《控制工程基础》课程教学大纲

《控制工程基础》课程教学大纲
课程名称：控制工程基础
英文名称：Control Engineering Fundamental
课程编码：51510502
学时/学分：42/6
课程性质：必修课
适用专业：机械类各专业
先修课程：高等数学，理论力学，电工与电子技术，复变函数与积分变换（可选）
一、课程的目的与任务
《机械工程控制基础》是机械设计制造及其自动化专业的机械电子工程及相近专业方向的一门技术基础课。

本课程是在高等数学和工程数学（复变函数与积分变换）的知识基础上，结合力学、电学等相关知识，介绍机械工程类专业的重要理论基础之一——工程控制论。

这门学科既是一门广义的系统动力学，又是一种合乎唯物辩证法的思想论和方法论，对启迪与发展人们的思维与智力有很大的作用。

本课程的基本任务是将自动控制理论应用于机械工程实际，基本要求是在阐明机械工程控制论的基本概念、基本知识与基本方法的基础上，使学生学会建立和变换系统的数学模型，掌握控制系统的时间响应分析和频率特性分析方法，并在此基础上具备讨论控制系统的稳定性，以及系统分析和校正、系统辨识等问题的能力。

使学生以辩证方法冲破形而上学的思想方法，推动这一领域的生产与学科向前发展。

在学习本课程之前，学生应当从先修课程中获得动力学分析、电路分析的能力，了解微分方程求解知识和复变函数的概念，初步掌握积分变换及其逆变换的基本方法。

学习本课程之后，学生还应当注意结合其它机械工程学的知识，将控制理论应用到工程实践中去。

二、教学内容及基本要求
绪论
教学目的和要求：本章首先阐述了机械工程控制基础这门课程的重要意义，然后介绍控制工程的基本思想、基本概念、控制系统的分类和基本要求，使学生了解机械工程控制论的研究对象与任务和系统、模型等知识，深刻理解反馈和反馈控制，接下来对控制理论的发展进行简单介绍。

教学重点和难点：1．系统的概述、工作原理和一般构成
2．系统的基本控制方式和分类
3．系统的基本要求和控制工程实践
教学方法与手段：以课堂讲授为主，注意举例和采用启发式教学，配合适当的课堂练习和课外作业。

0.1 自动控制理论概述
0.2 自动控制系统的工作原理和一般构成
0.3 自动控制系统的基本控制方式和分类
0.4 对控制系统的基本要求
0.5 自动控制理论的发展
0.6 控制工程实践
0.7 本课程的特点与学习方法
复习与作业要求：结合学习进度，适当安排思考题，习题量适中或较少为宜。

考核知识点：自动控制系统概述、工作原理、一般构成；系统的控制方式和分类；对控制系统的基本要求；控制工程实践。

辅助教学活动：无
第一章控制系统的数学模型
1.1教学目的和要求：了解微分方程的列写方法及相关知识，掌握传递函数的概念和特点，熟悉典型环节的传递函数，熟练掌握传递函数方框图和信号流图，掌握闭环控制系统的传递函数。

教学重点和难点：1．动态微分方程
2.拉普拉斯变换与反变换
3.传递函数
4.系统方框图和信号流图
教学方法与手段：以课堂讲授为主，本章重点部分应详解精讲，尽量采用启发式教学，配合适当的课堂练习和课外作业。

1.1 数学模型的基本概念
1.2 数学的动态微分方程
1.3 拉普拉斯变换与拉普拉斯反变换
1.4 传递函数
1.5 典型环节
1.6 系统方框图
1.7 信号交流
1.8 闭环控制系统的传递函数
复习与作业要求：结合学习进度，适当安排思考题和练习题，习题量宜适中。

考核知识点：系统的动态微分方程；传递函数；典型环节的传递函数；系统方框图；信号流图；闭环控制系统的传递函数。

辅助教学活动：无
第2章控制系统的时域分析
教学目的和要求：了解时间响应及其组成，深刻理解一阶、二阶系统的时间响应分析，熟练掌握和应用一阶、二阶系统的性能指标计算，了解高阶系统的时间响应分析，了解并基本掌握系统误差分析与计算方法。

教学重点和难点：1．典型输入信号和线性系统的时域性能指标
2．一阶、二阶和高阶系统的时间响应分析
3、系统的稳态误差
教学方法与手段：以课堂讲授为主，本章重点部分应详解精讲，注意举例和采用启发式教学，配合适当的课堂练习和课外作业。

