《机械工程控制基础》教学大纲.docx

1、机械工程控制基础课程教学大纲v课程基本信息英文名称Control Principles of Mechanical Engineering课程代码VEEN2120课程性质专业必修课程授课对象车辆工程专业学分2.5学时共54（其中讲课45,实验9）主讲教师修订日期2020 年 11 月 10 H指定教材Katsuhiko Ogata, Modern Control Engineering （fifth edition）, Prentice Hall；杨叔子、杨克冲、吴波、熊良才。机械工程控制基础，华中科技大学 出版社，2017年7月出版。二、课程目标（一）总体目标：本课程是机械类专业的一门重要专

2、业基础课，通过本课程的学习，使学生 学会应用“系统”、“动态”的概念，结合工程实际，应用经典控制论中的基 本概念和基本方法来分析、研究和解决车辆工程实际问题；并起到沟通、加强 数理基础与专业知识之间联系的作用，为其他测试、控制类课程的学习奠定基 础。（二）课程目标：课程目标1:掌握机械工程控制的基本概念，它的研究对象及任务。熟悉系 统的信息传递、反馈和反馈控制的概念及控制系统的分类。课程目标2：掌握机电系统数学模型的建立方法，明确数学模型的含义， 掌握传递函数定义、特点及推导方法，方块图及其简化法则。熟悉数学模型传 递函数、方块图和信号流程图之间的关系。课程目标3：能够根据所描述系统的数学模型

3、，进行时间响应分析、频域 分析。课程目标4：掌握系统稳定性的基本准则、判据及典型环节系统的动态响 应实现及性能分析。六、教材及参考书目1. 教材：Katsuhiko Ogata, Modern Control Engineering (fifth edition), Prentice Hall ； 杨叔子、杨克冲、吴波、熊良才。机械工程控制基础，华中科技大学 出版社，2017年7月出版。2. 参考书：卢京朝，自动控制原理第三版，清华大学出版社，2013年。七、教学方法主要教学方法包括讲授法、讨论法、基于问题(PBL)、案例(CBL)等方 法。(1) 讲授法：授课教师就教学内容进行逐条仔细讲解，

4、将正确的概念、思路传授给学 生。(2) 案例教学法：通过引入实际案例，讨论问题的成因、变化和处置思路，培养学生 解决实际问题的初步能力。(3) 课后练习和自学：布置课后练习，通过计算、问答和实践项目等形式，让学生课 后完成一定数量的练习，通过互相沟通、自学和询问老师等方式解决练习过程中遇到的实际 问题。八、考核方式及评定方法(-)课程考核与评价方式及成绩比例(1) 课程考核方式包括平时成绩(平时作业及任务)、平时测验(35次)、 实验情况考核及期末考试，期末考核采用闭卷笔试。(2) 课程成绩=平时成绩x20%+平时测验x30%+实验成绩x20%+期末考试 x30%o成绩的具体构成如下：表6：课

5、程考核与课程目标的对应关系表考核力式考核要求考核权重支撑的 课程目 标备注平时成绩大部分章节结束后会有布置课后作 业及任务，并会对作业进行批改和20%1, 2, 3,4评定成绩，最后计算出平均成绩。 按20%计入课程总成绩。平时测验共有3次平时测验，每次测验均批 改试卷和统计分数，取三次测验的 平均分作为最后成绩。按30%计入 课程总成绩。30%1, 2, 3,4实验根据实验结果和实验报告打分，取 6次实验的平均值作为最后成绩。 按20%计入课程总成绩。20%1, 2, 3,4评分细则见 实验项目 评分标准期末考试期末考试卷面成绩满分为100分， 最终按30%计入总成绩。30%1, 2, 3,

6、4（-）课程目标达成度分析课程目标达成度计算表如下：表7：课程目标的考核占比与达成度分析表课程目标对应考核形式实际评测结果（学生达到的平均水平）对应总分达成度课程目标1平时成绩、平 时测验、实验、期末考试（平时成绩X20%） /4+ （平时 测验 X 30% ）/4+ （实验 X20%）/4+期末考试对应试题平均分X30%20/4+30/4+20/4+ 期末考试对应试 题总分X30%达成度=实际测评结果/对应总分课程目标2平时成绩、平 时测验、实验、期末考试（平时成绩X20%） /4+ （平时 测验 X 30% ）/4+ （实验 X 20% ）/4+期末考试对应试题平均分X30%20/4+30

