《机械控制工程基础》课程教学大纲

机械控制工程基础课程教学大纲一、课程基本信息1课程编号：MACH4008012课程体系/类别：专业类/专业核心课3学时/学分：56学时/ 3学分4先修课程：高等数学、积分变换、理论力学、电工电子技术、机械设计基础、大学计算机基础、高级程序设计5适用专业：机械大类专业（包括机械工程、车辆工程、测控技术与仪器、能源与动力工程和工业工程）二、课程目标及学生应达到的能力机械控制工程基础是西安交通大学机械类专业的一门专业核心课程，主要授课内容是运用现代数学知识、自动控制理论和信息技术来分析、设计典型机电控制系统。旨在培养学生运用科学方法和工具来解决机械工程基本问题的系统分析设计能力、综合创新能力。本课程的主要任务是通过课堂教学、计算机仿真实训、实验教学等教学方式，使学生掌握实现机械系统自动控制的基本理论；学会典型机电系统的数学建模、运行性能分析和系统设计、校正与补偿等基本知识和基本技能；具有基本的机电控制系统分析设计能力，以及对复杂机械系统的控制问题进行分析、求解和论证的能力，并了解机械控制领域的新理论和新技术，支撑毕业要求中的相应指标点。课程目标及能力要求具体如下：课程目标1. 掌握机械控制系统的基本概念和组成原理，具备自动控制原理与系统的基础概念；掌握典型机电传动单元与系统的数学建模方法；掌握机电系统的时域和频域分析设计校正方法。（毕业要求中的第1）课程目标2. 培养学生对机械控制工程中复杂问题的分析能力，能够对复杂机械控制系统进行分析、设计，并能够采用相关软件进行模拟仿真，能够构建实验控制系统进行分析研究，具有研究和解决机械控制工程问题的能力。（毕业要求中的第2、4）课程目标3. 初步了解机械系统常用的控制方法，以及现代控制和智能控制的原理，了解机械控制理论的现状与发展趋势。培养学生运用机械控制工程领域新技术新方法对复杂机械工程中的系统控制问题进行理论分析、实验研究的能力。（毕业要求中的第4）毕业要求毕业要求指标点课程目标对毕业要求的支撑关系1.工程知识1.4 掌握机械设计、制造及其自动化领域的专业知识，能将其与数理基础、工程基础和经济管理等知识相结合，综合应用于解决复杂机械工程问题。课程目标12. 问题分析2.2 能够通过文献查阅、分析或实验、实践，对复杂工程问题进行解释并提出相应的解决方案。能理解工程问题解决方案的多样性，并对不同方案进行比较、评价。课程目标24.研究4.2 能够对复杂工程问题中所涉及到的物理现象、材料特性以及系统性能进行理论分析或实验测试、验证；课程目标3三、课程教学内容与学时分配序号教学内容教学要求推荐学时教学方式对应的课程目标（1） 1（2） 第一章 绪论（3） 1.1 引言（4） 机电控制工程的研究对象、用途、基本内容、学科发展简史等（5） 1.2 机电控制系统基本概念与术语（6） 控制系统的定义及组成，控制系统分析与设计的主要性能指标，计算机辅助设计，控制系统主要任务等（7） 1.3 典型机电控制系统的介绍（8） 运用微分方程对典型机电控制系统进行分析，并利用拉普拉斯变换对系统进行处理。1.掌握机械控制工程的基本概念以及学科发展史；2.掌握典型机电控制系统的数学分析方法。2讲授12第二章 机电系统数学建模2.1 从建立机电系统的运动微分方程入手，经Laplace变换，引出传递函数、方框图等概念。2.2 典型的电路环节、平动机械传动环节、转动机械传动环节、典型机电对象的传递函数。2.3 复杂机电系统传递函数的构建，系统方块图的绘制、简化等。1.掌握机电控制系统通过微分方程数学建模、传递函数建模的基本方法；2.掌握典型机电系统的传递函数数学模型。4讲授1、23第三章 系统的时域响应分析3.1 时间响应与时域特性概念3.2一阶系统、二阶系统的时域响应及其性能指标3.3高阶系统的时间响应与闭环主导极点3.4 系统误差分析1.掌握机械控制系统的时域分析方法；2.掌握典型机电系统的性能指标表征和分析方法。8讲授1、24第四章 系统的稳定性分析4.1 系统稳定性的概念及准则4.2 劳斯稳定性判据及应用4.3 奈奎斯特稳定性判据及应用4.4 系统的相对稳定性1掌握系统稳定性的基本概念及基本判断方法；2掌握系统相对稳定性的校验方法。45第五章 基于根轨迹法的系统设计与校正5.1 根轨迹的定义、性质、画法、应用法则等5.2 基于根轨迹法的系统校正补偿方法，包括PI校正、PD校正、PID校正等1.掌握根轨迹法设计与校正系统原理；2.掌握用计算机求解根轨迹设计校正方法。3.