《控制工程基础》课程教学大纲（本科）.docx

控制工程基础课程教学大纲（2019版）一、基本信息课程编码：1021139302英文名称：Fundamentals of Control Engineering课程性质：专业必修课学 分：2.0学 时：32学时开课学期：学期开课院系：机械工程学院适用专业：车辆工程先修课程：高等数学I、大学物理I、电工电子技术（1）、理论力学II二、课程简介控制工程基础是机车辆工程的专业必修课，通过控制工程基础学习，使学生掌握机械工程控制系统设 计、性能分析的基本方法，为培养具有承当机上就产品的设计与制造等评价能力奠定基础。该课程学习 机械工程控制系统数学模型、时域分析法、频率分析法和系统稳定性判定方法，以及控制系统设计及 校正等内容，掌握控制论的基本思想、分析设计原理，具备机械工程控制系统的设计分析的基本技能， 以及在机械工程等诸方面的实际应用，提高学生分析和解决机械工程问题能力。三、课程教学任务与教学目标（-）教学任务课程的教学任务就是学习机械工程控制系统，使学生掌握自动控制系统的基本理论；学会典型机电 系统的数学建模、运行性能分析和系统设计、校正与补偿等基本知识和基本技能；具有基本的机电 控制系统分析设计能力，以及对复杂机械工程系统的控制问题进行分析、求解和论证的能力，并了 解机械工程控制领域的新理论和新技术，培养机械工程控制的基本能力，激发学生专业兴趣，培养 学生科学思维和科用神，支撑毕业要求中的相应指标点。本课程分为课堂教学与实验教学两局部，其 基本任务如下：1 .通过多种形式的课堂教学，使学生理解控制论的基本思想、熟悉典型机电系统的数学建模方法， 掌握控制系统的性能分析和设计方法，了解控制系统性能校正基本原理，培养学生分析和设计机械工 程控制的基本能力。课程学习拉斯变换和拉斯反变换、系统数学模型、时域分析法、频率分析法、系 统稳定性判定等；课程难点在于多学科交叉、强理论、高抽象、知识领域宽。2 .通过实验教学，使学生掌握控制系统建立、控制系统性能分析与校正方法、r解相似控制系统模拟 分析方法等，培养学生实践操作及与分析解决具体机械工程控制系统问题能力。（二）教学目标.教学目标（1）掌握自动控制系统的基本概念、组成及控制原理；掌握典型机电系统的数学建模方法；理解机 电系统的时域和频域分析、设计及校正方法。（支撑毕业要求指标点1.2、3.2）（2）培养学生对机械控制工程中复杂问题的分析能力，能够对机械控制系统进行分析、设计，能够 构建实验控制系统进行分析研究，具有研究和解决机械控制工程问题的能力。（支撑毕业要求指标点 1.2、3.2）（3）初步了解机械系统常用的控制方法，了解机械控制理论的现状与开展趋势。培养学生运用机械 控制工程领域新技术新方法对机械工程中的系统控制问题进行理论分析、实验研究的能力。（支撑毕 业要求指标点3.2）.教学目标对毕业要求的支撑矩阵表1教学目标对毕业要求的支撑矩阵毕业要求二级指标点课程教学目标(1)(2)(3)1.工程知识：能够将数学、自然科学、机 械工程基础知识和车辆工程专业知识用于 解决汽车设计、制造、试验、检测及生产 过程管理等领域复杂车辆工程问题。1.2.针对车辆工程领域中关于汽车设 计、试验、检测及生产过程管理等复杂 工程问题建立合适的数学或仿真模型。73.设计开发：根据车辆工程产业需求，针 对其领域工程技术要求，完成设计开发内 容，并能够在设计环节中表达创新意识， 兼顾经济、社会、健康、平安、法律、伦 理、文化以及环境等因素。3.2.在经济、社会、平安、法律、文化 以及环境等现实条件约束下，对设计内 容的可行性进行论证。