《机械工程控制基础》课程教学大纲 课程中文名称：机械工程控制基础 课程英文名称：The Basic Theory of Mechanical Engineering Control 课程编号：Z16602 课程性质：专业基础课 学时：总学时54、理论课学时44、实验课学时10 学分：3 适用对像：机械设计制造及其自动化 先修课程：高等数学、理论力学、大学物理、电工学、机械设计基础等 课程简介： 本课程主要介绍机械工程控制的基本概念、系统的数学模型、时间响应分析、频率特性分析、 系统的稳定性、系统的性能分析与校正等基本控制知识。本书力求在讲清机械工程控制的基本概述 的前提下，更多地结合机械工程实际，以帮助学生领悟与学会应用控制理论来解决机械工程的实际 问题奠定必要的基础。 一、教学目标及任务 本课程具有很强的理论性和较强的实践性，不仅是一门重要的学科，更是一门卓越的方法论， 要善于和哲学结合起来分析问题。主要向学生介绍机械工程控制的基础知识。既要了解一般规律， 又要充分注意结合实际，联系专业：要善于从个性总结共性，要善于从共性了解个性，拓展提出问 题解决问题的思路：通过本课程的学习，可以培养学生严谨的科学学风，提高学生分析问题、解决 问题的能力。 二、学时分配 理论 实验 章节 理论教学内容 实验项目 学时 第一章 控制论的基本概念 4 第二章 拉普拉斯变换 6 MATLAB的基本使用 2 第三章 系统的数学模型 8 控制系统的数学模型建立与连接 2 第四章 系统的时间响应分析 8 控制系统的时域、频域分析，Smulink 第五章 系统的频率响应分析 8 的使用基本实验 第六章 系统的稳定性 6 第七章 控制系统设计与分析实验 系统性能校正 4 合 44 合计 10
《机械工程控制基础》课程教学大纲 课程中文名称：机械工程控制基础 课程英文名称：The Basic Theory of Mechanical Engineering Control 课程编号：ZJ16602 课程性质：专业基础课 学 时：总学时 54、理论课学时 44、实验课学时 10 学 分：3 适用对象：机械设计制造及其自动化 先修课程：高等数学、理论力学、大学物理、电工学、机械设计基础等 课程简介： 本课程主要介绍机械工程控制的基本概念、系统的数学模型、时间响应分析、频率特性分析、 系统的稳定性、系统的性能分析与校正等基本控制知识。本书力求在讲清机械工程控制的基本概述 的前提下，更多地结合机械工程实际，以帮助学生领悟与学会应用控制理论来解决机械工程的实际 问题奠定必要的基础。 一、教学目标及任务 本课程具有很强的理论性和较强的实践性，不仅是一门重要的学科，更是一门卓越的方法论， 要善于和哲学结合起来分析问题。主要向学生介绍机械工程控制的基础知识。既要了解一般规律， 又要充分注意结合实际，联系专业；要善于从个性总结共性，要善于从共性了解个性，拓展提出问 题解决问题的思路；通过本课程的学习，可以培养学生严谨的科学学风，提高学生分析问题、解决 问题的能力。 二、学时分配 章 节 理论教学内容 理论 学时 实验项目 实验 学时 第一章 控制论的基本概念 4 / 第二章 拉普拉斯变换 6 MATLAB 的基本使用 2 第三章 系统的数学模型 8 控制系统的数学模型建立与连接 2 第四章 系统的时间响应分析 8 控制系统的时域、频域分析，Smulink 的使用基本实验 2 第五章 系统的频率响应分析 8 第六章 系统的稳定性 6 控制系统设计与分析实验 4 第七章 系统性能校正 4 合 计 44 合计 10
