一、课程性质和教学目标
《控制工程基础》侧重原理,其内容密切结合工程实际,是一门专业基础课,而且也是科学方法论之一,控制工程理论强调用系统的、反馈的、控制的方法来分析研究工程实际问题。课程主要介绍经典控制理论方面的基础知识以及“控制论”(Cybernetics)在机械工程中的应用。“机械控制工程基础”是控制论与机械工程技术理论之间的交叉学科,侧重介绍机械工程的控制原理,同时密切结合工程实际,是一门技术基础课程。通过对这门课程的学习,要求学生学会运用控制理论的基本原理和思想方法,初步学会分析和研究机、电、液系统中信号的传递、反馈与控制,以及机、电、液系统的动态特性,并结合后续专业课的学习,为将来在机械工程中解决一些实际问题打下一定的基础。并通过本课程的学习,要求学生达到以下目标:
目标1:掌握机械工程控制论的基础知识和基本分析方法,能够将这些知识应用于机械控制论系统的分析及控制中;
目标2:通过综合性的设计和校准来综合应用所学的基本知识和技能,具有初步设计机械控制系统方案的能力,并具备客观评价机械控制系统方案的优缺点的能力;具备分析和解决工程实践问题的创新意识和创新设计能力。
目标3:具有与本课程相关的传统的演示性、验证性实验,并利用matlab等仿真实验工具进行综合性、设计型实验,尝试进行研究型实验,掌握相关实验结果的理论分析与解释等方面的基本技能,能够根据控制目标设计合理的PID经典控制模型环节及系统。
本课程所能支撑的毕业要求、以及本课程的教学目标与毕业要求的对应关系如下:

序号
毕业要求指标点
毕业要求指标点具体内容
本课程的教学目标与毕业要求的对应关系
1
毕业要求1.3
1.3掌握机械设计、制造、自动化等领域的专业基础知识,能针对复杂机械工程问题进行分析与设计,揭示机械产品或生产系统的工作原理,确定关键因素。
课程目标1,3
2
毕业要求2.1
2.1能够识别影响机械设计、制造及其自动化领域/系统中复杂工程问题的关键环节和参数;
课程目标2

二、教学基本要求
1.对于建立机电系统的数学模型,有关数学工具(如Laplace变换等)的应用,传递函数的定义、性质、零点、极点、放大系数与方框图的求取、简化与演算等,应有清晰的基本概念并能熟练掌握。
2.对于典型系统的时域和频域特性,应有清晰的基本概念并能熟练掌握。
3.掌握判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据(Routh判据、Nyquist判据、Bode判据)。
4.对于线性系统的性能指标有较全面的认识,了解并掌握系统的综合与校正的常用方法。
要求学生了解机械工程控制论的基本概念,系统掌握机械工程中系统时间响应分析的理论和方法,具有利用所学的机械工程控制论的知识分析问题和解决机械工程中的问题的能力。
三、教学内容及要求

教学与实验内容
学时
1.绪论(反映课程目标1)
(1)机械工程控制的基本概念 研究对象和任务 学习本课程的目的和意义
(2)关于“系统”、“信息传递”和“反馈”及“反馈控制”的基本概念
(3)系统及其模型 控制系统的分类 反馈控制系统的基本组成 对控制系统的基本要求 本课程的特点
2
2.系统的数学模型(反映课程目标1)
(1)掌握Laplace变换定义、性质和典型、常用函数的Laplace变换,初值定理和终值定理。
(2)能应用机械动力学、电工学等基础知识建立系统数学模型,典型例子
(3)传递函数的基本概念 其数学物理意义 求取方法 输入输出信号与传递函数的关系
(4)系统方框图 闭环控制系统及其传递函数 方框图的等效简化 工程中典型的机、电系统的传递函数
6
3.时间响应分析(反映课程目标1,2)
(1)时间响应的基本概念 典型输入信号与一阶、二阶系统的时间响应
(2)二阶系统响应的性能指标
(3)高阶系统的时间响应δ函数在时间响应中的作用
(4)系统的误差分析:系统的类型及各型系统的位置、速度、加速度误差
4
4.系统的频率特性分析(反映课程目标1,2)
(1)频率响应与频率特性的基本概念 频率特性与系统传递函数的关系 系统的动刚度与动柔度的概念 频率特性的表示方法
(2)频率特性的极坐标图(Nyquist图)的一般概念 典型环节的Nyquist图 绘制系统Nyquist图的一般步骤和方法
(3)频率特性的对数坐标图(Bode图)的一般概念 典型环节的Bode图绘制系统Bode图的一般步骤和方法
(4)根据频率特性的对数坐标图辨识系统数学模型的一般方法
6
5.系统的稳定性(反映课程目标2)
(1)系统稳定性的基本概念 判别线性系统稳定性的基本出发点
(2)Routh稳定性判据、Nyquist稳定性判据的基本原理和方法 Bode判据
(3)系统的相对稳定性 幅值裕度与相位裕度 最小相位系统与非最小相位系统
6
6.系统的性能分析与校正(反映课程目标2)
(1)系统的性能指标 校正的一般概念 常用的校正方法与分类
(2)相位超前校正、相位滞后校正 及相位滞后—超前校正的基本特性及其频域设计方法
(3)PID调节器的基本特性与设计方法
(4)顺馈校正与反馈校正的基本特性
2
7.实验(反映课程目标3)
(1)实验一 Matlab仿真实验。 利用学校机房选用当今国际风行的MATLAB控制系统分析软件,进行控制系统的时域分析和频域分析。
(2)实验二 直流电动机调速系统。
(3)实验三水箱液位伺服系统。
6

四、实验教学内容及要求
实验教学,教师集中讲授实验原理、实验方法和步骤,分组进行指导和“以学生自主训练为主的开放模式组织教学”的形式。
1.Matlab仿真实验
(1)掌握控制系统的时域分析;
(2)熟悉分析和验证控制系统的基本技能,掌握频域分析;
(3)加深对控制系统数学模型分析的了解。
2.直流电动机调速系统
(1)了解机械运动参数电测量的基本原理和方法;
(2)掌握简单机械机构运动参数(转动的角位移、角速度、角加速度)的测试和分析。
3.水箱液位伺服系统
(1)掌握位置伺服的基本工作原理和操作方法;
(2)验证闭环控制系统的理论知识;
(3)巩固和验证位置跟随反馈的基本概念。
五、课程建设与改革
1.教学思想
本课程要用到物理、高等数学、力学、电工电子等先修课程的知识,尤其是理论力学的知识。