机械工程控制基础课程教学大纲.doc

机械工程控制基础课程教学大纲
课程名称：机械工程控制基础
Cybernetics Foundation for Mechanical Engineering
学时：44+4
授课对象：机械类各专业
先修课程：复变函数、积分变换
一、课程的性质、目的及任务
本课程侧重原理，其内容密切结合工程实际，是一门专业基础课。它以控制论为理论基础，研究机械工程中广义系统的动力学问题；同时，它又是一种方法论。学习本课程的目的在于使学生能以 动态（即动力学）的观点而不是静态观点去看待一个机械工程系统；从整体的而不是分离的角度，从整个系统中的信息之传递、转换和反馈等角度来分析系统的动态行为；能结合工程实际，应用经典控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中的问题。这包括两个方面：①对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题的本质和有效的解决方法；②如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。
二、课程的基本要求
1. 对于建立机电系统的数学模型，有关数学工具（如Laplace变换等）的应用，传递函数与方框图的求取、简化与演算等，应有清晰的基本概念并能熟练掌握。
2. 对于典型系统的时域和频域特性，应有清晰的基本概念并能熟练掌握。
3. 掌握判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据。
4. 对于线性系统的性能指标有较全面的认识，了解并掌握系统的综合与校正的常用方法。
5. 对系统辩识问题应建立基本概念。

三、教学内容与学时分配
授课学时为36学时，实验4学时；复习、习题、实验报告等课外学时为50学时以上。

教学与实验内容
学时
1．绪论
机械工程控制的基本概念 研究对象和任务 学习本课程的目的和意义
关于“系统”、“信息传递”和“反馈”及“反馈控制”的基本概念
系统及其模型 控制系统的分类 反馈控制系统的基本组成 对控制系统的基本要求 本课程的特点
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2．系统的数学模型
系统数学模型的基本概念 应用机械动力学、电工学等基础知识建立系统数学模型的基本方法 典型例子
传递函数的基本概念 其数学物理意义 求取方法 输入输出信号与传递函数的关系
系统方框图 闭环控制系统及其传递函数 方框图的等效简化 工程中典型的机、电系统的传递函数
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3．时间响应与误差分析
时间响应的基本概念 典型输入信号与一阶、二阶系统的时间响应 二阶系统响应的性能指标 高阶系统的时间响应 δ函数在时间响应中的作用
系统的误差分析：系统的类型及各型系统的位置、速度、加速度误差
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4．系统的频率特性分析
频率响应与频率特性的基本概念 频率特性与系统传递函数的关系 系统的动刚度与动柔度的概念 频率特性的表示方法
频率特性的极坐标图（Nyquist图）的一般概念 典型环节的Nyquist图 绘制系统Nyquist图的一般步骤和方法
频率特性的对数坐标图（Bode图）的一般概念 典型环节的Bode 图 绘制系统Bode图的一般步骤和方法
根据频率特性的对数坐标图辨识系统数学模型的一般方法
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5．系统的稳定性
系统稳定性的基本概念 判别线性系统稳定性的基本出发点
Routh稳定性判据、Nyquist稳定性判据的基本原理和方法 Bode判据
系统的相对稳定性 幅值裕度与相位裕度 最小相位系统与非最小相位系统
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6．系统的性能分析与校正
系统的性能指标 校正的一般概念 常用的校正方法与分类
相位超前校正、相位滞后校正 及相位滞后—超前校正的基本特性及其频域设计方法
PID调节器的基本特性与设计方法
顺馈校正与反馈校正的基本特性

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7．实验
上机实验：线性系统的计算机仿真 线性系统频率特性的计算机辅助分析（Nyquist图 、Bode图）
物理系统实验：单位脉冲响应 频率响应 系统传递函数的实验确定
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四、作业要求
作业每四个学时布置一次作业，每次作业题量不少于4道题，教师对作业全批全改并作平时成绩记载。
五、教材及参考书
教材：
杨叔子主编．《机械工程控制基础》（第五版）． 武汉：华中科技大学出版社，2005
参考书：
李友善主编．《自动控制原理》．北京：国防工业出版社，1980
阳含和编著．《机械控制工程》．北京：机械工业出版社，1986
六、考核方式
闭卷考试，时间150分钟