《控制工程基础》课程教学大纲
课程类别：学科基础教育课程 英文名称：fundamentals of control engineering
开课单位：能源动力工程学院 课程编号：Z02160102
课程性质：专业必修
总学时：32 学 分： 2
适用专业：新能源汽车工程
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年6月
一、课程性质与教学目标
（一）课程性质与任务（需说明课程对人才培养方面的贡献）
本课程是机械类新能源汽车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
通过本课程的理论教学和实验教学，使学生具备下列能力：
课程目标1： 能够针对车辆专业领域的对象，建立控制系统数学模型（微分方程、传递函数、根轨迹、结构图、信号流图、频率特性），能够求解典型系统的时域、复频域和频域解。（支撑毕业要求指标点1）
课程目标2：能够利用文献研究方法，利用时域响应、频域和根轨迹分析电气领域控制系统的稳定性、动态和稳态性能，并寻求多种解决方案；能够根据实验要求利用MATLAB及实际控制对象对控制系统进行建模，并分析系统的稳定性、动态和稳态性能。（支撑毕业要求指标点2）
课程目标3：能够针对特定需求，根据系统时域和频域指标设计串联校正装置。（支撑毕业要求指标点5）
二、课程内容、学时分配及对毕业要求指标点的支撑
章节 |
内 容 |
讲课 |
实验 |
小计 |
支撑课程目标 |
支撑的毕业要求指标点 |
第1章 |
1 自动控制系统的基本概念 1.1 引言；主要内容：控制论的发展，基础观念及研究对象，控制论与数学及自动化技术的关系。 1.2 自动控制的基本知识；主要内容：自动控制的基本概念，包括被控对象，被控量，给定量，干扰量等。 1.3自动控制系统的基本控制方式；主要内容：开环控制和闭环控制的基本原理和特点。 1.4自动控制系统的分类及基本组成；主要内容：自动控制系统的分类及基本组成。 1.5对自动控制系统的要求和分析设计；主要内容：控制系统的要求和分析设计。 1.6自动控制理论的发展；主要内容：控制理论的发展历史、现状及其发展趋势。 重点：开环控制和闭环控制的基本原理和特点。 难点：无 |
2 |
0 |
2 |
1 |
1-1 |
第2章 |
2 控制系统的数学模型 2.1引言；主要内容：控制系统数学模型的定义、特点及建模原则。 2.2系统微分方程的建立；主要内容：控制系统微分方程的求取方法。 2.4 线性系统的传递函数；主要内容：系统传递函数的定义及性质。 2.5 典型环节及其传递函数；主要内容：典型环节及其传递函数。 2.6系统的结构图；主要内容：结构图的绘制及等效变换。 2.7 系统的信号流图及梅逊公式；主要内容：信号流图的绘制以及梅森增益公式的应用。 重点：典型环节及其传递函数；结构图的绘制及等效变换；信号流图的绘制以及梅森增益公式的应用。 难点：系统传递函数的定义及性质。 |
8 |
0 |
8 |
2 |
2-1、2-3 |
第3章 |
3线性系统的时域分析 3.1典型输入信号和时域性能指标；主要内容：系统时域性能指标和系统稳定性条件。 3.2 一阶系统的时域分析法；主要内容：一阶系统的时域分析和系统稳态误差的计算。 3.3 二阶系统的时域分析法；主要内容：二阶系统的时域分析。 3.4 髙阶系统的时域分析；主要内容：髙阶系统的时域分析。 3.5 线性系统的稳定性分析；主要内容：劳斯稳定判据的应用。 3.6 线性系统的稳态误差计算；主要内容：线性系统的稳态误差计算。 重点：二阶系统的时域分析，劳斯稳定判据的应用，线性系统的稳态误差计算。 难点：二阶系统的时域分析。 |
6 |
0 |
6 |
2 |
2-1、2-3 |
第4章 |
4 根轨迹法 4.1 根轨迹的基本概念；主要内容：根轨迹定义及根轨迹方程 4.2 根轨迹绘制的基本法则；主要内容：0度及180度根轨迹的绘制方法和参数根轨迹及根轨迹簇的绘制方法 4.3 控制系统的根轨迹分析方法；主要内容：根轨迹法在系统分析及计算中的应用 重点：根轨迹定义及根轨迹方程 难点：参数根轨迹及根轨迹簇的绘制方法 |
