郑州大学：机械工程专业《控制工程基础》课程教学大纲（2020版）.pdf_大学文库

《控制工程基础》教学大纲课程编号：013085 课程名称（中/英文）：控制工程基础/Fundamentals of mechanical control Engineering 课程类型：学科专业课总学时：3 讲课学时： 28实验学时：6 学分： 2 适用对象：机械工程及自动化专业先修课程：高等数学、机械原理、理论力学、材料力学、复变函数、机械设计、电工学等。后续课程：传感器与测试技术基础、液压传动技术、计算机控制系统、机电一体化系统设计、机械工程及自动化的课程设计及毕业设计。开课单位：机械工程学院一、课程性质和教学目标《控制工程基础》侧重原理，其内容密切结合工程实际，是一门专业基础课，而且也是科学方法论之一，控制工程理论强调用系统的、反馈的、控制的方法来分析研究工程实际问题。课程主要介绍经典控制理论方面的基础知识以及“控制论”(Cybernetics)在机械工程中的应用。“机械控制工程基础”是控制论与机械工程技术理论之间的交叉学科，侧重介绍机械工程的控制原理，同时密切结合工程实际，是一门技术基础课程。通过对这门课程的学习 ,要求学生学会运用控制理论的基本原理和思想方法，初步学会分析和研究机、电、液系统中信号的传递、反馈与控制，以及机、电、液系统的动态特性，并结合后续专业课的学习，为将来在机械工程中解决一些实际问题打下一定的基础。并通过本课程的学习，要求学生达到以下目标：目标1：掌握机械工程控制论的基础知识和基本分析方法，能够将这些知识应用于机械控制系统的分析及控制中：目标2：通过综合性的设计和校准来综合应用所学的基本知识和技能，具有初步设计机械控制系统方案的能力，并具备客观评价机械控制系统方案的优缺点的能力：具备分析和解头工程实践问题的创新意识和创新设计能力：目标3：具有与本课程相关的传统的演示性、验证性实验，并利用Mat1b等仿真实验工具进行综合性、设计型实验，尝试进行研究型实验，掌握相关实验结果的理论分析与解释等方面的基本技能，能够根据控制目标设计合理的PID经典控制模型环节及系统

《控制工程基础》教学大纲课程编号: 013085 课程名称（中／英文）：控制工程基础/Fundamentals of mechanical control Engineering 课程类型: 学科专业课总学时： 34 讲课学时： 28 实验学时：6 学分： 2 适用对象: 机械工程及自动化专业先修课程：高等数学、机械原理、理论力学、材料力学、复变函数、机械设计、电工学等。后续课程：传感器与测试技术基础、液压传动技术、计算机控制系统、机电一体化系统设计、机械工程及自动化的课程设计及毕业设计。开课单位：机械工程学院一、课程性质和教学目标《控制工程基础》侧重原理，其内容密切结合工程实际，是一门专业基础课,而且也是科学方法论之一，控制工程理论强调用系统的、反馈的、控制的方法来分析研究工程实际问题。课程主要介绍经典控制理论方面的基础知识以及“控制论”(Cybernetics)在机械工程中的应用。“机械控制工程基础”是控制论与机械工程技术理论之间的交叉学科，侧重介绍机械工程的控制原理，同时密切结合工程实际，是一门技术基础课程。通过对这门课程的学习，要求学生学会运用控制理论的基本原理和思想方法，初步学会分析和研究机、电、液系统中信号的传递、反馈与控制，以及机、电、液系统的动态特性，并结合后续专业课的学习，为将来在机械工程中解决一些实际问题打下一定的基础。并通过本课程的学习，要求学生达到以下目标：目标 1：掌握机械工程控制论的基础知识和基本分析方法，能够将这些知识应用于机械控制系统的分析及控制中；目标 2：通过综合性的设计和校准来综合应用所学的基本知识和技能，具有初步设计机械控制系统方案的能力，并具备客观评价机械控制系统方案的优缺点的能力；具备分析和解决工程实践问题的创新意识和创新设计能力；目标 3：具有与本课程相关的传统的演示性、验证性实验，并利用 Matlab 等仿真实验工具进行综合性、设计型实验，尝试进行研究型实验，掌握相关实验结果的理论分析与解释等方面的基本技能，能够根据控制目标设计合理的 PID 经典控制模型环节及系统