7、/4+20/4+ 期末考试对应试 题总分X30%达成度=实际测评结果/对应总分课程目标3平时成绩、平 时测验、实验、期末考试（平时成绩X20%） /4+ （平时 测验 X 30% ）/4+ （实验 X20%）/4+期末考试对应试题平均分X30%20/4+30/4+20/4+ 期末考试对应试 题总分X30%达成度二实际测评结果/对应总分课程目标4平时成绩、平 时测验、实验、期末考试（平时成绩X20%） /4+ （平时 测验 X 30% ）/4+ （实验 X 20% ）/4+期末考试对应试题平均分X30%20/4+30/4+20/4+期末考试对应试 题总分X30%达成度=实际测评结果/对应总分（三

8、）评分标准1.期末考试评价标准表8：期中、期末考试评价标准课程目标评分标准90-10080-8970-7960-69<60优良中合格不合格ABCDF课程目标1能完整、准确、清 晰、熟练地掌握机 械工程控制的基本 概念、研究对象及 任务，熟悉系统的 信息传递、反馈和 反馈控制的概念及 控制系统的分类。能基本完整和准确 的了解机械工程控 制的基本概念、研 究对象及任务，基 本熟悉系统的信息 传递、反馈和反馈 控制的概念及控制 系统的分类，但不 够清晰、熟练。基本能了解机械 工程控制的基本 概念、研究对象及 任务，大体熟悉系 统的信息传递、反 馈和反馈控制的 概念及控制系统 的分类，但存在少

9、量遗漏和错误。勉强能了解机械 工程控制的基本 概念、研究对象 及任务，勉强能 熟悉系统的信息 传递、反馈和反 馈控制的概念及 控制系统的分 类，但存在较多 遗漏和错误，且 模糊不清。基本无法了解机 械工程控制的基 本概念、研究对 象及任务，完全 不熟悉系统的信 息传递、反馈和 反馈控制的概念 及控制系统的分 类。课程目标2能完整、准确、清 晰、熟练的掌握机 电系统数学模型的 建立方法，明确数 学模型的含义，掌 握传递函数定义、 特点及推导方法， 方块图及其简化法 则。能基本完整和准确 的掌握机电系统数 学模型的建立方 法，明确数学模型 的含义，掌握传递 函数定义、特点及 推导方法，方块图 及其

10、简化法则，但 不够清晰、熟练。基本能掌握机电 系统数学模型的 建立方法，明确数 学模型的含义，掌 握传递函数定义、 特点及推导方法， 方块图及其简化 法则，但内容有少 量遗漏和错误，且 模糊不清。勉强能掌握机电 系统数学模型的 建立方法，明确 数学模型的含 义，掌握传递函 数定义、特点及 推导方法，方块 图及其简化法 贝h但内容有较 多遗漏和错误， 且模糊不清。基本无法掌握机 电系统数学模型 的建立方法，明 确数学模型的含 义，掌握传递函 数定义、特点及 推导方法，方块 图及其简化法 则。课程目标3能完整、准确、清 晰、熟练地根据所 描述系统的数学模 型，进行时间响应 分析、频域分析。能基本完

11、整和准确 地根据所描述系统 的数学模型，进行 时间响应分析、频 域分析，但不够清 晰、熟练。基本能根据所描 述系统的数学模 型，进行时间响应 分析、频域分析， 但内容有少量遗 漏和错误，且模糊 不清。勉强能根据所描 述系统的数学模 型，进行时间响 应分析、频域分 析，但内容有较 多遗漏和错误， 且模糊不清。基本无法根据所 描述系统的数学 模型，进行时间 响应分析、频域 分析。课程目标4能完整、准确、清 晰、熟练地掌握系 统稳定性的基本准 贝叭判据及典型环能基本完整和准确 地掌握系统稳定性 的基本准则、判据 及典型环节系统的基本能掌握系统 稳定性的基本准 贝叭判据及典型环 节系统的动态响勉强能掌

12、握系统 稳定性的基本准 贝叭判据及典型 环节系统的动态基本无法掌握系 统稳定性的基本 准则、判据及典 型环节系统的动节系统的动态响应 实现及性能分析。动态响应实现及性 能分析，但不够清 晰、熟练。应实现及性能分 析，但内容有少量 遗漏和错误，且模 糊不清。响应实现及性能 分析，但内容有 较多遗漏和错 误，且模糊不清。态响应实现及性 能分析。2.实验项目评价标准表9：实验项目评价标准成绩构成考核/评价环节分值考核/评价细则支撑的课程 目标实验结果实验结果的规 范和完整10该次允许存在实验误差，但实验结果是否规 范，实验内容与操作是否完整1、 2、 3、 4实验报告实验过程及实 验结果的分析与评价

