控制工程基础 教学大纲
《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。
《控制工程基础》教学大纲
《控制工程基础》教学大纲（课程编号：A340008，学分3，学时:48，实验：6）一、课程的性质与目的“控制工程基础”课程以机电工程领域的线性控制系统为主要对象，介绍应用数学工具或试验结果对线性反馈控制系统进行建模、性能分析和设计的原理和方法。
通过学习，使学生能掌握反馈闭环控制的基本概念、基本思想、基本原理，初步掌握建立机电控制系统数学模型的方法，能应用数学手段进行线性控制系统的性能分析，初步掌握控制系统设计校正方法，并初步了解离散控制系统和非线性控制系统的基本，初步了解MA TLAB软件在控制系统分析设计中的应用，为后续课程的学习以及从事工程技术工作或继续深造打下基础。
本课程是机械制造与自动化专业的技术基础课。
二、课程内容与教学要求1 课程内容第一章控制系统导论一般了解1-1 自动控制的基本原理1-2 自动控制系统示例1-3 自动控制系统的分类1-4 自动控制系统的基本要求第二章控制系统的数学模型重点掌握2-1 傅里叶变换与拉普拉斯变换2-2 控制系统的时域数学模型2-3 控制系统的复数域数学模型2-4 控制系统的结构图与信号流图第三章线性系统的时域分析法重点掌握3-1 系统的时域性能指标3-2 一阶系统的时域分析3-3 二阶系统的时域分析3-4 高阶系统的时域分析3-5 线性系统的稳定性分析3-6 线性系统的稳态误差计算第四章线性系统的根轨迹法重点掌握4-1 根轨迹法的基本概念4-2 常规根轨迹的绘制法则4-3 广义根轨迹4-4 系统性能的分析第五章线性系统的频域分析法重点掌握5-1 频率特性5-2 典型环节与开环系统频率特性5-3 频域稳定判据5-4 频域稳定裕度5-5 闭环系统的频域性能指标第六章线性系统的校正方法一般了解6-1 系统的设计与校正问题6-2 常用校正装置及其特性6-3 串联校正6-4 反馈校正三、上机实验要求实验要求见有关实验指导书。
实验一闭环电压控制系统，2学时实验二频率特性的测试与系统参数的确定，2学时实验三串联校正研究，2学时四、能力培养的要求1、经过经典控制理论的学习，提高机电装备的应用维护水平，以及改进、设计或研究能力。
《控制工程基础》教学大纲
《控制工程基础》教学大纲英文名称：Control Engineering Foundation学分：2.5学分学时：40学时实验学时：4学时先修课程：高等数学、电工与电子学、复变函数、工程力学教学对象：过程装备与控制工程系的本科生教学目的：本课程为过程装备与控制工程的专业基础课，是学生学习专业课和从事本专业科研、生产所必备的理论基础。
通过本课程的学习，能够使学生熟悉过程控制系统的数学模型，掌握控制系统分析的一般方法和基本理论，为过程装备控制工程的分析和设计打下基础。
教学要求：控制工程基础主要介绍反馈控制系统的经典控制理论及其工程分析和设计方法，使学生掌握反馈系统的基本工作原理，物理系统的数学模型、典型环节和系统的时域和频域特性的基本概念及分析方法，使学生能顺利学习后续的专业课。
教学内容：第一章绪论（2学时）§1-1 控制理论的发展概述自动控制概念；发展概述§1-2 控制系统组成过程控制示例；控制系统组成；基本术语；§1-3 方框图§1-4 控制系统分类系统结构；按给定值分类；按系统特性分类；按系统信号分类§1-5 对控制系统要求基本要求：了解自动控制的基本概念、控制理论的发展及控制系统分类；掌握控制系统性能指标。
重点：了解自动控制的组成及反馈原理。
难点：控制系统方框图代表含义。
第二章控制系统的数学模型（10学时）§2-1 概述§2-2 数学模型的建立理论推导的一般步骤；示例（机械系统，电气系统）；非线性微分方程的线性化§2-3 控制系统的复域数学模型——传递函数拉氏变换；传递函数（典型环节）；§2-4 控制系统方框图动态结构图的建立及示例；动态结构图的常用符号及连接式；方框图的等效变换；方框图的等效变换示例§2-5 反馈控制系统的传递函数闭环控制系统的开环传递函数；给定输入下的闭环传递函数；扰动信号下的闭环传递函数；系统输出；闭环控制系统误差传递函数基本要求：掌握控制系统数学模型理论推导的一般步骤和拉氏变换的含义，熟悉典型环节的传递函数，了解动态结构图的建立方法，能确定系统的开环传递函数、给定输入下的闭环传递函数及扰动信号下的闭环传递函数和闭环控制系统误差传递函数。
控制工程基础第四版教学大纲
控制工程基础第四版教学大纲课程概述《控制工程基础》是一门针对自动控制领域的入门课程，主要介绍控制工程的基本原理、基本方法以及应用技术。
