控制工程基础 四川大学制造科学与工程学院本科课程 《控制工程基础》教学大纲 课程编号： 302304020 课程类型： 必修课 Course Code: 302304020 Course Type: Compulsory 课程名称 空制工程基础 授课对象： 本科三年级学生 Course Name undamentals of Control Engineering udi Junior 学时/学分： 322 授课语言： 中义 Credit 2月 Language of Chinese Mandarin Hours/Credits 先修课程： 微积分、电工技术基础、理论力学 开课院系： 机械工程系 机械原理 alculus,Fundamentals of Electrica urse offered by Department of Technology.Theoretical Mechanics Mechanical Eng. Mechanical Principle 适用专业： 凯械设计制造及其自动化专业 授课教师 atended for Mechanical Design.Manufacturing and Instructor: utomation 纲执笔人： 傅波、陈昆 大纲审核人： 专业负责人 dited by: Fu Bo,Chen Kun Inspected by: Course Leader 课程简介 本课程主要介绍经典控制理论及其在机械工程中的应用。课程内容主要包括：控制系统 的基本概念和控制理论的发展：系统数学模型，包括微分方程、传递函数和状态空间模型 系统的时间响应分析，包括瞬态和稳态响应分析，性能指标和稳态误差的分析和计算：系统 频率响应分析，包括频率特性的定义，系统yquist图和Bode图的绘制和系统须域性能指 标的定义：系统的稳定性分析，包括Routh、.Nyquist和Bodc稳定性判据和系统的相对稳定 性分析：系统的性能指标与校正。通过课程学习，学生能够运用经典控制理论的基本原理和 方法去分析系统的动态性能。 一、学习目标 1、能够正确理解机械工程控制论的基本概念和研究方法，并能够运用机械动力学、电 1
1 控制工程基础 四川大学制造科学与工程学院本科课程 《控制工程基础》教学大纲 课程编号： Course Code: 302304020 302304020 课程类型： Course Type: 必修课 Compulsory 课程名称： Course Name: 控制工程基础 Fundamentals of Control Engineering 授课对象： Audience: 本科三年级学生 Junior 学时/学分： Credit Hours/Credits 32/2 32/2 授课语言： Language of Instruction 中文 Chinese Mandarin 先修课程： Prerequisite: 微积分、电工技术基础、理论力学、 机械原理 Calculus, Fundamentals of Electrical Technology , Theoretical Mechanics, Mechanical Principle 开课院系： Course offered by: 机械工程系 Department of Mechanical Eng. 适用专业： Intended for: 机械设计制造及其自动化专业 Mechanical Design, Manufacturing and Automation 授课教师： Instructor: 大纲执笔人： Edited by: 傅波、陈昆 Fu Bo, Chen Kun 大纲审核人： Inspected by: 专业负责人 Course Leader 一、课程简介 本课程主要介绍经典控制理论及其在机械工程中的应用。课程内容主要包括：控制系统 的基本概念和控制理论的发展；系统数学模型，包括微分方程、传递函数和状态空间模型； 系统的时间响应分析，包括瞬态和稳态响应分析，性能指标和稳态误差的分析和计算；系统 频率响应分析，包括频率特性的定义，系统 Nyquist 图和 Bode 图的绘制和系统频域性能指 标的定义；系统的稳定性分析，包括 Routh、Nyquist 和 Bode 稳定性判据和系统的相对稳定 性分析；系统的性能指标与校正。通过课程学习，学生能够运用经典控制理论的基本原理和 方法去分析系统的动态性能。 一、 学习目标 1、 能够正确理解机械工程控制论的基本概念和研究方法，并能够运用机械动力学、电
