Control Fundamental of Mechanical Engineering

一、课程的性质和目的

课程性质：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重要技术基础课程。

课程任务：通过本门课程的学习，使学生理解自动控制的基本理论及其工程分析和设计方法，掌握线性反馈控制系统的基本原理和基本概念，初步学会利用经典控制理论的方法，即利用时域法、频率特性法、根轨迹法等来分析、设计自动控制系统。能够对现有自动控制系统进行校正。

课程目的：

（1）掌握自动控制系统的工作原理，学会绘制系统控制方框图；掌握建立系统的数学模型（微分方程），再由微分方程变换为系统的传递函数方法。能够绘制传递函数结构方框图，和由结构图等效变换求系统传递函数。掌握由梅森公式求传递函数的方法；掌握二阶系统的单位脉冲响应特性；系统误差分析与计算；高阶系统的时间响应分析；掌握各典型环节频率特性的奈奎斯特图含义和绘制方法；以及各典型环节频率特性的伯德图的含义和绘制方法；及其任意系统频率特性曲线的绘制（奈奎斯特图、伯德图）；掌握劳斯稳定判据，奈奎斯特稳定性判据，以及伯德稳定判据，和系统的相对稳定性；掌握串联超前校正方法，串联滞后校正方法，以及串联滞后－超前校正的过程。PID校正。

（2）具有对工程实际问题进行自动控制过程分析及绘制自动控制工作原理方框图的初步能力；具有列写简单物理系统动态微分方程的基本能力；能够查表实现拉普拉斯正变换和逆变换，列写系统传递函数表达式。并能进行传递函数方框图的简化；掌握劳斯阵列表的构建和计算方法；掌握在奈奎斯特图和对数坐标图上进行系统的稳定性判断，稳定性裕量的计算，和稳定性校正的能力。

二、课程的教学内容和学时分配

第一章   绪论（4学时）

教学内容：

建立广义系统的基本概念：理解反馈、开环控制、闭环控制、控制器、被控对象； 要求学生能根据控制系统工作原理图绘制方块图。

教学要求：

了解系统及模型的定义，学会建立简单系统的微分方程；理解反馈的形成和作用，掌握系统分类和划分组成系统的各种环节；掌握自动控制系统的工作原理，学会绘制系统控制方框图。

重点：建立系统的动态模型；绘制方块图，划分系统的各种环节。

难点：

根据控制系统工作原理图绘制方块图，划分组成系统的各种环节。

第五节  机械制造的发展与控制理论的应用  （自修0.25课时）

第六节  控制理论发展的简单回顾          （自修0.25课时）

第七节  数控直线运动工作台位置控制系统  （自修0.25课时）

第八节  本课程的特点与学习方法          （自修0.25课时）

第二章   控制系统的数学模型(8学时)

教学内容：

系统的微分方程；系统的传递函数；系统的传递函数方框图及其简化；反馈控制系统的传递函数、相似原理

教学要求：

能够用理论推导的方法建立电路系统及力学系统的数学模型－微分方程；理解典型元部件的传递函数的求取方法，以及各环节的特性；掌握传递函数结构方框图的绘制，和由结构图等效变换求系统传递函数。掌握由梅森公式求传递函数的方法。

重点：常用元部件传递函数的求取；系统传递函数的求取；系统传递函数方框图的等效变换，梅森公式的应用。

难点：建立系统的微分方程；非线性微分方程的线性化；典型环节的传递函数；系统传递函数方框图的等效变换。

第二节  系统的传递函数  （自修1课时）

第三章   线性系统的时间响应分析(8学时)

教学内容：

时间响应及其组成，典型输入信号，一阶系统、二阶系统和高阶系统的时间响应分析，系统误差分析与计算，δ函数在时间响应中的作用，控制系统的时域性能指标，系统的型别、开环增益及其对稳态误差的影响；扰动对系统稳态误差的影响及复合校正。

教学要求：

了解时间响应及其组成，以及一阶系统的单位脉冲响应特性；理解二阶系统的单位脉冲响应特性；系统误差分析与计算；高阶系统的时间响应分析；掌握二阶系统响应的性能指标；以及与输入有关的稳态偏差。

重点：时间响应及其组成；一阶系统响应；二阶系统动态性能指标计算及误差和偏差分析与计算。

难点：时间响应的组成；二阶系统动态性能指标计算及误差和偏差分析与计算。

第四章   线性系统的频率特性分析(8学时)

教学内容：

频率特性的基本概念、物理意义及图示方法；典型环节的频率特性；最小相角系统；频率特性曲线的绘制（奈奎斯特图、伯德图）；由对数频率特性求传递函数；频域稳定判据；系统的闭环频域指标；频域指标与时域指标的关系。

