控制工程基礎（第二版）(張磊)教學大綱

《控制工程基礎》教學大綱課程編號：XXXX課程類型：專業(yè)必修課程名稱：控制工程基礎英文名稱：FundamentalsofControlEngineering學分：2~3適用專業(yè)：機械類與近機類專業(yè)第一部分大綱說明一、課程的性質(zhì)、目的和任務《控制工程基礎》是機械類與近機類專業(yè)的專業(yè)必修課，是實現(xiàn)傳統(tǒng)機械工程學科向以機、電、液相結合的現(xiàn)代機械工程學科跨越的主干支撐課程之一。它既是一門廣義系統(tǒng)動力學課程，又是一門方法論課程，主要介紹控制系統(tǒng)的基本概念、控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、控制系統(tǒng)的時域、頻域、根軌跡分析方法與控制系統(tǒng)的綜合校正等知識，涉及的知識面寬，與生產(chǎn)實踐聯(lián)系緊密。本課程的任務是使學生掌握控制系統(tǒng)的基本概念、理論和分析方法，能夠?qū)σ延械母鞣N機械、機電系統(tǒng)進行工作原理和運行品質(zhì)的分析設計，熟悉運用MATLAB軟件進行系統(tǒng)建模、仿真的方法，培養(yǎng)學生工程意識、大系統(tǒng)觀念和抽象思維能力，為學習后續(xù)專業(yè)課和學科選修課奠定良好基礎。二、課程的基本要求1.知識要求通過本課程的學習，使學生掌握有關控制系統(tǒng)的基本概念、基本理論和基本方法。了解：控制論的研究對象和發(fā)展史，拉氏變換及其基本性質(zhì)，高階系統(tǒng)時域分析，廣義根軌跡，系統(tǒng)校正的基本概念、PID校正的基本概念。熟悉：自動控制系統(tǒng)的基本概念及控制系統(tǒng)組成、分類，控制系統(tǒng)的基本性能要求，根軌跡法的基本概念，頻率特性的基本概念，控制系統(tǒng)常用校正方法，串聯(lián)校正、反饋校正，MATLAB分析控制系統(tǒng)的基本知識。掌握：控制系統(tǒng)數(shù)學模型的表示方法及化簡，傳遞函數(shù)及其求取，常用典型環(huán)節(jié)傳函模型，一階、二階系統(tǒng)的時域分析，時域性能指標及其計算，穩(wěn)定性概念及代數(shù)判據(jù)，穩(wěn)態(tài)誤差的計算，繪制根軌跡的基本法則，用根軌跡分析系統(tǒng)性能，典型環(huán)節(jié)的頻率特性，乃氏圖及伯德圖，頻域判穩(wěn)。2.能力要求通過本課程的學習，使學生掌握有關控制系統(tǒng)設計分析技能、實驗技能，控制系統(tǒng)計算機仿真技能以及基本的調(diào)節(jié)校正技能，學會綜合運用所學知識分析問題和解決問題，逐步培養(yǎng)學生的抽象思維能力和自學能力。三、本課程與相關課程的聯(lián)系本課程之前，學生應學過《高等數(shù)學》、《大學物理》、《電工技術》、《理論力學》、《機械設計》等課程。從教學角度看，它主要是研究一般廣義系統(tǒng)的動力學模型、基本工作原理和分析與設計的，因此本課程實踐性、抽象性和綜合性較強，在大量引入基本機械、電氣等實際系統(tǒng)基礎上，應使學生學會用控制的概念去分析和設計系統(tǒng)。四、學時分配本課程學分為可以設置為2~3學分，建議開設40~48學時。表1.章節(jié)內(nèi)容學時分配表章（節(jié)）內(nèi)容講課學時實驗（上機）學時課堂討論（習題課）學時總學時一、緒論22二、控制系統(tǒng)的數(shù)學模型88三、時域分析法10212四、根軌跡法426五、頻域分析法12214六、綜合與校正66合計42648五、教材與參考書教材：《控制工程基礎》（第二版），張磊等，西安電子科技大學出版社，2022年參考書：《控制工程基礎》，董景新等，清華大學出版社，2009《機械工程控制基礎》，楊叔子等，華中科技大學出版社，2011《自動控制原理》(第5版)，胡壽松，科學出版社，2007《現(xiàn)代控制工程》（第五版），KatsuhikoOgata著（盧伯英譯），電子工業(yè)出版社，2011六、教學方法與手段建議本課程是一門理論性和實踐性都很強的課程，涉及知識面較寬，所以強調(diào)要利用多種教學手段，完成大綱要求。