工学等专业基础理论知识建立描述系统动态特性的数学模型（微分方程和传递函数）。 2、能够运用系统的数学模型（微分方程和传递函数）对系统的特性进行理论分析和实 验研究，包括时间响应分析、频率特性分析和稳定性分析。能够对系统的性能指标进行评价 进行系统校正。 3、能够应用控制工程基础仿真软件和实验平台，建立一阶系统和二阶系统的数学模型 进行典型时间响应和频率响应仿真实验，分析和验证系统参数对系统性能的影响。 4、通过课程学习、仿真软件及实验平台的应用，能够了解控制理论的发展趋势以及经 典控制理论的优势与局限性。 三、学习目标与毕业要求的对应关系 毕业要求 单业要求指标点 学习目标 (1)能够将数学、自然科学、机械工程 1,2具有解决机械工程领域设 基础知识和专业知识用于解决机械工程 计、制造、运行等过程中的复杂了 学习目标1 领域设计、制造、运行等方面的复杂工 程问题所需的工程基础知识和专业 程问题。 知识 (4)能够基于科学原理并采用科学方 法，针对机械工程领域设计、制造、运 4.1对于机械工程领域设计、制 行等方面的复杂工程问题进行研究，通 造、运行中的复杂工程问恩，能够 学习目标2 过设计、实施实验，获取、分析和解释 基于科学原理并采用科学方法，设 数据，并通过信总综合，获得合理有效 计相应的实验： 的结论。 5.2能够开发与使用适当的技 (5)能够选择、使用与开发恰当的技术、 术、资源、现代工程工具和信息技 资源、现代工程工具和信息技术手段和术工具，进行机械工程领域设计、 学习目标3 工具，针对机械工程领域设计、制造、 制造、运行中复杂工程问题的预测 运行等方面的复杂工程问题，进行预测 与模拟： 与模拟，并能够理解相关技术工具、针 53能够理解现有技术工具的 对复杂工程问题预测与模拟结果的局限 局限性，能够理解机械工程领域设 学习目标4 计、制造、运行中复杂工程问题预 测与模拟结果的局限性。 四、教学基本内容 学习目标 教学内容 教学方法 考核方式 学习目标1第一章绪论 多媒体讲授 期末考试
2 工学等专业基础理论知识建立描述系统动态特性的数学模型（微分方程和传递函数）。 2、 能够运用系统的数学模型（微分方程和传递函数）对系统的特性进行理论分析和实 验研究，包括时间响应分析、频率特性分析和稳定性分析。能够对系统的性能指标进行评价， 进行系统校正。 3、 能够应用控制工程基础仿真软件和实验平台，建立一阶系统和二阶系统的数学模型， 进行典型时间响应和频率响应仿真实验，分析和验证系统参数对系统性能的影响。 4、 通过课程学习、仿真软件及实验平台的应用，能够了解控制理论的发展趋势以及经 典控制理论的优势与局限性。 三、学习目标与毕业要求的对应关系 四、教学基本内容 学习目标 教学内容 教学方法 考核方式 学习目标 1 第一章绪论 多媒体讲授 期末考试 毕业要求 毕业要求指标点 学习目标 （1）能够将数学、自然科学、机械工程 基础知识和专业知识用于解决机械工程 领域设计、制造、运行等方面的复杂工 程问题。 1.2 具有解决机械工程领域设 计、制造、运行等过程中的复杂工 程问题所需的工程基础知识和专业 知识； 学习目标 1 （4）能够基于科学原理并采用科学方 法，针对机械工程领域设计、制造、运 行等方面的复杂工程问题进行研究，通 过设计、实施实验，获取、分析和解释 数据，并通过信息综合，获得合理有效 的结论。 4.1 对于机械工程领域设计、制 造、运行中的复杂工程问题，能够 基于科学原理并采用科学方法，设 计相应的实验； 学习目标 2 （5）能够选择、使用与开发恰当的技术、 资源、现代工程工具和信息技术手段和 工具，针对机械工程领域设计、制造、 运行等方面的复杂工程问题，进行预测 与模拟，并能够理解相关技术工具、针 对复杂工程问题预测与模拟结果的局限 性。 5.2 能够开发与使用适当的技 术、资源、现代工程工具和信息技 术工具，进行机械工程领域设计、 制造、运行中复杂工程问题的预测 与模拟； 学习目标 3 5.3 能够理解现有技术工具的 局限性，能够理解机械工程领域设 计、制造、运行中复杂工程问题预 测与模拟结果的局限性。 学习目标 4
第二章系统的数学模型 工程案例分析 课堂测验 课带实验 实验教学 课后作业 实验报告 考勤 第三章时间响应与误差分析 期末考试 第四章系统的频率特性分析 多媒体讲授 课堂测验 学习目标2 第五章系统的稳定性 工程案例分析 课后作业 第六章系统的性能指标与校正 实验教学 实验报告 课带实验 考勤 第三章时间响应与误差分析 期末考试 第四章系统的频率特性分析 多媒体讲授 课堂测验 学习日标3第五竟系统的稳定性 工程案例分析 课后作业 第六章系统的性能指标与校正 实验教学 实验报告 课带实验 考勤 期末考试 第一章绪论 多媒体讲授 课堂测验 学习目标4 课后作业 课带实验 实验教学 实验报告 考勤 第一章绪论 机械工程控制论的基本概念、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：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：控制工程的发展：本课程的特点。 要求学生 正确理解机械工程控制论的基本概念，并用“广义系统”和“动态变化”的观点去观察研究 对象。 毕业要求对应关系： 本章学习内容对应学习目标1、4，支撑毕业要求指标点12、53。 第二章系统的数学模型 Laplace心变换和反变换：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；传递函数的基本概念、数学物理意义和求取方法：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。 要求学生： 3
