《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，Fundamentals of Control Engineering

课程性质：专业基础课

学分：2.5

总学时：48 其中，理论学时：40 实验学时：8

适用专业：机械设计制造及其自动化专业。

先修课程：工程数学，工程力学，电工电子等。

一、教学目的与要求

本课程是机械设计制造及其自动化专业的一门专业基础课。在机械类各专业的教学计划中，是一门理论性较强的技术基础课。它是进行控制系统动态特性分析的基础，目前自动控制技术已广泛应用于工农业生产、交通运输、国防和宇航等各个领域。本课程的主要任务是通过各个教学环节，运用各种教学手段和方法，使学生掌握系统动态特性数学模型的建立和研究方法，并学会应用这些研究方法对已知系统的稳定性、快速性和准确性问题进行分析，以及进行控制系统的设计，并为学习后续课程、从事工程技术工作、进行科学研究、开拓新的领域，打下坚实的基础。

本课程主要以线性控制系统为研究对象，进行系统的分析与设计。学完本课程应达到以下基本要求：

1．理解自动控制的基本含义，自动控制的基本要求，自动控制系统与过程中的信息传递、反馈及反馈控制。

2．理解数学模型、线性系统和非线性系统、相似性原理的概念；掌握线性元件和系统的数学模型的建立方法、线性系统的叠加原理和非线性运动方程线性化的方法。

3．掌握一阶、二阶及高阶系统的时间响应分析和性能指标计算；理解控制系统的误差与稳态误差的概念，系统稳态误差的计算；掌握控制系统稳定性的概念、稳定的充要条件及时域稳定判据。

4．掌握判断控制系统稳定性的奈魁斯特稳定判据、对数稳定判据和相对稳定裕量的概念及计算。

5．理解控制系统校正的概念和校正方法。

6．掌握控制系统的串联校正方法和校正装置的设计；掌握控制系统的并联校正的作用及校正方法。

二、教学内容与学时分配

三、各章节主要知识点与教学要求

1．控制系统的基本概念

（1）控制系统的工作原理及其组成；

（2）控制系统的基本类型；

（3）对控制系统的基本要求；

（4）控制工程的发展概况。

本章重点：自动控制系统与过程中的信息传递、反馈及反馈控制。

本章难点：信息传递、反馈及反馈控制。

本章教学要求：理解自动控制的基本含义，自动控制的基本要求，自动控制系统与过程中的信息传递、反馈及反馈控制；了解自动控制系统的分类、组成及应用实例；了解控制系统的基本要求。

2．数学模型

（1）控制系统的运动微分方程；

（2）拉氏变换和拉氏反变换；

（3）传递函数；

（4）系统方框图和信号流图；

（5）非线性数学模型的线性化；

（6）控制系统传递函数推导举例。

本章重点：系统开环传递函数和闭环传递函数的概念，掌握反馈控制系统传递函数的求取。

本章难点：线性元件和系统的数学模型的建立方法，线性系统的叠加原理和非线性运动方程线性化的方法。

本章教学要求：理解数学模型、线性系统和非线性系统、相似性原理的概念；掌握线性元件和系统的数学模型的建立方法、线性系统的叠加原理和非线性运动方程线性化的方法；理解系统开环传递函数和闭环传递函数的概念，掌握反馈控制系统传递函数的求取。

3．时域分析法

（1）典型输入信号；

（2）一阶系统的时间响应；

（3）二阶系统的时间响应；

（4）高阶系统的时间响应；

（5）误差分析和计算；

（6）稳定性分析；

（7）时域特性的计算机辅助分析。

本章实验：典型模拟系统瞬态响应实验（２学时）

本章重点：时间响应分析和性能指标计算；系统稳态误差的计算；时域稳定判据。

本章难点：离散系统的稳定性分析，动态性能分析。

本章教学要求：理解时间响应的概念，了解典型输入信号；理解控制系统的误差与稳态误差的概念，掌握系统稳态误差的计算；掌握系统的时间响应分析和性能指标计算；了解高阶系统的时间响应、闭环主导极点的概念及性能指标；掌握控制系统稳定性的概念、稳定的充要条件及时域稳定判据，了解控制系统时域特性计算机辅助分析的方法。

4．频域响应法

（1）频率特性的基本概念；

（2）典型环节的频率特性图；

（3）系统开环频率特性图；

（4）频域稳定性判据；

（5）闭环系统的频率特性；

（6）频域指标与时域性能指标间的关系；

（7）用系统的开环频率特性分析闭环系统性能；

（8）频域特性的计算机辅助分析。

本章实验：典型模拟系统频率响应实验（２学时）

本章重点：掌握判断控制系统稳定性的奈魁斯特稳定判据、对数稳定判据和相对稳定裕量的概念及计算。

本章难点：控制系统的闭环频率特性及性能指标；控制系统的时域指标与频域指标的关系；

控制系统传递函数的实验法确定。

本章教学要求：理解控制系统频率特性的一般概念，掌握频率特性的求取和表示方法；掌握典型环节的频率特性和控制系统的开环频率特性；掌握判断控制系统稳定性的奈魁斯特稳定判据、对数稳定判据和相对稳定裕量的概念及计算；了解控制系统的闭环频率特性及性能指标；

了解控制系统的时域指标与频域指标的关系；了解控制系统传递函数的实验法确定；了解系统频率特性计算机辅助分析的方法。

5．控制系统的设计和校正

（1）基本概念；

（2）串联校正；

（3）反馈校正。

本章实验：模拟系统串联校正实验（２学时）

本章重点：控制系统校正的概念和校正方法，控制系统的串联校正。

本章难点：控制系统的串联校正，并联校正方法及设计；控制系统反馈校正方法及作用。

本章教学要求：理解控制系统校正的概念和校正方法；掌握控制系统的串联校正方法和校正装置的设计；掌握控制系统的并联校正的作用及校正方法；理解控制系统反馈校正方法及作用。

四、成绩考核方式

本课程为考试课程，期末考试采用闭卷笔试。学生的课程总评成绩由平时成绩（占40%）和期末考试成绩（占60%）两部分构成，平时成绩中出勤占15%、作业占15%、课堂测验、学习主动性及上机实验成绩等占10%。

五、教材与参考资料

教材：《控制工程基础》，张尚才编，浙江大学出版社，1991年8月第1版。

参考书：

《控制工程导论》，周雪琴张洪才编，西北工业大学出版社，2000年3月第2版

《控制工程基础》，王积伟主编，高教出版社，1999年2月第1版

执笔人

审定人