机械控制工程基础课程教学大纲.doc

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1、?机械控制工程根底?课程教学大纲一、课程根本信息1课程编号：MACH4008012课程体系/类别：专业类/专业核心课3学时/学分：56学时/ 3学分4先修课程：高等数学、积分变换、理论力学、电工电子技术、机械设计根底、大学计算机根底、高级程序设计5适用专业：机械大类专业包括机械工程、车辆工程、测控技术与仪器、能源与动力工程与工业工程二、课程目标及学生应到达的能力?机械控制工程根底?是西安交通大学机械类专业的一门专业核心课程，主要授课内容是运用现代数学知识、自动控制理论与信息技术来分析、设计典型机电控制系统。旨在培养学生运用科学方法与工具来解决机械工程根本问题的系统分析设计能力、综合创新能力。本

2、课程的主要任务是通过课堂教学、计算机仿真实训、实验教学等教学方式，使学生掌握实现机械系统自动控制的根本理论；学会典型机电系统的数学建模、运行性能分析与系统设计、校正与补偿等根本知识与根本技能；具有根本的机电控制系统分析设计能力，以及对复杂机械系统的控制问题进展分析、求解与论证的能力，并了解机械控制领域的新理论与新技术，支撑毕业要求中的相应指标点。课程目标及能力要求具体如下：课程目标1. 掌握机械控制系统的根本概念与组成原理，具备自动控制原理与系统的根底概念；掌握典型机电传动单元与系统的数学建模方法；掌握机电系统的时域与频域分析设计校正方法。毕业要求中的第1课程目标2. 培养学生对机械控制工程中

3、复杂问题的分析能力，能够对复杂机械控制系统进展分析、设计，并能够采用相关软件进展模拟仿真，能够构建实验控制系统进展分析研究，具有研究与解决机械控制工程问题的能力。毕业要求中的第2、4课程目标3. 初步了解机械系统常用的控制方法，以及现代控制与智能控制的原理，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复杂机械工程中的系统控制问题进展理论分析、实验研究的能力。毕业要求中的第4毕业要求毕业要求指标点课程目标对毕业要求的支撑关系1.4 掌握机械设计、制造及其自动化领域的专业知识，能将其与数理根底、工程根底与经济管理等知识相结合，综合应用于解决复杂机械工程问题。课程目标

4、12. 问题分析2.2 能够通过文献查阅、分析或实验、实践，对复杂工程问题进展解释并提出相应的解决方案。能理解工程问题解决方案的多样性，并对不同方案进展比拟、评价。课程目标24.2 能够对复杂工程问题中所涉及到的物理现象、材料特性以及系统性能进展理论分析或实验测试、验证；课程目标3三、课程教学内容与学时分配序号教学内容教学要求推荐学时教学方式对应的课程目标（1） 1（2） 第一章 绪论（3） 引言（4） 机电控制工程的研究对象、用途、根本内容、学科开展简史等（5） 机电控制系统根本概念与术语（6） 控制系统的定义及组成，控制系统分析与设计的主要性能指标，计算机辅助设计，控制系统主要任务等（7）

5、 典型机电控制系统的介绍（8） 运用微分方程对典型机电控制系统进展分析，并利用拉普拉斯变换对系统进展处理。1.掌握机械控制工程的根本概念以及学科开展史；2.掌握典型机电控制系统的数学分析方法。2讲授12第二章 机电系统数学建模 从建立机电系统的运动微分方程入手，经Laplace变换，引出传递函数、方框图等概念。 典型的电路环节、平动机械传动环节、转动机械传动环节、典型机电对象的传递函数。 复杂机电系统传递函数的构建，系统方块图的绘制、简化等。1.掌握机电控制系统通过微分方程数学建模、传递函数建模的根本方法；2.掌握典型机电系统的传递函数数学模型。4讲授1、23第三章 系统的时域响应分析 时间响

6、应与时域特性概念一阶系统、二阶系统的时域响应及其性能指标高阶系统的时间响应与闭环主导极点 系统误差分析1.掌握机械控制系统的时域分析方法；2.掌握典型机电系统的性能指标表征与分析方法。8讲授1、24第四章 系统的稳定性分析4.1 系统稳定性的概念及准那么4.2 劳斯稳定性判据及应用4.3 奈奎斯特稳定性判据及应用4.4 系统的相对稳定性1掌握系统稳定性的根本概念及根本判断方法；2掌握系统相对稳定性的校验方法。45第五章 基于根轨迹法的系统设计与校正5.1 根轨迹的定义、性质、画法、应用法那么等5.2 基于根轨迹法的系统校正补偿方法，包括PI校正、PD校正、PID校正等1.掌握根轨迹法设计与校正

