《控制工程基础》教学大纲

《控制工程基础》教学大纲大纲说明课程代码：3325052总学时：48学时（讲课40学时，实验8学时）总学分：3课程类别：学科基础课，必修适用专业：机械设计制造及其自动化专业预修要求：高等数学、工程数学、电工技术一、课程的性质、目的、任务：(一)课程性质专业基础课，必修(二)目的与任务通过本课程的学习，培养学生具有分析、综合电气自动化、仪表自动化及工业自动化控制设备中自控系统的能力。二、课程教学的基本要求通过本课程的学习，要求学生掌握自动控制的基本原理和基本分析方法，并能应用基本原理对典型的控制系统进行分析与综合。三、教学方法和教学手段的建议采用以教师讲授为主，并结合现代教学手段如多媒体教室等。四、课程习题要求习题的基本要求是：巩固和深入理解所学过的基本概念、基本理论，提高计算技能和作图能力。运用所学得的知识分析和计算典型及实际的控制系统问题，培养学生分析问题、解决问题的能力和严肃认真的科学作风。习题可包括思考题和计算题，课外习题和课内习题五、大纲的使用说明本大纲适用于本科学校机电工程专业，因本课程涉及《高等数学》、《工程数学》、《电工原理》、《电子技术》、《电机学》、《半导体变流技术》等多门基础课的知识，故适宜在二年级下开设，在讲授时，要注意联系和复习。讲授內容可按学时作适当增删。大纲正文第一章控制系统的基本概念学时：2学时（讲课2学时，实验0学时）本章讲授要点：控制系统的工作原理、组成、基本要求、基本类型本章讲授重点：控制系统的工作原理、基本要求本章讲授难点：控制系统的工作原理1.1控制系统的工作原理及其组成1.1.1工作原理1.1.2开环控制和闭环控制1.1.3闭环控制系统的组成1.2控制系统的基本类型1.2.1按输入量的特征分类1.2.2按系统中传递信号的性质分类1.3对控制系统的基本要求1.4控制工程发展概况习题：1；2；3第二章数学模型学时（讲课10学时，实验0学时）本章讲授要点：突出强调参数模型的必要性以及参数模型的基本要素及其表达，掌握传递函数、结构图和它们的变换关系本章讲授重点：传递函数、结构图和它们的变换关系本章讲授难点：传递函数、结构图和它们的变换关系2.1控制系统的运动微分方程2.2拉氏变和反换变换2.3传递函数2.4系统方框图和信号流图2.5控制系统传递函数推导举例—机电系统2.5非线性数学模型的线性化习题：1；2；3；4；5；6；9；10；11；12；13；14第三章时域分析法学时：10学时（讲课10学时，实验0学时）本章讲授要点：一阶、二阶、高阶系统的分析，控制系统的稳定性及稳态误差分析本章讲授重点：一阶、二阶的时域分析，控制系统的稳定性及稳态误差分析本章讲授难点：一阶、二阶的时域分析3.1典型输入信号3.2一阶系统的时间响应3.3二阶系统的时间响应3.4高阶系统的时间响应3.5误差的分析和计算3.6稳定性分析习题：1；2；4；5；6；7；8；9；10；11；12；13；14；15；16第四章频域分析法学时：2学时（讲课2学时，实验0学时）本章讲授要点：频率特性的概念及作图方法，运用系统的频率特性对系统的动态过程进行定性分析和定量估算，奈氏判据、玻德判据的准则和方法本章讲授重点：掌握典型环节的频率特性、熟练掌握系统开环对数频率曲线和开环幅相频率曲线的绘制及奈氏判据、玻德判据本章讲授难点：开环对数频率曲线和开环幅相频率曲线的绘制4.1频率特性的基本概念4.2典型环节的频率特性图4.3系统开环频率特性图4.4频域稳定性判据4.7用系统开环频率特性分析闭环系统性能习题：5；8；9；10；12；14；16；17；20；23第五章控制系统的设计和校正学时：2学时（讲课2学时，实验0学时）本章讲授要点：PID控制规律及其实现；采用频率法，利用校正装置将原有系统的特性加以修正和改造，使得系统能实现给定的性能要求本章讲授重点：频率法校正本章讲授难点：频率法校正5.1概述5.2PID控制规律5.3PID控制规律的实现5.4频率法设计和校正5.5并联校正和复合校正习题：1；2；3；4；5本课程对学生自学的要求自学所推荐的参考书课时数分配表：序号内容学时讲课实验小计1第一章控制系统的基本概念2022第二章数学模型8083第三章时域分析法104144第四章频域分析法102125第五章控制系统的设计和校正10212合计40848考试方式和考核要求本课程采用闭卷考试。对上课缺席、作业缺交超过学校规定者不能参加期末考试，成绩以零分计。