四、教学内容及要求(-)教学内容及要求表2教学内容、要求与达成章节(学时)教学目标教学内容教学要求难点教学活动达成能力达成途径支撑目标第一章结 论理解拄制系统 的工作原理、 基本要求.了 解控制系统的 加本类型.了 解控IM系统发 展概况。控制系统的工 作原理及其组 成：控制系统的 房本类型：对控 创系统的基本 要求：控制工程 开展概况：本课 悭的内容、性质 与任务.1.理解控制系统 的工作原理及其 组成的方法：理解 控制系统的基本 类组、时控制系统 的基本要求了解 控制工程开展概 况，【本章】控制系 统的工作原理及 团环控制系统的 组成:拴制系统 的基本要求.【课前提问】H么是控制系统？【课堂讲授】控制系统的匚作原理及其 组成：控制系统的基本类型：对校制系 统的基本要求：控制工程开展概况：应 用实例：本课程的内容、性施与任务.【教学】讲授'案例载学混合式敕学,毕业亶求1工程知识的“能够将数学、自 然科学、机械工程基础小设和车辆工程 专业知识用丁解决汽车设计、制造、试 脸、检测及生产过程管理箸领域复杂率 辆工程问即”.毕业要求3设计开发“根据车辆程产 业需求.针对其领域工程技术要求,完 成设计开发内容,井能鲂在设计环节中 表达创新意识，麻顾经济、社会、健康、 平安、法律、伦理、文化以及环境等因 索”,课堂提 问、期末 考试教学目标 k 3章系统的数 学模型9)掌援控制系统 做分方程的建 立力法；堂报 拉氏变换和反 变换的求解： 理解传述函数 概念.掌握系 统传递函数求 解及传递用数 的典型环节： 熟练掌握系统 方框图的简化 规那么.拉氏变换变换 与拉氏反变换 定义；典型时间 函数的拉氏变 换；拉斯变换的 定现；拉氏反变 换的数学方法： 系骨微分方程 的建立:系统传 递函数的建立： 系统方块图：机 电系统的传递 而虬1 .掌疥拉氏变换 和反变换；2. 本 媒控制系统微分 方程的建立;3. 理解传递函数概 念,掌握系统传递 函数求解及传递 函数的典型环节： 4.掌提票统方框 图的简化:5.了解 机电系统的数学 模型.【本章】拉氏变 换和反交换；典 型时间函数的象 函数；拉氏变换 的性质及定理； 典型环节的传递 函数：传递函数: 方框图的化简.【本章魔点】传 递函数含义及建 立方法。【课前提问】研究系统方法、数学校 型？【课堂讲授】概述；拉氏变换变换与技 氏反变换定义：贝长时间函数的拉氏变 按；拉斯变换的定理；拉反反变换的数 学方法：系统微分方程的建立：系统传 递函数的建立；系统方块图；机电系统 的传递函数.【课it讨论】微分方程求解？【敕学】讲授'案例鞍学课堂研i；八混合 式教学【习题作业】P26-27 1、2、3、4、6： 169-73 1、4、5. 7、9、10.毕业要求11 程知识的“能够将数学、自 然科学、机械工程范础知识和车辆工程 专业知识用于解决汽车设计、制造、试 验、检洌及生产过程管理等领域更杂车 辆工程问题”。毕业裳求3设计开发“根据车辆工程产 业需求,针对其领城工程技术妥求,完 成设计开发内容.并能够在设计环节中 表达创新意识,放顶经济、社会、健康、 平安、法律、伦理、文化以及环境等因课堂提 向、作 用、方案 设计.期 末考试敕学目标 k 2、3章节 （学时）救学目标教学内容教学要求难点教学活动达成能力达成途径支撑目标章控制系统 时域响应及 误始分析（81理解时间响应 含义.军、 二阶系统的时 间响应；常握 墀态响应的性 能指标；掌握 系统的误治分 析.典型输入信号：阶系统的时 司响应：二阶系 境的时间响应； 窿态响应的性 能指标:能指林 治分析和计算； 也用实例.1.