《控制工程基础》教学大纲（本科）.docx

控制工程基础教学大纲课程英文名Fundamentals of Control Engineering课程代码06M0089学分2总学时40理论学时32实验/实践学时 8课程类别学科基础课课程性质选修先修课程大学物理高等数学电工与电 子技术适用专业安全工程开课学院质量与安全工程学院执笔人审定人制定时间2022年12月注：课程类别是指公共基础课/学科基础课/专业课；课程性质是指必修/限选/任选。一、课程地位与课程目标（一）课程地位随着生产的发展和科学技术的进步，自动控制技术已广泛地应用于工农业生产、交通运输和 国防、宇航等领域，并成为当今备受重视的高技术之一。掌握和了解自动控制的基本理论和方法, 对各专业的科学技术人员都是十分必要的。控制工程基础是研究各类控制系统共性的一门技术基础科学，具有科学方法论的鲜明特点, 研究的问题带有普遍性，对工程实践具有重要的指导意义，该课程的开设对培养学生运用控制原 理的基本方法，提高分析和解决各种工程问题的能力奠定扎实的理论基础。使学生掌握有关自动控制的基本概念、基本理论和基本方法，能够自觉运用反馈原理解决工 程实际中的相关问题。学会用系统的方法分析问题和解决问题，逐步提高创新意识和能力。（二）课程目标1 . 了解安全生产技术与控制工程的密切关系，了解安全生产技术的发展，扩大学生的视野, 了解本专业中控制工程与和安全生产技术的关系。2 .掌握一般安全生产装置的物理建模方法；掌握主要的超前、滞后校正、PID校正方法； 掌握一般安全生产过程中自动控制系统分析过程中的频率分析方法；掌握系统稳定的三种判据, 使学生具有一定的工程实践学习经历进行实际控制系统分析的能力。3 .掌握主要的超前、滞后校正、PID校正方法，旨在使学生掌握安全生产过程中自动控制 系统的校正方法并使系统获得良好的性能，学生具有系统的工程实践学习经历。4 .结合新兴控制方法，了解安全生产过程中的控制新策略、新方法，培养学生自主创新、 勇于探索的科学精神。二、课程目标达成的途径与方法（1）课程以课堂教学为主，通过介绍控制工程的基本概念、相关理论方法，使学生了掌握 控制工程理论与实际应用。（2）课程教学中融入实际工程案例讲解，提高学生的学习兴趣，使学生能够更加容易理解 抽象的频率特性等知识点，熟悉控制工程的理论知识体系，了解控制新策略、新方法，激发学生 自主创新、勇于探索的科学精神。在课堂教学中，充分引入互动环节，提高教学效果。（3）教学中设置实验课程，通过典型环节的时域响应分析、典型环节的频域响应分析、控 制系统根轨迹图的计算机绘制等实验，以加强学生对实际问题的分析判断能力，为解决复杂工程 问题打下基础。三、课程主要内容与基本要求第一章绪论了解机械自动控制系统的工作原理、自动控制系统的分类、机械控制工程的研究对象与方法、 控制理论的发展等。与课程目标的对应关系通过了解控制工程的基础知识，了解安全生产技术与控制工程的密切关系，了解安全生产技 术的发展，结合控制技术中的新技术，新方法，促进学生对安全工程领域的控制策略的思考，扩 大学生的视野，了解本专业中控制工程与和安全生产技术的关系。（课程目标1）第二章控制系统的数学模型熟悉控制系统的微分方程的建立过程，掌握拉氏变换及反变换的计算方法，能够利用拉氏变 换求解微分方程；掌握传递函数的定义及基本环节的传递函数；掌握框图及其简化的常用方法， 掌握信号流图及梅逊公式，能够利用梅逊公式求解复杂控制系统的传递函数。与课程目标的对应关系通过学习控制系统数学模型及传递函数的基础知识，掌握一般安全生产过程中控制系统的建 模及求解方法，使学生能够独立分析复杂工程问题中的控制系统，并利用拉氏变换、梅逊公式等 方法进行控制系统的分析。（课程目标2）第三章控制系统的时域分析了解时间响应的概念，系统输入的种类，瞬态响应和稳态响应的定义；掌握一阶系统的单位阶跃响应，单位脉冲响应，响应之间的关系，熟练掌握一阶系统时间响 应的性能指标；掌握二阶系统的单位阶跃响应，单位脉冲响应，响应之间的关系，熟练掌握二阶系统时间响 应的性能指标的分析求解；掌握控制系统稳定性的定义，并能够利用劳斯判据进行系统稳定性判断。与课程目标的对应关系通过学习一阶系统和二阶系统的单位阶跃响应、单位脉冲响应等知识，了解安全生产过程中 自动控制系统的动态响应性能分析，熟悉掌握动态响应的相关性能指标，并能够判断复杂工程控 制系统中的稳定性。（课程目标2）第四章 控制系统的根轨迹分析法掌握根轨迹方法的来源，掌握根轨迹的基本概念；掌握绘制常规根轨迹的8个法则，能够利 用根轨迹的绘制法则，绘制出控制系统的概略根轨迹。