《机械控制工程基础 第2版》教案全套 王洁 第1-11章 绪论、拉普拉斯变换-机械工程控制理论在工程实际中的应用

《控制工程基础》授课教案学年第学期教师姓名：授课对象：授课学时：48/44选用教材：王洁，刘慧芳.机械工程控制基础（第二版）.机械工业出版社.2024.10学院系(教研组)

大学教案第周授课日期授课章节：第1章绪论教学目的：了解工程控制论的研究对象、任务，了解系统的分类及对控制系统的要求，掌握反馈的概念及其在控制系统中的地位与作用。教学重点：反馈教学难点：反馈教学实施过程设计教学内容纲要1、机械工程控制论的研究对象、任务2、系统及模型3、了解系统的分类及对控制系统的要求4、掌握反馈的概念及其在控制系统中的地位与作用采用的教学形式、教学方法课堂讲授。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，举例习题1-5、1-6课后复习及作业或思考题：复习内容：反馈的概念参考资料：教材思考问题：习题1-9，习题1-7（扫二维码或线上学习详细解题思路）课后作业：习题1-3、1-22课后小结：通过使用多媒体讲授工程实例，使学生从感性方面加强对控制理论的认识，加强对反馈的认识，与今后从理论上掌握控制理论相结合，取得良好效果。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第2章拉普拉斯变换的数学方法第2.1节复数和复变函数第2.2节拉普拉斯变换简介第2.3节典型事件函数的拉普拉斯变换教学目的：了解拉普拉斯变换数学方法的定义及性质，掌握典型函数拉普拉斯变换。教学重点：拉普拉斯变换的数学方法教学难点：拉普拉斯变换的性质教学实施过程设计教学内容纲要1、复数与复变函数2、拉普拉斯变换的定义及性质3、典型时间函数的拉普拉斯变换采用的教学形式、教学方法课堂讲授使用的教学手段、教学步骤由浅入深，从复数与复变函数的定义入手，着重讲解拉普拉斯变换的定义、性质及反变换。课后复习及作业或思考题：复习内容：拉普拉斯变换的数学方法参考资料：教材课后作业：习题2-1（1）、2-4（1）（3）、2-5（1）（2）（4）课后小结：以弹簧小车为例，介绍拉氏变换的应用，使学生对古典控制论中拉式变换的作用有一个明确、清晰的认识。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第2章拉普拉斯变换的数学方法第2.4节拉普拉斯反变换第2.5节拉普拉斯变换在工程中的应用教学目的：掌握拉普拉斯反变换的方法，了解拉普拉斯变换的工程应用。教学重点：拉普拉斯反变换教学难点：拉普拉斯变换反变换的求解过程教学实施过程设计教学内容纲要1、掌握拉普拉斯反变换2、了解拉普拉斯变换在控制系统分析中的应用采用的教学形式、教学方法课堂讲授使用的教学手段、教学步骤由浅入深，从拉普拉斯反变换定义和复变函数极点概念入手，着重讲解拉普拉斯反变换的求解方法。结合线性常微分方程求解，介绍拉普拉斯变换在工程中的应用。讲解例题2-5、2-8课后复习及作业或思考题：复习内容：拉普拉斯变换的数学方法参考资料：教材课后作业：习题2-5（1）（2）（4）课后小结：以弹簧小车为例，介绍拉普拉斯变换的应用，使学生对古典控制论中拉普拉斯变换变换的作用有明确、清晰的认识。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第3章控制系统的数学模型第3.1节系统的微分方程教学目的：掌握微分方程的建立方法与变量形式，重点掌握负载效应及微分方程的列写步骤，了解线性定常系统及其叠加原理。教学重点：微分方程的列写教学难点：负载效应教学实施过程设计教学内容纲要1、线性定常系统的定义、叠加原理2、微分方程的变量形式3、负载效应4、微分方程的线性化5、微分方程的列写步骤采用的教学形式、教学方法课堂讲授、习题讲解。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，多举例，讲解例题3-1、3-2、3-3、3-5、3-6、3-8。课后复习及作业或思考题：复习内容：微分方程的列写参考资料：教材思考问题：习题3-3，通过扫二维码或线上知识点的学习掌握解题方法课后作业：习题3-1、3-2课后小结：负载效应是本节的难点，通过讲解串联弹簧的小车系统，使学生了解负载效应的本质特征。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第3章控制系统的数学模型第3.2节系统的传递函数教学目的：掌握传递函数的有关定义；熟练掌握典型环节的传递函数，了解传递函数的特点。教学重点：传递函数的定义教学难点：典型环节的传递函数教学实施过程设计教学内容纲要1、传递函数的有关定义2、传递函数的特点3、典型环节的传递函数采用的教学形式、教学方法课堂讲授，举例讲解。使用的教学手段、教学步骤详略得当，讲解习题3-1。