理解典型输入 信号：2.一、二阶 系统的时间叫应 持点：3.掌握二 圻系统的性侵指 标；4.理解稳态 调差的基本概念, 挈提稳态误茏计 究方法，f*«时间响 应：瞬态响应性 能指标；也态设 差分析。【本章难点】控 制系统时域分 析.【课前案例】机械加工过程、时间响应. 【课堂讲授】电槃输入信号：一阶系统 的时间响应：二阶系统的时间响应：脱 态响应的性能指标：稳态误差分析和计 算：应用实例.【课堂讨论】如何提高的响应速度、出 高控制精度【习题作业】p97-98 2、4、S、7. 9、 10：【教学】讲授' 案例教学' 混合式教学毕业要求1工程知识的“俄够将数学.自 然科学、机械工程弗础m双和乍辆工程 专业知识用于解决汽车设计、制造、试 胺.检测及生产过程管理等领域复杂车 辆工程问题”.毕业要求3设计开发“根据卑牺工程产 夔需求.针对其领域工程技术婴求.完 成设计开发内容,并能够在设计环节中 表达创新意识.赧质经济、社会、ft!谶、 平安、法律、伦理、文化以及环境等因课堂讨 论、习题 作业、方 案设计、 期末考试«（学口标 1、2、3章控制系统 的娓车抑性（8）理解频率特性 及领军响应的 含义：掌握典 型环节及系统 的伯的图的绘 制：掌握闭环 系统的侦域指 标.了解相位 系统的假念及 奈主斯特图的 绘机顷率特性及领 率响应的眩本 概念；典型环节 的频率特性:系 统领军物性图： 相位系统：闭环 控制系统的拓 率特性：用系性 开环频率特性 分析闭环系统 怦性；应用实 阿理解频率特性及 嫔率响应的基本 «t念掌摞典型环 节及系统的伯饿 图的绘制：了解相 位系统的概念：了 解奈至斯特图的 绘制；理解闭环系 统的领域指标。【本章】领率响 应：颇率特性： 系统频率特性 图：须率件件的 性能指标【本章难点】信 物图绘制、系统 传递函数的求 取.【深前案例】正弦函数输入的时间响 应。【课堂讲授】频率晌应纯率特性：典 型环节的频率特性；系统频率特性伯修 图：相位系统：闭环控制系统的短军科 性；用系统开环频率特性分析闭环系统 恃性；应用实例.【习题作业】P146-148: 1, 2. 5. 6、7. 8【教学】讲授'案例教学' 混合式教学毕业亶求1工程知识的“倭够将数学、自 然科学、机械工程基础m双和车辆工程 专业知识用于解决汽车设计、制造、试 股、检测及生产过程管理等领域复杂车学业要求3设计开发“根据车聃工程产 业需求针对共融域工程技术要求,完 成设计开发内容,井能泌在设计环节中 表达创新意识，麻颐经济、社会、健康、 平安、法仲、伦理、文化以及环境等因 索”.课堂提 同、习题 作业、方 菜设计、 期末考试教学目标 1、2、3章节（学时）教学目标教学内容教学要求难点教学活动达成能力达成途径支撑目标章控制系疑的稔定性分析（4）理解系统桓定 性的概念:拿 娓劳斯利据： 了解胡尔维茨 判据、奈老斯 战判抠：竽握 系统稳定性程 度评定.稳定性概念:劳 斯利据：奈金斯 桥判据：衡判据 境稳定性及其 稳定程度性能 用标：应用实 例.1.理的系统稳定 性的概念；2.掌 提劳斯利抠：3. 了解胡尔维茨判 据:4.理解奈堂 斯特判期：5.掌 婢系统在定性程 度评定.【本章】稳定性 先要条件：劳斯 判据：东统稳定 程度评定.【本章难点】系 统也定性评定.【课前案例】工程应用不稳定实例.【课就讲授】侵定性概公；劳斯利据； 奈奎斯特和据；衙量系统稔定性及其校 定程度性能指标。【习题作业】pl78-180: 1、2, 3、4、6. 10【教学】讲授' 案例教学' 混合式教学毕业要求1工程知识的“鹿纺将数学、自 然科学、机械工程甚础知识和乍辆匚程 专业知识用于解决汽车设计、制造、试 验*检测及生产过程管理笠额域更杂车 辆工程问题”.