教学要求：

了解频率响应和频率特性的定义；频率特性和传递函数以及微分方程的关系；最小相位系统和非最小相位系统；理解频率特性的求法和作用，及其特征量的定义。掌握各典型环节频率特性的奈奎斯特图含义和绘制方法；以及各典型环节频率特性的伯德图的含义和绘制方法；及其任意系统频率特性曲线的绘制（奈奎斯特图、伯德图）。

重点：典型环节的频率特性；频率特性曲线的绘制（奈奎斯特图、伯德图）。

难点：对数曲线的概略绘制及相应系统传递函数的确定。

第二节  频率特性的图示方法  （自修1课时）

第五章   线性系统的稳定性(6学时)

教学内容：

系统稳定性的初步概念，劳斯稳定判据，奈奎斯特稳定判据，伯德稳定判据，系统的相对稳定性。

教学要求：

理解稳定的定义和条件以及劳斯稳定判据和关于稳定性的一些提法；会使用劳斯表，劳斯判据和劳斯判据的特殊情况；掌握奈奎斯特稳定判据，幅角原理; 伯德稳定判据及其应用

重点：劳斯稳定判据；奈奎斯特稳定判据；伯德稳定判据。

难点：劳斯判据的特殊情况。

第六章   系统的性能指标与校正(4学时)

教学内容：

系统的性能指标，串联超前校正，串联滞后校正，串联滞后－超前校正。反馈校正，顺馈校正。

教学要求：

了解系统的时域性能指标和频域性能指标；理解系统校正的概念，以及校正的方式，理解PID校正、反馈校正、顺馈校正的方法；掌握串联超前校正，串联滞后校正，串联滞后－超前校正的过程。

重点：串联相位超前校正网络的设计；串联相位滞后校正网络的设计；

难点：实际系统反馈校正方法及应用。

第四节  PID校正  （自修1课时）

第七章   现代控制理论(2学时)

教学内容：

现代控制理论，是以状态空间方法为主要内容的控制理论。从控制理论发展历史来看，以奈奎斯特稳定判据、波德图以及根轨迹为主要内容的控制理论，则称为经典控制理论。现代控制理论以线性代数、矩阵理论为数学基础，在时域分析设计，可用于研究比较复杂的系统。

内容包括：控制系统的状态空间表示法、状态方程的解、控制系统的能控性和能观测性、控制系统的李雅普诺夫稳定性分析与应用、线性定常系统的状态反馈和状态观测器设计、最优控制系统及其解法。研究生通过学习本课程，能够正确建立各类典型系统的数学模型，特别是状态空间模型，掌握分析各类系统模型的方法，并且能够通过状态反馈、极点配置、系统解耦和构造状态观测器等方法，进行复杂系统的综合与优化设计，培养学生从事系统分析和研究的能力。

教学要求：

了解现代控制理论的基本内容和自动控制的发展方向

重点：现代控制理论的基本内容及分析方法

难点：最优控制系统及其解法，李雅普诺夫稳定性分析与应用

三、课程教学环节的基本要求

课堂教学：

本课程的理论性强，数学基础及计算能力要求高，要求教师具有较强的数学、力学及电学知识能力，且综合能力要强。并能在教学中注意各种基本概念在实际中的应用，及该课程与其它课程融会贯通的教学方法。

教学中应与生产实习紧密结合，并运用现场教学、和MATLAB仿真等方法丰富的扩展涉及学习内容。在理论与实际的结合中培养学生分析和解决实际工艺问题的能力。

作业方面：

本课程教科书上的例题和习题较少，建议学生查找相关习题集和题解，增强学习效果。

考试环节：

课程成绩采用百分制，由三部分组成：平时成绩（教学活动过程）占30%；期末考试成绩占70%。期末考试采取笔试、开卷形式。

教学活动过程考核包括：考勤40%，课堂表现30%，作业30%。

四、本课程和其它课程的联系与分工

本课程的先修课为：《高等数学》、《复变函数》、《电工电子》、《机械原理》、《机械设计》等课程，该课程是《机床电气控制》、《机器人》等课程的先修课程。

五、建议教材和教学参考书

建议使用教材：

杨叔子. 《机械工程控制基础》（第七版）. 华中科技大学出版社，2017.6

教学参考书：

[1]梅晓榕. 《自动控制原理》. 科学出版社, 2016

[2]胡寿松.《自动控制控制原理》 (第六版). 科学出版社, 2017

[3]薛定宇. 《反馈控制系统设计与分析》。清华大学出版社.2016

[4]王敏，向农. 《自动控制原理试题精选题解》。华中科技大学出版社.2016