《控制工程基础》教学大纲

 

课程类别：学科基础课程             课程名称：控制工程基础

开课单位：能源动力工程学院         课程编号：Z02160102   

课程性质：必修

总学时：32（实验4学时）        学   分：  2

适用专业：车辆工程                                           

先修课程：高等数学、大学物理、电工电子技术、理论力学

大纲编写（修订）时间：2019.3

一、课程在教学计划中地位和作用

本课程是机械类车辆工程专业的学科基础教育课程。

作为利用控制理论和方法解决机械工程实际问题的一门技术课程，提供有关反馈控制基本原理和方法的知识，主要涉及线性连续时间系统的建模、分析与综合，是培养车辆专业工程技术人才的整体知识结构和能力结构的重要组成部分。

二、课程目标

1. 能够定义控制工程的基本概念并运用各种数学原理（微积分、线性代数和物理学）分析控制系统问题；（支撑毕业要求 1）

2. 能够建立机械、电气和机电系统的数学模型（包括微分方程、传递函数、频率特性模型），理解简单模型用于描述复杂动力系统的关系和局限性；（支撑毕业要求2）

3. 能够建立复杂工程系统的等效数学模型，在典型测试信号输入下进行系统的时域和频域响应分析，分析包括系统稳定性的确定；（支撑毕业要求3）

4. 能够在控制CAD软件中对已建立的控制对象模型，搭建模拟控制实验模型，进行时域、频域及复频域分析，获得有效结论并理解模拟计算原理及其局限性。（支撑毕业要求5）

三、基本要求

本课程要求学生具备高等数学、大学物理、电路与电子技术等理论力学等课程的基础知识。通过课程学习，使学生能从系统动力学观点来学习控制工程基本知识，掌握经典控制理论的基本原理，并能够综合应用各方面的知识解决从系统建模、系统分析到控制器构建的完整工程问题。开课前辅导学生预先安装并学习控制CAD软件，在熟悉控制CAD软件使用方法的基础上，通过案例研究环节巩固所学内容，通过计算机辅助软件（如Matlab/Simulink等）的使用使学生具有一定的工程计算分析能力。授课教室应配有多媒体教学设备，课堂教学与课后复习课时比例1：1。

四、课程内容及教学方法

课程主要内容：按照控制器的开发的四个基本步骤来构建课程教学内容。1）系统建模：是从物理系统（或系统描述）到物理模型，最后到数学模型的过程。显然，如果没有仔细和完整的系统建模，任何控制解决方案都是没有价值的。2）系统分析：是使用标准的经典控制方法来理解已建模的系统的能力和局限性的过程。这通常是任何介绍控制理论课程的核心，涵盖一阶和二阶系统响应、系统性能指标（规格）、反馈、系统频率响应和系统分析工具，如Nyquist图和bode图。3）校正装置（补偿器）开发：将其纳入设计项目的一部分。介绍基本的经典控制器（比例反馈，超前和滞后补偿器，PI，PD，PID控制器）的选择和设计方法。4）补偿器部件选择：选择硬件（简单的电路）来实际构建已设计的补偿器。

教学方法：以PPT教学为主，辅以重点难点的板书讲解，同时布置课后MOOC微视频学习加强学生对概念和理论知识的理解和梳理；讲授过程中，注重通过典型工程实例的分析，引导出系统的数学模型，穿插利用Matlab等数学工具对系统模型的求解及响应分析；以设计一个实际控制系统设计作为贯穿本课程的研究性案例，使学生能够系统掌握系统的工作要求、方案设计、模型化、时域和频域求解、根据性能指标对系统的校正

第一章 绪论（2学时）

1. 本课程在专业课程体系中的地位和作用介绍

2. 课程内容、学习方法、讲授方式、考核评价方式介绍

3. 了解控制工程研究对象、任务与控制的方法

4. 了解控制系统分类与基本要求

5. 掌握控制系统的工作原理与组成

6. 了解控制CAD软件Matlab/Simulink

5. 设计示例导入

重点：控制系统中的信息传递、反馈和反馈控制原理

难点：由系统原理图形成控制功能方框图

第二章 系统的数学模型及传递函数（8学时）

1. 掌握简单机电系统微分方程的建立及非线性系统的线性化

2. 了解拉普拉斯变换变换的定义与性质

3. 掌握拉普拉斯逆变换与求解常微分方程的方法

4. 掌握传递函数的定义、特点及零极点的概念

5. 掌握控制系统的方块图构成及其变换

6. 掌握典型机电系统的传递函数推导

7. 了解传递函数的实验建模方法

8. 了解控制系统数学模型的Matlab实现

9. 设计示例：数学模型与传递函数的建立

重点：传递函数的概念、物理系统传递函数模型的建立

难点：拉氏变换法求解微分方程、非线性系统模型的线性化

第三章 控制系统的时域分析（4学时）

1. 了解时间响应的概念及瞬态、稳态响应的定义

2. 了解脉冲响应函数与传递函数的关系

3. 掌握一阶系统的传递函数及其增益、时间常数的计算

4. 掌握一阶系统的单位脉冲、单位阶跃、单位斜坡响应的计算

5. 掌握二阶系统的传递函数及其无阻尼自然频率、阻尼比和有阻尼自然频率的计算

6. 掌握二阶系统特征方程及临界阻尼系数的含义、特征方程根的分布

7. 掌握二阶系统性能指标以及无阻尼自然频率、阻尼比与系统响应曲线的关系

8. 掌握系统型次的概念以及系统稳态误差分析与计算

9. 了解高级系统的降阶处理

10. 设计示例：传递函数模型及阶跃响应分析(使用Matlab/Simulink)