毕业要求3设计开发“根据车辆I：程产 业需求针对其领域工程技术要求,完 或设计开发内容.并能够在设计环节中 表达创新意识，兼顾经济、社会、fit康、 平安、法律、伦理.文化以及讣境等因 索”.那堂提"1 .习题作业、期 末考试Mt学目标k 2、3章控制系 统的校正与 设计（2）了解系统校正 的一般概念： 拿耗PID控制 的控制双律. 挈握二阶、三 价系统模组.系统校正的一 股概念:校正;花制系统小联 校正：反应和顺 馔校正：PID控 加规律及设计1.系统校正的一 殷蛾念：2.掌握 P1D控制的控制 规律：3.掌握二 阶.三阶系统模 型.【本章】P1D控制 规律.设计和校 正.【课前案例】控制系统应用实例.【课堂讲授】系统校正的股概念：校 正:控制系统串联校正：反应和顺馈校 正:PID控制规律及设计：应用实例.【习题作业】P2O2： 2、4、6.【教学】讲授' 案例教学' 涉台式教学毕业要求1工程知识的“健够将数学、自 然科学、机械工程刘础知识和车辆工程 U业如识用于解决汽车设计、制造、试 膑、检测及生产过程管现等领域更杂下 辆工程问题”.毕业要求3设计开发“根据车辆工程产 业需求.针对共领域工程技术要求,完 成设计开发内容.并能够在设计环节中 表达创新意识，熊顾经济、社会、健膜. 平安、法律、伦理、文化以及环境等因课堂提 问、习题 作业、方 案设计、 期末考试敦学目标1、3五、课程考核与评分标准（一）考核表4教学目标的考核序号教学目标考核内容考核1掌握自动控制系统的基本概念、组成及控制原理： 掌握典型机电系统的数学建模方法；掌握机电系 统的时域和频域分析、设计及校正方法。控制系统思想、组成及基本性能、机械工程控 制系统；拉氏变换与拉氏反变换、系统传递函 数、方块图简化；时域分析分性能指标；频率 分析分性能指标；系统的校正方法。课堂提问与 讨论、作业、 期末考试2培养学生时机械控制工程中复杂问题的分析能 力，能够对机械控制系统进行分析、设计，能够 构建实验控制系统进行分析研究，具有研究和解 决机械控制工程问题的能力。机械工程控制系统数学模型的建立：控制系统 的性能指标；一阶系统、二阶系统响应指标、 系统误差分析：频率特性、伯德图、频率特性 性能指标：系统稳定性判定、稳定程度评定。课堂提问与 讨论、作业、 期末考试3初步了解机械系统常用的控制方法，了解机械控 制理论的现状开展趋势。培养学生运用机械控 制工程领域新技术新方法对机械工程中的系统控 制问题进行理论分析、实验研究的能力。控制论的开展概况：机械工程控制系统模拟分 析：一阶系统实验模拟分析、二阶系统模拟分 析：频率响应模拟分析。课堂提问、实 验设计、作 业、期末考试（二）总成绩构成表5总成绩构成表序号教学目标教学目标在各考核（环节）中的比例教学目标占 总成绩比例课堂提问研讨+考勤作业实验设 计期末 考试1掌握自动控制系统的基本概念、组成及控 制原理：掌握典型机电系统的数学建模方 法：掌握机电系统的时域和频域分析、设 计及校正方法。30%20%15%35%30.00%2培养学生对机械控制工程中复杂问题的 分析能力，能够对机械控制系统进行分 析、设计，能够构建实验控制系统进行分 析研究，具有研究和解决机械控制工程问 题的能力。45%50%30%50%47.25%3初步了解机械系统常用的控制方法，了解 机械控制理论的现状与开展趋势。培养学 生运用机械控制工程领域新技术新方法对 机械工程中的系统控制问题进行理论分 析、实验研究的能力。