与课程目标的对应关系通过学习根轨迹的概念及其绘制方法，旨在使学生能够通过根轨迹法对控制系统的稳定性、瞬态特性、稳态特性等性能指标进行判断。（课程目标2）第五章控制系统的频域分析理解频率特性的基本概念，频率特性的求解方法、物理意义和数学本质。掌握比例环节、惯 性环节、微分环节、积分环节、振荡环节以及延时环节等典型环节的幅频特性和相频特性的求法。了解系统的对数频率特性求解，了解BODE图的绘制。了解最小系统的概念和闭环频率特性 的求法。与课程目标的对应关系通过频率特性分析的基础知识，了解一般安全生产过程中自动控制系统分析过程中的频率分 析方法，包括Bode图的绘制。（课程目标2）第六章系统和综合与校正理解校正的实质、校正的方式；掌握相位超前校正、滞后校正、滞后一超前校正、PID校正技术；了解反馈与顺馈校正。与课程目标的对应关系通过控制系统校正的基础知识，掌握主要的超前、滞后校正、PID校正方法，旨在使学生掌 握安全生产过程中自动控制系统的校正方法并使系统获得良好的性能，学生具有系统的工程实 践学习经历。（课程目标3）四、课程学时安排章节号教学内容学时数学生任务对应课程目 标第1章1 .概述2 .自动控制系统的基本概念3 .控制工程基础的主要任务与研究 内容4课后复习第1章内容，课程目标1第2章1 .控制系统的微分方程及线性化方 程2 .拉氏变换及反变换3 .传递函数及基本环节的传递函数4 .框图及其简化5 信号流图及梅逊公式12课后复习第2章内容， 预习第3章内容。补充习题3道课程目标2第3章1 .时间响应及系统性能指标2 . 一阶系统的时间响应3 .二阶系统的时间响应4 .稳定性及其代数稳定数据5 误差分析与计算10课后复习第3章内容， 预习第4章节内容。补充习题8道课程目标2第4章1 .根轨迹的基本概念2 .常规根轨迹6课后复习第4章内容， 预习第5章内容。补充习题2道课程目标2第5章1 .频率特性的基本概念2 .频率特性图形表示法3 .闭环频率特性4 .域指标与频域指标的关系5 .儿何稳定判据4课后复习第5章内容， 预习第6章内容课程目标2第6章1 .概述2 .串联校正装置的形式及其特性3 .用频率特性法确定串联校正装置4 .反馈校正5 .复合校正4课后复习第6章内容课程目标3五、实践环节及基本要求序号实验项目名称学时基本要求学生任务实验 性质实验 类别1典型环节的时域 响应分析2掌握比例环节，微分环节， 一阶系统的静态特性课后完成实验 报告验证必做2典型环节的频域 响应分析2利用实验装置设计典型环 节组成的控制系统,对系统 施加不同频率和幅值的正 弦波信号，用示波器观察输 入信号和输出信号的幅值 情况和相位情况，认真测量 各信号的特征量，从而理解 各典型环节的频率相应特 点，以及它们对系统响应快 速性和稳定性的影响。课后完成实验 报告验证必做3控制系统的瞬态 响应及稳定性分 析2一阶,二阶系统的动态响应 性能。课后完成实验 报告验证选做4控制系统设计及PID控制与调节2在 Matlab 中 Simulink 环境 下，建立控制系统的方框 图，进行仿真，安排PID 参数,观察系统瞬态响应和 稳态响应的变化，并记录儿 组PID参数作为实际系统 控制参数。课后完成实验 报告验证选做5控制系统的计算 机辅助分析2学习Matlab程序对以传递 函数为数学模型的系统动 态性能的仿真，设计不同的 系统传递函数，观察其输出 仿真的波特图，从幅频特性 和相频特性上得出系统动 态性能参数,从而理解系统 响应的快速性和稳定性全 过程。课后完成实验 报告验证选做6控制系统根轨迹 图的计算机绘制2利用MATLAB绘制BODE 图和根轨迹图课后完成实验 报告设计选做注：1 .实验性质指演示性、验证性、设计性、综合性等；2.实验类别指必做、选做等。六、考核方式及成绩评定考核内容考核方式评定标准（依据）占总成绩比例过程考核以点名、课堂作业形式，检验学 生学习态度及知识掌握情况。共5次点名，5次作业15%实践考核针对课堂理论教学，设置4次课 内实验，对教学内容进行实践共4次实验，每次实验后 提交实验报告并按百分15%期末考核闭卷考试，考核各知识点的基本 概念及实际应用。题型为选择、试卷参考答案和评分标 准70%考核类别考查成绩登记方式百分制七、推荐教材与主要参考书(一)推荐教材：控制工程基础.孔祥东.机械工业出版社，2011年5月，第3版(-)主要参考书：(1)控制工程基础，徐立，浙江大学出版社，2007.6,第1版(2)机械控制工程基础，黄安贻，武汉工业大学出版社，2004年5月，第1版(3)控制工程基础，董景新，清华大学出版社，2015年1月，第1版