《机械控制工程基础》课程教学大纲

《机械控制工程基础》课程教学大纲

一、课程基本信息

1．课程编号：MACH400801

2．课程体系 / 类别：专业类/专业核心课

3．学时 /学分：56学时/ 3学分

4．先修课程：高等数学、积分变换、理论力学、电工电子技术、机械设计基础、大学

计算机基础、高级程序设计

5．适用专业：机械大类专业（包括机械工程、车辆工程、测控技术与仪器、能源与动

力工程和工业工程）

二、课程目标及学生应达到的能力

《机械控制工程基础》是西安交通大学机械类专业的一门专业核心课程，主要授课内容是运用现代数学知识、自动控制理论和信息技术来分析、设计典型机电控制系统。旨在培养学生运用科学方法和工具来解决机械工程基本问题的系统分析设计能力、综合创新能力。

本课程的主要任务是通过课堂教学、计算机仿真实训、实验教学等教学方式，使学生掌握实现机械系统自动控制的基本理论；学会典型机电系统的数学建模、运行性能分析和系统设计、校正与补偿等基本知识和基本技能；具有基本的机电控制系统分析设计能力，以及对复杂机械系统的控制问题进行分析、求解和论证的能力，并了解机械控制领域的新理论和新

技术，支撑毕业要求中的相应指标点。课程目标及能力要求具体如下：

课程目标 1. 掌握机械控制系统的基本概念和组成原理，具备自动控制原理与系统的基

础概念；掌握典型机电传动单元与系统的数学建模方法；掌握机电系统的时域和频域分析设

计校正方法。（毕业要求中的第 1）

课程目标 2. 培养学生对机械控制工程中复杂问题的分析能力，能够对复杂机械控制系

统进行分析、设计，并能够采用相关软件进行模拟仿真，能够构建实验控制系统进行分析研究，具有研究和解决机械控制工程问题的能力。（毕业要求中的第 2 、4）课程目标 3. 初步了解机械系统常用的控制方法，以及现代控制和智能控制的原理，了