课后复习及作业或思考题：复习内容：典型环节的传递函数参考资料：教材思考问题：课后作业：习题3-4、3-7、3-8课后小结：通过讲解典型的工程实例，如：齿轮传动、水位控制等系统，使学生将典型环节的传递函数与工程实例结合起来。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第3章控制系统的数学模型第3.3节系统框图及其简化教学目的：重点掌握系统的传递函数方框图的框图简化法和公式简化法教学重点：系统的传递函数方框图的框图简化法教学难点：系统的传递函数方框图的框图简化法教学实施过程设计教学内容纲要1、传递函数方框图的定义、组成和连接方式2、框图简化法3、公式简化法采用的教学形式、教学方法课堂讲授。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，举例时先举一些简单的例子，在学生可以接受的基础上举综合例子，重点讲解例题3-21、3-22。课后复习及作业或思考题：复习内容：系统的传递函数方框图的框图简化法参考资料：教材思考问题：写出本章的内容小结、习题3-18（通过扫二维码或线上知识点的学习）。课后作业：习题3-10（c）（d）（f）、3-14、3-15、3-17课后小结：通过讲解前面已经介绍过的串联弹簧和小车系统传递函数方框图建立过程，使学生掌握传递函数方框图建立和求解方法。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第4章控制系统的时间响应第4.1节时间响应的组成及主要性能指标第4.2节一阶系统时域分析教学目的：了解时间响应及其组成，掌握典型输入信号，重点掌握一阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应。教学重点：一阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应教学难点：一阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应，强调一阶系统性能指标求法。教学实施过程设计教学内容纲要1、时间响应及其组成2、典型输入信号3、一阶系统（1）一阶系统的单位脉冲响应（2）一阶系统的单位阶跃响应采用的教学形式、教学方法课堂讲授。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，重点突出，举例简单、易懂。课后复习及作业或思考题：复习内容：一阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应参考资料：教材思考问题：课后作业：复习例题4-1、4-3，练习习题4-5课后小结：要求学生掌握一阶系统时间响应的求解方法，淡化拉氏变换的推导过程。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第4章控制系统的时间响应第4.3节二阶系统时域分析第4.4节二阶系统的性能指标教学目的：掌握二阶系统的时间响应分析、性能指标计算方法，包括上升时间、峰值时间、最大超调量、调整时间教学重点：二阶系统的时间响应分析、二阶系统性能指标教学难点：二阶系统的时间响应分析、二阶系统性能指标教学实施过程设计教学内容纲要1、二阶系统分析2、二阶系统的单位脉冲响应3、二阶系统的单位阶跃响应4、二阶系统响应性能指标：上升时间、峰值时间、最大超调量、调整时间采用的教学形式、教学方法课堂讲授。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，重点突出，事件响应的举例简单易懂，性能指标部分多举例。课后复习及作业或思考题：复习内容：重点复习二阶系统响应的性能指标参考资料：教材思考问题：习题4-11、4-22（通过扫二维码或线上知识点的学习）课后作业：4-7、4-10、4-13课后小结：思考当输入信号的幅值不是1时对二阶系统性能指标的影响。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第5章控制系统的误差分析第5.1节稳态误差的基本概念第5.2节与输入有关的稳态偏差教学目的：掌握系统稳态误差的计算方法。了解误差与偏差的定义，了解与输入有关的稳态偏差，掌握系统误差与偏差的计算方法。教学重点：系统稳态误差的计算方法教学难点：系统稳态误差的计算方法教学实施过程设计教学内容纲要1、系统误差分析与计算（1）系统的误差与偏差（2）系统的稳态误差与稳态偏差（3）与输入有关的稳态偏差2、扰动作用下的稳态偏差采用的教学形式、教学方法课堂讲授。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，多举例。