《機械工程控制基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱英文名稱：CyberneticsFoundationforEngineering課程編碼：學(xué)時：課程總學(xué)時48學(xué)時學(xué)分：3課程性質(zhì)：選修課課程類別：工程專業(yè)教育課程先修課程：高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)與積分變換、動力學(xué)、模擬電子技術(shù)后續(xù)課程：開課學(xué)期：第5學(xué)期適用專業(yè)：機械工程卓越計劃試點建設(shè)專業(yè)教材：機械工程控制基礎(chǔ)（第五版），楊叔子主編，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005參考書：機械控制工程，陽含和編著，北京：機械工業(yè)出版社，1986一、課程的性質(zhì)與任務(wù)本課程側(cè)重原理，其內(nèi)容密切結(jié)合工程實際，是一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它以控制論為理論基礎(chǔ)，研究機械工程中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題；同時，它又是一種方法論。學(xué)習(xí)本課程的目的在于使學(xué)生能以動態(tài)（即動力學(xué)）的觀點而不是靜態(tài)觀點去看待一個機械工程系統(tǒng)；從整體的而不是分離的角度，從整個系統(tǒng)中的信息之傳遞、轉(zhuǎn)換和反饋等角度來分析系統(tǒng)的動態(tài)行為；能結(jié)合工程實際，應(yīng)用經(jīng)典控制論中的基本概念和基本方法來分析、研究和解決其中的問題。這包括兩個方面：①對機電系統(tǒng)中存在的問題能夠以控制論的觀點和思維方法進行科學(xué)分析，以找出問題的本質(zhì)和有效的解決方法；②如何控制一個機電系統(tǒng)，使之按預(yù)定的規(guī)律運動，以達到預(yù)定的技術(shù)經(jīng)濟指標，為實現(xiàn)最佳控制打下基礎(chǔ)。二、課程學(xué)習(xí)目標與要求1.對于建立機電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，有關(guān)數(shù)學(xué)工具（如Laplace變換等）的應(yīng)用，傳遞函數(shù)與方框圖的求取、簡化與演算等，應(yīng)有清晰的基本概念并能熟練掌握。2.對于典型系統(tǒng)的時域和頻域特性，應(yīng)有清晰的基本概念并能熟練掌握。3.掌握判別線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念和常用判據(jù)。4.對于線性系統(tǒng)的性能指標有較全面的認識，了解并掌握系統(tǒng)的綜合與校正的常用方法。5.對系統(tǒng)辯識問題應(yīng)建立基本概念。三、課程的基本內(nèi)容與教學(xué)要求第一章緒論[教學(xué)內(nèi)容]：機械工程控制的基本概念研究對象和任務(wù)學(xué)習(xí)本課程的目的和意義；關(guān)于“系統(tǒng)”、“信息傳遞”和“反饋”及“反饋控制”的基本概念；系統(tǒng)及其模型控制系統(tǒng)的分類反饋控制系統(tǒng)的基本組成對控制系統(tǒng)的基本要求。[本章基本要求]：了解機械工程控制論的基本含義和研究對象,學(xué)習(xí)本課程的目的和任務(wù)；掌握廣義系統(tǒng)動力學(xué)方程的含義。了解系統(tǒng)、廣義系統(tǒng)的概念，了解系統(tǒng)的基本特性；了解系統(tǒng)動態(tài)模型和靜態(tài)模型之間的關(guān)系。掌握反饋的含義，學(xué)會分析動態(tài)系統(tǒng)內(nèi)信息流動的過程，掌握系統(tǒng)或過程中存在的反饋。了解廣義系統(tǒng)的幾種分類方法；掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理、組成；學(xué)會繪制控制系統(tǒng)的方框圖。了解控制系統(tǒng)中基本名詞和基本變量。了解正反饋、負反饋、內(nèi)反饋、外反饋的概念。了解對控制系統(tǒng)的基本要求。[本章重點]：（1）學(xué)會用系統(tǒng)論、信息論的觀點分析廣義系統(tǒng)的動態(tài)特性、信息流，理解信息反饋的含義及其作用。（2）掌握控制系統(tǒng)的基本概念、基本變量、基本組成和工作原理；繪制控制系統(tǒng)方框圖。[本章難點]：廣義系統(tǒng)的信息反饋及控制系統(tǒng)方框圖的繪制。