《测量与控制技术》课程教学大纲

《测量与控制技术》课程教学大纲
课程名称：测量与控制技术
课程代码：
学分/学时：4学分/68学时
开课学期：春季学期
适用专业：机械工程及自动化、热能与动力工程、核工程、航空航天工程
先修课程：《大学物理》、《高等数学》、《电工与电子技术G类》、《模型、分析与系统控制》、《理论力学》、《工程热力学》、《工程流体力学》、《机械振动》
后续课程：《机械与动力综合实验》
开课单位：机械与动力工程学院
一、课程性质和教学目标（需明确各教学环节对人才培养目标的贡献，专业人才培养目标中的知识、能力和素质见附表）
课程性质：《测量与控制技术》是机械工程、热能动力工程、核科学与工程、航空航天工程等专业的一门重要技术基础课，是机械、能源动力类专业必修主干课。

教学目标：
《测量与控制技术》是一门与工程实际密切结合的课程，它的主要任务是通过各教学环节，应用各种教学手段，使学生掌握如何测量、处理和分析信号，掌握工程中常用的控制技术和方法，并将两者结合，实现完整的测控系统。

本课程不仅为学生提供必要的基础理论知识，重点培养学生利用专业技能分析解决问题的能力，为学生从事与测试、控制相关专业技术工作、科学研究工作等打下坚实的基础。

具体来说：（1）测量与控制技术的概述，了解传感、信号获取、处理和反馈控制、计算机集成应用等各关键技术环节。

（A5.1）
（2）掌握机械自动化系统中常用的测量传感器和测量装置的特性（A5.1）
（3）掌握常用的信号测量和处理方法，能根据工程实际的要求，对静动态实验数据的描述，设计基本的测量系统（A5.2）
（4）掌握常用的控制方法（数字和模拟控制），初步具有从实际问题抽象为理论，并运用理论分析解决实际问题能力。

（A5.1, B2,B3）
（5）了解常用的控制电路的与控制器件，掌握从测量、传感与控制系统的设计和实现方法（A5.2）（6）测量与控制系统工程设计实例讲解（A5.3, A5.4）
（7）强化实践教学，通过信号测量、单片机和可编程控制器的实践环节，培养学生对系统分析能
力和动手能力。

（A5.1, A5.2，A5.3, A5.4, B4, C4）
二、课程教学内容及学时分配（含实践、自学、作业、讨论等的内容及要求）
1. 绪论（2课时）
2. 测量技术；（12课时）
2.1测量的基本知识（4课时）
量和测量，随机误差，误差综合，测量结果的表达；
2.2静动态实验数据的描述（4课时）
实验数据的分类，周期信号与离散谱，瞬变信号与连续谱，随机信号；
2.3 测量装置的基本特性（4课时）
静态特性，动态特性，测试装置对任意输入的响应，不失真测量的条件，动态特性的测量；
3. 传感器与信号处理技术（12课时）
3.1 传感器基本形式及原理（5课时）
电阻式，电感式，电容式，压电式，磁电式，光电式，热电式，霍尔元件，传感器的选用原则；3.2模拟信号的调理、记录与传输（3课时）
电桥的基本特性，信号的放大，信号的调制与解调，滤波；
3.3 数字信号处理初步（4课时）
数字信号处理的基本步骤，离散傅立叶变换，信号数字化出现的问题，几种常用的处理方法；
4 常用参量的测试（8课时）
4.1 应变、应力的测量，力的测量；
4.2 振动的测量；
4.3 温度的测量；
4.4 流速流量的测量；
5. 控制技术（28课时）
5.1常用机电控制系统的软硬件基础
5.1.1 继电器接触器控制系统（4学时）
常用低压电器的特性、图形文字符号及用途，电器原理图的画法规则，基本（典型）控制电路；
5.1.2 单片机原理及应用（14学时）
概述（发展过程及常见种类、特点及应用领域、发展趋势），单片机结构组成及特点（以较为新型的51系列－AT89S52为例），复位及时钟时序，指令系统，中断与定时，通讯及系统扩展应用（IO扩展，存储扩展，通讯，AD与DA，键盘与显示）；
5.1.3 可编程控制器（4学时）
PLC概述，组成，基本工作原理，编程语言及程序设计，顺序步进指令及编程，PLC控制系统设计步骤及应用举例；
5.1.4 数字信号处理器及嵌入式控制器（4学时）
数字信号处理器特点（与单片机对比）与种类，以TMS320F2812为例介绍运动控制类DSP的组成及运动控制方面的资源优势及应用（AD，PWM，编码器接口，事件捕捉，总线及通讯）；
嵌入式控制器特点（与单片机及DSP对比）与种类，以意法为例介绍运动控制类ARM的组成以及运动控制方面的资源优势及应用（AD、PWM、编码器接口、事件捕捉、总线及通讯、以太网、USB 、CD卡以及操作系统编程）
5.2 机电控制系统的分析与设计（2学时）
机械驱动系统、电子电路、控制以及软件设计之间的参数耦合及动力学耦合；系统总体设计原理和方法；
6. 现代测控系统与应用（6课时）
5.1 典型测控系统构成
以典型系统为例，讲解系统的输入、输出、传递函数，及反馈、控制等的构成。