4 |
0 |
4 |
2 |
2-1、2-3 |
第5章 |
5线性系统的频域分析 5.1 频率特性；主要内容：系统频率特性的定义和表示法。 5.2 典型环节的频率特性；主要内容：典型环节的频率特性。 5.3 控制系统的开环频率特性；主要内容：系统根轨迹坐标图及伯德图的绘制方法。 5.4 频率域稳定判据；主要内容：奈奎斯特稳定判据及应用。 5.5 稳定裕度；主要内容：稳定裕度的含义及计算方法。 5.6 闭环频率特性；主要内容：频率性能指标与系统性能之间的关系。 重点：系统频率特性的定义和表示法；奈奎斯特稳定判据及应用；稳定裕度的含义及计算方法。 难点：系统根轨迹坐标图及伯德图的绘制方法；频率性能指标与系统性能之间的关系。 |
6 |
0 |
6 |
2 |
2-1、2-3 |
第6章 |
6线性系统的校正 6.1 系统的设计与校正问题 6.2 频率法串联校正 6.3 频率法反馈校正 6.4 控制系统的复合校正 |
6 |
0 |
6 |
3 |
5-1、5-2 |
合 计 |
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32 |
|
32 |
|
|
三、本课程开设的实验项目
无
四、达成课程目标的途径和措施
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：课后作业、测试、软件仿真分析报告和期末闭卷考试。
3、评价环节对课程目标达成贡献率及支撑材料。
五、考核方式
1.课程考核方式：课后作业、软件仿真分析报告（分组）、期末考试。
2.定量评价
本课程包含3个分课程目标，有3个考核方式，各考核方式对课程目标达成评价的权重占比分配如下：
表5.1 各考核方式对课程目标达成评价的权重占比分配
课程目标 |
分课程目标权重 （本列总和为1） ∑Pi=1 |
各考核方式评价比例分配 （每行总和为1） ∑Wik=1 |
各考核方式在课程目标达成中的占比 （所有行列总和为1）∑∑Sik=1 Sik=Pi×Wik |
作业 |
测试 |
仿真 |
期末 考试 |
作业 |
测试 |
仿真 |
期末 考试 |
1 |
0.3 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.7 |
0.03 |
0.03 |
0.03 |
0.21 |
2 |
0.5 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.7 |
0.05 |
0.05 |
0.05 |
0.35 |
3 |
0.2 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.7 |
0.02 |
0.02 |
0.02 |
0.14 |
各考核环节对课程目标达成的贡献率 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.7 |
那么第i个分课程目标的评价基于各环节k的贡献加权求和，就是该分课程目标的达成度Ai，即
5-1
而多个分课程目标再根据比例加权求和，就得到本门课程的课程目标达成度A。
5-2
其中： k表示不同的考核环节，i表示不同的分课程目标；
是第k种评价方式通过第i个课程目标反映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；
Gik表示第k种考核方式支撑第i个课程目标的达成度。
3.定性评价
定性评价指利用学生的调查问卷进行课程目标达成情况评价，按照各课程目标分项设计合适的问卷，调查学生掌握知识及获得能力等课程目标达成情况。其中成绩均采用百分制统计，五级分制转换为百分制时，优对应90-100分，良对应75-89分，中对应60-74分，及格对应60分，不及格对应0-59分。
综合定性与定量评价结果，取最小量为最终评价结果。
六、评价标准：
