《机械控制工程基础》课程教学大纲

开课单位：机械电子工程系

课程负责人：王晓梅

                                             适用于本科机械电子工程专业

                                              教学时数：48学时

一、课程概况

《机械控制工程基础》课程是机械电子工程专业的一门专业教育必修课。本课程的任务是：通过本课程教学，使学生掌握经典控制理论的基本原理和思想方法，初步培养进行系统分析和校正的能力，为学生学习后续的《传感器与测试技术基础》、《液压传动技术》、《电液控制系统》、《机电一体化系统设计》等课程，并为将来在机械电子工程工作中解决一些实际问题打下一定的基础。

本课程的先修课程主要有《高等数学》、《复变函数与积分变换》、《工程力学》、《电工与电子技术基础》、《机械原理》等。

本课程的后续课程主要有《传感器与测试技术基础》、《液压传动技术》、《电液控制系统》、《机电一体化系统设计》等。

二、教学基本要求

1．强调控制理论中的基本概念、基本规律和物理本质的理解，不要求理论的推导和证明。

2．对于建立机电系统的数学模型，有关数学工具（如Laplace变换等）的应用，传递函数与方框图的求取、简化与演算等，应有清晰的基本概念并能熟练掌握。

3.  对于典型系统的时域和频域特性，应有清晰的基本概念并能熟练掌握。

4．掌握判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据。

5．对于线性系统的性能指标有较全面的认识，了解系统综合与校正的常用方法。

6．系统辩识问题应建立基本概念。

三、教学内容及要求

1．绪论

教学内容：机械工程控制的基本概念、研究对象与任务，学习本课程的目的和意义；关于“系统”、“信息传递”和“反馈”及“反馈控制”的基本概念；控制系统的分类、反馈控制系统的基本组成、对控制系统的基本要求以及本课程的特点。

基本要求：了解机械工程控制论的基本含义和研究对象、学习本课程的目的与任务，理解广义系统动力学方程的含义；了解系统、广义系统的概念，了解系统的基本特性，了解系统动态模型和静态模型之间的关系；掌握反馈的含义，学会分析动态系统内信息流动的过程，掌握系统或过程中存在的反馈；理解广义系统的几种分类方法，掌握闭环控制系统的工作原理、组成，初步学会绘制控制系统的方框图；了解控制系统中基本名词与基本变量；了解正反馈、负反馈、内反馈、外反馈的概念；理解对控制系统的基本要求。

重点：学会用系统论、信息论的观点分析广义系统的动态特性、信息流，理解信息反馈的含义及其作用；掌握控制系统的基本概念、基本变量、基本组成和工作原理。

难点：广义系统的信息反馈原理分析及控制系统方框图的绘制。

2．系统的数学模型

教学内容：系统数学模型的基本概念、建模方法与步骤，应用机械动力学、电工学等基础知识建立系统数学模型的基本方法与典型例子；传递函数的基本概念、求法与性质，输入输出信号与传递函数的关系；典型环节的传递函数，系统的方框图及其联接，方框图的等效简化、工程中典型的机、电系统传递函数的推导，相似原理。

基本要求：理解系统数学模型的基本概念，能够熟练运用动力学、电学及专业知识列写机械系统、电网络系统的微分方程；掌握传递函数的概念、特点，掌握建立系统传递函数的方法，会求传递函数的零点、极点与放大系数；掌握各个典型环节的特点及其传递函数的基本形式；理解传递函数方框图的组成及意义，能够根据系统微分方程绘制系统传递函数方框图；掌握传递函数方框图的简化，从而求出系统传递函数；掌握闭环系统中前向通道传递函数、开环传递函数、闭环传递函数的定义及求法；掌握干扰作用下，系统的输出及传递函数的求法与特点；理解相似原理的概念。

重点：系统微分方程的列写；传递函数的概念、特点及求法；典型环节的传递函数，传递函数方框图的绘制及简化。

难点：系统微分方程的列写，传递函数方框图的绘制及简化。

3．系统的时间响应与误差分析

教学内容：时间响应的基本概念，典型输入信号的形式；一阶、二阶系统的数学模型、时间响应及其响应曲线，瞬态响应的性能指标；误差、偏差与稳态误差、稳态偏差的概念，系统的稳态误差分析与计算。

基本要求：了解时间响应的基本概念、组成，理解系统特征根的实部和虚部对系统自由响应项的影响情况，掌握系统稳定性与特征根实部之间的关系；了解控制系统时间响应分析中常用的典型输入信号及其特点；理解一阶系统的定义和基本参数，掌握一阶系统单位脉冲响应、单位阶跃响应的求解，掌握一阶系统时间响应曲线的基本形状及意义；掌握二阶系统的定义和基本参数，理解二阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系，掌握求解二阶系统单位脉冲响应、单位阶跃响应的方法，掌握二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系；理解系统误差的定义以及系统误差与偏差的关系，掌握误差及稳态误差的求法，能够分析系统的输入、系统的结构与参数以及干扰对系统偏差的影响。