課程教學形式建議以課堂講授為生，輔助實踐環(huán)節(jié)的訓練，并通過課后練習和自學加強對所學知識的理解。七、課程考核方式開卷考試。本課程成績計100分，由平時成績和期末試卷成績兩部分組成。平時成績占30%，期末考試占70%。其中平時成績由平時測驗、平時作業(yè)、實驗成績和學生的出席情況組成。八、說明在執(zhí)行本大綱的過程中，可根據(jù)學生實際情況和科學技術的發(fā)展，對大綱進行必要的調(diào)整和增減，對考核方式、教學內(nèi)容和教學方法進行改革。第二部分課程內(nèi)容大綱一、緒論（2學時）一、本章的教學目的和要求：了解控制理論的研究對象及發(fā)展歷史，熟悉自動控制的概念及控制系統(tǒng)的組成、分類，熟悉對控制系統(tǒng)的性能要求。重點：理解開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的基本知識，建立閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本概念。難點：控制系統(tǒng)框圖的繪制。二、教學內(nèi)容及要求：1.控制系統(tǒng)的基本概念：明確控制系統(tǒng)的基本概念(被控對象，被控量，給定量，干擾量等)、控制系統(tǒng)的任務、組成。2.控制系統(tǒng)的基本方式：開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復合控制的基本原理和特點，線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)；連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)；定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng)；SISO系統(tǒng)與MIMO系統(tǒng)。3.控制系統(tǒng)的性能要求：正確理解對控制系統(tǒng)穩(wěn)、準、快的要求。4.機械工程控制系統(tǒng)示例：初步掌握由系統(tǒng)工作原理圖畫出系統(tǒng)方塊圖的方法。二、控制系統(tǒng)的數(shù)學模型（8學時）一、本章的教學目的和要求：了解拉氏變換，掌握常用典型環(huán)節(jié)傳函模型，傳遞函數(shù)及其求取，掌握控制系統(tǒng)數(shù)學模型的表示方法和化簡方法，了解MATLAB基本知識重點：傳遞函數(shù)的基本概念，動態(tài)結構圖的建立與等效變換。難點：動態(tài)結構圖的等效變換。二、教學內(nèi)容及要求：1.拉氏變換：拉氏變換、反變換的定義，拉氏變換基本法則，拉氏變換求解微分方程2.控制系統(tǒng)微分方程模型的建立方法：解析法和實驗法3.傳遞函數(shù)的定義、性質(zhì)：熟練掌握傳遞函數(shù)的概念、定義及性質(zhì)。4.動態(tài)結構圖及等效變換：學會由系統(tǒng)微分方程建立系統(tǒng)結構圖的方法，掌握等效變換的基本法則。5.典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)：熟悉典型環(huán)節(jié)的概念，熟悉常用元部件的傳遞函數(shù)。6.控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：熟練掌握利用結構圖等效變換求控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的方法。三、時域分析法（12學時）一、本章的教學目的和要求：掌握控制系統(tǒng)時域性能指標，掌握一階、二階系統(tǒng)的時域分析，了解高階系統(tǒng)時域分析，掌握穩(wěn)定性概念及代數(shù)判據(jù)，掌握穩(wěn)態(tài)誤差的計算，了解MATLAB時域響應分析命令。重點：二階系統(tǒng)的階躍響應，Routh穩(wěn)定判據(jù)，穩(wěn)態(tài)誤差的求取難點：高階系統(tǒng)的暫態(tài)響應，穩(wěn)態(tài)誤差的求取實驗2課時，實驗內(nèi)容為：典型環(huán)節(jié)及其階躍響應二、教學內(nèi)容及要求：1.