本课程旨在让学生初步掌握系统控制理论的基本知识和方法，以便于在工程实践中解决相关问题。
授课内容第一章控制系统概述1.控制系统的定义和基本概念2.控制系统的分类3.控制系统的组成部分和基本结构第二章数学模型建立1.线性时不变系统的数学建模2.传递函数和状态空间模型3.系统的时间响应和稳态响应分析第三章系统稳定性分析1.时域分析法2.频域分析法3.系统稳定性的判定方法第四章控制系统的设计1.控制系统的设计要求2.确定控制结构的选择3.设计控制器的方法第五章系统性能分析1.系统的性能指标2.系统响应速度和稳态精度分析3.系统性能的提高第六章高级控制方法1.PID 控制2.广义预测控制（GPC）方法3.模糊控制4.自适应控制第七章运动控制系统设计1.伺服机构的基本原理2.伺服机构的数学模型3.伺服机构的控制方法实验内容实验一系统参数辨识1.传统系统的建模方法2.基于系统响应的辨识方法3.多项式辨识方法实验二控制系统稳定性分析1.时域分析法2.频域分析法3.稳定性判定方法实验三 PID 控制器的设计与应用1.PID 控制器的设计方法2.PID 控制器的参数整定方法3.PID 控制器在控制系统中的应用实验四自适应控制1.反馈误差控制方法2.模型参考自适应控制方法3.自适应控制系统的建模与设计实验五运动控制系统的设计1.伺服机构的控制方法2.伺服机构系统的建模和参数辨识3.运动控制系统的设计实现教材及参考书目教材1.许明杰、洪来兴. 控制工程基础（第4版）. 北京：高等教育出版社，2017年.参考书目1.K. OGATA. Modern Control Engineering (5th edition)，USA: Prentice Hall, 2009.2.F. FRANKLIN,D. POWELL, EMMANUEL K. Agyakwa. Digital Control of Dynamic Systems. Prentice Hall Professional Technical Reference，4 edition, 2009.3.P. KATTIEN, H. UNDE, M. DE DONCKER. Digital Control for Power Converters. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006.评分方法1.平时成绩：30%2.期末考试：70%。
控制工程基础教学大纲
控制工程基础教学大纲课程名称：控制工程基础课程编码：1005601学时：45学时学分：2.5学分开课学期：第六学期适用专业：机械工程及其自动化、包装工程、交通运输课程类别：必修课程性质：专业基础课先修课程：高等数学、工程数学、普通物理学、电路原理、模拟电子技术。
教材：《控制工程基础》王益群孔祥东主编机械工业出版社一、课程的性质、目的与任务：本课程是机械设计制造及自动化、材料成型与控制工程等机械类专业和相关专业的必修课。
通过本课程的学习将为学习自动控制方面的其它课程奠定良好的理论基础。
课程教学所要达到的目的：使学生正确理解和掌握本课程所涉及的基本概念、基本理论和基本分析方法。
能独立地应用这些基本理论、基本方法来分析实际工程中提炼出来的各种控制理论问题；同时强化动态的、系统的思想方法。
并使学生具有一定的工程计算和设计能力。
二、课程的基本内容：1、绪论自动控制理论发展简况，反馈控制理论的研究对象和方法。
自动控制系统的基本概念、术语、自动控制系统的组成和分类，应用举例。
对自动控制系统的基本要求。
2、控制系统的数学模型数学模型的基本概念、表达方式，建模方法简述。
微分方程的列写，微分方程线性化的基本思想。
拉氏变换的简单回顾：拉氏变换的定义、性质，常见的简单函数的拉氏变换式应能记住。
拉氏反变换。
传递函数的概念及基本环节的传递函数。
控制系统的方框图及方框图的简化。
梅逊增益公式（选讲）。
3、控制系统的时域分析控制系统的典型输入信号，及时域响应指标。
一阶系统的瞬态响应及指标。
二阶系统的瞬态响应分析及其与极点之间的关系，二阶系统的瞬态响应指标与参量ζ、ω间的关系及计算。
n高阶系统的瞬态响应的简单分析，闭环主导极点的概念。
4、控制系统的频率特性频率特性的基本概念，频率特性的两种主要表达方式：幅相频率特性、对数频率特性。
典型环节的频率特性。
最小相位系统的概念。
系统开环频率特性（奈奎斯特图和伯德图）的绘制。
系统辨识的概念及利用实测开环幅频特性确定系统的开环传递函数。
控制工程基础教学大纲
控制工程基础教学大纲一、课程简介控制工程基础是控制科学与技术领域的一门基础课程，也是控制工程专业的基础课程之一。