2.1 典型输入信号
2.2 线性系统的时域性能指标
2.3 一阶系统的时间响应
2.4 二阶系统的时间响应
2.5 高阶系统的时间响应
2.6 系统的稳态误差
复习与作业要求：结合学习进度安排练习题，习题量可适当加大。

考核知识点：线性系统的时域性能指标；一阶、二阶和高阶系统的单位脉冲、单位阶跃响应；系统的稳态误差。

辅助教学活动：无
第三章控制系统的频域分析
教学目的和要求：理解频率特性及相关概念，熟练掌握频率特性的图示方法，了解最小相位系统与非最小相位系统的概念，了解频域性能指标。

教学重点和难点：1．频率特性的概念
2．频率特性的图示方法
教学方法与手段：以课堂讲授为主，本章重点部分应详解精讲，注意举例和采用启发式教学，配合适当的课堂练习和课外作业。

3.1 频率特性的基本概述
3.2 典型环节的频率特性
3.3 系统的开环频率特性图
3.4 最小相位系统和非最小相位系统
3.5 系统频域性能指标
复习与作业要求：结合学习进度，适当安排练习题，习题量宜适中。

考核知识点：频率特性的概念；频率特性的求法；典型环节的Nyquist图；典型环节的Bode图；绘制系统Bode图的步骤
辅助教学活动：无
第四章控制系统的稳定性分析
教学目的和要求：了解稳定性的基本概述，掌握劳斯稳定判据、奈奎斯特稳定判据和Bode稳定判据
教学重点和难点：1．劳斯稳定判据
2.奈奎斯特稳定判据
教学方法与手段：以课堂讲授为主，注意举例和采用启发式教学，配合适当的课堂练习和课外作业。

4.1 稳定性的基本概述
4.2 劳斯稳定判据
4.3 奈奎斯特稳定判据
4.4 Bode稳定判据
复习与作业要求：结合学习进度，适当安排练习题，习题量适中或较少为宜。

考核知识点：稳定性，劳斯稳定判据，奈奎斯特稳定判据，Bode稳定判据。

辅助教学活动：无
第五章控制系统的根轨迹法
教学目的和要求：了解根轨迹法的基本概述，掌握绘制根轨迹的基本规则和用根轨迹分析控制系统
教学重点和难点：1. 根轨迹法的基本概述
2. 绘制根轨迹的基本规则
3.绘制根轨迹
4.分析控制系统
教学方法与手段：以课堂讲授为主，注意实例教学，配合适当的课堂练习和课外作业。

5.1 根轨迹法的基本概述
5.2 绘制根轨迹的基本规则
5.3 参量根轨迹的绘制
5.4 非最小相位系统的根轨迹
5.5 用根轨迹分析控制系统
复习与作业要求：结合学习进度，适当安排思考题和练习题，习题量适中或较少为宜。

考核知识点：根轨迹概述，根轨迹的绘制，用根轨迹分析控制系统
辅助教学活动：无
第六章自动控制系统的设计与校正
教学目的和要求：了解PID，熟练掌握各种校正和复合控制方法
教学重点和难点：1. 反馈校正
2.复合校正
3.串联滞后-超前校正
4.复合控制
教学方法与手段：以简要介绍为主，可少量安排或不安排课堂练习和课外作业。

6.1 PID简介
6.2 校正的基本概述
6.3 串联校正
6.4 反馈校正
6.5 复合校正
6.6 串联超前校正
6.7 串联滞后校正
6.8 串联滞后-超前校正
6.9 复合控制方法
复习与作业要求：可少量安排或不安排课堂练习和课外作业。

考核知识点：校正的概述，串联校正，反馈校正，复合校正，串联超前校正，串联滞后校正，串联滞后-超前校正，复合控制方法。

辅助教学活动：无
第七章基于MATLAB语言的控制系统分析
教学目的和要求：了解MATLAB语言，掌握MATLAB用于各种分析
教学重点和难点：1．数学模型的MATLAB描述
2. 用MATLAB对线性系统进行时域响应分析
3. 用MATLAB进行控制系统频域分析
4. 基于MATLAB的根轨迹绘制与性能分析
教学方法与手段：以简要介绍为主，可少量安排或不安排课堂练习和课外作业。

7.1 MATLAB语言简介
7.2 数学模型的MATLAB描述
7.3 用MATLAB对线性系统进行时域响应分析
7.4 用MATLAB进行控制系统频域分析
7.5 基于MATLAB的根轨迹绘制与性能分析
7.6 系统设计校正的MATLAB实现
复习与作业要求：可少量安排或不安排课堂练习和课外作业。