重点：一阶系统的定义和基本参数，求解一阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应；二阶系统的定义和基本参数，求解二阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应；二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系；系统误差的定义，系统误差与偏差的关系，稳态误差与稳态误差的求法，系统的输入、系统的结构与参数以及干扰对系统偏差的影响。

难点：二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系；系统的输入、系统的结构与参数以及干扰对系统偏差的影响。

4．系统的频率特性分析

教学内容：系统频率响应与频率特性的基本概念、频率特性与系统传递函数的关系、频率特性的表示方法；频率特性的极坐标图（Nyquist图）的一般概念、典型环节的Nyquist图、绘制系统Nyquist图的一般步骤和方法；频率特性的对数坐标图（Bode图）的一般概念、典型环节的Bode 图、绘制系统Bode图的一般步骤和方法；频域性能指标、最小相位系统的概念；根据频率特性的对数坐标图辨识系统数学模型的一般方法。

基本要求：理解频率特性的定义和代数表示法以及与传递函数、单位脉冲响应函数、微分方程之间的相互关系；掌握频率特性和频率响应的求法；理解频率特性的Nyquist图和Bode图的组成原理，熟悉典型环节Nyquist图和Bode图的特点及其绘制，掌握一般系统Nyquist图和Bode图的特点和绘制；了解闭环频率特性与开环频率特性之间的关系；掌握频域中性能指标的定义和求法，理解频域性能指标与系统性能的关系；了解系统型次的概念，了解最小相位系统和非最小相位系统的概念；掌握根据频率特性的对数坐标图辨识系统数学模型的一般方法。

重点：频率特性基本概念、代数表示法及其特点；频率特性图示法（Nyquist图和Bode图）的原理，一般系统Nyquist图和Bode图的特点与绘制；频域性能指标及其与系统结构参数、特征参数之间的关系；根据频率特性的对数坐标图辨识系统数学模型。

难点：一般系统Nyquist图和Bode图的绘制以及根据图形进行系统分析；根据频率特性的对数坐标图辨识系统数学模型。

5．系统的稳定性

教学内容：系统稳定性的基本概念、判别线性系统稳定性的基本出发点；Routh稳定性判据及其特点、应用场合，Nyquist稳定性判据及其特点，Bode稳定性判据；系统的相对稳定性概念、意义以及稳定裕量（幅值裕度与相位裕度）的概念。

基本要求：了解系统稳定性的定义、系统稳定的条件；掌握Routh稳定性判据判别系统稳定性，对于不稳定系统，能够指出系统不稳定根的个数；掌握Nyquist稳定性判据；了解Bode稳定性判据；理解系统相对稳定性的概念，掌握幅值裕度与相位裕度的求法，并能够在Nyquist图和Bode图上加以表示。

重点：Routh稳定性判据、Nyquist稳定性判据的应用；系统的相对稳定性，幅值裕度和相位裕度的求法及其在Nyquist图和Bode图上的表示法。

难点：Nyquist稳定性判据及其应用；系统结构参数对系统相对稳定性的影响。

6．系统的性能指标与校正

教学内容：系统的性能指标、系统校正一般概念，常用的校正方法与分类；相位超前校正、相位滞后校正及相位滞后—超前校正的基本特性及其频域设计方法；PID调节器的基本特性与设计方法；顺馈校正与反馈校正的基本特性。

基本要求：理解系统时域性能指标、频域性能指标和综合性能指标的概念；了解频域性能指标和时域性能指标的关系；理解系统校正的基本概念，掌握增益校正的特点；了解相位超前校正装置、相位滞后校正装置和相位滞后－超前校正装置的模型、频率特性及有关量的概念、求法及意义；了解各种校正装置的频率特性设计方法；理解各种校正的特点；了解PID校正的基本规律及各种调节器的特点；理解反馈校正、顺馈校正的定义、基本形式、作用和特点。

重点：系统时域性能指标、频域性能指标和综合性能指标的概念；系统校正的基本概念；反馈校正、顺馈校正的定义、基本形式、作用和特点。

四、课时分配表

五、实验

开课实验室：机械电子工程实验室

六、推荐教材、参考资料

1．推荐教材

王晓梅．《控制工程基础》．北京：冶金工业出版社，2013.7.

林海鹏．《机械控制工程基础》．北京：中国电力出版社，2012.7.

朱骥北，徐小力，陈秀梅晓莉．《机械控制工程基础》(第2版)．北京：机械工业出版社，2005.7.

2．推荐参考书

熊良才，杨克冲，吴波．《机械工程控制基础学习辅导与题解》（修订版）．武汉：华中科技大学出版社，2013.2.

刘叔军、樊京.《MATLAB控制系统应用与实例》.北京：清华大学出版社，2008年5月。

七、执行大纲说明

1．本课程采用课堂讲授为主，每章都需布置一定作业进行课外练习。

2. 根据目前机械电子工程实验室开出实验的能力，选定上述实验，机械电子工程实验室设备购置增加之后可以根据实际情况调整实验内容。

                                                                                                                    执笔人：王晓梅

                                                                                                                     审核人：文  成