控制工程基础（第二版）(张磊)教学大纲

《控制工程基础》教学大纲课程编号：XXXX课程类型：专业必修课程名称：控制工程基础英文名称：FundamentalsofControlEngineering学分：2~3适用专业：机械类与近机类专业第一部分大纲说明一、课程的性质、目的和任务《控制工程基础》是机械类与近机类专业的专业必修课，是实现传统机械工程学科向以机、电、液相结合的现代机械工程学科跨越的主干支撑课程之一。它既是一门广义系统动力学课程，又是一门方法论课程，主要介绍控制系统的基本概念、控制系统的数学模型、控制系统的时域、频域、根轨迹分析方法与控制系统的综合校正等知识，涉及的知识面宽，与生产实践联系紧密。本课程的任务是使学生掌握控制系统的基本概念、理论和分析方法，能够对已有的各种机械、机电系统进行工作原理和运行品质的分析设计，熟悉运用MATLAB软件进行系统建模、仿真的方法，培养学生工程意识、大系统观念和抽象思维能力，为学习后续专业课和学科选修课奠定良好基础。二、课程的基本要求1.知识要求通过本课程的学习，使学生掌握有关控制系统的基本概念、基本理论和基本方法。了解：控制论的研究对象和发展史，拉氏变换及其基本性质，高阶系统时域分析，广义根轨迹，系统校正的基本概念、PID校正的基本概念。熟悉：自动控制系统的基本概念及控制系统组成、分类，控制系统的基本性能要求，根轨迹法的基本概念，频率特性的基本概念，控制系统常用校正方法，串联校正、反馈校正，MATLAB分析控制系统的基本知识。掌握：控制系统数学模型的表示方法及化简，传递函数及其求取，常用典型环节传函模型，一阶、二阶系统的时域分析，时域性能指标及其计算，稳定性概念及代数判据，稳态误差的计算，绘制根轨迹的基本法则，用根轨迹分析系统性能，典型环节的频率特性，乃氏图及伯德图，频域判稳。2.能力要求通过本课程的学习，使学生掌握有关控制系统设计分析技能、实验技能，控制系统计算机仿真技能以及基本的调节校正技能，学会综合运用所学知识分析问题和解决问题，逐步培养学生的抽象思维能力和自学能力。三、本课程与相关课程的联系本课程之前，学生应学过《高等数学》、《大学物理》、《电工技术》、《理论力学》、《机械设计》等课程。从教学角度看，它主要是研究一般广义系统的动力学模型、基本工作原理和分析与设计的，因此本课程实践性、抽象性和综合性较强，在大量引入基本机械、电气等实际系统基础上，应使学生学会用控制的概念去分析和设计系统。四、学时分配本课程学分为可以设置为2~3学分，建议开设40~48学时。表1.章节内容学时分配表章（节）内容讲课学时实验（上机）学时课堂讨论（习题课）学时总学时一、绪论22二、控制系统的数学模型88三、时域分析法10212四、根轨迹法426五、频域分析法12214六、综合与校正66合计42648五、教材与参考书教材：《控制工程基础》（第二版），张磊等，西安电子科技大学出版社，2022年参考书：《控制工程基础》，董景新等，清华大学出版社，2009《机械工程控制基础》，杨叔子等，华中科技大学出版社，2011《自动控制原理》(第5版)，胡寿松，科学出版社，2007《现代控制工程》（第五版），KatsuhikoOgata著（卢伯英译），电子工业出版社，2011六、教学方法与手段建议本课程是一门理论性和实践性都很强的课程，涉及知识面较宽，所以强调要利用多种教学手段，完成大纲要求。课程教学形式建议以课堂讲授为生，辅助实践环节的训练，并通过课后练习和自学加强对所学知识的理解。七、课程考核方式开卷考试。本课程成绩计100分，由平时成绩和期末试卷成绩两部分组成。平时成绩占30%，期末考试占70%。其中平时成绩由平时测验、平时作业、实验成绩和学生的出席情况组成。八、说明在执行本大纲的过程中，可根据学生实际情况和科学技术的发展，对大纲进行必要的调整和增减，对考核方式、教学内容和教学方法进行改革。第二部分课程内容大纲一、绪论（2学时）一、本章的教学目的和要求：了解控制理论的研究对象及发展历史，熟悉自动控制的概念及控制系统的组成、分类，熟悉对控制系统的性能要求。重点：理解开环与闭环系统的基本知识，建立闭环控制系统的基本概念。难点：控制系统框图的绘制。二、教学内容及要求：1.控制系统的基本概念：明确控制系统的基本概念(被控对象，被控量，给定量，干扰量等)、控制系统的任务、组成。