25%30%55%15%22.75%考核占总成绩比例15%15%10%60%100%（三）评分标准本课程考核：形成性评价（平时成绩）占40%，结果性评价（期末考试成绩）占60%。形成性评价：包括课堂提问研讨（10%）、作业（15%）,实验设玳10%）和学习习惯（考勤、课堂表现等，5%）。1.课堂研时提问评分标准（10%）课堂研讨提问可提高学习兴趣，调到学生课堂注意力，增强教学效果。采）IJ现场打分、教学手册记录或混合 式教学自动记围绕课程教学进度设计问题，回答正确合理发言积极,学习态度认真即为总分值A （90%）， 回答基本正确B （80%）,回答局部正确C （70%）,回答模糊、但内容合理D（60%）,答案完全错误或不会回答E （50%） o2作业评分标准（15%）作业要求结合教学内容，完成，严格杜绝抄袭。具体的评分标准如下：考核内容A (95%)B (85%)C (75%)I) (55%)作业完成进度按时完成按时完成延时完成没有完成知识掌握情况80%以上概念清晰 准确60%以上的概念清 晰准确40%以上的概念清 晰准确40%以卜的概念 清晰准确思路清晰，结果 正确80%以上60%以上40%以上40%以下表达分析解决问 题能力理论联系实际，完成 作业，有分析解决问 题能力，结果正确、 合理、。基本完成作业，有 一定分析解决问题 能力有一定分析解决问 题能力，但结果正确 性与性缺乏无完成作业能力3 .实验方案设计（10%）以实际实验仪器为研究分析对象，结合所学相关控制理论及分析方法，通过杳阅资料文献，构建完整的实验 设i十方案。实Ml括控制系统设1十、划涉骤、剌佥操作、鳏物撤1理方法以彭占果讨论与应等。评分原那么：参照上述作业评分原那么。实验方案设计完整、合理，实验操作规范，数据处理正确，成绩为（A）； 实验方案设计完整、基本合理，郎徽作基本规范，数据处理正确，成绩为（B）；方案基本完整，但有2处 及以上有问题，颇为（C）；方案结构不完整，或有方法或明显错误的，成绩为（D）。4 .学习习惯（考勤及课堂表现）5%以课堂考勤为主：出勤率95%以上为（A） ； 85%及以上为（B） ； 75%以上为（C）；小于75%为（D）。结果性评价：期末考试试卷题型共分为六大类型，包括：填空题、选择题、简答题、分析题、计算题和谀计 题。考试内容结合教学大纲与课程目标，做到全面覆盖，全面支撑毕业要求指标点的达成，内容涉及控制系统基 本原理与要求、拉氏变换性质、拉氏反变换、系统传递函数、方块图简化、一阶系统特性、二阶系统性能指 标、系统误差分析、频率响应、伯德图、频率特性性能指标、系统稳定性判定、系统校正等内容，既有基本 概念、基础理论，也更强调知识的应用性和综合性，以检验教学及学习效果。七、教材及参考书1.教材：陈康宇主编，机械工程控制基础（修订本），西安交通大学，2011年。2 .（1）杨叔子主编，机械工程控制基础（第4版），华中科技大学，2014o（2）罗庚合主编，机电控制工程基础，西安电子种i大学，2016。（3）董景新等主编，控制工f踝础（第4版）,清华大学，2015。3 .课程网络资源：（1）（2） bfkpk.coiWproducts.asp?id=676（3） 130123XZ2015_T2/about.：相关专业期刊以及知网、维普、万方等期刊数据库家八、执行大纲应注意的问题1、教学中应注重基本知识、基本理论和基本方法的讲授，注意精讲多练。2、应选择适当时间为学生提供讨论与答疑。3、教学内容的顺用及其安排，教师可根据情况作适当调整。4、各章节授课前有必要对所需的高等数学I、大学物理I、电工电子技术(1)、理论力学H等基 础知识进行回顾与复习。