《控制工程基础(1)》教学大纲

1、控制工程基础课程教学大纲一、课程基本信息英文名称Basic of Control Engineering课程代码IMEE1008课程性质大类基础课程授课对象智能制造工程专业学 分3学 时45+9指定教材机械工程控制基础（第七版），杨叔子，杨克冲，吴波，熊良才，华中科技大学出版社二、课程目标（一）总体目标：本课程是智能制造工程专业必修的一门重要的专业基础课。它是自动控制技术的理论基础，是一门理论性较强的工程科学。课程的主要任务是通过学习，使学生熟练掌握自动控制的基本原理以及时域、频域等分析方法。同时通过实验，将理论与实践有机地结合起来，培养学生具备一定的实际动手能力。它为学习后续专业课如运动控制

2、技术、机器人学等课程打下坚实的理论基础。（二）课程目标：本课程主要内容为经典控制理论的基础内容，其中包括控制系统的数学模型、时域分析法、频率分析法以及控制系统的校正设计。要求学生在理解有关自动控制系统的基本概念以及控制系统数学模型的基础上，熟悉并灵活运用时域法和频率法对系统进行分析与设计，明确它们的特点及其内在联系。通过课程理论学习，使得学生对各章概念能够融会贯通，并建立起经典控制理论的基本框架，从而培养学生的辩证思维能力和综合分析能力。通过课程实验，使得学生掌握控制系统数学模拟的方法，实际系统和模拟系统过渡过程及频率特性的测量方法，常用实验仪器设备的正确使用方法，从而培养学生的理论联系实际以

3、及实际动手能力，为日后解决实际工程问题打下基础。同时，作为控制基础课程对于更高级人才的培养，如硕士生培养，博士生培养，专业高级管理人才的培养，奠定牢固、扎实的学科基础。课程目标1：掌握控制理论的基础知识，包括控制系统的分类，控制系统基本设计要求等。培养学生对于自动控制理论基本概念与原理的理解以及灵活运用的能力。课程目标2：熟悉控制系统的数学模型，掌握数学建模方法，并通过计算机仿真来验证模型的有效性，其中包括模拟仿真和数字仿真。培养学生对于复杂系统运行规律的抽象能力以及利用计算机模拟系统的能力。课程目标3：3.1 掌握控制系统的时域分析、频率法等分析方法。培养学生学会从不同角度对系统进行综合和设

4、计，具备解决自动控制系统实际问题的能力。3.2 掌握控制系统的综合校正方法，包括超前校正、滞后校正以及滞后-超前校正。培养学生能够根据不同的系统，选择合适的校正方案，从而能够将理论应用实际，具备解决复杂工程问题能力。课程目标4：掌握开环控制、反馈控制及复合控制各自的特点，能够基于实际系统选择合适的控制方式，降低系统维护与管理的难度，同时达到最好的经济效益。（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表 课程目标课程子目标对应课程内容对应毕业要求课程目标11.1要求掌握控制理论的基础知识，具备灵活运用自动控制理论基本概念及原理的能力。1：工程知识1-1

5、掌握专业所需的数理知识，能用于专业问题的理解、建模、分析与求解；课程目标22.1要求掌握控制系统的数学建模和计算机仿真方法，具备复杂系统运行规律的抽象能力以及利用计算机模拟系统的能力。3：设计/开发解决方案3-1能针对复杂问题进行调研和分析并明确方案目标及约束条件，完成智能制造系统架构分析和整体解决方案的设计；课程目标33.1要求掌握控制系统的时域分析、频率法，培养学生学会从不同角度对系统进行综合和设计，具备解决实际问题的能力。2：问题分析2-1能运用数理和工程知识进行专业领域复杂工程问题中的内涵识别与理解分析；3.2要求掌握控制系统的综合校正方法，培养学生将理论应用实际系统，具备解决复杂工程

6、问题的能力。2：问题分析2-3能运用基本原理，分析一个复杂工程问题的影响因素、关键环节，并证实解决方案的合理性。课程目标44.1要求掌握开环控制、反馈控制及复合控制各自的结构特点，能基于实际的系统选择合适的控制方式。6：工程与社会6-1了解智能制造领域相关的技术标准、知识产权、产业政策和法律法规；三、教学内容第一章 绪论1.教学目标 了解自动控制理论研究的对象、作用；掌握自动控制系统结构、工作原理及系统结构方框图；掌握输入量、输出量、反馈、偏差等基本概念；了解控制系统的组成、分类及基本要求。2.教学重难点掌握自动控制系统结构、工作原理、系统结构方框图及控制系统输入量、输出量、反馈、偏差等基本概