2.控制系统的基本方式：开环控制、闭环控制和复合控制的基本原理和特点，线性系统与非线性系统；连续系统与离散系统；定常系统与时变系统；SISO系统与MIMO系统。3.控制系统的性能要求：正确理解对控制系统稳、准、快的要求。4.机械工程控制系统示例：初步掌握由系统工作原理图画出系统方块图的方法。二、控制系统的数学模型（8学时）一、本章的教学目的和要求：了解拉氏变换，掌握常用典型环节传函模型，传递函数及其求取，掌握控制系统数学模型的表示方法和化简方法，了解MATLAB基本知识重点：传递函数的基本概念，动态结构图的建立与等效变换。难点：动态结构图的等效变换。二、教学内容及要求：1.拉氏变换：拉氏变换、反变换的定义，拉氏变换基本法则，拉氏变换求解微分方程2.控制系统微分方程模型的建立方法：解析法和实验法3.传递函数的定义、性质：熟练掌握传递函数的概念、定义及性质。4.动态结构图及等效变换：学会由系统微分方程建立系统结构图的方法，掌握等效变换的基本法则。5.典型环节的传递函数：熟悉典型环节的概念，熟悉常用元部件的传递函数。6.控制系统的传递函数：熟练掌握利用结构图等效变换求控制系统传递函数的方法。三、时域分析法（12学时）一、本章的教学目的和要求：掌握控制系统时域性能指标，掌握一阶、二阶系统的时域分析，了解高阶系统时域分析，掌握稳定性概念及代数判据，掌握稳态误差的计算，了解MATLAB时域响应分析命令。重点：二阶系统的阶跃响应，Routh稳定判据，稳态误差的求取难点：高阶系统的暂态响应，稳态误差的求取实验2课时，实验内容为：典型环节及其阶跃响应二、教学内容及要求：1.控制系统性能指标：熟悉系统阶跃响应性能指标，了解典型外作用与典型外作用下系统输出之间的关系。2.一阶系统分析：掌握一阶系统的数学模型和阶跃响应的特点3.二阶系统分析：熟练掌握二阶系统的数学模型和阶跃响应的特点，了解附加闭环零点、附加闭环极点对系统性能的影响。4.高阶系统分析：了解高阶系统的阶跃相应，了解MATLAB时域响应分析命令。5.稳定性及代数判据：明确稳定性概念及稳定的充要条件，熟练掌握劳斯稳定判据和胡尔维茨稳定判据及其应用。6.稳态误差分析：明确误差和稳态误差的定义，熟练掌握用终值定理求稳态误差的方法，熟练掌握静态误差系数法及适用的条件，了解减小、消除稳态误差的措施。四、根轨迹法（8学时）一、本章的教学目的和要求：熟悉根轨迹法的基本概念，掌握绘制根轨迹法的基本法则，了解广义根轨迹，掌握用根轨迹分析系统性能，熟悉MATLAB分析根轨迹的基本方法重点：根轨迹的基本概念，根轨迹方程，常规根轨迹的绘制及系统性能分析难点：根轨迹的绘制法则实验2课时，实验内容为：根轨迹实验二、教学内容及要求：1.根轨迹的基本概念：根轨迹方程及相角条件、模(幅)值条件2.绘制根轨迹的基本法则：熟练掌握绘制根轨迹的基本法则，包括根轨迹分支数，根轨迹起点终点，根轨迹对称性，实轴上的根轨迹，根轨迹渐近线，根轨迹分离点（会合点），根轨迹与虚轴焦点，根轨迹起始角和终止角等。3.利用根轨迹分析系统性能：闭环零极点分布与阶跃相应关系，主导极点，偶极子4.广义根轨迹：了解参数根轨迹和零度根轨迹的有关概念，了解MATLAB根轨迹分析命令。五、频域法（14学时）一、本章的教学目的和要求：熟悉频率特性的基本概念，掌握典型环节的频率特性，掌握控制系统开环频率特性的绘制，掌握奈奎斯特图、伯德图，掌握频率稳定判据，熟悉稳定裕度、MATLAB频域响应分析命令重点：频率特性的概念，系统开环频率特性的绘制，用频率法分析控制系统的稳定性难点：用频率法分析控制系统的稳定性实验2课时，实验内容为：频域稳定判据实验二、教学内容及要求：1.频率特性：正确理解频率响应、频率特性的概念及特点，明确频率特性的物理意义2.典型环节的频率特性：掌握比例环节，积分环节，惯性环节，微分环节，振荡环节的奈氏图和伯德图3.控制系统开环频率特性：熟练掌握绘制开环幅相特性、开环对数频率特性的方法4.稳定判据及稳定裕度：了解奈奎斯特稳定判据和对数稳定判据的原理，掌握奈奎斯特稳定判据和对数频率判据判定系统稳定性的方法，熟悉MATLAB频域响应分析命令六、综合与校正（6学时）一、本章的教学目的和要求：了解控制系统综合与校正的基本概念与方式，PID校正的基本概念，熟悉串联校正、反