《機械控制工程基礎(chǔ) 第2版》教案全套 王潔 第1-11章 緒論、拉普拉斯變換-機械工程控制理論在工程實際中的應用

《控制工程基礎(chǔ)》授課教案學年第學期教師姓名：授課對象：授課學時：48/44選用教材：王潔，劉慧芳.機械工程控制基礎(chǔ)（第二版）.機械工業(yè)出版社.2024.10學院系(教研組)

大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第1章緒論教學目的：了解工程控制論的研究對象、任務，了解系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的要求，掌握反饋的概念及其在控制系統(tǒng)中的地位與作用。教學重點：反饋教學難點：反饋教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、機械工程控制論的研究對象、任務2、系統(tǒng)及模型3、了解系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的要求4、掌握反饋的概念及其在控制系統(tǒng)中的地位與作用采用的教學形式、教學方法課堂講授。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，舉例習題1-5、1-6課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：反饋的概念參考資料：教材思考問題：習題1-9，習題1-7（掃二維碼或線上學習詳細解題思路）課后作業(yè)：習題1-3、1-22課后小結(jié)：通過使用多媒體講授工程實例，使學生從感性方面加強對控制理論的認識，加強對反饋的認識，與今后從理論上掌握控制理論相結(jié)合，取得良好效果。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法第2.1節(jié)復數(shù)和復變函數(shù)第2.2節(jié)拉普拉斯變換簡介第2.3節(jié)典型事件函數(shù)的拉普拉斯變換教學目的：了解拉普拉斯變換數(shù)學方法的定義及性質(zhì)，掌握典型函數(shù)拉普拉斯變換。教學重點：拉普拉斯變換的數(shù)學方法教學難點：拉普拉斯變換的性質(zhì)教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、復數(shù)與復變函數(shù)2、拉普拉斯變換的定義及性質(zhì)3、典型時間函數(shù)的拉普拉斯變換采用的教學形式、教學方法課堂講授使用的教學手段、教學步驟由淺入深，從復數(shù)與復變函數(shù)的定義入手，著重講解拉普拉斯變換的定義、性質(zhì)及反變換。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：拉普拉斯變換的數(shù)學方法參考資料：教材課后作業(yè)：習題2-1（1）、2-4（1）（3）、2-5（1）（2）（4）課后小結(jié)：以彈簧小車為例，介紹拉氏變換的應用，使學生對古典控制論中拉式變換的作用有一個明確、清晰的認識。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第2章拉普拉斯變換的數(shù)學方法第2.4節(jié)拉普拉斯反變換第2.5節(jié)拉普拉斯變換在工程中的應用教學目的：掌握拉普拉斯反變換的方法，了解拉普拉斯變換的工程應用。教學重點：拉普拉斯反變換教學難點：拉普拉斯變換反變換的求解過程教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、掌握拉普拉斯反變換2、了解拉普拉斯變換在控制系統(tǒng)分析中的應用采用的教學形式、教學方法課堂講授使用的教學手段、教學步驟由淺入深，從拉普拉斯反變換定義和復變函數(shù)極點概念入手，著重講解拉普拉斯反變換的求解方法。結(jié)合線性常微分方程求解，介紹拉普拉斯變換在工程中的應用。講解例題2-5、2-8課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：拉普拉斯變換的數(shù)學方法參考資料：教材課后作業(yè)：習題2-5（1）（2）（4）課后小結(jié)：以彈簧小車為例，介紹拉普拉斯變換的應用，使學生對古典控制論中拉普拉斯變換變換的作用有明確、清晰的認識。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第3章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型第3.1節(jié)系統(tǒng)的微分方程教學目的：掌握微分方程的建立方法與變量形式，重點掌握負載效應及微分方程的列寫步驟，了解線性定常系統(tǒng)及其疊加原理。教學重點：微分方程的列寫教學難點：負載效應教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、線性定常系統(tǒng)的定義、疊加原理2、微分方程的變量形式3、負載效應4、微分方程的線性化5、微分方程的列寫步驟采用的教學形式、教學方法課堂講授、習題講解。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，多舉例，講解例題3-1、3-2、3-3、3-5、3-6、3-8。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：微分方程的列寫參考資料：教材思考問題：習題3-3，通過掃二維碼或線上知識點的學習掌握解題方法課后作業(yè)：習題3-1、3-2課后小結(jié)：負載效應是本節(jié)的難點，通過講解串聯(lián)彈簧的小車系統(tǒng)，使學生了解負載效應的本質(zhì)特征。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第3章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型第3.2節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)教學目的：掌握傳遞函數(shù)的有關(guān)定義；熟練掌握典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，了解傳遞函數(shù)的特點。教學重點：傳遞函數(shù)的定義教學難點：典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、傳遞函數(shù)的有關(guān)定義2、傳遞函數(shù)的特點3、典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)采用的教學形式、教學方法課堂講授，舉例講解。使用的教學手段、教學步驟詳略得當，講解習題3-1。