控制系統(tǒng)性能指標：熟悉系統(tǒng)階躍響應性能指標，了解典型外作用與典型外作用下系統(tǒng)輸出之間的關系。2.一階系統(tǒng)分析：掌握一階系統(tǒng)的數(shù)學模型和階躍響應的特點3.二階系統(tǒng)分析：熟練掌握二階系統(tǒng)的數(shù)學模型和階躍響應的特點，了解附加閉環(huán)零點、附加閉環(huán)極點對系統(tǒng)性能的影響。4.高階系統(tǒng)分析：了解高階系統(tǒng)的階躍相應，了解MATLAB時域響應分析命令。5.穩(wěn)定性及代數(shù)判據(jù)：明確穩(wěn)定性概念及穩(wěn)定的充要條件，熟練掌握勞斯穩(wěn)定判據(jù)和胡爾維茨穩(wěn)定判據(jù)及其應用。6.穩(wěn)態(tài)誤差分析：明確誤差和穩(wěn)態(tài)誤差的定義，熟練掌握用終值定理求穩(wěn)態(tài)誤差的方法，熟練掌握靜態(tài)誤差系數(shù)法及適用的條件，了解減小、消除穩(wěn)態(tài)誤差的措施。四、根軌跡法（8學時）一、本章的教學目的和要求：熟悉根軌跡法的基本概念，掌握繪制根軌跡法的基本法則，了解廣義根軌跡，掌握用根軌跡分析系統(tǒng)性能，熟悉MATLAB分析根軌跡的基本方法重點：根軌跡的基本概念，根軌跡方程，常規(guī)根軌跡的繪制及系統(tǒng)性能分析難點：根軌跡的繪制法則實驗2課時，實驗內(nèi)容為：根軌跡實驗二、教學內(nèi)容及要求：1.根軌跡的基本概念：根軌跡方程及相角條件、模(幅)值條件2.繪制根軌跡的基本法則：熟練掌握繪制根軌跡的基本法則，包括根軌跡分支數(shù)，根軌跡起點終點，根軌跡對稱性，實軸上的根軌跡，根軌跡漸近線，根軌跡分離點（會合點），根軌跡與虛軸焦點，根軌跡起始角和終止角等。3.利用根軌跡分析系統(tǒng)性能：閉環(huán)零極點分布與階躍相應關系，主導極點，偶極子4.廣義根軌跡：了解參數(shù)根軌跡和零度根軌跡的有關概念，了解MATLAB根軌跡分析命令。五、頻域法（14學時）一、本章的教學目的和要求：熟悉頻率特性的基本概念，掌握典型環(huán)節(jié)的頻率特性，掌握控制系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制，掌握奈奎斯特圖、伯德圖，掌握頻率穩(wěn)定判據(jù)，熟悉穩(wěn)定裕度、MATLAB頻域響應分析命令重點：頻率特性的概念，系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制，用頻率法分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性難點：用頻率法分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性實驗2課時，實驗內(nèi)容為：頻域穩(wěn)定判據(jù)實驗二、教學內(nèi)容及要求：1.頻率特性：正確理解頻率響應、頻率特性的概念及特點，明確頻率特性的物理意義2.典型環(huán)節(jié)的頻率特性：掌握比例環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)，慣性環(huán)節(jié)，微分環(huán)節(jié)，振蕩環(huán)節(jié)的奈氏圖和伯德圖3.控制系統(tǒng)開環(huán)頻率特性：熟練掌握繪制開環(huán)幅相特性、開環(huán)對數(shù)頻率特性的方法4.穩(wěn)定判據(jù)及穩(wěn)定裕度：了解奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)和對數(shù)穩(wěn)定判據(jù)的原理，掌握奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)和對數(shù)頻率判據(jù)判定系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法，熟悉MATLAB頻域響應分析命令六、綜合與校正（6學時）一、本章的教學目的和要求：了解控制系統(tǒng)綜合與校正的基本概念與方式，PID校正的基本概念，熟悉串聯(lián)校正、反