本课程所能支撑的单业要求、以及本课程的教学目标与毕业要求的对应关系如下：序毕业要求毕业要求指标点具体内容本课程的教学目标与号指标点毕业要求的对应关系毕业要求1.3掌握机械设计、制造、自动化等领域的专课程目标1 1.3 业基础知识，能针对复杂机械工程问题进行分析与设计，揭示机械产品或生产系统的工作理，确定关键因素。毕业要求2.1能够识别和判断影响机械设计、制造及其课程目标2 2.1 自动化领域/系统中复杂工程问圈的关键环节和参数：毕业要求4.3能够正确采集、处理实验数据，对实验结课程目标3 43 果进行分析和解释，并通过信息综合，得出有效结论。二、敦学基本要求 L.对于建立机电系统的数学模型，有关数学工具（如Laplace变换等）的应用，传递函数的定义、性质、零点、极点、放大系数与方框图的求取、简化与演算等，应有清晰的基本概念并能熟练掌握。 2.对于典型系统的时域和頫域特性，应有清晰的基木概今并能熟练堂据。 .掌握判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据(Routh判据、Nyquist判据、Bode 判据) 4,对于线性系统的性能指标有铰全面的认识，了解并掌握系统的综合与校正的常用方法。要求学生了解机械工程控制论的基本概念，系统掌握机械工程中系统时何响应分析的理论和方法，具有利用所学的机械工程控制论的知识分析问题和解决机械工程中的问题的能力。三、教学内容及要求教学与实验内容学时 ()机械工程控制的基本概念研究对象和任务学习本课程的目的和意义 1.绪论（反映 (2)关于“系统”、“信息传递”和“反馈”及 “反情松制”的其木概今课程目标1) (3)系统及其模型控制系统的分类反馈控制系统的基本组成对控制系统的基本要求本课程的特点 1)掌握Laplace变换定义、性质和典型、常用函 2，系统的数学模型（反映课数的Laplace变换，初值定理和终值定理程目标1) (2)能应用机械动力学电工学等基础知识建立系统数学模型，典型例子

本课程所能支撑的毕业要求、以及本课程的教学目标与毕业要求的对应关系如下: 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 掌握机械设计、制造、自动化等领域的专业基础知识，能针对复杂机械工程问题进行分析与设计，揭示机械产品或生产系统的工作原理，确定关键因素。课程目标 1 2 毕业要求 2.1 2.1 能够识别和判断影响机械设计、制造及其自动化领域/系统中复杂工程问题的关键环节和参数；课程目标 2 3 毕业要求 4.3 4.3 能够正确采集、处理实验数据，对实验结果进行分析和解释，并通过信息综合，得出有效结论。课程目标 3 二、教学基本要求 1.对于建立机电系统的数学模型，有关数学工具（如 Laplace 变换等）的应用，传递函数的定义、性质、零点、极点、放大系数与方框图的求取、简化与演算等，应有清晰的基本概念并能熟练掌握。 2.对于典型系统的时域和频域特性，应有清晰的基本概念并能熟练掌握。 3.掌握判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据(Routh 判据、Nyquist 判据、Bode 判据)。 4.对于线性系统的性能指标有较全面的认识，了解并掌握系统的综合与校正的常用方法。要求学生了解机械工程控制论的基本概念，系统掌握机械工程中系统时间响应分析的理论和方法，具有利用所学的机械工程控制论的知识分析问题和解决机械工程中的问题的能力。三、教学内容及要求教学与实验内容学时 1．绪论（反映课程目标 1） (1)机械工程控制的基本概念研究对象和任务学习本课程的目的和意义 (2)关于“系统”、“信息传递”和“反馈”及 “反馈控制”的基本概念 (3)系统及其模型控制系统的分类反馈控制系统的基本组成对控制系统的基本要求本课程的特点 2 2．系统的数学模型（反映课程目标 1） (1)掌握 Laplace 变换定义、性质和典型、常用函数的 Laplace 变换，初值定理和终值定理。 (2)能应用机械动力学、电工学等基础知识建立系统数学模型，典型例子 6