初步掌握PID校正方法10讲授1、26第六章 基于频率响应的系统设计与校正5.1 系统频率响应的定义、性质，一阶系统、二阶系统的频率特性Bode图、Nyquist图画法与应用，典型机电系统的频域特性分析和系统辨识等5.2 基于系统频率响应系统校正补偿，相位超前、相位滞后、相位超前滞后校正等5.3 PID校正方法1.掌握系统频率响应分析的基本思想；2.掌握用bode图，Nyquist图进行典型机电系统频域分析和校正的方法8讲授1、27第七章 现代智能控制理论的发展趋势和应用7.1 现代控制理论基本概念及其应用7.2 智能控制理论方法及其发展趋势1.查阅中英文文献，撰写关于机器人智能控制理论现状及其未来发展趋势的课程报告，并做PPT进行简要汇报。（此内容每届需更新）4讲授38上机一 Matlab计算基础Matlab界面与定义，数值计算，逻辑计算，矩阵运算，符号运算，复数和复变函数运算，Laplace变换等在典型机电系统中的应用。1、掌握用Matlab进行一般数值计算的方法。2、利用Matlab软件对弹簧-质量-阻尼等二阶机械系统特性进行分析。4上机29上机二 Simulink仿真基础Simulink建模仿真，功能模块处理，仿真器参数设置，S函数设置与典型机电控制系统的应用等。学会使用Simulink搭建弹簧-质量-阻尼、机械传动等控制系统结构图，并在不同仿真条件下观察系统的稳定性。4上机210上机三 控制系统数学模型Simulink中的控制系统模型表示，系统数学模型的转换与连接。学会在Simulink环境下建立弹簧-质量-阻尼、机械传动、机床切削过程等控制系统数学模型。2上机1、211上机四 时域分析法及应用时域响应性能指标求取，二阶系统参数对时域响应性能的影响，LTI Viewer应用，稳定性分析1.学会用Matlab函数和LTI Viewer分析一阶弹簧-阻尼系统、二阶机械平移、转动系统的时域特性，并对系统的响应时间、超调量等参数进行分析。2.针对球杆系统、倒立摆系统、带弹簧的直线伺服电机系统等建立数学模型，并转换成传递函数，通过Simulink对系统特性进行分析。2上机1、212上机五 根轨迹法根轨迹分析相关的MATLAB函数， 根轨迹分析与设计工具rltool， 利用MATLAB绘制根轨迹图，正反馈系统的根轨迹，参数根轨迹，时滞系统的根轨迹，用根轨迹法分析系统的瞬态特性，控制系统的根轨迹法校正。1.学会用Matlab及其rltool工具对机械一阶、二阶控制系统进行根轨迹分析与校正。2.对球杆系统、倒立摆系统、带弹簧的直线伺服电机系统等系统分析其根轨迹特性，确定控制参数。4上机1、213上机六 频域分析与PID校正系统的Bode图Nyquist图画法，系统的频率响应分析与稳定性分析，应用MATLAB/Simulink设计 PID控制器。1.学会用Matlab中函数对系统的频率响应进行分析，学会PID控制器设计与参数整定；2.并在simulink对PID等控制算法设计的参数对系统进行校正仿真4上机214实验一：基于直流伺服电机的旋转运动控制与校正实验1.通过对直流伺服电机进行建模，通过Matlab对模型进行分析，掌握直流伺服电机控制系统的时域与频域特征；2.通过编程和仿真综合实验装置，观察和分析不同参数的频率特性，掌握PID参数的整定方法；3. 掌握直流伺服电机控制系统的校正方法，分析不同PID参数与电机控制系统性能的关系。2（4）实验1、2、315实验二：基于比例电磁铁的直线运动控制与校正实验1.掌握比例电磁铁控制系统的时域与频域特征；2.通过编程和仿真综合实验装置，观察和分析不同参数的频率特性，掌握PID参数的整定方法；3. 掌握比例电磁铁控制系统的校正方法，分析PID参数与比例电磁铁控制系统性能的关系。2（4）实验1、2、316实验三：基于直线伺服电机的控制与校正实验1. 建立直线伺服电机、弹簧系统的数学模型，通过Matlab等软件对直线伺服电机系统进行分析，掌握直线伺服电机系统的时域与频域特征；2.通过编程和仿真综合实验装置，观察和分析不同参数的频率特性，并根据根轨迹方法确定球杆系统的调整参数；3. 掌握直线伺服电机控制系统的校正方法，分析PID参数与直线伺服电机控制系统性能的关系。4（8）实验1、2、317实验四：基于直流伺服电机的球杆控制与校正实验1.建立球杆系统的数学模型，通过Matlab等软件对球杆系统进行分析，掌握球杆位置控制系统的时域与频域特征；2.通过编程和仿真综合实验装置，观察和分析不同参数的频率特性，并根据根轨迹方法确定球杆系统的调整参数，明；3. 