课后复习及作业或思考题：复习内容：系统误差分析与计算参考资料：教材思考问题：习题5-9、5-14（通过扫二维码或线上知识点的学习）课后作业：习题5-2、5-4、5-8、5-12课后小结：着重稳态误差和稳态偏差的分析方法，侧重拉氏变换终值定理的应用，淡化数学推导。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第6章控制系统的频域分析第6.1节频率特性概述教学目的：熟悉频率特性与频率响应的定义，掌握频率特性的求法，了解频率特性的特点和作用。教学重点：频率特性的定义及求法教学难点：频率特性的定义及求法教学实施过程设计教学内容纲要1、频率特性与频率响应的定义2、频率特性与传递函数的关系3、频率特性的求法4、频率特性的特点和作用采用的教学形式、教学方法课堂讲授。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，重点突出，讲解例题6-1、6-2。课后复习及作业或思考题：复习内容：频率特性的定义及求法参考资料：教材思考问题：习题6-1、6-3课后作业：习题6-4、6-5课后小结：通过讲解频率响应和频率特性的定义和关系，使学生掌握用s=jw求频率特性的方法。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第6章控制系统的频域分析第6.2节频率特性的极坐标图（Nyquist图）教学目的：掌握典型环节频率特性Nyquist图的画法。教学重点：频率特性Nyquist图教学难点：频率特性Nyquist图教学实施过程设计教学内容纲要1、极坐标法2、典型环节的Nyquist图3、绘制Nyquist图的步骤采用的教学形式、教学方法课堂讲授使用的教学手段、教学步骤由浅入深，重点突出，详细讲解例题6-3、6-4、6-5。课后复习及作业或思考题：复习内容：频率特性Nyquist图参考资料：教材思考问题：课后作业：习题6-6课后小结：要求学生掌握3阶及3阶以下系统的Nyquist图画法，通过举例和习题使学生熟悉Nyquist图的规律。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第6章控制系统的频域分析第6.3节频率特性的对数坐标图（Bode图）教学目的：重点掌握典型环节的Bode图。教学重点：典型环节的Bode图教学难点：二阶系统Bode图教学实施过程设计教学内容纲要1、频率特性的对数坐标图2、典型环节的Bode图采用的教学形式、教学方法课堂讲授。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，重点突出。课后复习及作业或思考题：复习内容：参考资料：教材思考问题：课后作业：课后小结：在讲解Bode图定义的基础上，详细讲解典型环节Bode图的画法，并留相应的习题作为补充。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第6章控制系统的频域分析第6.3节频率特性的对数坐标图（Bode图）教学目的：重点掌握Bode的一般形式绘制方法，掌握频域性能指标教学重点：Bode的一般形式绘制方法、频域性能指标教学难点：Bode的一般形式绘制方法教学实施过程设计教学内容纲要Bode的一般形式频域性能指标采用的教学形式、教学方法课堂讲授。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，重点突出，多讲解例题习题。讲解例题6-6、6-7、习题6-8（1）（3）。课后复习及作业或思考题：复习内容：典型环节的Bode图、Bode的一般形式绘制方法参考资料：教材思考问题：习题6-10课后作业：习题6-8（2）（4）、6-11课后小结：从最简单传递函数的Bode图讲起，直至较复杂系统传递函数的Bode图，使学生掌握高阶系统的Bode图的画法和规律。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第7章控制系统的稳定性第7.1节系统稳定性的基本概念及稳定条件第7.2.1节代数稳定性判据——劳斯稳定性判据（Routh判据）教学目的：了解系统稳定性的概念，掌握Routh判据。教学重点：系统稳定性的概念、Routh判据教学难点：系统稳定性的概念教学实施过程设计教学内容纲要1、系统稳定性的初步概念2、系统稳定的定义和条件3、Routh判据采用的教学形式、教学方法课堂讲授。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，重点突出，讲解例题7-1、7-2、7-3。课后复习及作业或思考题：复习内容：系统稳定性的概念、Routh判据参考资料：教材思考问题：习题7-8（可通过扫二维码或线上知识点进行辅助学习）课后作业：习题7-6、7-7课后小结：在着重讲解稳定性定义的基础上，重点介绍2种特殊情况下的Routh判据的应用方法。