(3)传递函数的基本概念其数学物理意义求取方法输入输出信号与传递函数的关系 (4)系统方框图闭环控制系统及其传递函数框图的等效荷化工程中典型的机、电系统的传递函数 (1)时间响应的基本概念典型输入信号与一阶一阶系统的时间响成 3.时间响应分 ()二阶系统响应的性能指标析（反映课程 (3)高阶系统的时间响应6函数在时间响应中的目标1,2) 作用 (4)系统的误差分析：系统的类型及各型系统的位置、速度、加速度误差 (1)率响应与频率特性的基本概念频率特性与系统传递函数的关系系统的动刚度与动柔度的概念频率特性的表示方法 4.系统的频率 (2)频率特性的极坐标图(Nyquist图)的一般概念特性分析（反典型环节的Nyquist图绘制系统Nyquist图的- 映课程目标般步骤和方法 6 1, (3)频率特性的对数坐标图(Bode图)的一般概典型环节的Bode图绘制系统Bode图的一般步躁和方法 (4)根据频率特性的对数坐标图辨识系统数学模型的一般方法 (1)系统稳定性的基本概念判别线性系统稳定性的基本出发点 5.系统的稳定性（反映课程 (2)Routh稳定性判据、Nyquist稳定性判据的基本目标2) 原理和方法Bode判据 6 3)系统的相对稳定性幅值裕度与相位裕度最相位系统与非最小相位系统 (1)系统的性能指标校正的一般概念常用的校 6,系统的性能正方法与分类分析与校正 (2)相位超前校正、相位滞后校正及相位滞后 (反映课程目超前校正的基本特性及其频域设计方法标2) (3PID调节器的基本特性与设计方法 (4顺馈校正与反馈校正的基本特性 (①)实验一Mat1ab仿真实验。利用学校机房选用当今国际风行的MATLAB控制系统分析软件，进 7实哈（反映课程目标3) 行控制系统的时域分析和频域分折 (②)实验直流电动机调速系统。 (③)实验三水箱液位同服系统。四、实验教学内容及要求实验教学，教师集中讲授实验原理、实验方法和步骤，分组进行指导和“以学生自主训练为主的开放模式组织教学”的形式

(3)传递函数的基本概念其数学物理意义求取方法输入输出信号与传递函数的关系 (4)系统方框图闭环控制系统及其传递函数方框图的等效简化工程中典型的机、电系统的传递函数 3．时间响应分析（反映课程目标 1,2） (1)时间响应的基本概念典型输入信号与一阶、二阶系统的时间响应 (2)二阶系统响应的性能指标 (3)高阶系统的时间响应 δ 函数在时间响应中的作用 (4)系统的误差分析：系统的类型及各型系统的位置、速度、加速度误差 4 4．系统的频率特性分析（反映课程目标 1,2） (1)频率响应与频率特性的基本概念频率特性与系统传递函数的关系系统的动刚度与动柔度的概念频率特性的表示方法 (2)频率特性的极坐标图（Nyquist 图）的一般概念典型环节的 Nyquist 图绘制系统 Nyquist 图的一般步骤和方法 (3)频率特性的对数坐标图（Bode 图）的一般概念典型环节的Bode 图绘制系统Bode图的一般步骤和方法 (4)根据频率特性的对数坐标图辨识系统数学模型的一般方法 6 5．系统的稳定性（反映课程目标 2） (1)系统稳定性的基本概念判别线性系统稳定性的基本出发点 (2)Routh 稳定性判据、Nyquist 稳定性判据的基本原理和方法 Bode 判据 (3)系统的相对稳定性幅值裕度与相位裕度最小相位系统与非最小相位系统 6 6．系统的性能分析与校正（反映课程目标 2） (1)系统的性能指标校正的一般概念常用的校正方法与分类 (2)相位超前校正、相位滞后校正及相位滞后— 超前校正的基本特性及其频域设计方法 (3)PID 调节器的基本特性与设计方法 (4)顺馈校正与反馈校正的基本特性 2 7．实验（反映课程目标 3） (1)实验一 Matlab 仿真实验。利用学校机房选用当今国际风行的 MATLAB 控制系统分析软件，进行控制系统的时域分析和频域分析。 (2)实验二直流电动机调速系统。 (3)实验三水箱液位伺服系统。 6 四、实验教学内容及要求实验教学，教师集中讲授实验原理、实验方法和步骤，分组进行指导和“以学生自主训练为主的开放模式组织教学”的形式

1、典型环节的电路模拟及其阶跃响应实验（反映教学目标2） (1)、学习典型环节的电路模拟方法，以及参数测试方法。 (2)入、完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。 2、典型环节（或系统）的频率特性实验（反映教学目标2） (1)学习和掌握测量典型环节（或系统）频率特性曲线的方法和技能。 (2)学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。 3.直流电机转速闭环控制实验（反映教学目标3） (1)在自动控制理论实验基础上，控制实际的模拟对象，加深对理论的理解： (2)掌握闭环控制系统的参数调节对系统动态性能的影响。五、课程建设与改革 1.学思想本课程要用到物理、高等数学、力学、电工电子等先修课程的知识，尤其是理论力学的知识。由于机械工程控制论是一门比较抽象的技术基础课，在教学过程中既要加强对理论知识的进将，加深学生对基木概今、基木知识与基木方法的理解。又要紧密结合机械工程实际以便沟通与加强理论基础与专业知识之间的联系，加深学生的感性认识。所以本课程具有定的理论系统性及逻辑性和较强的工程实践性的特点。因此本课程的教学思想为：(1)理解基本概念，应用基本原理，掌握基本方法：(2)注重理论联系实际：(3)帮组学生初步建立工程观点：(4)突出工程软件的应用。 2.学方法：针对目前本课程的学时少、内容多的现状，采用的教学方法主要是讲重点、讲难点、讲思路、讲方法，尽可能采用多媒体教学，在讲述基本理论的同时注意示教模型的应用，同时适当安排实践性教学环节，安排一定的讨论时间，以增强学生的自主学习能力和学习兴趣。 3.教学手段板书、PPT、动画、实验、Matlab仿真分析与综合六、各教学环节学时分配章节讲课习题课讨论课实验教学环节合计系统的数学模型 6 系统的时间响应分析 4 苗见音系统的频率特性分析 6 第五章系统的稳定性分析 6 6 第六章 2