考核知识点：用MATLAB对线性系统进行时域响应分析，用MATLAB进行控制系统频域分析，基于MATLAB的根轨迹绘制与性能分析。

辅助教学活动：无
三、课程教学的特色说明
1．本教学大纲定位于普通大学机械类专业学生在本科学习阶段的要求，不求理论全而深，要求学生在理解相关理论的基础上，能较好地分析系统，解决实际问题。

本大纲适用于30～42学时《机械工程控制基础》课程教学使用。

按照减少学时、降低重心、拓宽面向、精选内容、更新知识的原则，力求做到针对性强，适应性强，讲解清晰。

2．如教学学时不足，第6 章、第7章以及其它章部分内容可安排学生自学。

3．课内建议安排习题课4～6学时，建议第2至5章各约1学时，可根据需要适当增加或结合使用。

本课程主要介绍经典控制理论。

在介绍了如何建立系统数学模型的基础上，介绍时域分析方法和频域分析方法，并在此基础上对系统的稳定性和校正等问题进行讨论，如时间宽裕，最后还可简要介绍离散控制系统和现代控制理论。

四、考试大纲
1．考试的目的与作用
机械工程控制基础是机械设计制造及其自动化专业的一门技术基础课。

学生的考试成绩是对其学习水平评价的重要因素之一。

通过复习考试，可以巩固学生对机械工程控制论的基本概念、基本知识与基本方法的认识和理解。

考察学生对建立和变换系统的数学模型的方法，控制系统的时间响应分析和频率特性分析方法的掌握程度，以及在此基础上具备讨论控制系统的稳定性，以及系统分析和校正、系统辨识等问题的能力。

教师通过考试可以考核学生对所学知识点的掌握程度，找出共性问题；另外，通过考试还可以检查教学效果，为今后进一步提高机械工程控制基础课程的教学质量，促进课程建设提供重要的参考依据。

2．考核内容与考核目标
本课程考试内容主要针对机械工程控制论的基本概念、基本知识与基本方法，建立和变换系统的数学模型的方法，对控制系统进行时间响应分析和频率特性分析的方法，
以及在此基础上讨论控制系统的稳定性，以及系统分析和校正、系统辨识等问题。

3．主要参考书
［1］彭珍瑞，董海棠.控制工程基础［M］.2版.北京：高等教育出版社，2015.
［2］玄兆燕，朱洪俊，杨秀萍，等.机械控制工程基础［M］.北京：电子工业出版社，2011.
［3］董景新，赵长德，郭美凤，等.控制工程基础［M］.北京：清华大学出版社，2015. ［4］邹伯敏.自动控制理论［M］.3版.北京：机械工业出版社，2011.
［5］孔祥东，王益群.控制工程基础［M］.3版.北京：机械工业出版社，2011.
［6］王正林，王胜开，陈国顺，等.MATLAB/Simulink与控制系统仿真［M］.2版.北京：电子工业出版社，2012.
［7］苗宇，蒋大明.自动控制原理［M］.2版.北京：清华大学出版社，2013.
［8］高铁红，曲云霞.控制工程基础［M］.2版.北京：中国计量出版社，2010.
［9］杨叔子，杨克冲，等.机械工程控制基础［M］.6版.武汉：华中科技大学出版社，2011.
［10］王积伟，吴振顺.控制工程基础［M］.2版.北京：高等教育出版社，2010. ［11］孔祥东，王益群.控制工程基础［M］.3版.北京：机械工业出版社，2011. ［12］左健民.机电控制工程基础［M］.北京：机械工业出版社，2011.
［13］朱骥北.机械控制工程基础［M］.北京：机械工业出版社，2013.
［14］董玉红，徐莉萍.机械控制工程基础［M］.北京：机械工业出版社，2013. ［15］安林超，司尧华，程雪利.机械控制工程基础［M］.北京：化学工业出版社，2011. ［16］严学华，司乃潮.检测技术与自动控制工程基础［M］.北京：化学工业出版社，2011.
［17］王建辉，顾树生.自动控制原理［M］.2版.北京：清华大学出版社，2014. ［18］程鹏.自动控制原理［M］.2版.北京：高等教育出版社，2010.
［19］杜继宏，王诗宓，窦曰轩.控制工程基础［M］.北京：清华大学出版社，2014.
4．课程考试内容与教材的关系
课程考试内容与教材基本一致，教材内容较多，部分章节在本考试中不涉及或较少涉及，具体情况参见教学大纲。