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第7章控制系统的稳定性第7.3节几何稳定性判据教学目的：基本掌握Nyquist稳定判据（<=三阶），重点掌握Bode稳定判据。教学重点：Bode稳定判据、Nyquist稳定判据、教学难点：Bode稳定判据、Nyquist稳定判据教学实施过程设计教学内容纲要1、Nyquist稳定判据2、Bode稳定判据3、举例采用的教学形式、教学方法课堂讲授。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，重点突出。课后复习及作业或思考题：复习内容：Bode稳定判据、Nyquist稳定判据。参考资料：教材思考问题：课后作业：习题7-10、7-12课后小结：从简单系统的Bode稳定判据、Nyquist稳定判据开始，由简到繁，使学生能根据已有Bode图和Nyquist图判断稳定性，也能画出Bode图和Nyquist图再判断。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第7章控制系统的稳定性第7.4节系统的相对稳定性教学目的：掌握系统的相对稳定性的定义及相位裕度、幅值裕度的求法教学重点：相对稳定性的定义及相位裕度、幅值裕度的求法教学难点：相位裕度、幅值裕度的求法教学实施过程设计教学内容纲要1、系统的相对稳定性的定义2、相位裕度3、幅值裕度采用的教学形式、教学方法课堂讲授。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，重点突出，详细讲解例题7-12。课后复习及作业或思考题：复习内容：系统的相对稳定性的定义及相位裕度、幅值裕度的求法。参考资料：教材思考问题：7-14（可通过扫二维码或线上知识点进行辅助学习）课后作业：习题7-13课后小结：在了解系统相对稳定性的定义的基础上，重点讲解相位裕度、幅值裕度的求法及分析方法。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第8章控制系统的根轨迹分析第8.1节根轨迹概述第8.2节根轨迹的绘制方法教学目的：重点掌握频率特性的根轨迹作图规则。教学重点：频率特性的根轨迹作图教学难点：频率特性的根轨迹作图教学实施过程设计教学内容纲要1、什么是根轨迹2、根轨迹的作用3、根轨迹的作图规则4、举例采用的教学形式、教学方法课堂讲授。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，重点突出。课后复习及作业或思考题：复习内容：频率特性的根轨迹作图规则参考资料：课后作业：课后小结：从最简单传递函数的根轨迹讲起，直至较复杂系统传递函数的根轨迹，使学生掌握各种系统根轨迹的画法和规律。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第8章控制系统的根轨迹分析第8.2节根轨迹的绘制方法第8.3节利用根轨迹法进行系统性能分析教学目的：通过习题进一步掌握频率特性的根轨迹图，基本掌握根轨迹稳定判据。教学重点：频率特性的根轨迹图教学难点：频率特性的根轨迹图教学实施过程设计教学内容纲要通过习题进一步熟练掌握频率特性的根轨迹图，根据绘制的根轨迹判别系统稳定性。采用的教学形式、教学方法课堂讲授。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，重点突出。课后复习及作业或思考题：复习内容：频率特性的根轨迹图参考资料：课后作业：习题8-3课后小结：在根轨迹作图的基础上，了解根轨迹与系统时域性能和频域性能的关系。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第9章控制系统的综合与校正第9.1节概述第9.2节控制系统的串联校正——增益校正、相位超前校正教学目的：了解系统的性能、系统的校正的定义及方法，重点掌握相位超前校正的系统设计方法。教学重点：相位超前校正的系统设计方法教学难点：相位超前校正的系统设计方法教学实施过程设计教学内容纲要1、时域性能指标2、频蜮性能指标3、校正的概念与分类4、相位超前校正（实现方法、相位超前校正环节的频率特性、系统设计）采用的教学形式、教学方法课堂讲授。使用的教学手段、教学步骤由浅入深，重点突出，详细讲解例题9-2课后复习及作业或思考题：复习内容：相位超前校正的系统设计方法，总结出校正步骤。参考资料：教材思考题：习题9-6课后作业：习题9-9课后小结：举例说明增益校正和相位超前校正的方法，并给出相位超前校正的步骤。时间：大学教案第周授课日期授课章节：第9章控制系统的综合与校正第9.2节控制系统的串联校正——相位滞后校正教学目的：重点掌握相位滞后校正的设计方法教学重点：相位滞后校正的设计方法教学难点：相位滞后校正的设计方法教学实施过程设计教学内容纲要1、相位滞后校正实现方法2、相位滞后校正环节的频率