三、教学内容及教学要求 机械工程控制理论是研究控制论在机械工程中应用的科学，即研究在这一工程领域中广义系统 的动力学问题，包括系统本身的动态关系。通过本课程的学习，要求学生： (1)了解控制系统数学模型的建立及相关工程数学基础知识。 (2)掌握控制系统的时域和频域特性分析方法的基本概念。 (3)理解判别线性系统稳定性的基本概念，掌握线性系统稳定性的判据， (4)了解系统的综合方法。 第一章机械工程控制论的基本概念(4学时) 教学要求：学会用系统论、信总息论的观点分析广义系统的动态特性、信息流，理解信息反馈的 含义及其作用：掌握控制系统的基本概念、基本变量、基本组成和工作原理：绘制控制系统方框图。 教学重点与难点：广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制。 教学内容 第一节机械工程控制论研究的对象和任务(1学时) 工程控制论的研究对象和任务，该课程研究对象实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问 题，其主要任务分析和研究系统、输入和输出三者之间的关系。 第二节系统及其模型(1学时) 系统、机械系统以及系统的静态和动态数学模型概念 第三节 反馈(1字时 机械系统中的反馈和内部反馈概念，阐明控制论的中心思想就是反馈控制。 第四节系统的分类及对控制系统的基本要求(0.5学时) 系统的分类，控制系统的基本组成和闭环控制系统的特点 第五节机械制造的发展与控制理论的应用(0.4学时) 控制论形成发展的历史过程，简单介绍控制论在机械工程各个领域的应用和发展情况。 第六节本课程的特点与学习方法(0.1学时) 学习本课程中的要点和学习方法。 本章习题要点：反馈控制系统的构成环节 第二章拉氏变换(6学时) 教学要求：了解积分变换和拉普拉斯变换的基本概念：熟练掌握常用典型函数的拉氏变换： 掌握拉氏变换的基本定理：掌握拉氏变换的求取方法：会用拉氏变换解微分方程。 教学重点与难点：典型函数的拉氏变换及拉氏逆变换定理：拉氏逆变换变换的求取方法。 教学内容： 第一节积分变换与拉普拉斯变换(1学时) 积分变换和拉氏变换 的概念、几种典型函数的拉氏变换 第二节拉普拉斯变换的主要定理(2学时) 拉氏变换的叠加定理、积分定理、初值定理、终值定理等十个常用定理。 第三节拉氏逆变换(2学时) 拉氏逆变换的定义以及拉氏逆变换的求法、海维赛定理以及MATLAB求解。 第四节 用 氏变换解线性微分方程(1学时》 利用拉氏变换的方法求解微分方程和方程组， 第三章系统的数学模型(8学时) 教学要求：掌握系统的微分方程的建立方法、传递函数的求取、系统的传递函数方框图及其
三、教学内容及教学要求 机械工程控制理论是研究控制论在机械工程中应用的科学，即研究在这一工程领域中广义系统 的动力学问题，包括系统本身的动态关系。通过本课程的学习，要求学生： （1）了解控制系统数学模型的建立及相关工程数学基础知识。 （2）掌握控制系统的时域和频域特性分析方法的基本概念。 （3）理解判别线性系统稳定性的基本概念，掌握线性系统稳定性的判据。 （4）了解系统的综合方法。 第一章 机械工程控制论的基本概念（4 学时） 教学要求：学会用系统论、信息论的观点分析广义系统的动态特性、信息流，理解信息反馈的 含义及其作用；掌握控制系统的基本概念、基本变量、基本组成和工作原理；绘制控制系统方框图 。 教学重点与难点：广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制。 教学内容： 第一节 机械工程控制论研究的对象和任务（1 学时） 工程控制论的研究对象和任务，该课程研究对象实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问 题，其主要任务分析和研究系统、输入和输出三者之间的关系。 第二节 系统及其模型（1 学时） 系统、机械系统以及系统的静态和动态数学模型概念。 第三节 反馈（1 学时） 机械系统中的反馈和内部反馈概念，阐明控制论的中心思想就是反馈控制。 第四节 系统的分类及对控制系统的基本要求（0.5 学时） 系统的分类，控制系统的基本组成和闭环控制系统的特点。 第五节 机械制造的发展与控制理论的应用（0.4 学时） 控制论形成发展的历史过程，简单介绍控制论在机械工程各个领域的应用和发展情况。 第六节 本课程的特点与学习方法（0.1 学时） 学习本课程中的要点和学习方法。 