5.2 典型测控系统应用实例
2个案例：倒立摆和温度控制
三、教学方法
课程教学以课堂讲学为主，综合讨论、实验、作业、网络、录像等共同实施。

课堂讲解：本课程将充分利用多媒体手段，通过PPT等手段，进行课堂讲解，由老师在课堂讲解课程的要义，并进行分析，点评。

课堂情景感受：根据课程进程的需要，通过播放录相片段等，让学生感受控制工程实例的背景和设计过程。

课外阅读：配合课堂的教学和讨论，指定课外阅读文献，发放电子阅读文献资料，通过网络、电子邮箱、FTP网站，向学生提供电子阅读文献与电子资料；通过本课程的教学网站中的交流功能，为学生提供一个互相学习与讨论的空间。

课程大作业：本课程采取教师主讲，学生课堂做辅助报告的方式，选取某些团队大作业（关于技术前沿和发展动向方面的），要求学生整理成文档和PPT格式，进行演讲报告。

动手实践：本课程重视实验环节的设置，培养学生的动手能力。

实验安排在《机械与动力综合实验2》，12个学时。

实验室研讨：由老师引导，由全体学生参与，通过在实验室参观和研讨、对课堂内容、学生演讲内容进行研讨，同学们通过在实验室中研究成果的感性认识，各抒己见、提出自己独立的见解和报告，然后由老师进行点评。

课外兴趣小组：让学生参加相关科研课题，要求学生能综合运用本课程的基础知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的任务，使得学生对如何设计和开发一个控制系统有一定的感性认识，培养和提高学生解决工程问题的能力，为今后的实际工作和进一步学习深造打下基础。

四、考核及成绩评定方式
本课程的考试，注重对学生综合运用所学知识解决问题能力的考核，考试成绩包括三个方面：（1）考试，占考试成绩的60％。

（2）课程大作业成绩，占20％。

（3）作业成绩（课堂报告＋出勤），占20％。

五、教材及参考书目
教材：
杨汝清等，机电控制技术，科学出版社， 2009
黄长艺、卢文祥、熊诗波，机械工程测量与试验技术，机械工业出版社，2001
动力机械测试技术，罗次申，上海交通大学出版社，2001
参考书目：
机械工程测量技术（讲义），上海交通大学，2009
杨汝清等，智能控制工程，上海交通大学出版社，2001
张迎新等，单品微型计算机原理、应用及接口技术，国防工业初版社，1998
邓星钟. 机电传动控制（第四版），华中科技大学出版社，2001
刘允嘉杨本法主编，《动力机械测试基础》，上海交通大学出版社，1985
戴昌晖等编，《流体动力测试》，航空工业出版社，1991
吕崇德等编，《热工参数测量与处理》，清华大学出版社，1990
金篆芷王明时主编，《现代传感技术》，电子工业出版社，1995
附表：机械工程及自动化、热能与动力工程专业本科专业人才培养目标体系。