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)參考資料：教材思考問題：課后作業(yè)：習題3-4、3-7、3-8課后小結(jié)：通過講解典型的工程實例，如：齒輪傳動、水位控制等系統(tǒng)，使學生將典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與工程實例結(jié)合起來。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第3章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型第3.3節(jié)系統(tǒng)框圖及其簡化教學目的：重點掌握系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖的框圖簡化法和公式簡化法教學重點：系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖的框圖簡化法教學難點：系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖的框圖簡化法教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、傳遞函數(shù)方框圖的定義、組成和連接方式2、框圖簡化法3、公式簡化法采用的教學形式、教學方法課堂講授。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，舉例時先舉一些簡單的例子，在學生可以接受的基礎(chǔ)上舉綜合例子，重點講解例題3-21、3-22。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖的框圖簡化法參考資料：教材思考問題：寫出本章的內(nèi)容小結(jié)、習題3-18（通過掃二維碼或線上知識點的學習）。課后作業(yè)：習題3-10（c）（d）（f）、3-14、3-15、3-17課后小結(jié)：通過講解前面已經(jīng)介紹過的串聯(lián)彈簧和小車系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖建立過程，使學生掌握傳遞函數(shù)方框圖建立和求解方法。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第4章控制系統(tǒng)的時間響應第4.1節(jié)時間響應的組成及主要性能指標第4.2節(jié)一階系統(tǒng)時域分析教學目的：了解時間響應及其組成，掌握典型輸入信號，重點掌握一階系統(tǒng)的單位脈沖響應、單位階躍響應。教學重點：一階系統(tǒng)的單位脈沖響應、單位階躍響應教學難點：一階系統(tǒng)的單位脈沖響應、單位階躍響應，強調(diào)一階系統(tǒng)性能指標求法。教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、時間響應及其組成2、典型輸入信號3、一階系統(tǒng)（1）一階系統(tǒng)的單位脈沖響應（2）一階系統(tǒng)的單位階躍響應采用的教學形式、教學方法課堂講授。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，重點突出，舉例簡單、易懂。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：一階系統(tǒng)的單位脈沖響應、單位階躍響應參考資料：教材思考問題：課后作業(yè)：復習例題4-1、4-3，練習習題4-5課后小結(jié)：要求學生掌握一階系統(tǒng)時間響應的求解方法，淡化拉氏變換的推導過程。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第4章控制系統(tǒng)的時間響應第4.3節(jié)二階系統(tǒng)時域分析第4.4節(jié)二階系統(tǒng)的性能指標教學目的：掌握二階系統(tǒng)的時間響應分析、性能指標計算方法，包括上升時間、峰值時間、最大超調(diào)量、調(diào)整時間教學重點：二階系統(tǒng)的時間響應分析、二階系統(tǒng)性能指標教學難點：二階系統(tǒng)的時間響應分析、二階系統(tǒng)性能指標教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、二階系統(tǒng)分析2、二階系統(tǒng)的單位脈沖響應3、二階系統(tǒng)的單位階躍響應4、二階系統(tǒng)響應性能指標：上升時間、峰值時間、最大超調(diào)量、調(diào)整時間采用的教學形式、教學方法課堂講授。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，重點突出，事件響應的舉例簡單易懂，性能指標部分多舉例。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：重點復習二階系統(tǒng)響應的性能指標參考資料：教材思考問題：習題4-11、4-22（通過掃二維碼或線上知識點的學習）課后作業(yè)：4-7、4-10、4-13課后小結(jié)：思考當輸入信號的幅值不是1時對二階系統(tǒng)性能指標的影響。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第5章控制系統(tǒng)的誤差分析第5.1節(jié)穩(wěn)態(tài)誤差的基本概念第5.2節(jié)與輸入有關(guān)的穩(wěn)態(tài)偏差教學目的：掌握系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計算方法。了解誤差與偏差的定義，了解與輸入有關(guān)的穩(wěn)態(tài)偏差，掌握系統(tǒng)誤差與偏差的計算方法。教學重點：系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計算方法教學難點：系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計算方法教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、系統(tǒng)誤差分析與計算（1）系統(tǒng)的誤差與偏差（2）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與穩(wěn)態(tài)偏差（3）與輸入有關(guān)的穩(wěn)態(tài)偏差2、擾動作用下的穩(wěn)態(tài)偏差采用的教學形式、教學方法課堂講授。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，多舉例。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：系統(tǒng)誤差分析與計算參考資料：教材思考問題：習題5-9、5-14（通過掃二維碼或線上知識點的學習）課后作業(yè)：習題5-2、5-4、5-8、5-12課后小結(jié)：著重穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)偏差的分析方法，側(cè)重拉氏變換終值定理的應用，淡化數(shù)學推導。