本章习题要点：反馈控制系统的构成环节 第二章 拉氏变换（6 学时） 教学要求：了解积分变换和拉普拉斯变换的基本概念；熟练掌握常用典型函数的拉氏变换； 掌握拉氏变换的基本定理；掌握拉氏变换的求取方法；会用拉氏变换解微分方程。 教学重点与难点：典型函数的拉氏变换及拉氏逆变换定理；拉氏逆变换变换的求取方法。 教学内容： 第一节 积分变换与拉普拉斯变换（1 学时） 积分变换和拉氏变换的概念、几种典型函数的拉氏变换。 第二节 拉普拉斯变换的主要定理（2 学时） 拉氏变换的叠加定理、积分定理、初值定理、终值定理等十个常用定理。 第三节 拉氏逆变换（2 学时） 拉氏逆变换的定义以及拉氏逆变换的求法、海维赛定理以及 MATLAB 求解。 第四节 应用拉氏变换解线性微分方程（1 学时） 利用拉氏变换的方法求解微分方程和方程组。 第三章 系统的数学模型（8 学时） 教学要求：掌握系统的微分方程的建立方法、传递函数的求取、系统的传递函数方框图及其
简化。 教学内容 第一节系统的微分方程(2学时) 建立数学模型的一般步骤、微分方程的列写方法，以及常见机械和电气系统微分方程的列写， 微分方程的增量化表示。 發、 节系统的传递函数(2学时) 传递函数、及其零点 极点的概念，典型环节及其传递函数 第三节系统的传递函数方框图及其荷化(3学时) 传递函数方框图的基本要素、方框图的建立方法，方框图的简化规则和方法。 第四节反馈控制系统的传递函数(0.5学时) 开环传递函数和闭环传递函数的概念、输入和干扰作用下的响应。 第五节 相似原理(0.5 相似系统的概念。不同的系统可以具有相似的数学模型，也就可以用相同的方法取研究。 第四章系统的时间响应分析(8学时) 教学要求：了解时间响应的概念和组成，掌握一阶系统、二阶系统和高阶系统的时间响应分 教学重点与难点：一阶系统的定义、基本参数、单位脉冲响应、单位阶跃响应及单位斜坡 应曲线的基本形状和意义：二阶系统的定义、基本参数，单位脉冲响应、单位阶跃响应及单位斜坡 响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系：二阶系统性能指标的定义及其与 系统特征参数之间的关系：系统误差的定义，系统误差与系统偏差的关系，误差及稳态误差的求法。 教学内容： 第一节时间响应及其组成(1学时 非齐次微分方程时间响应的构成，稳态响应与瞬态响应的概念。 第二节典型输入信号(0.5学时) 常见的典型输入信号以及选取典型信号的原则 第三节一阶系统(1学时) 介绍一阶系统的脉冲、阶跃和速度信号输入的响应及特点。 第四节二阶系统(2学时) 二阶系统的脉冲、阶跃和速度信号输入的响应及特点。 第五节高阶系统(0.5学时) 高阶系统及其主导极点的概念。 第六节系统误差分析与计算(3学时) 系统误差与偏差概念，误差系数和稳态误差的求解方法。 第五章系统的频率响应分析(8学时) 教学要求：了解掌握频率特性的极坐标图（乃奎斯特图）、频率特性的对数坐标图（伯德图） 的绘制：最小相位系统的概念和闭环频率特征和频率特性特征量。 教学重点与难点：频率特性基本概念、代数表示法及其特点：频率特性的图示法原理，典型 环节的图示法及其特点，一般系统频率特性的Bode图和Nyquist图的绘制。 教学内容： 第一节频率特性概述(2学时)
简化。 教学重点与难点：系统微分方程的列写；传递函数的概念、特点及求法；典型环节的传递函 数；传递函数方框图的绘制和简化。 教学内容： 第一节 系统的微分方程（2 学时） 建立数学模型的一般步骤、微分方程的列写方法，以及常见机械和电气系统微分方程的列写， 微分方程的增量化表示。 第二节 系统的传递函数（2 学时） 传递函数、及其零点和极点的概念，典型环节及其传递函数。 第三节 系统的传递函数方框图及其简化（3 学时） 传递函数方框图的基本要素、方框图的建立方法，方框图的简化规则和方法。 第四节 反馈控制系统的传递函数（0.5 学时） 开环传递函数和闭环传递函数的概念、输入和干扰作用下的响应。 