本课程介绍了控制理论的基本概念、方法和技术，为学生深入掌握控制工程专业知识，奠定了坚实的基础。
课程内容包括控制理论的基本概念与原理、传递函数与时域分析、稳态误差分析、根轨迹与稳定性分析、频率响应与稳定性分析、控制系统的设计和实现等方面。
在学习过程中，学生将通过理论知识和实际案例的结合，系统学习控制工程的基础知识和实践技能。
二、教学目标1.了解控制工程理论的基本概念、方法和技术，掌握相关的数学知识和基础技能；2.理解控制系统的基本结构和工作原理，掌握传递函数、稳态误差、时域响应等概念及其分析方法；3.掌握根轨迹、频域响应与稳定性分析的基本概念和分析方法；4.理解控制系统的设计思想和方法，了解常见的控制器和控制策略；5.通过掌握理论知识和实践技能，可以应用控制工程的基础知识对实际问题进行分析、设计和实现。
三、教学内容1. 控制系统的基本概念1.控制理论概述；2.控制系统的基本结构和功能；3.闭环控制和开环控制；4.控制系统的性能指标和评价方法。
2. 传递函数与时域分析1.传递函数的概念和性质；2.时域分析方法及其应用；3.一、二阶系统的时域响应分析。
3. 稳态误差分析1.稳态误差和静态误差常数；2.稳态误差分析方法；3.闭环控制系统的稳态误差分析。
4. 根轨迹与稳定性分析1.根轨迹的概念和性质；2.根轨迹的绘制方法；3.根轨迹的应用；4.稳定性的概念和判据。
5. 频率响应与稳定性分析1.频率响应的概念和性质；2.频率响应分析方法；3.稳态和稳定性的频率响应分析；4.Bode图的绘制方法和应用。
6. 控制系统的设计和实现1.单闭环控制和双闭环控制的设计和应用；2.PID控制器和常见的现代控制器；3.控制系统性能分析和优化；4.控制系统的实现和应用。
四、教学方法本课程采用理论讲授、案例分析和实例演示相结合的教学方法。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1）机电控制系统时域瞬态响应的模拟仿真；
2）机电控制系统频率特性的模拟仿真；
3）机电控制系统综合校正的模拟仿真。
2
直流电动机调速系统
√
√
掌握速度环的设计和实验调试方法，从而从理论与实际结合上掌握自动控制系统的设计与校正方法。
直流电动机驱动的闭环速度控制系统
重点及难点为：（1）机电控制系统的动态数学模型；（2）Nyquist稳定性判据；（3）控制系统的综合校正；（4）计算机控制系统。
三、课程主要教学内容（细化到二级目录）
第一章 概论
1.1 控制理论在工程中的应用发展
1.2自动控制系统的基本概念
1.3 控制理论在机械制造工业中的应用
1.4课程主要内容及学时安排
课堂讲授突出授课内容的基本思路，着重课程基本概念的建立和解决机电控制问题的基本方法的阐明。除经典内容外，一方面引入MATLAB控制软件使学生既学会先进的控制系统分析综合工具，又加深对经典控制理论的理解；另一方面突出机械对象的系统控制，自行开发了贯穿整个课程内容的综合性实验，除进行系统综合校正的仿真外，并进行工作台控制系统的综合校正实验，使学生深化对机电控制系统的基本原理及必要的实用知识的理解和掌握。
10.2线性离散系统的数学模型
10.3线性离散系统的分析方法
10.4计算机控制系统的模拟化设计方法
10.5MATLAB在计算机控制系统中的应用
第十一章基于LabVIEW的控制系统动态仿真演示软件
11.1 LabVIEW介绍
11.2借助LabVIEW建立和分析控制系统
注：第八章、第九章和第十一章不作为基本教学内容。
闭卷考试占60%，平时成绩（作业、实验等）占40%；另外，提交与课程内容相关的论文并通过口试可代替闭卷笔试。
教材及主要参考书
中文
外文
教材
董景新、赵长德、郭美凤、陈志勇、刘云峰、李冬梅，控制工程基础（第4版），清华大学出版社，2015.1
Dong Jingxin,Zhao Changde,Xiong Shenshu,Guo Meifeng,Introduction to Control Engineering,Cengage Learning Asia Pte Ltd and
3.1时域响应以及典型输入信号
3.2 一阶系统的瞬态响应
3.3 二阶系统的瞬态响应
3.4 时域分析性能指标
3.5 高阶系统的瞬态响应
3.6 机电系统时域瞬态响应的实验方法
第四章 控制系统的频率特性
4.1机电系统频率特性的概念及其基本实验方法
4.2 极坐标图（Nyquist图）
4.3 对数坐标图（Bode图）
实验课：
1、Matlab仿真实验
2、直流电动机调速系统
3、直流电动机位置伺服系统