13、90实验原理及方法描述正确、完整；实验结果 分析的规范、完整；实验感想的剖析深刻到 位1、 2、 3、 4注：实验评分标准（每次作业按100分计算）表10：实验项目评分标准项目优良中及格不及格实验结果（10 分）实验结果规范 和完整。9-10 分实验结果基本 规范和完整。8-9分实验结果基本 规范和完整，存在少量不足 和错误。6-7分实验结果不 太规范和完 整，存在一些 不足和错误。5-6分实验结果不 规范、也不完 整，存在较多 错误。5分以 下实验报告 （90 分）实验过程、结 果完整、正确； 数据分析正 确、规范、符 合实际；结果 评价中肯到 位。81-90分实验过程、结 果基本完整、 正

14、确；数据分 析正确、规范、 基本符合实 际；结果评价 基本正确。72-80 分实验过程、结 果基本正确； 数据分析基本 正确、基本符 合实际；结果 评价不到位。63-71 分实验过程、结 果不太完整； 数据分析不 太正确、有一 些不符合实 际之处；结果 评价不到位。54-62 分实验过程有 遗漏，结果不 正确；数据分 析不正确、不 符合实际；没 有结果评价。53分以下（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系：本课程支撑专业培养计划中毕业要求1、毕业要求2、毕业要求4：毕业要求指标点1-3.掌握机械工程基础理论和知识，能针对具体的车辆相 关的工程问题建立数学模型并求解；毕业要求指标点2-2.

15、针对复杂工程问题，具有运用数学与自然科学的基本 概念和语言进行识别、提炼、定义、表达和建模的能力；毕业要求指标点4-3.能对实验参数或结果进行分析和解释，并通过信息综 合与归纳得到合理有效的结论。表1：课程目标与毕业要求的对应关系表毕业要求 课程目标、毕业要求指标点1-3（权重0.2）毕业要求指标 点2-2（权重0.2）毕业要求指标 点4-3（权重0.3）课程目标1V课程目标2V课程目标3V课程目标4表2：课程目标与课程内容的对应关系表课程目标对应课程内容课程目标1第一章课程目标2第二章课程目标3第三章、第四章课程目标4第五章、第六章三、教学内容3.1讲授内容第一章绪论（一）教学内容（1）机械

16、工程控制论的研究对象与任务；（2）系统及其模型；（3）反馈；（4）系统的分类及对控制系统的基本要求；（5）机械制造的发展与控制理论的应用；（6）控制理论发展的简单回顾；（7）本课程的特点与学习方法；（二）知识、能力与素质的要求（1）了解机械工程控制的基本概念，它的研究对象及任务。（2）了解系统的信息传递、反馈和反馈控制的概念及控制系统的分类。（三）重点与难点1. 重点（1）机械工程控制的基本概念；（2）研究对象及任务；（3）控制系统的分类。2滩点无第二章机电系统的数学模型（一）教学内容（1）系统的微分方程；（2）系统的传递函数；（3）系统的传递函数方框图及其简化；（4）考虑扰动的反馈控制系统的

17、传递函数；（二）知识、能力与素质的要求（1）建立系统的数学模型，明确数学模型的含义；（2）了解传递函数定义、特点及推导方法，方块图及其简化法则；（三）重点与难点1.重点运用综合基础知识，建立系统的微分方程。建立系统传递函数概念，系统 构成及其传递函数，方块图简化及绘制。2滩点 系统的微分方程及传递函数的建立。第三章系统的时间响应分析(一) 教学内容(1) 时间响应及其组成；(2) 典型输入信号；(3) 一阶系统；(4) 二阶系统；(5) 系统误差分析与计算；(二) 知识、能力与素质的要求(1) 根据所描述系统的数学模型，求出系统的输出量随时间变化的规律, 并由此确定系统的性能；(2) 掌握一阶

18、、二阶系统的典型时间响应和高阶系统的时间响应以及主 导极点的概念，系统的误差与稳态误差的计算以及与系统型次的关系；(三) 重点与难点1.重点(1) 时间响应及其组成；(2) 一阶、二阶系统的典型时间响应；(3) 系统的误差与稳态误差的计算；2滩点(1) 典型系统对典型输入信号的响应；(2) 系统的误差与稳态误差的计算。第四章 系统的频率特性分析(一) 教学内容(1) 频率特性概述；(2) 频率特性的图示方法；(3) 频率特性的特征量；(4) 最小相位系统与非最小相位系统；(二) 知识、能力与素质的要求(1) 明确频率特性的基本概念，频率特性与传递函数的关系；(2) 掌握频率特性的两种表示方法以