第五节 相似原理（0.5 学时） 相似系统的概念。不同的系统可以具有相似的数学模型，也就可以用相同的方法取研究。 第四章 系统的时间响应分析（8 学时） 教学要求：了解时间响应的概念和组成，掌握一阶系统、二阶系统和高阶系统的时间响应分 析。 教学重点与难点：一阶系统的定义、基本参数、单位脉冲响应、单位阶跃响应及单位斜坡响 应曲线的基本形状和意义；二阶系统的定义、基本参数，单位脉冲响应、单位阶跃响应及单位斜坡 响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系；二阶系统性能指标的定义及其与 系统特征参数之间的关系；系统误差的定义，系统误差与系统偏差的关系，误差及稳态误差的求法。 教学内容： 第一节 时间响应及其组成（1 学时） 非齐次微分方程时间响应的构成，稳态响应与瞬态响应的概念。 第二节 典型输入信号（0.5 学时） 常见的典型输入信号以及选取典型信号的原则。 第三节 一阶系统（1 学时） 介绍一阶系统的脉冲、阶跃和速度信号输入的响应及特点。 第四节 二阶系统（2 学时） 二阶系统的脉冲、阶跃和速度信号输入的响应及特点。 第五节 高阶系统（0.5 学时） 高阶系统及其主导极点的概念。 第六节 系统误差分析与计算（3 学时） 系统误差与偏差概念，误差系数和稳态误差的求解方法。 第五章 系统的频率响应分析（8 学时） 教学要求：了解掌握频率特性的极坐标图（乃奎斯特图）、频率特性的对数坐标图（伯德图） 的绘制；最小相位系统的概念和闭环频率特征和频率特性特征量。 教学重点与难点：频率特性基本概念、代数表示法及其特点；频率特性的图示法原理，典型 环节的图示法及其特点，一般系统频率特性的 Bode 图和 Nyquist 图的绘制。 教学内容： 第一节 频率特性概述（2 学时）
频率特性的概念、频率特性与传递函数的关系、顿率特性的求解方法和频率特性的特点、应 用。 第二节频率特性的图示法(5学时 频率特性极坐标图、典型环节极坐标图和一般系统的极坐标图的绘制方法和基本性状：频率 特性的对数坐标图及其绘制方法： 第三节闭环频率特性(0.5学时) 闭环和开环频率特性图形的差异和特点 第四节 频率特性的特征量(0.5学时 频率特性的特征量 第六章系统的稳定性(6学时) 教学要求：了解掌握系统稳定性的定义，稳定的基本条件：掌握Routh、Nyquist和Bode判 据，能够利用这些判据判定系统的稳定性：掌握稳定性储备系数及其求法 教学重点与难点：Routh、Nyquist和Bode判据及其使用：稳定性储备系数求解 教学内容： 第一节系统稳定性的初步概念(05学时) 系统不稳定现象的发生、稳定的定义和条件】 第一节R0th定判据(1学时) 系统稳定的充分必婴条件、R th稳定判据及其使用、Routh判据的特殊情况 第三节Nyquist(尼奎斯特)稳定判据(1.5学时) 幅角原理、Nyquist判据及其应用。 第四节Bode(伯德)稳定判据(1.5学时) Nyquist图和Bode图的关系、Bode判据及其应用 第五节系统的相对稳定性1.5学时) 幅值裕度和相位裕度及其求法。 第七章系统性能校正(4学时) 教学要求：了解系统校正的概含：熟练掌握各种校正的特点：堂握相位超前校正装置、相骨 滞后校正装置和相位超前滞后校正装置的模型：掌握PD调节的基本规律及各种调节器的特点：掌 握反馈校正、顺馈校正的意义 基本形式、特点和作用 教学重点与难点：反馈校正、顺馈校正的定义、基本形式、作用和特点：各种校正装置的特 点及其设计方法：PID校正的基本规律及各种调节器的特点。 学内容： 第 节系统的性能指标与系统校正方法概(05学时) 系统时域、频域性能指标和综合性能指标：常见的校正方法及分类 第二节串联PID校正(1学时) PID校正的概念以及P、PI、PD、PID校正的特点。 第三节PD控制规律的实现(2学时) PID校正的实现方法、近似PID校正的原理」 第四节反馈校正和顺亏校正（自学） 略（不占学时 第五节工程系统最优模型(0.5学时) 简要介绍工程系统二阶和三阶最优模型的概念