四、课程主要实验内容
序号
实验名称
实验性质（打）
学时
实验目的
实验内容
基础性
设计或综合性
课内
课外
1
Matlab仿真实验
√
√
1）熟悉MATLAB计算机仿真工具；
2）熟悉直流伺服电机调速系统的组成，电动机、电流环和速度环的数学模型；熟悉直流伺服电机控制系统各环节以及调速系统和位置控制系统的传递函数模型；
控制工程基础课程教学大纲
一、课程基本情况
课程名称
中文名称
控制工程基础
英文名称
Fundamentals of Control Engineering
教学目的与重点
本课程是清华大学机械学院（含仪器仪表类、机械类等大机类各专业）的一门专业基础平台课，是适应机电一体化的技术需要，针对机械对象的控制，主要基于经典控制理论形成的课程。本课程主要针对仪器和机械设备中位移、速度等机械量的控制，使学生掌握机电闭环控制系统的基本原理，能够建立机电系统动态数学模型、分析和综合控制系统，并了解基本的实验研究技能。该课程突出了机电控制的特点,使学生掌握机电闭环控制系统的基本原理及实用专业基础知识。
6.5 动态误差系数
第七章 控制系统的综合与校正
7.1系统的性能指标
7.2 系统的校正概述
7.3 串联校正
7.4 反馈校正
7.5 用频域法对控制系统进行设计与校正
7.6 典型机电反馈控制系统综合校正举例
7.7确定PID参数的其它方法
*第八章 根轨迹法
8.1根轨迹与根轨迹方程
8.2绘制根轨迹的基本法则
8.3其它参数根轨迹图的绘制
8.4根轨迹图绘制举例
8.5系统闭环零点、极点的分布与性能指标关系
8.6借助MATLAB进行系统根轨迹分析
*第九章 控制系统的非线性问题
9.1概述
9.2描述函数法
9.3相轨迹法
9.4李雅普诺夫稳定性方法
9.5借助MATLAB分析系统非线性
第十章计算机控制系统
10.1计算机控制系统概述
5.4 乃奎斯特稳定性判据（Nyquist判据）
5.5 应用乃奎斯特判据分析延时系统的稳定性
5.6 由伯德图判断系统的稳定性
5.7 控制系统的相对稳定性
* 5.8李雅普诺夫稳定性方法
第六章 控制系统的误差分析和计算
6.1稳态误差的基本概念
6.2 输入引起的稳态误差
6.3 干扰引起的稳态误差
6.4 减小系统误差的途径
3
直流电动机位置伺服系统
√
√
掌握位置环的设计和实验调试方法，从而从理论与实际的结合上掌握自动控制系统的设计与校正方法。
直流电动机驱动的闭环位置控制系统
第二章控制系统的动态数学模型
2.1基本环节数学模型
2.2 数学模型的线性化
2.3 拉氏变换及反变换
2.4 传递函数以及典型环节的传递函数
2.5 系统函数方块图及其简化
2.6 系统信号流图及梅逊公式
2.7 受控机械对象数学模型
2.8 绘制实际机电系统的函数方块图
* 2.9状态空间方程基本概念
第三章时域瞬态响应分析
先修要求、适用院系及专业
先修课程是高等数学、理论力学、电子技术、电工技术
适用于机械学院、航空航天学院等大机类各专业
二、课程内容简介
该课程是清华大学大机类的一门专业基础平台课，共48-64学时，4学分，是适应机电一体化的技术需要，针对机械对象的控制，基于经典控制理论形成的课程。该课程突出了机电控制的特点,内容包括了控制系统的动态数学模型、时域和频域分析方法、判断系统稳定性、误差分析、控制系统的综合与校正、计算机控制系统、MATLAB软件工具在控制系统分析和综合中的应用等。
4.4 由频率特性曲线求系统传递函数
4.5 由（Nichols图）
4.7 控制系统的闭环频响
4.8 机械系统动刚度的概念
第五章 控制系统的稳定性分析
5.1 系统稳定性的基本概念
5.2 系统稳定的充要条件
5.3 代数稳定性判据（Routh判据、Hurwitz判据）
课程负责人
董景新郭美凤陈志勇刘云峰李冬梅
课程类型
□文化素质课□公共基础课√学科基础课
□专业基础课□专业课 □其它
教学方式
√讲授为主□实验/实践为主□专题讨论为主
□案例教学为主□自学为主□其它
授课语言
√中文□中文＋英文（英文授课>50%）
□英文 □其他外语
学分学时
学分
3-4
总学时
48-64
考核方式及成绩评定标准
Tsinghua University Press
主要参考书
赵长德、郭美凤、董景新、王芃，控制工程基础实验指导，清华大学出版社，2007.2
Katsuhiko Ogata（美），现代控制工程（第四版中译本），北京：电子工业出版社，2002
Morris Driels,Linear Control Systems Engineering(国际知名大学原版教材)，北京：清华大学出版社，2000