7、念。3.教学内容1)概述2)控制的基本方式3)反馈控制系统基本组成4)控制系统基本分类5)控制系统性能要求4.教学方法 讲授法：相关概念及理论框架。课题讨论：举例讨论实际生活中存在控制系统，分析它们的工作过程、原理及隐含的控制思想。5.教学评价问题提问：强化控制系统工作原理、方框框图及基本概念的理解。第二章 系统的数学模型 1.教学目标 拉氏变换和反变换及其应用；掌握机械、电气系统微分方程数学模型的建立；了解非线性方程的线性化； 熟悉线性定常微分方程的解法；掌握传递函数定义、性质；掌握系统传递函数方框图的化简。2.教学重难点掌握拉氏变换和反变换、传递函数定义、性质及系统传递函数方框图的化简。3

8、.教学内容1) 拉氏变换与拉氏反变换2) 控制系统的微分方程建立3) 传递函数定义、性质与典型环节的传递函数4) 系统传递函数框图及其简化5) 相似原理4.教学方法 讲授法：拉氏变换及其反变换、 传递函数及框图简化。案例教学方法：系统框图化简。讨论法：系统模型传递函数与系统的输入输出位置是否有关。实验：典型环节的电路模拟5.教学评价问题提问、课后作业：强化系统数学模型建立，传递函数派生出相关概念的理解及其系统传递函数方框图的简化。第三章 系统时间响应分析 1.教学目标 掌握一阶系统的时间响应；掌握二阶系统的时间响应与性能指标；了解高阶系统零、极点对时间响应的影响；掌握控制系统稳态误差分析、计算

9、。2.教学重难点掌握二阶系统的时间响应与性能指标、控制系统稳态误差分析与计算。3.教学内容1) 时间响应和典型输入信号2) 一阶系统的时间响应3) 一阶系统的时间响应4) 控制系统的误差分析与计算4.教学方法 讲授法：系统时间响应。案例教学方法：二阶系统的时间响应性能指标计算。实验：二阶系统的瞬态响应5.教学评价问题提问、课后作业：强化时间响应概念的理解；强化系统动态响应与稳态响应各指标的计算。第四章 系统的频率特性分析 1.教学目标 掌握频率特性的定义，幅频、相频、实频、虚频的计算；掌握典型环节频率特性的图示方法-奈氏图、波特图；掌握由波特图反求最小相位系统传递函数，相反由传递函数绘制波特图

10、； 了解时域指标与频域指标的关系，了解最小与非最小相位系统。2.教学重难点掌握频率特性的定义；幅频、相频、实频、虚频的计算；频率特性的图示方法-奈氏图、波特图。3.教学内容1)频率特性基本概念2)典型环节的频率特性与乃奎斯特图3)乃奎斯特图绘制-开环系统的奈氏图4)典型环节的对数坐标图(波特图)5)最小相位系统与非最小相位系统4.教学方法 讲授法：系统频率特性。案例教学方法：频率特性图示法。实验：频率特性分析5.教学评价问题提问、课后作业：强化频率特性概念理解，系统频率特性的图示方法。第五章 系统的稳定性 1.教学目标 掌握控制系统稳定性分析与劳斯判据；掌握乃奎斯特稳定性判据；掌握频率特性用于

11、系统稳定性判别及稳定裕度计算。2.教学重难点掌握控制系统稳定性分析、劳斯判据、奈氏判据及稳定裕度计算。3.教学内容1) 系统稳定性概念及其条件2) 控制系统的稳定判据-劳斯判据与奈氏判据3) 系统相对稳定性4.教学方法 讲授法：系统稳定性分析、劳斯判据、奈氏判据等。案例教学方法：奈氏判据、稳定裕度计算。讨论法：讨论系统相对稳定性，如何利用系统开环频率特性图判别系统稳定性与相对稳定性的方法。5.教学评价问题提问、课后作业：强化系统稳定性理解，系统稳定性的劳斯判据方法与奈氏判据方法，及系统稳定裕度计算。第六章 系统的性能指标与校正 1.教学目标 理解控制系统校正和综合的一般概念，频率法进行校正的原

12、理、方式；熟练利用频率特性法设计串联超前校正装置；掌握PID控制器形式及其各环节的作用。2.教学重难点利用频率特性法设计串联超前校正装置，PID控制器形式及其各环节的作用。3.教学内容1) 控制系统校正一般概念2) 串联超前校正、滞后校正3) 滞后超前校正， PID校正4.教学方法 讲授法：控制系统校正、PID。案例教学方法：串联超前校正。5.教学评价问题提问、课后作业：强化根据系统要求的性能指标，设计系统校正传递函数。四、学时分配表2：各章节的具体内容和学时分配表章节章节内容学时分配第一章绪论3第二章数学基础-拉氏变换/反变换系统的数学模型9+3第三章系统的时间响应分析9+3第四章系统的频率