3 第二章系统的数学模型 课带实验 工程案例分析 实验教学 课堂测验 课后作业 实验报告 考勤 学习目标 2 第三章时间响应与误差分析 第四章系统的频率特性分析 第五章系统的稳定性 第六章系统的性能指标与校正 课带实验 多媒体讲授 工程案例分析 实验教学 期末考试 课堂测验 课后作业 实验报告 考勤 学习目标 3 第三章时间响应与误差分析 第四章系统的频率特性分析 第五章系统的稳定性 第六章系统的性能指标与校正 课带实验 多媒体讲授 工程案例分析 实验教学 期末考试 课堂测验 课后作业 实验报告 考勤 学习目标 4 第一章绪论 课带实验 多媒体讲授 实验教学 期末考试 课堂测验 课后作业 实验报告 考勤 第一章 绪论 机械工程控制论的基本概念、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；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；控制工程的发展；本课程的特点。 要求学生： 正确理解机械工程控制论的基本概念，并用“广义系统”和“动态变化”的观点去观察研究 对象。 毕业要求对应关系： 本章学习内容对应学习目标 1、4，支撑毕业要求指标点 1.2、5.3。 第二章 系统的数学模型 Laplace 变换和反变换；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；传递函数的基本概念、数学物理意义和求取方法；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。 要求学生：
能够根据实际的控制问题画出系统方框图，建立系统的微分方程模型和传递函数模型， 建立传递函数方框图并进行等效简化。 半业要求对应关系： 本章学习内容对应学习目标1，支毕业要求指标点12。 第三章时间响应与误差分析 时间响应的基木概念：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：系统的误差分析与计算。 要求学生： 正确理解系统的时间响应，能够计算典型系统的时间响应和性能指标，能够应用终值定 理计算系统的稳态误差。 毕业要求对应关系： 本章学习内容对应学习目标2、3，支撑毕业要求指标点4.1、52。 第四章系统的颜率特性分析 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，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：频幸特性的对数坐标图的一般概念，典型环节的B0c图，绘制系统 BOdc图的一般步骤和方法：频率特性的特征量：最小相位系统与非最小相位系统 要求学生： 正确理解频率特性和最小相位系统的概念，能够运用传递函数计算系统的频率特性和响 应，能够绘制系统的Nyquist图和Bode图。 毕业要求对应关系： 本章学习内容对应学习目标2、3，支撑毕业要求指标点4.1、52。 第五章系统的稳定性 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：Rouh稳定性判据，Nyquis 稳定性判、Boe判据的基本原理和方法（难点）：系统的相对稳定性，幅值裕度与相位裕度。 要求学生 正确理解稳定性的概念，能够运用三种判据分析系统的稳定性，能够计算系统的稳定裕 度。 毕业要求对应关系： 本章学习内容对应学习目标2、3，支撑毕业要求指标点4.1、52。 第六章系统的性能指标与校正 4
4 能够根据实际的控制问题画出系统方框图，建立系统的微分方程模型和传递函数模型， 建立传递函数方框图并进行等效简化。 毕业要求对应关系： 本章学习内容对应学习目标 1，支撑毕业要求指标点 1.2。 第三章 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；系统的误差分析与计算。 要求学生： 正确理解系统的时间响应，能够计算典型系统的时间响应和性能指标，能够应用终值定 理计算系统的稳态误差。 毕业要求对应关系： 本章学习内容对应学习目标 2、3，支撑毕业要求指标点 4.1、5.2。 第四章 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，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；频率特性的特征量；最小相位系统与非最小相位系统。 