《控制工程基礎》教學大綱.doc

控制工程基礎教學大綱大綱說明課程代碼：3325052總學時：48學時（講課40學時，實驗8學時）總學分：3課程類別：學科基礎課，必修適用專業(yè)：機械設計制造及其自動化專業(yè)預修要求：高等數(shù)學、工程數(shù)學、電工技術一、課程的性質、目的、任務：(一) 課程性質專業(yè)基礎課，必修(二) 目的與任務通過本課程的學習，培養(yǎng)學生具有分析、綜合電氣自動化、儀表自動化及工業(yè)自動化控制設備中自控系統(tǒng)的能力。二、課程教學的基本要求通過本課程的學習，要求學生掌握自動控制的基本原理和基本分析方法，并能應用基本原理對典型的控制系統(tǒng)進行分析與綜合。三、教學方法和教學手段的建議采用以教師講授為主，并結合現(xiàn)代教學手段如多媒體教室等。四、課程習題要求 習題的基本要求是：鞏固和深入理解所學過的基本概念、基本理論，提高計算技能和作圖能力。運用所學得的知識分析和計算典型及實際的控制系統(tǒng)問題，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力和嚴肅認真的科學作風。 習題可包括思考題和計算題，課外習題和課內習題五、大綱的使用說明本大綱適用于本科學校機電工程專業(yè)，因本課程涉及高等數(shù)學、工程數(shù)學、電工原理、電子技術、電機學、半導體變流技術等多門基礎課的知識，故適宜在二年級下開設，在講授時，要注意聯(lián)系和復習。講授內容可按學時作適當增刪。大綱正文第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 學時：2學時（講課2學時，實驗0學時）本章講授要點：控制系統(tǒng)的工作原理、組成、基本要求、基本類型本章講授重點：控制系統(tǒng)的工作原理、基本要求本章講授難點：控制系統(tǒng)的工作原理1.1 控制系統(tǒng)的工作原理及其組成1.1.1工作原理1.1.2開環(huán)控制和閉環(huán)控制1.1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成1.2 控制系統(tǒng)的基本類型1.2.1按輸入量的特征分類1.2.2按系統(tǒng)中傳遞信號的性質分類1.3 對控制系統(tǒng)的基本要求1.4 控制工程發(fā)展概況習題：1；2；3第二章 數(shù)學模型 學時（講課10學時，實驗0學時）本章講授要點：突出強調參數(shù)模型的必要性以及參數(shù)模型的基本要素及其表達，掌握傳遞函數(shù)、結構圖和它們的變換關系本章講授重點：傳遞函數(shù)、結構圖和它們的變換關系本章講授難點：傳遞函數(shù)、結構圖和它們的變換關系 2.1控制系統(tǒng)的運動微分方程2.2拉氏變和反換變換2.3 傳遞函數(shù)2.4系統(tǒng)方框圖和信號流圖2.5控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導舉例機電系統(tǒng)2.5非線性數(shù)學模型的線性化習題：1；2；3；4；5；6；9；10；11；12；13；14第三章 時域分析法 學時：10學時（講課10學時，實驗0學時）本章講授要點：一階、二階、高階系統(tǒng)的分析，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及穩(wěn)態(tài)誤差分析本章講授重點：一階、二階的時域分析，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及穩(wěn)態(tài)誤差分析本章講授難點：一階、二階的時域分析3.1典型輸入信號3.2一階系統(tǒng)的時間響應3.3二階系統(tǒng)的時間響應3.4高階系統(tǒng)的時間響應3.5誤差的分析和計算3.6穩(wěn)定性分析習題：1；2；4；5；6；7；8；9；10；11；12；13；14；15；16第四章 頻域分析法 學時：2學時（講課2學時，實驗0學時）本章講授要點：頻率特性的概念及作圖方法，運用系統(tǒng)的頻率特性對系統(tǒng)的動態(tài)過程進行定性分析和定量估算，奈氏判據(jù)、玻德判據(jù)的準則和方法本章講授重點：掌握典型環(huán)節(jié)的頻率特性、熟練掌握系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率曲線和開環(huán)幅相頻率曲線的繪制及奈氏判據(jù)、玻德判據(jù)本章講授難點：開環(huán)對數(shù)頻率曲線和開環(huán)幅相頻率曲線的繪制4.1頻率特性的基本概念4.2典型環(huán)節(jié)的頻率特性圖4.3系統(tǒng)開環(huán)頻率特性圖4.4頻域穩(wěn)定性判據(jù)4.7用系統(tǒng)開環(huán)頻率特性分析閉環(huán)系統(tǒng)性能習題：5；8；9；10；12；14；16；17；20；23第五章 控制系統(tǒng)的設計和校正 學時：2學時（講課2學時，實驗0學時）本章講授要點：PID控制規(guī)律及其實現(xiàn)；采用頻率法，利用校正裝置將原有系統(tǒng)的特性加以修正和改造，使得系統(tǒng)能實現(xiàn)給定的性能要求本章講授重點：頻率法校正本章講授難點：頻率法校正5.1概述5.2 PID控制規(guī)律5.3 PID控制規(guī)律的實現(xiàn)5.4頻率法設計和校正5.5并聯(lián)校正和復合校正習題：1；2；3；4；5本課程對學生自學的要求自學所推薦的參考書課時數(shù)分配表：序 號內 容學 時講 課實 驗小 計1第一章 控制系統(tǒng)的基本概念2022第二章 數(shù)學模型8083第三章 時域分析法104144第四章 頻域分析法102125第五章 控制系統(tǒng)的設計和校正10212合 計40848考試方式和考核要求本課程采用閉卷考試。對上課缺席、作業(yè)缺交超過學校規(guī)定者不能參加期末考試，成績以零分計。