6.1 课堂情况评价标准
基本要求 |
评价标准 |
权重 |
90-100分 |
75-89分 |
60-74分 |
0-59分 |
能够建立控制系统数学模型（微分方程、传递函数、根轨迹、结构图、信号流图、频率特性、根轨迹），能够求解典型系统的时域、复频域和频域解。（支撑毕业要求指标点1） |
规定时间内完成；能够正确写出建立数学模型的过程，求解过程完整，计算结果正确，答题规范。 |
规定时间内完成；能够正确写出建立数学模型的过程，求解过程较完整，计算结果大部分正确，答题较规范。 |
规定时间内完成；能够正确表述基本单元的数学模型，求解方法和流程基本正确，答题基本规范，基本准确。 |
未完成或未提交测验；基本概念不清楚甚至错误，准确率低。 |
0.3 |
能够利用时域响应、频域和根轨迹分析系统的稳定性、动态和稳态性能，能够使用MATLAB对控制系统稳定性、动态和稳态性能辅助分析。（支撑毕业要求指标点2） |
规定时间内完成；能够采用高效的方法求解并判断系统性能，答题规范，准确性高。 |
规定时间内完成；能够采用有效的方法求解并判断系统性能， 答题较规范，准确性较高。 |
规定时间内完成；能够采用有效的方法求解，答题基本规范，基本准确。 |
未完成或未提交测验；基本概念不清楚甚至错误，准确率低。 |
0.5 |
能够根据系统时域和频域指标设计串联校正装置。（支撑毕业要求指标点5） |
规定时间内完成；能够清楚校正的方法，并采用正确的校正装置进行校正传递函数及装置的设计，答题规范，准确性高。 |
规定时间内完成；能够清楚校正的方法，并采用正确的校正装置进行校正传递函数及装置的设计，答题较规范，准确性较高。 |
规定时间内完成；能够清楚校正的方法，并采用正确的校正装置进行校正传递函数及装置的设计，答题基本规范，基本准确。 |
未完成或未提交测验；对校正的基本概念不清楚，选错校正装置，准确率低。 |
0.2 |
6.2 作业评价标准
基本要求 |
评价标准 |
权重 |
90-100分 |
75-89分 |
60-74分 |
0-59分 |
能够建立控制系统数学模型（微分方程、传递函数、根轨迹、结构图、信号流图、频率特性、根轨迹），能够求解典型系统的时域、复频域和频域解。（支撑毕业要求指标点1） |
按时交作业；能够正确写出建立数学模型的过程，求解过程完整；完成作业认真，语言规范，表述清楚。 |
按时交作业；能够正确写出建立数学模型的过程，求解过程较完整，计算结果大部分正确，答题较规范。 |
按时交作业；能够正确表述基本单元的数学模型，求解方法和流程基本正确，答题基本规范，基本准确。 |
不能按时交作业，有抄袭现象；或者建模原理错误。 |
0.3 |
能够利用时域响应、频域和根轨迹分析系统的稳定性、动态和稳态性能，能够使用MATLAB对控制系统稳定性、动态和稳态性能辅助分析。（支撑毕业要求指标点2） |
按时交作业；能够采用有效效的方法求解并判断系统性能，答题规范，准确性高。完成作业认真，书写规范，表述清楚。 |
按时交作业；能够采用有效的方法求解并判断系统性能，答题较规范，准确性较高。 |
按时交作业；能够采用有效的方法求解，答题基本规范，基本准确。 |
不能按时交作业，有抄袭现象；基本概念不清楚甚至错误，准确率低。 |
0.5 |
能够根据系统时域和频域指标设计串联校正装置。（支撑毕业要求指标点5） |
按时交作业；能够清楚校正的方法，并采用正确的校正装置进行校正传递函数及装置的设计，答题规范，准确性高。 |
按时交作业；能够清楚校正的方法，并采用正确的校正装置进行校正传递函数及装置的设计，答题较规范，准确性较高。 |
按时交作业；能够清楚校正的方法，并采用正确的校正装置进行校正传递函数及装置的设计，答题基本规范，基本准确。 |
不能按时交作业，有抄袭现象；对校正的基本概念不清楚，选错校正装置，准确率低。 |
0.2 |
6.3 仿真分析报告评价标准
基本要求 |
评价标准 |
权重 |
90-100分 |
75-89分 |
60-74分 |
0-59分 |