7、系统原理；2.掌握用计算机求解根轨迹设计校正方法。10讲授1、26第六章 基于频率响应的系统设计与校正 系统频率响应的定义、性质，一阶系统、二阶系统的频率特性Bode图、Nyquist图画法与应用，典型机电系统的频域特性分析与系统辨识等 基于系统频率响应系统校正补偿，相位超前、相位滞后、相位超前滞后校正等 PID校正方法1.掌握系统频率响应分析的根本思想；2.掌握用bode图，Nyquist图进展典型机电系统频域分析与校正的方法8讲授1、27第七章 现代智能控制理论的开展趋势与应用7.1 现代控制理论根本概念及其应用7.2 智能控制理论方法及其开展趋势1.查阅中英文文献，撰写关于机器人智能控制

8、理论现状及其未来开展趋势的课程报告，并做PPT进展简要汇报。此内容每届需更新4讲授38上机一 Matlab计算根底Matlab界面与定义，数值计算，逻辑计算，矩阵运算，符号运算，复数与复变函数运算，Laplace变换等在典型机电系统中的应用。1、掌握用Matlab进展一般数值计算的方法。2、利用Matlab软件对弹簧-质量-阻尼等二阶机械系统特性进展分析。4上机29上机二 Simulink仿真根底Simulink建模仿真，功能模块处理，仿真器参数设置，S函数设置与典型机电控制系统的应用等。学会使用Simulink搭建弹簧-质量-阻尼、机械传动等控制系统构造图，并在不同仿真条件下观察系统的稳定性

9、。4上机210上机三 控制系统数学模型Simulink中的控制系统模型表示，系统数学模型的转换与连接。学会在Simulink环境下建立弹簧-质量-阻尼、机械传动、机床切削过程等控制系统数学模型。2上机1、211上机四 时域分析法及应用时域响应性能指标求取，二阶系统参数对时域响应性能的影响，LTI Viewer应用，稳定性分析1.学会用Matlab函数与LTI Viewer分析一阶弹簧-阻尼系统、二阶机械平移、转动系统的时域特性，并对系统的响应时间、超调量等参数进展分析。2.针对球杆系统、倒立摆系统、带弹簧的直线伺服电机系统等建立数学模型，并转换成传递函数，通过Simulink对系统特性进展分析

10、。2上机1、212上机五 根轨迹法根轨迹分析相关的MATLAB函数， 根轨迹分析与设计工具rltool， 利用MATLAB绘制根轨迹图，正反应系统的根轨迹，参数根轨迹，时滞系统的根轨迹，用根轨迹法分析系统的瞬态特性，控制系统的根轨迹法校正。1.学会用Matlab及其rltool工具对机械一阶、二阶控制系统进展根轨迹分析与校正。2.对球杆系统、倒立摆系统、带弹簧的直线伺服电机系统等系统分析其根轨迹特性，确定控制参数。4上机1、213上机六 频域分析与PID校正系统的Bode图Nyquist图画法，系统的频率响应分析与稳定性分析，应用MATLAB/Simulink设计 PID控制器。1.学会用Ma

11、tlab中函数对系统的频率响应进展分析，学会PID控制器设计与参数整定；2.并在simulink对PID等控制算法设计的参数对系统进展校正仿真4上机214实验一：基于直流伺服电机的旋转运动控制与校正实验1.通过对直流伺服电机进展建模，通过Matlab对模型进展分析，掌握直流伺服电机控制系统的时域与频域特征；2.通过编程与仿真综合实验装置，观察与分析不同参数的频率特性，掌握PID参数的整定方法；3. 掌握直流伺服电机控制系统的校正方法，分析不同PID参数与电机控制系统性能的关系。24实验1、2、315实验二：基于比例电磁铁的直线运动控制与校正实验1.掌握比例电磁铁控制系统的时域与频域特征；2.通

12、过编程与仿真综合实验装置，观察与分析不同参数的频率特性，掌握PID参数的整定方法；3. 掌握比例电磁铁控制系统的校正方法，分析PID参数与比例电磁铁控制系统性能的关系。24实验1、2、316实验三：基于直线伺服电机的控制与校正实验1. 建立直线伺服电机、弹簧系统的数学模型，通过Matlab等软件对直线伺服电机系统进展分析，掌握直线伺服电机系统的时域与频域特征；2.通过编程与仿真综合实验装置，观察与分析不同参数的频率特性，并根据根轨迹方法确定球杆系统的调整参数；3. 掌握直线伺服电机控制系统的校正方法，分析PID参数与直线伺服电机控制系统性能的关系。48实验1、2、317实验四：基于直流伺服电机

13、的球杆控制与校正实验1.建立球杆系统的数学模型，通过Matlab等软件对球杆系统进展分析，掌握球杆位置控制系统的时域与频域特征；2.通过编程与仿真综合实验装置，观察与分析不同参数的频率特性，并根据根轨迹方法确定球杆系统的调整参数，明；3. 掌握在Simulink实时控制系统中，球杆位置控制系统的校正方法，通过比照球杆系统的仿真结果与球杆位置控制系统，分析PID参数与控制系统性能之间关系。48实验1、2、318实验五：基于倒立摆系统的控制与校正系统1. 建立倒立摆系统的数学模型，通过Matlab等软件对倒立摆系统进展分析，掌握倒立摆系统的时域与频域特征；2.通过编程与仿真综合实验装置，观察与分析