推荐教材与参考书目《自动控制原理》张希周主编重庆大学出版社《自动控制原理》黄家英主编东南大学出版社《自动控制原理》孙虎章主编中央广播电视大学出版社《现代控制工程》绪方胜彦主编卢伯英译科学出版社《控制工程基础》实验大纲一、总则1.本大纲适用范围1）大纲相关的课程名称和课程属性课程名称：控制工程基础课程属性：学科基础课程2）本大纲的适用范围适用于本科机械设计制造及其自动化3）实验总学时8个学时2.本大纲的实验目的和要求自动控制理论实验是自动控制理论课的一部分，它的目的和要求是1)通过实验进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法2)学习和掌握系统模拟电路的构成和测试技术3)提高应用计算机的能力和水平3.本实验课程的重点和内容1）典型环节及其阶跃响应2）控制系统的稳定性分析3）系统频率特性测量4）连续系统串联校正4．本大纲所需的实验设备自动控制理论实验所使用的设备由计算机、A/D、D/A接口板、模拟实验电路、打印机及直流稳压电源组成，其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制及数据处理的作用，模拟电路起被控对象的作用，板上装有6个运算放大器，与电阻、电容相配合，可以构成多种特性的被控对象，在计算机机箱内，插有A/D、D/A接口板，它起模拟信号和数字信号的转换作用，可根据软件产生不同的信号（阶跃、三角、正弦），直流稳压电源12V、负12V，为模拟电路供电。该套实验设备可以构成一个自动控制元件，也可以构成一个自动控制系统，并对其理论特性进行测量，所有的自动控制理论课实验都是在这套装置上完成的。二、实验项目和学时安排1.实验项目一典型环节及其阶跃响应1）实验类型验证性实验2）实验开设属性必开实验3）学时数2个学时4）实验目的a：学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响b:学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数5)实验要求a：画出惯性环节、积分环节、比例加微分环节的模拟电路图，用坐标纸画出所记录的惯性环节、积分环节、比例加微分环节的响应曲线b：由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与电路计算结果相比较2.实验项目二二阶系统的阶跃响应1）实验类型验证性实验2）实验开设属性必开实验3）学时数2个学时4）实验目的a：研究二阶系统的二个重要参数阻尼比和无阻尼自然频率对系统动态性能的影响b：学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数5)实验要求a：画出二阶系统的模拟电路图，并求参数ξ、ωn、бp、tp的表达式b：把不同ξ、ωn条件下测量的бp、tp值列表，根据测量结果得出相应结论c：画出系统响应曲线，再由бp、tp计算出传递函数，并与电路计算结果相比较3.实验项目三控制系统的稳定性分析1）实验类型验证性实验2）实验开设属性必开实验3）学时数1个学时4）实验目的a：观察系统的不稳定现象b：研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响5)实验要求a：画出模拟电路图b：画出系统减幅或增幅的波形图c：计算系统的临界放大系数，并与测得的临界放大系数相比较4.实验项目四系统频率特性测量1）实验类型验证性实验2）实验开设属性必开实验3）学时数1个学时4）实验目的a：加深了解系统及元件频率特性的物理概念b：掌握系统及元件频率特性的测量方法5)实验要求a：画出被测系统的模拟电路图，计算其传递函数，根据传递函数绘制Bode图b：把上述测量数据列表，根据此数据奤画Bode图c：分析测量误差5.实验项目五连续系统串联校正1）实验类型综合性实验2）实验开设属性必开实验3）学时数2个学时4）实验目的a：研究串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响b：熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法5)实验要求a：画出所做实验的模拟图，结构图b：给出校正前后的бp、图和tpc：绘出校正前后的Bode图，并从图上查出两种情况下相位稳定裕量和截止频率，分析校正结。