频率特性的概念、频率特性与传递函数的关系、频率特性的求解方法和频率特性的特点、应 用。 第二节 频率特性的图示法（5 学时） 频率特性极坐标图、典型环节极坐标图和一般系统的极坐标图的绘制方法和基本性状；频率 特性的对数坐标图及其绘制方法； 第三节 闭环频率特性（0.5 学时） 闭环和开环频率特性图形的差异和特点。 第四节 频率特性的特征量（0.5 学时） 频率特性的特征量 第六章 系统的稳定性（6 学时） 教学要求：了解掌握系统稳定性的定义，稳定的基本条件；掌握 Routh、Nyquist 和 Bode 判 据，能够利用这些判据判定系统的稳定性；掌握稳定性储备系数及其求法。 教学重点与难点： Routh、Nyquist 和 Bode 判据及其使用；稳定性储备系数求解。 教学内容： 第一节 系统稳定性的初步概念（0.5 学时） 系统不稳定现象的发生、稳定的定义和条件。 第二节 Routh 稳定判据（1 学时） 系统稳定的充分必要条件、Routh 稳定判据及其使用、Routh 判据的特殊情况。 第三节 Nyquist(尼奎斯特)稳定判据（1.5 学时） 幅角原理、Nyquist 判据及其应用。 第四节 Bode（伯德）稳定判据（1.5 学时） Nyquist 图和 Bode 图的关系、Bode 判据及其应用。 第五节 系统的相对稳定性（1.5 学时） 幅值裕度和相位裕度及其求法。 第七章 系统性能校正（4 学时） 教学要求：了解系统校正的概念；熟练掌握各种校正的特点；掌握相位超前校正装置、相位 滞后校正装置和相位超前滞后校正装置的模型；掌握 PID 调节的基本规律及各种调节器的特点；掌 握反馈校正、顺馈校正的意义、基本形式、特点和作用。 教学重点与难点：反馈校正、顺馈校正的定义、基本形式、作用和特点；各种校正装置的特 点及其设计方法；PID 校正的基本规律及各种调节器的特点。 教学内容： 第一节 系统的性能指标与系统校正方法概述（0.5 学时） 系统时域、频域性能指标和综合性能指标；常见的校正方法及分类。 第二节 串联 PID 校正（1 学时） PID 校正的概念以及 P、PI、PD、PID 校正的特点。 第三节 PID 控制规律的实现（2 学时） PID 校正的实现方法、近似 PID 校正的原理。 第四节 反馈校正和顺亏校正（自学） 略（不占学时） 第五节 工程系统最优模型（0.5 学时） 简要介绍工程系统二阶和三阶最优模型的概念
四、考核方式及要求 本课程的考核主要有以下几部分组成： 1、平时成绩：包括作业、实验与出勤情况，占总成绩的20%： 2、实验成绩：包括实验的出勤、实验的过程以及实验报告的书写，包含在平时成绩中： 3、考试成绩：闭卷，占总成绩的60%： 五、教材及教学主要参考书 [1]杨叔子、杨克冲等.机械工程控制基础（第5版）.武汉：华中理工大学出版社，2005 [2]孙亮、杨鹏.自动控制原理.北京：北京工业大学出版社，2000. [3)王积伟、吴振顺.控制工程基础.北京：机械工业出版社，200L. [4]董景新、赵长德.控制工程基础（第11版）.北京：清华大学出版社，2002. 大纲制定人： 陈杰平 大纲审定人： 张春雨 制定时间： 2011-8-6
四、考核方式及要求 本课程的考核主要有以下几部分组成： 1、平时成绩：包括作业、实验与出勤情况，占总成绩的 20%； 2、实验成绩：包括实验的出勤、实验的过程以及实验报告的书写，包含在平时成绩中； 3、考试成绩：闭卷，占总成绩的 60%； 五、教材及教学主要参考书 [1]杨叔子、杨克冲等.机械工程控制基础(第 5 版).武汉：华中理工大学出版社，2005. [2]孙亮、杨鹏.自动控制原理.北京：北京工业大学出版社，2000. [3]王积伟、吴振顺.控制工程基础.北京：机械工业出版社，2001. [4]董景新、赵长德.控制工程基础(第 11 版).北京：清华大学出版社，2002. 大纲制定人： 陈杰平 大纲审定人： 张春雨 制定时间： 2011-8-6