解机械控制理论的现状与发展趋势。培养学生运用机械控制工程领域新技术新方法对复杂机

械工程中的系统控制问题进行理论分析、实验研究的能力。（毕业要求中的第4）

毕业要求毕业要求指标点课程目标对毕业要求的支撑关系

1. 工程知识 1.4 掌握机械设计、制造及其自动化领域的专业知识，能将其与课程目标 1

数理基础、工程基础和经济管理等知识相结合，综合应用于解决

复杂机械工程问题。

2.问题分析 2.2能够通过文献查阅、分析或实验、实践，对复杂工程问题进课程目标2

行解释并提出相应的解决方案。能理解工程问题解决方案的多样

性，并对不同方案进行比较、评价。

4. 研究 4.2能够对复杂工程问题中所涉及到的物理现象、材料特性以及课程目标3

系统性能进行理论分析或实验测试、验证；

三、课程教学内容与学时分配

序

教学内容教学要求号

）第一章绪论 1. 掌握机械控制工程的基本概念以及

） 1.1 引言学科发展史；

）机电控制工程的研究对象、用途、 2. 掌握典型机电控制系统的数学分析基本内容、学科发展简史等方法。

） 1.2 机电控制系统基本概念与术语

）控制系统的定义及组成，控制系统

） 1分析与设计的主要性能指标，计算

机辅助设计，控制系统主要任务等

） 1.3 典型机电控制系统的介绍

）运用微分方程对典型机电控制系

统进行分析，并利用拉普拉斯变换

对系统进行处理。

第二章机电系统数学建模 1.掌握机电控制系统通过微分方程数

2.1从建立机电系统的运动微分方学建模、传递函数建模的基本方法；

程入手，经 Laplace 变换，引出传 2.掌握典型机电系统的传递函数数学

递函数、方框图等概念。模型。

22.2典型的电路环节、平动机械传

动环节、转动机械传动环节、典型

机电对象的传递函数。

2.3复杂机电系统传递函数的构

建，系统方块图的绘制、简化等。

第三章系统的时域响应分析 1.掌握机械控制系统的时域分析方法；

3.1时间响应与时域特性概念 2.掌握典型机电系统的性能指标表征

3.2一阶系统、二阶系统的时域响和分析方法。

3应及其性能指标

3.3 高阶系统的时间响应与闭环主

导极点

3.4 系统误差分析

第四章系统的稳定性分析1．掌握系统稳定性的基本概念及基本

4.1系统稳定性的概念及准则判断方法；

4 4.2劳斯稳定性判据及应用2．掌握系统相对稳定性的校验方法。

4.3奈奎斯特稳定性判据及应用

4.4系统的相对稳定性

第五章基于根轨迹法的系统设计 1.掌握根轨迹法设计与校正系统原理；

与校正 2.掌握用计算机求解根轨迹设计校正方

5.1 根轨迹的定义、性质、画法、法。

5应用法则等 3.初步掌握 PID 校正方法

5.2 基于根轨迹法的系统校正补偿

方法，包括 PI 校正、 PD校正、 PID

校正等

第六章基于频率响应的系统设计 1.掌握系统频率响应分析的基本思想；

与校正 2.掌握用 bode 图，Nyquist 图进行典型

6 5.1 系统频率响应的定义、性质，机电系统频域分析和校正的方法

一阶系统、二阶系统的频率特性

Bode 图、 Nyquist图画法与应用，推荐教学对应的课程学时方式目标

2讲授1

4讲授1、2 8讲授1、2 4

10讲授1、2 8讲授1、2

7 8 9 10 11 12 13 14 15典型机电系统的频域特性分析和

系统辨识等

5.2 基于系统频率响应系统校正补

偿，相位超前、相位滞后、相位超

前滞后校正等

5.3 PID校正方法

第七章现代智能控制理论的发展

趋势和应用

7.1 现代控制理论基本概念及其应

用

7.2 智能控制理论方法及其发展趋

势

上机一Matlab计算基础

Matlab 界面与定义，数值计算，逻

辑计算，矩阵运算，符号运算，复数

和复变函数运算， Laplace 变换等在

典型机电系统中的应用。上机二

Simulink 仿真基础

Simulink 建模仿真，功能模块处理，

仿真器参数设置， S 函数设置与典

型机电控制系统的应用等。

上机三控制系统数学模型

Simulink 中的控制系统模型表示，

系统数学模型的转换与连接。上机

四时域分析法及应用

时域响应性能指标求取，二阶系统

参数对时域响应性能的影响， LTI

Viewer 应用，稳定性分析

上机五根轨迹法

根轨迹分析相关的MATLAB函数，

根轨迹分析与设计工具 rltool ，利用

MATLAB绘制根轨迹图，正反

馈系统的根轨迹，参数根轨迹，时

滞系统的根轨迹，用根轨迹法分析

系统的瞬态特性，控制系统的根轨

迹法校正。

上机六频域分析与PID 校正

系统的 Bode 图 Nyquist 图画法，

系统的频率响应分析与稳定性分析，

应用 MATLAB/Simulink 设计 PID

控制器。

实验一：基于直流伺服电机的旋

转运动控制与校正实验

实验二：基于比例电磁铁的直线

运动控制与校正实验

1.查阅中英文文献，撰写关于机器人智

能控制理论现状及其未来发展趋势的

课程报告，并做 PPT进行简要汇报。（此

内容每届需更新）

1、掌握用 Matlab 进行一般数值计算的

方法。

2、利用 Matlab 软件对弹簧 - 质量 - 阻尼

等二阶机械系统特性进行分析。

学会使用 Simulink 搭建弹簧 - 质量 - 阻尼、

机械传动等控制系统结构图，并在不同仿

真条件下观察系统的稳定性。

学会在 Simulink环境下建立弹簧- 质

量

-阻尼、机械传动、机床切削过程等控

制系统数学模型。

1. 学会用 Matlab 函数和 LTI Viewer 分

析一阶弹簧 - 阻尼系统、二阶机械平移、

转动系统的时域特性，并对系统的响应

时间、超调量等参数进行分析。

2.针对球杆系统、倒立摆系统、带弹簧

的直线伺服电机系统等建立数学模型，并

转换成传递函数，通过 Simulink 对系统

特性进行分析。

1.学会用 Matlab 及其 rltool 工具对机械

一阶、二阶控制系统进行根轨迹分析与校

正。

2.对球杆系统、倒立摆系统、带弹簧的

直线伺服电机系统等系统分析其根轨迹

特性，确定控制参数。

1.学会用 Matlab 中函数对系统的频率响

应进行分析，学会 PID 控制器设计与参

数整定；

2.并在 simulink 对 PID 等控制算法设计

的参数对系统进行校正仿真

1.通过对直流伺服电机进行建模，通过

Matlab 对模型进行分析，掌握直流伺服

电机控制系统的时域与频域特征；

2.通过编程和仿真综合实验装置，观察

和分析不同参数的频率特性，掌握PID

参数的整定方法；

3.掌握直流伺服电机控制系统的校正方

法，分析不同 PID 参数与电机控制系统

性能的关系。

1.掌握比例电磁铁控制系统的时域与

频域特征；

2.通过编程和仿真综合实验装置，观察

和分析不同参数的频率特性，掌握 PID 参

数的整定方法；

4讲授3

4上机2

4上机2

2上机1、2

2上机1、2

4上机1、2

4上机2

2（ 4）实验1、2、 3

2（ 4）实验1、2、 3