郑州大学 能源与动力工程专业 《控制工程基础》 课程教学大纲 大纲制订人：范忠雷、靳遵龙 大纲审定人：马新灵 修订日期：2022/11/25
能源与动力工程专业 《控制工程基础》 课程教学大纲 大纲制订人：范忠雷、靳遵龙 大纲审定人：马新灵 修订日期：2022/11/25 郑州大学
《控制工程基础》课程教学大纲 课程编号：012150 课程名称（中/英文）：控制工程基础/Fundamental of Control Engineering 课程类型：专业大类 总学时：40 耕课学时：40 学分：2.5 适用对象：能源与动力工程及相关专业 先修课程：高等数学，大学物理，电工学等 后续课程：热工过程自动化 开课单位：机械与动力工程学院 一、课程的性质和教学目标 《控制工程基础》课程是为能源与动力工程专业和过程装备与控制工程专业开设的一门必修 的专业技术基础课程。课程介绍自动控制的一般原理、被控对象的数学模型、时域分析法、频域分 析法及其综合校正，是后续课程过程装备控制技术及应用、热工过程自动化等课程的技术理论基础。 本课程的教学目标为： 课程目标1：通过本门课程的学习，使学生能够将数学、自然科学、工程基础知识用于解决工 程问题。 课程目标2：能够运用自动控制的一般原理和控制系统的时域和频域等分析方法，使学生能够 分析和研究实际的工程问题，以获得有效结论。 课程目标3：通过学习应使学生了解本专业基础知识，能对能源与动力工程对象的控制系统进 行分析、计算及初步设计。 课程目标4：培养学生自主学习、终身学习的意识和适应发展的能力。 本课程的教学目标与毕业要求的对应关系为 序号 毕业要求指 毕业要求指标点具体内容 本课程的教学目标与 标点 毕业要求的对应关系 毕业要求13 13掌握工程热物理、热能工程、制冷及低温工程 课程目标3、 工业节能技术与先进装备领域中的专业基础知识 课程目标4 能针对复杂能源与动力工程问题进行分析与设计 揭示能源动力系统的工作原理，确定关键因素 毕业要求2.2 22能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原 课程目标1、 理和方法，正确表达复杂能源与动力工程问题的解 决方案： 课程目标2
《控制工程基础》课程教学大纲 课程编号: 012150 课程名称（中／英文）：控制工程基础/ Fundamental of Control Engineering 课程类型: 专业大类 总 学 时： 40 讲课学时：40 学 分：2.5 适用对象: 能源与动力工程及相关专业 先修课程：高等数学，大学物理，电工学等 后续课程：热工过程自动化 开课单位：机械与动力工程学院 一、课程的性质和教学目标 《控制工程基础》课程是为能源与动力工程专业和过程装备与控制工程专业开设的一门必修 的专业技术基础课程。课程介绍自动控制的一般原理、被控对象的数学模型、时域分析法、频域分 析法及其综合校正，是后续课程过程装备控制技术及应用、热工过程自动化等课程的技术理论基础。 本课程的教学目标为： 课程目标 1：通过本门课程的学习，使学生能够将数学、自然科学、工程基础知识用于解决工 程问题。 课程目标 2：能够运用自动控制的一般原理和控制系统的时域和频域等分析方法，使学生能够 分析和研究实际的工程问题，以获得有效结论。 课程目标 3：通过学习应使学生了解本专业基础知识，能对能源与动力工程对象的控制系统进 行分析、计算及初步设计。 课程目标 4：培养学生自主学习、终身学习的意识和适应发展的能力。 本课程的教学目标与毕业要求的对应关系为： 序号 毕业要求指 标点 毕业要求指标点具体内容 本课程的教学目标与 毕业要求的对应关系 1 毕业要求 1.3 1.3 掌握工程热物理、热能工程、制冷及低温工程、 工业节能技术与先进装备领域中的专业基础知识， 能针对复杂能源与动力工程问题进行分析与设计， 揭示能源动力系统的工作原理，确定关键因素； 课程目标 3、 课程目标 4 2 毕业要求 2.2 2.2 能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原 理和方法，正确表达复杂能源与动力工程问题的解 决方案； 课程目标 1、 课程目标 2