重点：二阶系统性能指标的计算和参数选择、稳态误差的分析和计算

难点： 系统的型次、稳态误差分析与计算、主导极点

第四章 控制系统的频率特性分析（4学时）

1. 了解频率特性的基本概念

2. 掌握典型环节的频率特性

3. 掌握机电系统的对数频率特性

4. 了解频域性能指标及其与时域性能指标间的关系

5. 了解频率实验法估计系统的数学模型

6. 了解频率特性的Matlab辅助分析

7. 设计示例：控制系统的频率响应分析

重点：典型环节的频率特性，系统开环频率特性图

难点：系统开环频率特性渐近线图与三频段分析

第五章 系统的稳定性（6学时）

1.了解系统稳定的条件

2. 掌握劳斯稳定性判据

3. 掌握奈奎斯特稳定判据

4. 掌握稳定性裕量计算

5. 了解根轨迹方法

7. 设计示例：控制系统的稳定性分析

重点：稳定性判据、稳定性裕量、影响系统稳定性的主要因素

难点：奈奎斯特判据、稳定裕量计算

第六章 控制系统的综合与校正（4学时）

1. 了解控制系统的综合与校正的概念

2. 了解系统的串联校正

3. 了解系统的反馈校正

4. 掌握系统的PID校正

5. 设计示例：控制系统的PID校正器设计（Matlab)

重点：串联校正的原理与方法

难点：串联校正设计方法与参数的确定

五、实验

实验一  一、二阶系统时域响应特性的分析。

1.实验内容：利用MATLAB编程平台进行一、二阶系统时域响应特性的研究。

2.实验要求：掌握一阶系统的时域特性，理解时间常数T对系统性能的影响。

掌握二阶系统的时域特性，理解二阶系统的两个重要参数ξ和ωn对系统动态特性的影响。

实验二  周期信号波形的合成与分解

1.实验内容：控制系统的PID校正器设计。

2.实验要求：掌握SIMULINK在控制系统时域分析中的应用。

使用SIMULINK观察系统校正的效果。

六、学时分配

章节名称	讲授（学时）	测验（学时）	小计
第一章 绪论	2		2
第二章系统的数学模型及传递函数	8		8
第三章 控制系统的时域分析	4	2	6
第四章 控制系统的频率特性分析	4		4
第五章 系统的稳定性	6		6
第六章 控制系统的综合与校正	4	2	6
合计	28	4	32

七、课程目标达成评价的途径和措施

1.考核目标：在考核学生对经典控制理论基本知识、典型机电系统建模、分析和设计方法等方面掌握程度的基础上，重点考核学生对反馈系统原理的框图表达能力、物理系统传递函数建模能力、采用时域和频域法进行系统基本性能的分析计算能力、典型机电系统综合设计能力。

2. 考核方式：作业、实验和期末闭卷考试。

3. 评价环节对课程目标达成贡献率及支撑材料：

 

各环节成绩评定占比%

注：本表的贡献率比例来源于本大纲第十章：课程目标达成评价的Mk

八、教材、补充教材及参考资料

1. 李郝林. 机械控制工程基础，清华大学出版社，2014.

2. Norman S Nise. Control Systems Engineering 6^th ， John Wiley & Sons,Inc，2011.

    3.董景新等. 控制工程基础，清华大学出版社（第4版），2015.

4. Richard C Dorf，谢红卫译. 现代控制系统（第八版），高等教育出版社，2001.

5. Karl Åström. Feedback System，http://www.cds.caltech.edu/~murray/amwiki/

九、课程目标对毕业要求的支撑

注：1.成果关联度分：L、M、H；

2.需说明目标情况分解。

十、课程目标达成评价

 各环节对课程目标达成评价所使用到的权重占比分配

 

采用达成值计算法，辅以对学生的问卷调查法。

达成值计算法结合上表权重分配，采用表4进行计算。大于0.60为达成。

单一课程目标达成度评价采用下式：

总的课程目标达成度评价采用下式：

以上公式中：

k表示不同的评价方式，i表示不同的课程目标。

表示第k中评价方式期末评价成绩平均分，均为百分制；

是第k种评价方式通过第i个课程目标反应在总的课程目标评分占比；

表示第k种评价方式对第i个课程目标百分占比；

表示第i个课程目标在课程总评价中的占比。

十一、课程目标达成评价结果用于持续改进

课程目标达成评价结果将用于后续教学过程的持续改进。

针对课程目标达成评价中发现的问题与不足，在本次授课总结中应由授课教师分析具体原因，并给出改进建议。后续任课教师应当针对以前的问题和建议，在授课计划中做好落实改进计划，并在授课计划中予以落实。