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第6章控制系統(tǒng)的頻域分析第6.1節(jié)頻率特性概述教學目的：熟悉頻率特性與頻率響應的定義，掌握頻率特性的求法，了解頻率特性的特點和作用。教學重點：頻率特性的定義及求法教學難點：頻率特性的定義及求法教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、頻率特性與頻率響應的定義2、頻率特性與傳遞函數(shù)的關(guān)系3、頻率特性的求法4、頻率特性的特點和作用采用的教學形式、教學方法課堂講授。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，重點突出，講解例題6-1、6-2。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：頻率特性的定義及求法參考資料：教材思考問題：習題6-1、6-3課后作業(yè)：習題6-4、6-5課后小結(jié)：通過講解頻率響應和頻率特性的定義和關(guān)系，使學生掌握用s=jw求頻率特性的方法。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第6章控制系統(tǒng)的頻域分析第6.2節(jié)頻率特性的極坐標圖（Nyquist圖）教學目的：掌握典型環(huán)節(jié)頻率特性Nyquist圖的畫法。教學重點：頻率特性Nyquist圖教學難點：頻率特性Nyquist圖教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、極坐標法2、典型環(huán)節(jié)的Nyquist圖3、繪制Nyquist圖的步驟采用的教學形式、教學方法課堂講授使用的教學手段、教學步驟由淺入深，重點突出，詳細講解例題6-3、6-4、6-5。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：頻率特性Nyquist圖參考資料：教材思考問題：課后作業(yè)：習題6-6課后小結(jié)：要求學生掌握3階及3階以下系統(tǒng)的Nyquist圖畫法，通過舉例和習題使學生熟悉Nyquist圖的規(guī)律。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第6章控制系統(tǒng)的頻域分析第6.3節(jié)頻率特性的對數(shù)坐標圖（Bode圖）教學目的：重點掌握典型環(huán)節(jié)的Bode圖。教學重點：典型環(huán)節(jié)的Bode圖教學難點：二階系統(tǒng)Bode圖教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、頻率特性的對數(shù)坐標圖2、典型環(huán)節(jié)的Bode圖采用的教學形式、教學方法課堂講授。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，重點突出。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：參考資料：教材思考問題：課后作業(yè)：課后小結(jié)：在講解Bode圖定義的基礎(chǔ)上，詳細講解典型環(huán)節(jié)Bode圖的畫法，并留相應的習題作為補充。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第6章控制系統(tǒng)的頻域分析第6.3節(jié)頻率特性的對數(shù)坐標圖（Bode圖）教學目的：重點掌握Bode的一般形式繪制方法，掌握頻域性能指標教學重點：Bode的一般形式繪制方法、頻域性能指標教學難點：Bode的一般形式繪制方法教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要Bode的一般形式頻域性能指標采用的教學形式、教學方法課堂講授。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，重點突出，多講解例題習題。講解例題6-6、6-7、習題6-8（1）（3）。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：典型環(huán)節(jié)的Bode圖、Bode的一般形式繪制方法參考資料：教材思考問題：習題6-10課后作業(yè)：習題6-8（2）（4）、6-11課后小結(jié)：從最簡單傳遞函數(shù)的Bode圖講起，直至較復雜系統(tǒng)傳遞函數(shù)的Bode圖，使學生掌握高階系統(tǒng)的Bode圖的畫法和規(guī)律。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第7章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性第7.1節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念及穩(wěn)定條件第7.2.1節(jié)代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)——勞斯穩(wěn)定性判據(jù)（Routh判據(jù)）教學目的：了解系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念，掌握Routh判據(jù)。教學重點：系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念、Routh判據(jù)教學難點：系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、系統(tǒng)穩(wěn)定性的初步概念2、系統(tǒng)穩(wěn)定的定義和條件3、Routh判據(jù)采用的教學形式、教學方法課堂講授。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，重點突出，講解例題7-1、7-2、7-3。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念、Routh判據(jù)參考資料：教材思考問題：習題7-8（可通過掃二維碼或線上知識點進行輔助學習）課后作業(yè)：習題7-6、7-7課后小結(jié)：在著重講解穩(wěn)定性定義的基礎(chǔ)上，重點介紹2種特殊情況下的Routh判據(jù)的應用方法。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第7章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性第7.3節(jié)幾何穩(wěn)定性判據(jù)教學目的：基本掌握Nyquist穩(wěn)定判據(jù)（<=三階），重點掌握Bode穩(wěn)定判據(jù)。