二、教学的基本要求 (1)本课程讲授一般系统连续模拟控制基本知识，并以连续系统理论为主。 (2)本课程应重点讲清楚自动控制系统中反馈控制的基本概念，并说明系统中各种信号的特 性。 (3)能分析具体物理系统，掌握通过机理建模法建立数学模型的各种方法，并能求取被控对象 的传递函数。 (4)对本专业学生应强调控制工程理论中的基本概念、基本规律和物理本质的理解，掌握控制 系统的时域和频域等分析方法，不要求理论的推导和证明。 (5)讲授内容应结合典型机、电、过程控制系统来论述。 (6)介绍计算机辅助分析与设计软件包（主要是MATLAB)的使用方法。 (7)学生学完本课程后，在掌握本课程的基本要求的基础上，能对控制系统进行分析，进一步 要求对系统进行综合设计。 三、课堂教学内容及目标 本课程采用榄块化教学，教学内容共有六个模块。 模块一：控制系统的基本概念2学时 目标： (1)掌握控制系统的工作原理、相关术语及闭环控制系统的组成： (2)了解控制系统的基本类型： (3)理解对控制系统的基本要求。 模块二：控制系统的数学模型12学时 目标： (1)掌握建立控制系统微分方程的方法及步骤： (2)掌握拉氏变换、拉氏反变换及其应用： (3)掌握传递函数的定义、性质、典型环节及其传递函数 (4)熟练掌握系统框图和信号流图： (5)掌握控制系统传递函数的推导。 模块三：时域分析法8学时 目标： (1)了解典型输入信号： (2)掌握一阶系统的时间响应和线性定常系统时间响应的性质： (3)掌握二阶系统的时间响应，熟练掌握二阶系统的性能指标： (4)了解高阶系统时间响应： (5)掌握误差分析和计算的基本概念，稳态误差的计算，扰动误差和系统总误差： (6)掌握稳定性的概念，稳定的条件和劳斯稳定性判据。 模块四：须域分析法13学时
二、教学的基本要求 （1）本课程讲授一般系统连续模拟控制基本知识，并以连续系统理论为主。 （2）本课程应重点讲清楚自动控制系统中反馈控制的基本概念，并说明系统中各种信号的特 性。 （3）能分析具体物理系统，掌握通过机理建模法建立数学模型的各种方法，并能求取被控对象 的传递函数。 （4）对本专业学生应强调控制工程理论中的基本概念、基本规律和物理本质的理解，掌握控制 系统的时域和频域等分析方法，不要求理论的推导和证明。 （5）讲授内容应结合典型机、电、过程控制系统来论述。 （6）介绍计算机辅助分析与设计软件包（主要是 MATLAB）的使用方法。 （7）学生学完本课程后，在掌握本课程的基本要求的基础上，能对控制系统进行分析，进一步 要求对系统进行综合设计。 三、课堂教学内容及目标 本课程采用模块化教学，教学内容共有六个模块。 模块一：控制系统的基本概念 2 学时 目标： （1）掌握控制系统的工作原理、相关术语及闭环控制系统的组成； （2）了解控制系统的基本类型； （3）理解对控制系统的基本要求。 模块二：控制系统的数学模型 12 学时 目标： （1）掌握建立控制系统微分方程的方法及步骤； （2）掌握拉氏变换、拉氏反变换及其应用； （3）掌握传递函数的定义、性质、典型环节及其传递函数； （4）熟练掌握系统框图和信号流图； （5）掌握控制系统传递函数的推导。 模块三：时域分析法 8 学时 目标： （1）了解典型输入信号； （2）掌握一阶系统的时间响应和线性定常系统时间响应的性质； （3）掌握二阶系统的时间响应，熟练掌握二阶系统的性能指标； （4）了解高阶系统时间响应； （5）掌握误差分析和计算的基本概念，稳态误差的计算，扰动误差和系统总误差； （6）掌握稳定性的概念，稳定的条件和劳斯稳定性判据。 模块四：频域分析法 13 学时