14、不同参数的频率特性，并根据根轨迹方法确定球杆系统的调整参数；3. 掌握在Simulink实时控制系统中，倒立摆系统的校正方法，通过比照倒立摆系统的仿真结果与实时控制系统，分析PID参数与控制系统性能之间关系。48实验1、2、3备注：1实验室提供以上5个大综合实验条件，要求学生自由选择其中4个；2学生4-5人一组自由组合。每个综合实验1个组长4个组员，由组长协调组员的分工；第2个综合实验换1个组长，新组长协调组员完成新的综合实验。3对于每个综合实验，2-4学时课内、4-8学时课外。4综合实验完成后除了提交实验报告外，还需准备PPT进展辩论。每组辩论总时间20分钟，每个小组由2个人分别汇报每个综合

15、实验完成情况，每人汇报7分钟，2人共14分钟，教师提问6分钟。5辩论时由任课教师与实验教师共同组成评委，评委给出每个小组、每个综合实验的总成绩，由组长根据组员在实验中的实际奉献度分配成绩，原那么上不可平分。四、课程教学方法一课堂讲授40学时1采用启发式教学，通过结合具体如机器人控制系统、机床运动控制系统、液压伺服控制系统等实例教学，激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题与解决问题的能力，引导学生主动通过实践与自学获得自己想学到的知识。2在教学内容上，系统讲授古典控制理论应用于机电系统的根本理论、根本知识与根本方法，初步介绍现代控制、智能控制理论的根本知识与方法，并通过学生查阅中英文

16、文献，撰写有关机器人智能控制理论前沿开展报告，使学生能够系统掌握用于解决机械控制工程问题的专业根底知识，并了解学科前沿知识。3在机械控制系统绪论、数学建模、时域分析、稳定性分析、系统设计与校正、频域分析等教学环节中采用电子教案与多媒体教学，提高课堂教学信息量，增强教学效果。4在进展弹簧-质量-阻尼、机械传动等典型机械控制系统的案例教学环节中，理论教学、计算机仿真模拟与综合实验教学相结合，引导学生应用数学、自然科学与工程科学的根本原理，采用现代设计方法与手段，进展机械控制系统的分析、设计、仿真、实验，培养其识别、表达与解决机械控制相关工程问题的思维方法与实践能力。二计算机仿真操作课外20学时围绕

17、各章教学重点内容，介绍Matlab计算机控制仿真分析软件，并指导学生上机操作。在进展弹簧-质量-阻尼、机械传动等典型机械控制系统的案例教学环节中，运用所学的Matlab知识进展分析。三综合实验16学时，32小时课程选做综合实验4个，学生按照实验指导书的要求，独立或分组完成，提交实验报告，并进展PPT辩论。五、课程的考核环节及课程目标达成度自评方式一课程的考核环节课程的考核主要是检查学生对各知识点的掌握程度与应用能力，包括课后作业、期末考试、实验报告含上机仿真与综合实验三局部组成。总评成绩以百分计，总分值100分，各考核环节所占分值比例可根据具体情况进展微调，建议值及考核细那么如下。考核环节建议

18、分值考核/评价细那么对应的课程目标作业101主要考核学生对每章节知识点的复习、理解与掌握程度；2每次作业按10分制单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。1，2实验301根据每个实验的实验情况与实验报告质量单独评分，总分值100分；2取各次实验成绩的平均值乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。1、2、3期末考试601卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。2主要考核机械控制系统的根本概念与系统分析设计方法等内容。考试题型为填空、选择、判断正误、简答、分析计算题等。1，2，3二课程目标达成度评价方式课程目标达成度评价包括课程分目标达成度评价与课

19、程总目标达成度评价，具体计算方法如下：达成度评价值计算的具体说明及例如如下表所示，其中A、B与C那么分别表示总评成绩中作业、期末考试成绩与综合实验的实际平均得分；且有：A0+B0+C0=100。课程目标支撑环节目标分值学生平均得分达成度计算课程目标1作业4A1综合实验B1期末考试0C1课程目标2作业A2综合实验0B2期末考试5C2课程目标3作业A3综合实验期末考试5C3课程总体目标总评成绩100A1+A2+A3+B1+B2+C1+C2+C3六、本课程与其它课程的联系与分工一先修课高等数学、积分变换、理论力学、电工电子技术、机械设计根底、大学计算机根底、高级程序设计二后续课现代控制技术，工业机器

20、人等七、建议教材及教学参考书1 自编教材：机械控制工程根底待编写.2 Norman S. Nise. Control Systems Engineering (Seventh Edition)M. John Wiley & Son, Inc. 2021.ISBN: 97811181705193 董霞，陈康宁，李天石. 机械控制理论根底M. 西安：西安交通大学出版社. 2005. ISBN: 97875605204144 Katsuhiko Ogata. Modern Control Engineering (Fourth Edition)M. Pearson Hall. ISBN: 9787121123146执笔人：王朝晖 要义勇专业负责人：王朝晖课程负责人：王朝晖核准院长：第 14 页