推薦教材與參考書目自動控制原理 張希周主編 重慶大學出版社自動控制原理 黃家英主編 東南大學出版社自動控制原理 孫虎章主編 中央廣播電視大學出版社現(xiàn)代控制工程 緒方勝彥主編 盧伯英譯 科學出版社控制工程基礎實驗大綱一、總則1.本大綱適用范圍1）大綱相關的課程名稱和課程屬性課程名稱：控制工程基礎 課程屬性：學科基礎課程2）本大綱的適用范圍適用于本科機械設計制造及其自動化3）實驗總學時8個學時2.本大綱的實驗目的和要求自動控制理論實驗是自動控制理論課的一部分，它的目的和要求是1)通過實驗進一步了解和掌握自動控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的分析方法和設計方法2)學習和掌握系統(tǒng)模擬電路的構成和測試技術3)提高應用計算機的能力和水平3.本實驗課程的重點和內容1）典型環(huán)節(jié)及其階躍響應2）控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析3）系統(tǒng)頻率特性測量4）連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正4本大綱所需的實驗設備自動控制理論實驗所使用的設備由計算機、A/D、D/A接口板、模擬實驗電路、打印機及直流穩(wěn)壓電源組成，其中計算機根據(jù)不同的實驗分別起信號產(chǎn)生、測量、顯示、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理的作用，模擬電路起被控對象的作用，板上裝有6個運算放大器，與電阻、電容相配合，可以構成多種特性的被控對象，在計算機機箱內，插有A/D、D/A接口板，它起模擬信號和數(shù)字信號的轉換作用，可根據(jù)軟件產(chǎn)生不同的信號（階躍、三角、正弦），直流穩(wěn)壓電源12V、負12V，為模擬電路供電。該套實驗設備可以構成一個自動控制元件，也可以構成一個自動控制系統(tǒng)，并對其理論特性進行測量，所有的自動控制理論課實驗都是在這套裝置上完成的。二、實驗項目和學時安排1.實驗項目一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應1）實驗類型 驗證性實驗2）實驗開設屬性 必開實驗3）學時數(shù) 2個學時4）實驗目的a：學習構成典型環(huán)節(jié)的模擬電路，了解電路參數(shù)對環(huán)節(jié)特性的影響b: 學習典型環(huán)節(jié)階躍響應的測量方法，并學會由階躍響應曲線計算典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)5) 實驗要求a：畫出慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例加微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖，用坐標紙畫出所記錄的慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例加微分環(huán)節(jié)的響應曲線b：由階躍響應曲線計算出慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并與電路計算結果相比較2.實驗項目二 二階系統(tǒng)的階躍響應1）實驗類型 驗證性實驗2）實驗開設屬性 必開實驗3）學時數(shù) 2個學時4）實驗目的a：研究二階系統(tǒng)的二個重要參數(shù)阻尼比和無阻尼自然頻率對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響b：學會根據(jù)系統(tǒng)階躍響應曲線確定傳遞函數(shù)5) 實驗要求a：畫出二階系統(tǒng)的模擬電路圖，并求參數(shù)、n 、p 、tp的表達式b：把不同、n 條件下測量的p 、tp 值列表，根據(jù)測量結果得出相應結論c：畫出系統(tǒng)響應曲線，再由p 、tp 計算出傳遞函數(shù)，并與電路計算結果相比較3.實驗項目三 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析1）實驗類型 驗證性實驗2）實驗開設屬性 必開實驗3）學時數(shù) 1個學時4）實驗目的a：觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象b：研究系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常數(shù)對穩(wěn)定性的影響5) 實驗要求a：畫出模擬電路圖b：畫出系統(tǒng)減幅或增幅的波形圖c：計算系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，并與測得的臨界放大系數(shù)相比較4.實驗項目四 系統(tǒng)頻率特性測量1）實驗類型 驗證性實驗2）實驗開設屬性 必開實驗3）學時數(shù) 1個學時4）實驗目的a：加深了解系統(tǒng)及元件頻率特性的物理概念b：掌握系統(tǒng)及元件頻率特性的測量方法5) 實驗要求a：畫出被測系統(tǒng)的模擬電路圖，計算其傳遞函數(shù)，根據(jù)傳遞函數(shù)繪制Bode圖b：把上述測量數(shù)據(jù)列表，根據(jù)此數(shù)據(jù)奤畫Bode圖c：分析測量誤差5.實驗項目五 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正1）實驗類型 綜合性實驗2）實驗開設屬性 必開實驗3）學時數(shù) 2個學時4）實驗目的a：研究串聯(lián)校正環(huán)節(jié)對系統(tǒng)穩(wěn)定性及過渡過程的影響b：熟悉和掌握系統(tǒng)過渡過程的測量方法5) 實驗要求a：畫出所做實驗的模擬圖，結構圖b：給出校正前后的p 、圖和tp c：繪出校正前后的Bode圖，并從圖上查出兩種情況下相位穩(wěn)定裕量和截止頻率，分析校正結。