目标： (1)掌握频率特性的基本概念： (2)掌握典型环节的频率特性，能绘制奈奎斯特图和伯德图： (3)掌握系统开环频率特性，理解最小相位系统，能通过实验方法求取系统的传递函数 (4)掌握频率稳定性判据，理解和计算系统的稳定性余量： (5)掌握闭环控制系统的频率特性及性能指标： (6)理解频域指标和时域性能指标的关系： (7)理解用开环频率特性分析闭环系统的性能。 模块五：控制系统的设计和校正5学时 目标： (1)了解控制系统设计和校正的基本概念： (2)掌握PD控制规律：理解P控制、PI控制、PD控制和PD控制对系统的影响： (3)了解PD控制规律的实现： (4)掌握并联校正和复合校正的特点和设计方法。 棋块大：MATLAB与SIMULINK简介（选学内容） 四、课程教学思想、教学方法、教学手段 教学思想：本课程是为能源与动力工程专业设置的一门专业技术基础课，课程以典型控制系统 为主线，以传递函数为核心，以时域分析为基础，以频率法为主干，以系统校正为辅助，重点掌握 传递函数的概念及控制系统性能分析的时域分析和频域分析方法。 教学方法：根据课程研究方法相对统一的特点，强调方法论的教学，以数学模型法为主，经验 法为辅，强调课程学习的方法：根据控制系统三方面性能指标，对时域分析和频域分析控制系统时 所具有的共性特点反复对比，使学生掌握学科基础知识和问题分析能力：同时通过控制工程基础实 验帮助学生从理论与实践的结合上深入理解控制系统，掌握控制系统的组成、系统开环和闭环实验 调试方法和手段，提高分析和解决工程实际问题的能力。 教学手段：在教学过程中，采用多媒体教学与传统板书相结合的方式，提高课堂教学信息量 增强教学的直观性：利用计算机辅助教学手段，以直观的课件进行教学：同时采用生活案例和工程 案例进行教学，阐明控制理论的具体应用，以提高课堂教学效果。 五、各教学环节学时分配 教学内容 讲授 讨论课 实验（学时） 合计 模块一：控制系统的基本概念 2 模块二：控制系统的数学模型 模块三：时域分析法 8
目标： （1）掌握频率特性的基本概念； （2）掌握典型环节的频率特性，能绘制奈奎斯特图和伯德图； （3）掌握系统开环频率特性，理解最小相位系统，能通过实验方法求取系统的传递函数； （4）掌握频率稳定性判据，理解和计算系统的稳定性余量； （5）掌握闭环控制系统的频率特性及性能指标； （6）理解频域指标和时域性能指标的关系； （7）理解用开环频率特性分析闭环系统的性能。 模块五：控制系统的设计和校正 5 学时 目标： （1）了解控制系统设计和校正的基本概念； （2）掌握 PID 控制规律；理解 P 控制、PI 控制、PD 控制和 PID 控制对系统的影响； （3）了解 PID 控制规律的实现； （4）掌握并联校正和复合校正的特点和设计方法。 模块六：MATLAB 与 SIMULINK 简介（选学内容） 四、课程教学思想、教学方法、教学手段 教学思想：本课程是为能源与动力工程专业设置的一门专业技术基础课，课程以典型控制系统 为主线，以传递函数为核心，以时域分析为基础，以频率法为主干，以系统校正为辅助，重点掌握 传递函数的概念及控制系统性能分析的时域分析和频域分析方法。 教学方法：根据课程研究方法相对统一的特点，强调方法论的教学，以数学模型法为主，经验 法为辅，强调课程学习的方法；根据控制系统三方面性能指标，对时域分析和频域分析控制系统时 所具有的共性特点反复对比，使学生掌握学科基础知识和问题分析能力；同时通过控制工程基础实 验帮助学生从理论与实践的结合上深入理解控制系统，掌握控制系统的组成、系统开环和闭环实验 调试方法和手段，提高分析和解决工程实际问题的能力。 教学手段：在教学过程中，采用多媒体教学与传统板书相结合的方式，提高课堂教学信息量、 增强教学的直观性；利用计算机辅助教学手段，以直观的课件进行教学；同时采用生活案例和工程 案例进行教学，阐明控制理论的具体应用，以提高课堂教学效果。 五、各教学环节学时分配 教学内容 讲授 讨论课 实验（学时） 合计 模块一：控制系统的基本概念 2 模块二：控制系统的数学模型 12 模块三：时域分析法 8