5．分章节的考核知识点
绪论
⑴．识记：系统的分类；对控制系统的基本要求
⑵．理解：系统；反馈和反馈控制
第一章控制系统的数学模型
⑴．识记：典型环节的传递函数
⑵．理解：拉氏变换及拉氏反变换；传递函数；相似系统
⑶．应用：列写微分方程的一般方法；系统的方框图及其简化
第二章控制系统的时域分析
⑴．识记：时间响应及其组成；高阶系统的时域分析
⑵．理解：一阶、二阶系统的单位脉冲、单位阶跃响应
⑶．应用：一阶、二阶系统响应的性能指标
第三章控制系统的频域分析
⑴．识记：典型环节的Nyquist图；典型环节的Bode图；
⑵．理解：频率响应与频率特性；频率特性的求法
⑶．应用：绘制系统Bode图的步骤
第四章控制系统的稳定性
⑴．识记：稳定性的初步概念；相对稳定性
⑵．理解：稳定的定义和条件
⑶．应用：稳定性判据
第五章控制系统的根轨迹法
⑴．识记：根轨迹法的基本概述；
⑵．理解：绘制根轨迹的基本规则
⑶．应用：参量根轨迹的绘制；非最小相位系统的根轨迹；用根轨迹分析控制系统
第六章控制系统的校正
⑴．识记：系统的性能指标；系统校正的概念和分类
⑵．理解：数字PID控制算法；各种校正
⑶．应用：串联校正；反馈校正；复合校正；串联超前校正；串联滞后校正；串联滞后；超前校正；复合控制方法
第七章基于MATLAB语言的控制系统分析
⑴．识记：MATLAB语言；
⑵．理解：用MATLAB对线性系统进行时域响应分析；用MATLAB进行控制系统频域分析
⑶．应用：基于MATLAB的根轨迹绘制与性能分析；系统设计校正的MATLAB 实现
6．题目类型与考核方式
题目类型一般可包括：选择题、填空题、判断正误、名词解释、简答题、计算题、
作图题、证明题等，也可采用其它题型。

考核方法建议采用闭卷考试，也可采用开卷考试。

7．成绩评定办法
一般考试试卷成绩占80%，平时成绩占20%。

平时成绩一般依据课堂出勤、提问、作业及平时表现等进行评定，所占比例也可根据实际情况适当修改。

五、学时分配
六、课程主要参考书
［1］彭珍瑞，董海棠.控制工程基础［M］.2版.北京：高等教育出版社，2015.
［2］玄兆燕，朱洪俊，杨秀萍，等.机械控制工程基础［M］.北京：电子工业出版社，2011.
［3］董景新，赵长德，郭美凤，等.控制工程基础［M］.北京：清华大学出版社，2015. ［4］邹伯敏.自动控制理论［M］.3版.北京：机械工业出版社，2011.
［5］孔祥东，王益群.控制工程基础［M］.3版.北京：机械工业出版社，2011.
［6］王正林，王胜开，陈国顺，等.MATLAB/Simulink与控制系统仿真［M］.2版.北京：电子工业出版社，2012.
［7］苗宇，蒋大明.自动控制原理［M］.2版.北京：清华大学出版社，2013.
［8］高铁红，曲云霞.控制工程基础［M］.2版.北京：中国计量出版社，2010.
［9］杨叔子，杨克冲，等.机械工程控制基础［M］.6版.武汉：华中科技大学出版社，
2011.
［10］王积伟，吴振顺.控制工程基础［M］.2版.北京：高等教育出版社，2010. ［11］孔祥东，王益群.控制工程基础［M］.3版.北京：机械工业出版社，2011. ［12］左健民.机电控制工程基础［M］.北京：机械工业出版社，2011.
［13］朱骥北.机械控制工程基础［M］.北京：机械工业出版社，2013.
［14］董玉红，徐莉萍.机械控制工程基础［M］.北京：机械工业出版社，2013. ［15］安林超，司尧华，程雪利.机械控制工程基础［M］.北京：化学工业出版社，2011. ［16］严学华，司乃潮.检测技术与自动控制工程基础［M］.北京：化学工业出版社，2011.
［17］王建辉，顾树生.自动控制原理［M］.2版.北京：清华大学出版社，2014. ［18］程鹏.自动控制原理［M］.2版.北京：高等教育出版社，2010.
［19］杜继宏，王诗宓，窦曰轩.控制工程基础［M］.北京：清华大学出版社，2014.
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