能够建立控制系统数学模型（微分方程、传递函数、根轨迹、结构图、信号流图、频率特性、根轨迹），能够求解典型系统的时域、复频域和频域解。（支撑毕业要求指标点1） |
按照要求完成预习，按照实验安全操作规程进行实验，用电及硬件连接正确；实验步骤与结果正确；实验仪器设备完好。 |
能够预习，按照实验安全操作规程进行实验，用电较规范，硬件连接正确；实验步骤与结果基本正确；实验仪器设备完好。 |
按照实验安全操作规程进行实验，用电基本规范，硬件连接基本正确；实验步骤与结果基本正确；实验仪器设备完好。 |
没有按照实验安全操作规程进行实验；用电或硬件连接有重大错误；或者实验步骤与结果不正确。 |
0.3 |
能够利用时域响应、频域和根轨迹分析系统的稳定性、动态和稳态性能，能够使用MATLAB对控制系统稳定性、动态和稳态性能辅助分析。（支撑毕业要求指标点2） |
按照要求完成预习，按照实验安全操作规程进行实验，用电及硬件连接正确；实验步骤与结果正确；实验仪器设备完好。 |
能够预习，按照实验安全操作规程进行实验，用电较规范，硬件连接正确；实验步骤与结果基本正确；实验仪器设备完好。 |
按照实验安全操作规程进行实验，用电基本规范，硬件连接基本正确；实验步骤与结果基本正确；实验仪器设备完好。 |
没有按照实验安全操作规程进行实验；用电或硬件连接有重大错误；或者实验步骤与结果不正确。 |
0.5 |
能够根据系统时域和频域指标设计串联校正装置。（支撑毕业要求指标点5） |
按照要求完成预习，按照实验安全操作规程进行实验，用电及硬件连接正确；实验步骤正确，校正结果符合要求；实验仪器设备完好。 |
能够预习，按照实验安全操作规程进行实验，用电较规范，硬件连接正确；实验步骤与结果基本正确；实验仪器设备完好。 |
按照实验安全操作规程进行实验，用电基本规范，硬件连接基本正确；实验步骤与结果基本正确；实验仪器设备完好。 |
没有按照实验安全操作规程进行实验；用电或硬件连接有重大错误；或者实验步骤与结果不正确。 |
0.2 |
6.4 考试评价标准
基本要求 |
评价标准 |
权重 |
90-100分 |
75-89分 |
60-74分 |
0-59分 |
能够建立控制系统数学模型（微分方程、传递函数、根轨迹、结构图、信号流图、频率特性、根轨迹），能够求解典型系统的时域、复频域和频域解。（支撑毕业要求指标点1） |
能够正确写出建立数学模型，求解过程完整，结果正确，语言规范，表述清楚。 |
能够正确写出建立数学模型的过程，求解过程较完整，计算结果大部分正确，答题较规范。 |
能够正确表述基本单元的数学模型，求解方法和流程基本正确，答题基本规范，基本准确。 |
有抄袭现象；或者建模原理错误。 |
0.3 |
能够利用时域响应、频域和根轨迹分析系统的稳定性、动态和稳态性能，能够使用MATLAB对控制系统稳定性、动态和稳态性能辅助分析。（支撑毕业要求指标点2） |
能够采用有效效的方法求解并判断系统性能，答题规范，准确性高。书写规范，表述清楚。 |
能够采用有效的方法求解并判断系统性能，答题较规范，准确性较高。 |
能够采用有效的方法求解，答题基本规范，基本准确。 |
有抄袭现象；基本概念不清楚甚至错误，准确率低。 |
0.5 |
能够根据系统时域和频域指标设计串联校正装置。（支撑毕业要求指标点5） |
能够清楚校正的方法，并采用正确的校正装置进行校正传递函数及装置的设计，答题规范，准确性高。 |
能够清楚校正的方法，并采用正确的校正装置进行校正传递函数及装置的设计，答题较规范，准确性较高。 |
能够清楚校正的方法，并采用正确的校正装置进行校正传递函数及装置的设计，答题基本规范，基本准确。 |
有抄袭现象；对校正的基本概念不清楚，选错校正装置，准确率低。 |
0.2 |
七、参考书目及学习资料
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 6th ， 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/
制定人：仝志辉 审定人： 批准人：
年 月 日