模块四：频域分析法 模块五：控制系统的设计和校正 模块六：MATLAB与SIMULINK简介 合计 40 六、考核及成绩评定方式 本课程的成绩评定方式为：期末考试成绩80%+作业及平时表现20%=100%。 评分标准： 1)期末考试 按期末考试的标准答案、评分标准百分制评分，总评后折算成80分。 期末考试采用闭卷方式，考试时间2小时，一般采用选择题、填空题、计算题、分析题、绘图 题等题型。 2)作业： 每次作业在规定时间上交，迟交作业或作业不满足下列要求，均以零分计，每次作业按百分制 评分，总评后折算为15分。 作业的评分标准： 完成情况 得分 严格按照作业要求并及时完成，基本概念清晰，解决问题的方案正确、 80-100分 合理，能提出不同的解决问题方案。 基本按照作业要求并及时完成，基木概念基本清晰，解决问题的方案基 60-79分 木正确、基本合理 不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，解决问题的方案基4059分 本不正确、不合理， 不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，不能制定正确和合 0-39分 理解决问题的方案。 3)课堂表现： 案例分析讨论、知识点讨论、作业讨论等，总评后折算为5分。 课堂表现评分标准： 完成情况 得分 资料的查阅、知识熟练运用，积极参与讨论、能阐明自己的观点和想法， 5分 能与其他同学合作、交流，共同解决问题。 基本做到资料的查阅、知识的运用，能参与讨论、能阐明自己的观点和想 34分 法，能与其他同学合作、交流，共同解决问题。 做到一些资料的查阅和知识的运用，参与讨论一般、不能闸明自己的观点2-3分
模块四：频域分析法 13 模块五：控制系统的设计和校正 5 模块六：MATLAB 与 SIMULINK 简介 / 合计 40 六、考核及成绩评定方式 本课程的成绩评定方式为：期末考试成绩*80%+作业及平时表现*20% =100%。 评分标准： 1）期末考试 按期末考试的标准答案、评分标准百分制评分，总评后折算成 80 分。 期末考试采用闭卷方式，考试时间 2 小时，一般采用选择题、填空题、计算题、分析题、绘图 题等题型。 2）作业： 每次作业在规定时间上交，迟交作业或作业不满足下列要求，均以零分计，每次作业按百分制 评分，总评后折算为 15 分。 作业的评分标准： 完成情况 得分 严格按照作业要求并及时完成，基本概念清晰，解决问题的方案正确、 合理，能提出不同的解决问题方案。 80-100 分 基本按照作业要求并及时完成，基本概念基本清晰，解决问题的方案基 本正确、基本合理 60-79 分 不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，解决问题的方案基 本不正确、不合理， 40-59 分 不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，不能制定正确和合 理解决问题的方案。 0-39 分 3）课堂表现： 案例分析讨论、知识点讨论、作业讨论等，总评后折算为 5 分。 课堂表现评分标准： 完成情况 得分 资料的查阅、知识熟练运用，积极参与讨论、能阐明自己的观点和想法， 能与其他同学合作、交流，共同解决问题。 5 分 基本做到资料的查阅、知识的运用，能参与讨论、能阐明自己的观点和想 法，能与其他同学合作、交流，共同解决问题。 3-4 分 做到一些资料的查阅和知识的运用，参与讨论一般、不能阐明自己的观点 2-3 分
和想法，与其他同学合作、交流，共同解决问题的能力态度一般。 不能做到资料的查阅和知识的运用，不积极参与讨论，不能与其他同学合0-2分 作、交流，共同解决问恩。 七、教材和参考书目 教材：《控制工程基础》，王积伟，吴振顺编著，高等教育出版社，2018年。 参考书目：《控制工程基础学习指导与习愿详解》，王积伟等编著，高等教育出版社，2004年。 《MATLAB/Simulink与过程控制系统》，刘文定，王东林编著，机械工业出版社，2013
和想法，与其他同学合作、交流，共同解决问题的能力态度一般。 不能做到资料的查阅和知识的运用，不积极参与讨论，不能与其他同学合 作、交流，共同解决问题。 0-2 分 七、教材和参考书目 教 材： 《控制工程基础》，王积伟，吴振顺编著，高等教育出版社，2018 年。 参考书目：《控制工程基础学习指导与习题详解》，王积伟等编著，高等教育出版社，2004 年。 《MATLAB/Simulink 与过程控制系统》，刘文定, 王东林编著，机械工业出版社，2013