1、典型环节的电路模拟及其阶跃响应实验（反映教学目标 2）（1）、学习典型环节的电路模拟方法，以及参数测试方法。（2）、完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。 2、典型环节（或系统）的频率特性实验（反映教学目标 2）（1）学习和掌握测量典型环节（或系统）频率特性曲线的方法和技能。（2）学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。 3. 直流电机转速闭环控制实验（反映教学目标 3）（1）在自动控制理论实验基础上，控制实际的模拟对象，加深对理论的理解；（2）掌握闭环控制系统的参数调节对系统动态性能的影响。五、课程建设与改革 1.教学思想本课程要用到物理、高等数学、力学、电工电子等先修课程的知识，尤其是理论力学的知识。由于机械工程控制论是一门比较抽象的技术基础课，在教学过程中既要加强对理论知识的讲授，加深学生对基本概念、基本知识与基本方法的理解，又要紧密结合机械工程实际，以便沟通与加强理论基础与专业知识之间的联系，加深学生的感性认识。所以本课程具有一定的理论系统性及逻辑性和较强的工程实践性的特点。因此本课程的教学思想为：（1）理解基本概念，应用基本原理，掌握基本方法；（2）注重理论联系实际；（3）帮组学生初步建立工程观点；（4）突出工程软件的应用。 2.教学方法：针对目前本课程的学时少、内容多的现状，采用的教学方法主要是讲重点、讲难点、讲思路、讲方法，尽可能采用多媒体教学，在讲述基本理论的同时注意示教模型的应用，同时适当安排实践性教学环节，安排一定的讨论时间，以增强学生的自主学习能力和学习兴趣。 3.教学手段板书、PPT、动画、实验、Matlab 仿真分析与综合。六、各教学环节学时分配章节教学环节讲课习题课讨论课实验合计第一章绪论 2 2 第二章系统的数学模型 6 6 第三章系统的时间响应分析 4 4 第四章系统的频率特性分析 6 6 第五章系统的稳定性分析 6 6 第六章 4 2

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，解决问愿的方案基本不 40-59分正确、不合理，不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，不能制定正确和合理解 0-39分决问题的方案。 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10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 9-10分与其他同学合作、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法， 6-8分能与其他同学合作、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、不能阐明自己的观点和 35分想法，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、02分交流，共同解决问题。 4)实验：按实验操作和实验报告进行评分，10分。实验评分标准：过程控关注点优秀(10分) 良好(8分) 制合格(6分) 按时参实验按时参加实验实验有退到，原始数实验态度原始数据记录基本完原始数据记录完整记录不完整整实验操作（权垂实验过程操作规范实验过程操作基本规实验过程操作基本规操作技能能较好完成相应帮 0.5) 范、能完成基本操作范、能完成基本操作作协作精神主动做好分配任务基本完成分配的任务被动参与实验并能协助同组成员能同组成员配合实验报数据分折处实哈数据移理规范实哈数据整理规范。计实哈数据和整理有明告（权重理能力计算结果正确算结果基本正确显错误 0.5) 综合应用知能综合实验数据分能综合实验数据分析结论错误

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 10 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。 9-10 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。 6-8 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。 3-5 分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 4）实验：按实验操作和实验报告进行评分， 10 分。实验评分标准：过程控制关注点优秀（10 分）良好（8 分）合格（6 分）实验操作（权重 0.5）实验态度按时参加实验原始数据记录完整按时参加实验原始数据记录基本完整实验有退到，原始数据记录不完整操作技能实验过程操作规范、能较好完成相应操作实验过程操作基本规范、能完成基本操作实验过程操作基本规范、能完成基本操作协作精神主动做好分配任务，并能协助同组成员基本完成分配的任务，能同组成员配合被动参与实验实验报告（权重 0.5）数据分析处理能力实验数据整理规范，计算结果正确实验数据整理规范，计算结果基本正确实验数据和整理有明显错误综合应用知能综合实验数据分能综合实验数据分析结论错误