掌握在Simulink实时控制系统中，球杆位置控制系统的校正方法，通过对比球杆系统的仿真结果与球杆位置控制系统，分析PID参数与控制系统性能之间关系。4（8）实验1、2、318实验五：基于倒立摆系统的控制与校正系统1. 建立倒立摆系统的数学模型，通过Matlab等软件对倒立摆系统进行分析，掌握倒立摆系统的时域与频域特征；2.通过编程和仿真综合实验装置，观察和分析不同参数的频率特性，并根据根轨迹方法确定球杆系统的调整参数；3. 掌握在Simulink实时控制系统中，倒立摆系统的校正方法，通过对比倒立摆系统的仿真结果与实时控制系统，分析PID参数与控制系统性能之间关系。4（8）实验1、2、3备注：（1）实验室提供以上5个大综合实验条件，要求学生自由选择其中4个；（2）学生4-5人一组自由组合。每个综合实验1个组长4个组员，由组长协调组员的分工；第2个综合实验换1个组长，新组长协调组员完成新的综合实验。（3）对于每个综合实验，2-4学时课内、4-8学时课外。（4）综合实验完成后除了提交实验报告外，还需准备PPT进行答辩。每组答辩总时间20分钟，每个小组由2个人分别汇报每个综合实验完成情况，每人汇报7分钟，2人共14分钟，教师提问6分钟。（5）答辩时由任课教师与实验教师共同组成评委，评委给出每个小组、每个综合实验的总成绩，由组长根据组员在实验中的实际贡献度分配成绩，原则上不可平分。四、课程教学方法（一）课堂讲授（40学时）1采用启发式教学，通过结合具体如机器人控制系统、机床运动控制系统、液压伺服控制系统等实例教学，激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，引导学生主动通过实践和自学获得自己想学到的知识。2在教学内容上，系统讲授古典控制理论应用于机电系统的基本理论、基本知识和基本方法，初步介绍现代控制、智能控制理论的基本知识和方法，并通过学生查阅中英文文献，撰写有关机器人智能控制理论前沿发展报告，使学生能够系统掌握用于解决机械控制工程问题的专业基础知识，并了解学科前沿知识。3在机械控制系统绪论、数学建模、时域分析、稳定性分析、系统设计与校正、频域分析等教学环节中采用电子教案与多媒体教学，提高课堂教学信息量，增强教学效果。4在进行弹簧-质量-阻尼、机械传动等典型机械控制系统的案例教学环节中，理论教学、计算机仿真模拟与综合实验教学相结合，引导学生应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，采用现代设计方法和手段，进行机械控制系统的分析、设计、仿真、实验，培养其识别、表达和解决机械控制相关工程问题的思维方法和实践能力。（二）计算机仿真操作（课外20学时）围绕各章教学重点内容，介绍Matlab计算机控制仿真分析软件，并指导学生上机操作。在进行弹簧-质量-阻尼、机械传动等典型机械控制系统的案例教学环节中，运用所学的Matlab知识进行分析。（三）综合实验（16学时，32小时）课程选做综合实验4个，学生按照实验指导书的要求，独立或分组完成，提交实验报告，并进行PPT答辩。五、课程的考核环节及课程目标达成度自评方式（一）课程的考核环节课程的考核主要是检查学生对各知识点的掌握程度和应用能力，包括课后作业、期末考试、实验报告（含上机仿真与综合实验）三部分组成。总评成绩以百分计，满分100分，各考核环节所占分值比例可根据具体情况进行微调，建议值及考核细则如下。考核环节建议分值考核/评价细则对应的课程目标作业10（1）主要考核学生对每章节知识点的复习、理解和掌握程度；（2）每次作业按10分制单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。1，2实验30（1）根据每个实验的实验情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）取各次实验成绩的平均值乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。1、2、3期末考试60（1）卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核机械控制系统的基本概念和系统分析设计方法等内容。考试题型为填空、选择、判断正误、简答、分析计算题等。1，2，3（二）课程目标达成度评价方式课程目标达成度评价包括课程分目标达成度评价和课程总目标达成度评价，具体计算方法如下：达成度评价值计算的具体说