19、及频率特性与时间响应之间的关系;(3) 基本环节及系统的极坐标图和波特图的画法；（4）熟悉闭环频率特性及相应的性能指标。（三）重点与难点1.重点（1）频率特性的两种表示方法以及频率特性与时间响应之间的关系；（2）极坐标图和波特图的画法；（3）闭环频率特性及相应的性能指标。2滩点频率特性的基本概念及其两种表示方法、画法及特点，闭环频率特性的性 能指标及其计算方法。第五章系统的稳定性（一）教学内容（1）系统稳定性的初步概念；（2）Routh稳定判据；（3）Nyquist稳定判据；（4）Bode稳定判据；（5）系统的相对稳定性；（二）知识、能力与素质的要求掌握稳定性的定义和条件，了解系统稳定性的初步

20、概念和相关提法，熟练 掌握和应用Routh稳定判据，了解Nyquist稳定判据和Bode稳定判据，并进而 了解系统相对稳定性的概念的求法。（三）重点与难点1 .重点（1）系统稳定性的初步概念；（2）Routh稳定判据；（3）Nyquist稳定判据；（4）系统的相对稳定性；2滩点稳定判据。第六章系统的性能指标与校正（一）教学内容（1）系统的性能指标；（2）系统的校正；（3）关于系统校正的一点讨论。（二）知识、能力与素质的要求了解系统的性能指标，系统地了解系统校正的各种方法。(三) 重点与难点1.重点(1) 系统的性能指标；(2) 系统校正的概念和分类。2滩点系统的校正。3.2实验项目表3：本课程

21、开设的实验项目编号实验项目名称学时类型要求备注1线性系统的时域分析9综合性必做注：1.类型指验证性、综合性、设计性等。2.要求指必做、选做。实验一、线性系统的时域分析1. 实验目的(1) 熟悉并掌握实验设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法;(2) 熟悉典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。对比差异、 分析原因；(3) 了解参数变化对典型环节动态特性的影响；2. 实验主要内容搭接比例环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、惯性环节和比 例积分微分环节的模拟电路图。观测这些环节对阶跃信号的实际响应曲线，改 变几组参数，分别记录实验波形及结果。3. 重难点(1) 电路搭建；(2)

22、 参数对典型环节动态响应的影响分析注：本课程授课对象为大三学生，实验类型为综合性实验，需要提交实验 报告，报告主要包括实验内容、实验目的、实验步骤、数据记录、分析、心得 体会等。实验评价内容和评分细则参见附录1。U!表4：各章节的具体内容和学时分配表早R章节内容学时分配第一章绪论：（1）机械工程控制论的研究对 象与任务；（2）系统及其模型；（3） 反馈；（4）系统的分类及对控制系统 的基本要求；（5）机械制造的发展与 控制理论的应用；（6）控制理论发展 的简单回顾；（7）本课程的特点与学 习方法；课堂教学3学时第二章机电系统的数学模型：（1）系统的微 分方程；（2）系统的传递函数；（3） 系统

23、的传递函数方框图及其简化；（4）考虑扰动的反馈控制系统的传 递函数；课堂教学10学时AA* * jitL 弟二早系统的时间响应分析：（1）时间响应 及其组成；（2）典型输入信号；（3） 一阶系统；（4）二阶系统；（5）系统 误差分析与计算；课堂教学9学时+实验9学时第四章系统的频率特性分析：（1）频率特性 概述；（2）频率特性的图示方法；（3） 频率特性的特征量；（4）最小相位系 统与非最小相位系统；课堂教学9学时第五章系统的稳定性：（1）系统稳定性的初 步概念；（2） Routh稳定判据；（3） Nyquist稳定判据；（4） Bode稳定判 据；（5 ）系统的相对稳定性；课堂教学8学时第六

24、章系统的性能指标与校正：（1）系统的 性能指标；（2）系统的校正；（3）关 于系统校正的一点讨论。课堂教学6学时总计54学时五、教学进度表5：教学进度表周次章节名称内容提要授课时数作业及要求备注1Chapter 1Introduction3An introduction to control systems and concepts2Chapter 2Mathematical models of control systems3(1) Complex variable and Laplace transform(2) Properties of Laplace transform and it

25、s derivation3Chapter 2Mathematical models of control systems3(3) Transfer function and impulse response function(4) Partial fraction expansion4Chapter 2Mathematical models of control systems2(4) Partial fraction expansion(5) Block diagram and block diagram reduction5Chapter 2Mathematical models of c

26、ontrol systems andMathematical modeling of mechanical systems and electrical systems2(6) Classification of industrial controller and transformation of mathematical models with MATLAB(7) Homework discussions(8) Mathematical and electrical modeling of control systems using transfer functions6Chapter 3

27、Transient and steady-state response analyses3(1) Introduction(2) First order systems and its responses to typical test signals7Chapter 3Transient and steady-state response analyses3(3) Second order systems and its responses to typical test signals8Chapter 3Transient and steady-state response analyses3(4) Transient response analysis with MATLAB(5) Routh's stability criterion(6) Effects of integral and derivative control ac