(duì)特定控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的課后作業(yè)，掌握利用Matlab科學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)建模、求解、校正的方法和手段。六、教學(xué)方法本門課程的特點(diǎn)是：應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)較多、理論性較強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)抽象。針對(duì)該特點(diǎn)，本課程采用課堂理論教學(xué)為主，結(jié)合案例教學(xué)、課后作業(yè)、課程實(shí)驗(yàn)、自學(xué)等教學(xué)手段和形式完成課程的教學(xué)任務(wù)。教學(xué)中采用線上線下相結(jié)合、課堂討論、啟發(fā)式教學(xué)、案例教學(xué)等方法，將本課程的理論性、實(shí)踐性及應(yīng)用性有機(jī)結(jié)合。線上線下相結(jié)合：通過超星學(xué)習(xí)通建立了本門課程的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，針對(duì)每節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容，配套了相應(yīng)的習(xí)題。在完成理論講授任務(wù)的前提下，利用平臺(tái)中的在線習(xí)題，通過隨堂測(cè)試、課下測(cè)試等手段，鞏固理論學(xué)習(xí)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生自覺、及時(shí)掌握學(xué)習(xí)效果，將線下教學(xué)和線上教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。課堂討論法：在課堂教學(xué)中，通過講授、提問、習(xí)題講解和討論等教學(xué)方法和手段讓學(xué)生理解控制系統(tǒng)的基本概念、基本原理和基本方法，突出本課程理論學(xué)習(xí)的目的、意義和必要性。啟發(fā)式教學(xué)法：通過課堂教學(xué)中講解和演示工程實(shí)例、課后作業(yè)和實(shí)驗(yàn)課等教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生將控制理論與機(jī)械工程中的實(shí)際問題聯(lián)系起來，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力、自主學(xué)習(xí)能力、信息獲取和整理的能力、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。案例教學(xué)法：將“工作臺(tái)位置自動(dòng)控制系統(tǒng)”這一工程實(shí)例，從基本結(jié)構(gòu)分析，到系統(tǒng)建模、時(shí)域分析、頻域分析、穩(wěn)定性分析，直到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程貫穿于整個(gè)課程的教學(xué)過程中，使學(xué)生具備利用基本控制理論分析和解決機(jī)電控制工程中實(shí)際技術(shù)問題的能力，掌握控制理論在工程實(shí)際問題中的分析方法與應(yīng)用。七、考核及成績?cè)u(píng)定考核內(nèi)容、方式及評(píng)分依據(jù)考查教學(xué)目標(biāo)達(dá)成成績占比課堂測(cè)試1.網(wǎng)上測(cè)試，并在測(cè)試后發(fā)布測(cè)試題講解視頻2.考查平時(shí)授課的掌握情況3.根據(jù)信息化教學(xué)平臺(tái)記錄結(jié)果（是否完成及完成情況）評(píng)分。1、2、330%60分課內(nèi)實(shí)驗(yàn)1.考核學(xué)生針對(duì)特定的機(jī)電系統(tǒng)、利用拉普拉斯變換等數(shù)學(xué)手段，建立系統(tǒng)模型，及對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析的手段和方法的掌握程度，考核學(xué)生對(duì)復(fù)雜機(jī)械工程系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)及模擬方法的掌握程度。2.本課程共安排兩次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)