教學重點：Bode穩(wěn)定判據(jù)、Nyquist穩(wěn)定判據(jù)、教學難點：Bode穩(wěn)定判據(jù)、Nyquist穩(wěn)定判據(jù)教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、Nyquist穩(wěn)定判據(jù)2、Bode穩(wěn)定判據(jù)3、舉例采用的教學形式、教學方法課堂講授。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，重點突出。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：Bode穩(wěn)定判據(jù)、Nyquist穩(wěn)定判據(jù)。參考資料：教材思考問題：課后作業(yè)：習題7-10、7-12課后小結(jié)：從簡單系統(tǒng)的Bode穩(wěn)定判據(jù)、Nyquist穩(wěn)定判據(jù)開始，由簡到繁，使學生能根據(jù)已有Bode圖和Nyquist圖判斷穩(wěn)定性，也能畫出Bode圖和Nyquist圖再判斷。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第7章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性第7.4節(jié)系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性教學目的：掌握系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性的定義及相位裕度、幅值裕度的求法教學重點：相對穩(wěn)定性的定義及相位裕度、幅值裕度的求法教學難點：相位裕度、幅值裕度的求法教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性的定義2、相位裕度3、幅值裕度采用的教學形式、教學方法課堂講授。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，重點突出，詳細講解例題7-12。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性的定義及相位裕度、幅值裕度的求法。參考資料：教材思考問題：7-14（可通過掃二維碼或線上知識點進行輔助學習）課后作業(yè)：習題7-13課后小結(jié)：在了解系統(tǒng)相對穩(wěn)定性的定義的基礎(chǔ)上，重點講解相位裕度、幅值裕度的求法及分析方法。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第8章控制系統(tǒng)的根軌跡分析第8.1節(jié)根軌跡概述第8.2節(jié)根軌跡的繪制方法教學目的：重點掌握頻率特性的根軌跡作圖規(guī)則。教學重點：頻率特性的根軌跡作圖教學難點：頻率特性的根軌跡作圖教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、什么是根軌跡2、根軌跡的作用3、根軌跡的作圖規(guī)則4、舉例采用的教學形式、教學方法課堂講授。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，重點突出。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：頻率特性的根軌跡作圖規(guī)則參考資料：課后作業(yè)：課后小結(jié)：從最簡單傳遞函數(shù)的根軌跡講起，直至較復雜系統(tǒng)傳遞函數(shù)的根軌跡，使學生掌握各種系統(tǒng)根軌跡的畫法和規(guī)律。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第8章控制系統(tǒng)的根軌跡分析第8.2節(jié)根軌跡的繪制方法第8.3節(jié)利用根軌跡法進行系統(tǒng)性能分析教學目的：通過習題進一步掌握頻率特性的根軌跡圖，基本掌握根軌跡穩(wěn)定判據(jù)。教學重點：頻率特性的根軌跡圖教學難點：頻率特性的根軌跡圖教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要通過習題進一步熟練掌握頻率特性的根軌跡圖，根據(jù)繪制的根軌跡判別系統(tǒng)穩(wěn)定性。采用的教學形式、教學方法課堂講授。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，重點突出。課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：頻率特性的根軌跡圖參考資料：課后作業(yè)：習題8-3課后小結(jié)：在根軌跡作圖的基礎(chǔ)上，了解根軌跡與系統(tǒng)時域性能和頻域性能的關(guān)系。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第9章控制系統(tǒng)的綜合與校正第9.1節(jié)概述第9.2節(jié)控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正——增益校正、相位超前校正教學目的：了解系統(tǒng)的性能、系統(tǒng)的校正的定義及方法，重點掌握相位超前校正的系統(tǒng)設(shè)計方法。教學重點：相位超前校正的系統(tǒng)設(shè)計方法教學難點：相位超前校正的系統(tǒng)設(shè)計方法教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、時域性能指標2、頻蜮性能指標3、校正的概念與分類4、相位超前校正（實現(xiàn)方法、相位超前校正環(huán)節(jié)的頻率特性、系統(tǒng)設(shè)計）采用的教學形式、教學方法課堂講授。使用的教學手段、教學步驟由淺入深，重點突出，詳細講解例題9-2課后復習及作業(yè)或思考題：復習內(nèi)容：相位超前校正的系統(tǒng)設(shè)計方法，總結(jié)出校正步驟。參考資料：教材思考題：習題9-6課后作業(yè)：習題9-9課后小結(jié)：舉例說明增益校正和相位超前校正的方法，并給出相位超前校正的步驟。時間：大學教案第周授課日期授課章節(jié)：第9章控制系統(tǒng)的綜合與校正第9.2節(jié)控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正——相位滯后校正教學目的：重點掌握相位滯后校正的設(shè)計方法教學重點：相位滯后校正的設(shè)計方法教學難點：相位滯后校正的設(shè)計方法教學實施過程設(shè)計教學內(nèi)容綱要1、相位滯后校正實現(xiàn)方法2、相位滯后校正環(huán)節(jié)的頻率