13、特性分析9+3第五章系统的稳定性6第六章系统的性能性能指标与校正系统Matlab仿真设计9总计45+9五、教学进度表3：教学进度表周次日期章节名称内容提要授课时数作业及要求备注1绪论自动控制概念、控制方式、闭环反馈及性能要求3作业：1、完成本章思考题。要求：理解控制系统一些基本概念无2-4数学基础拉氏变换系统的数学模型拉氏变换及反变换传递函数方框图简化9+3作业：1、完成本章思考题。要求：掌握拉氏变换和反变换、传递函数定义、性质及系统传递函数方框图的化简。无5-7系统的时间响应分析一阶、二阶系统时间响应、性能指标计算及稳态误差分析计算9+3作业：1、完成本章思考题。要求：掌握二阶系统的时间响应

14、与性能指标、控制系统稳态误差分析、计算。无8-10系统的频率特性分析频率特性奈奎斯特图波特图最小相位/非最小相位系统9+3作业：1、完成本章思考题。要求：掌握频率特性的定义，幅频、相频、实频、虚频的计算，频率特性的图示方法-奈氏图、波特图。无11-13系统的稳定性劳斯判据奈氏判据稳定裕度6作业：1、完成本章思考题。要求：掌握控制系统稳定性分析、劳斯判据、奈氏判据及稳定裕度计算。无14-15系统的性能性能指标与校正控制理论Matlab仿真设计系统校正和一般概念PID控制器控制系统Matlab仿真9作业：1、完成本章思考题。要求：利用频率特性法设计串联超前校正装置；掌握PID控制器形式及其各环节的

15、作用。无六、教材及参考书目1杨叔子 杨克冲 吴波 熊良才 编著. 机械工程控制基础(第7版). 华中科技大学出版社，2019.012李友善 编著,自动控制原理(第3版),国防工业出版社，2014.073. 胡寿松 主编, 自动控制原理(第3版), 科学出版社，2019.01七、教学方法 在教学方式上，根据具体教学内容，综合运用课堂讲授和演示、课堂讨论、课堂练习、发现学习法和自学指导法，通过引入问题和启发式教学，使学生更加明确教学内容的知识体系，引导学生主动学习，激发内在学习动机，提高课堂的积极性。及时布置习题作业练习，强化所学知识的理解和运用，培养学生解决实际问题的能力。结合理论知识，鼓励学生

16、进行MATLAB计算机仿真分析设计试验，引导学生发现问题，思考解决方案，为后续教学内容作铺垫。结合具体教学内容，本课程所采用的教学方法说明如下：1. 绪论。教学内容偏向概念、定义与理念及思想，在教学中采用多媒体课件、电子备课和传统教学相结合教学方式，理论联系实际，将抽象问题具体化，强化学生对自动控制定义、控制方式及反馈等思想的理解；同时介绍控制理论的前沿内容及一些最新成果，拓宽学生的视野，从理论知识和应用方面不断更新教学内容。2. 控制系统数学建模，时域、频域分析，稳定性、系统分析与校正。教学内容偏向控制理论，原理性内容比较多，知识点也较难理解。对于缺乏实际经验的学生而言，内容比较抽象，对所有

17、理论内容逐一讲解的效果较差。在教学中采用多媒体课件、电子备课和传统教学相结合方式，通过案例分析，加深对数学建模、时频域分析、系统稳定性、分析与校正的认识，根据具体目标，引导学生自行对系统进行分析与校正设计，并能将之应用于实际机电控制系统中。3. 结合控制理论，并与MATLAB计算机仿真分析设计试验相结合方式，引导学生自学拓展，强化对学生理论与实际结合的能力、工程问题分析能力的培养，强化学生的工程意识和系统建模分析能力的培养。在教学方法的实际执行过程中，每个教学环节都应具有明确的目的性。同时，以上教学方法需要根据教学过程中的实际效果、学生对知识点的掌握和应用情况不断改进。教学效果不好、学生对知识

18、点理解程度不高时，应适当调整教学方法，适当增加演示法或习题训练法，或在讲授后续教学内容时，引导学生前后联系，结合前置难点内容进行讨论，强化知识掌握。在学生对知识掌握情况较好，系统性较好、习题训练效果较好的情况下，适当提高教学内容或实验内容的难度，或增加发现学习法和自学指导法，设置具体应用问题，引导学生探索解决方案。八、考核方式及评定方法（一）课程考核与课程目标的对应关系 表4：课程考核与课程目标的对应关系表课程目标考核要点考核方式课程目标1: 掌握控制理论的基础知识，灵活运用自动控制理论基本概念及原理。控制系统基本概念。平时作业及期中测验，期末闭卷笔试课程目标2: 运用数学知识，依据控制系统的工作原理，针对机电控制系统进行数学建模，并运用控制论的基本原理及思想、方法分析实际工程中各种控制问题拉氏变换与反变换；机械、电气系统数学建模，传递函数，动态结构图简化。平时作业及期中测验，期末闭卷笔试课程目标3.1: 掌握机电控制系统动、静态性能分析方法，提出改善系统性能的设计依据和改善途径典型二阶系统的时间响应与性能指标。平时作业及期中测验，期末闭卷笔试课程目