要求学生： 正确理解频率特性和最小相位系统的概念，能够运用传递函数计算系统的频率特性和响 应，能够绘制系统的 Nyquist 图和 Bode 图。 毕业要求对应关系： 本章学习内容对应学习目标 2、3，支撑毕业要求指标点 4.1、5.2。 第五章 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、Bode 判据的基本原理和方法（难点）；系统的相对稳定性，幅值裕度与相位裕度。 要求学生： 正确理解稳定性的概念，能够运用三种判据分析系统的稳定性，能够计算系统的稳定裕 度。 毕业要求对应关系： 本章学习内容对应学习目标 2、3，支撑毕业要求指标点 4.1、5.2。 第六章 系统的性能指标与校正
系统的性能指标：校正的概念：PD校正 要求学生： 理解系统校正的概念和方法。 毕业要求对应关系： 本章学习内容对应学习目标2、3，支撑毕业要求指标点4.1、5.2 裸带实验环节(4学时) 本课程课带实验为控制工程基础仿真实验，学生利用控制工程计算机仿真实验软件和学 院实验室配置的球杆系统，完成以下5个仿真实验项目，处理相关数据，分析得出实验结论 并撰写实验报告。通过实验，学生能直观了解各典型环节的时间响应和频率响应特性以及 PD控制的作用，加深理解和巩固课程中所学的基本概念和基本原理。 实验1：一阶系统的单位阶跃响应 (1)输入3个不同的时间常数，观察一阶系统单位阶跃响应曲线的变化，并分析时间 常数T对系统性能的影响。 (2)若通过实验已测得一阶系统的单位阶跃响应曲线，试说明如何通过该曲线确定系 统的时间常数T。 实验2：二阶系统的单位阶跃响应 保持系统的无阻尼固有频率on=5不变，改变系统的阻尼比5为0.1,0.5,0.7,1和 2,观察系统的响应曲线变化情况，并分析阻尼比ξ如何影响二阶系统的性能。 实验3：Nyquist图 分别绘制下列开环传递函数的Nyquist图，并分析相应闭环系统的稳定性， 005g+1 (1)G(s) 006+025+2)G6)-1-02 实验4：Bode图 已知系统开环传递函数为G6S)5+X+5当K的取值为1,1010和100时， 试用所产生的BOe图判定相应闭环系统的稳定性，并分析K的取值如何影响闭环系统的 相对稳定性。 实验5：球杆系统的PD控制 利用Matlab/Simulink建立球杆系统的PD控制模型，完成不同的Kp、Ko、K参数下球 杆系统的Matlab仿真和实际测试。记录各种控制方法下的仿真曲线和实验曲线，计算响应 的性能指标，分析参数的作用，理解PID控制算法的原理和实际应用。 本实验环节内容对应学习目标1、2、3、4，支撑毕业要求指标点12、4.1、5.2、5.3 5
5 系统的性能指标；校正的概念；PID 校正 要求学生： 理解系统校正的概念和方法。 毕业要求对应关系： 本章学习内容对应学习目标 2、3，支撑毕业要求指标点 4.1、5.2。 课带实验环节（4 学时） 本课程课带实验为控制工程基础仿真实验，学生利用控制工程计算机仿真实验软件和学 院实验室配置的球杆系统，完成以下5个仿真实验项目，处理相关数据，分析得出实验结论 并撰写实验报告。通过实验，学生能直观了解各典型环节的时间响应和频率响应特性以及 PID 控制的作用，加深理解和巩固课程中所学的基本概念和基本原理。 实验 1：一阶系统的单位阶跃响应 （1）输入 3 个不同的时间常数，观察一阶系统单位阶跃响应曲线的变化，并分析时间 常数 T 对系统性能的影响。 （2）若通过实验已测得一阶系统的单位阶跃响应曲线，试说明如何通过该曲线确定系 统的时间常数 T。 实验 2：二阶系统的单位阶跃响应 保持系统的无阻尼固有频率 ωn = 5 不变，改变系统的阻尼比 ξ 为 0.1，0.5，0.7，1 和 2，观察系统的响应曲线变化情况，并分析阻尼比 ξ 如何影响二阶系统的性能。 实验 3：Nyquist 图 分别绘制下列开环传递函数的 Nyquist 图，并分析相应闭环系统的稳定性。 （1） 0.06 0.21 1 0.05 1 G( ) 2 s s s s ；（2） s s G s 1 0.2 ( ) ； 实验 4：Bode 图 已知系统开环传递函数为 ( 1)( 5) G(s) s s s K ，当 K 的取值为 1，10，100 和 1000 时， 试用所产生的 Bode 图判定相应闭环系统的稳定性，并分析 K 的取值如何影响闭环系统的 相对稳定性。 实验 5：球杆系统的 PID 控制 利用 Matlab/Simulink 建立球杆系统的 PID 控制模型，完成不同的 Kp、KD、KI 参数下球 杆系统的 Matlab 仿真和实际测试。记录各种控制方法下的仿真曲线和实验曲线，计算响应 的性能指标，分析参数的作用，理解 PID 控制算法的原理和实际应用。 本实验环节内容对应学习目标 1、2、3、4，支撑毕业要求指标点 1.2、4.1、5.2、5.3