第二章系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[教學(xué)內(nèi)容]：系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本概念應(yīng)用機械動力學(xué)、電工學(xué)等基礎(chǔ)知識建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本方法典型例子；傳遞函數(shù)的基本概念其數(shù)學(xué)物理意義求取方法輸入輸出信號與傳遞函數(shù)的關(guān)系；系統(tǒng)方框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)及其傳遞函數(shù)方框圖的等效簡化工程中典型的機、電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。[本章基本要求]：（1）了解數(shù)學(xué)模型的基本概念。能夠運用動力學(xué)、電學(xué)及專業(yè)知識，列寫機械系統(tǒng)、電子網(wǎng)絡(luò)的微分方程。（2）掌握傳遞函數(shù)的概念、特點，會求傳遞函數(shù)的零點、極點及放大系數(shù)。（3）能夠用分析法求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。（4）掌握各個典型環(huán)節(jié)的特點，傳遞函數(shù)的基本形式及相關(guān)參數(shù)的物理意義。（5）了解傳遞函數(shù)方框圖的組成及意義；能夠根據(jù)系統(tǒng)微分方程，繪制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖，并實現(xiàn)簡化，從而求出系統(tǒng)傳遞函數(shù)。（6）掌握閉環(huán)系統(tǒng)中前向通道傳遞函數(shù)、開環(huán)傳遞函數(shù)、閉環(huán)傳遞函數(shù)的定義及求法。掌握干擾作用下，系統(tǒng)的輸出及傳遞函數(shù)的求法和特點。（7）了解相似原理的概念。（8）了解系統(tǒng)的狀態(tài)空間表示法，了解MATLAB中，數(shù)學(xué)模型的幾種表示法。[本章重點]：（1）系統(tǒng)微分方程的列寫。（2）傳遞函數(shù)的概念、特點及求法；典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。（3）傳遞函數(shù)方框圖的繪制及簡化。[本章難點]：（1）系統(tǒng)微分方程的列寫。（2）傳遞函數(shù)方框圖的繪制及簡化。第三章時間響應(yīng)與誤差分析[教學(xué)內(nèi)容]：時間響應(yīng)的基本概念典型輸入信號與一階、二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)二階系統(tǒng)響應(yīng)的性能指標高階系統(tǒng)的時間響應(yīng)δ函數(shù)在時間響應(yīng)中的作用；系統(tǒng)的誤差分析：系統(tǒng)的類型及各型系統(tǒng)的位置、速度、加速度誤差。[本章基本要求]：（1）了解系統(tǒng)時間響應(yīng)的組成；初步掌握系統(tǒng)特征根的實部和虛部對系統(tǒng)自由響應(yīng)項的影響情況，掌握系統(tǒng)穩(wěn)定性與特征根實部之間的關(guān)系。（2）了解控制系統(tǒng)時間響應(yīng)分析中的常用的典型輸入信號及其特點。（3）掌握一階系統(tǒng)的定義和基本參數(shù)，能夠求解一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)、單位階躍響應(yīng)及單位斜坡響應(yīng)；掌握一階系統(tǒng)時間響應(yīng)曲線的基本形狀及意義。掌握線性系統(tǒng)中，存在微分關(guān)系的輸入，其輸出也存在微分關(guān)系的基本結(jié)論。（4）掌握二階系統(tǒng)的定義和基本參數(shù)；掌握二階系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)曲線、單位階躍響應(yīng)曲線的基本形狀及其振蕩情況與系統(tǒng)阻尼比之間的對應(yīng)關(guān)系；掌握二階系統(tǒng)性能指標的定義及其與系統(tǒng)特征參數(shù)之間的關(guān)系。（5）了解主導(dǎo)極點的定義及作用；（6）掌握系統(tǒng)誤差的定義，掌握系統(tǒng)誤差與系統(tǒng)偏差的關(guān)系，掌握誤差及穩(wěn)態(tài)誤差的求法；能夠分析系統(tǒng)的輸入、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及干擾對系統(tǒng)偏差的影響。（7）了解單位脈沖響應(yīng)函數(shù)與系統(tǒng)傳遞函數(shù)之間的關(guān)系。[本章重點]：（1）系統(tǒng)穩(wěn)定性與特征根實部的關(guān)系。（2）一階系統(tǒng)的定義和基本參數(shù)，一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)、單位階躍響應(yīng)及單位斜坡響應(yīng)曲線的基本形狀及意義。（3）二階系統(tǒng)的定義和基本參數(shù)；二階系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)曲線、單位階躍響應(yīng)曲線的基本形狀及其振蕩情況與系統(tǒng)阻尼比之間的對應(yīng)關(guān)系；二階系統(tǒng)性能指標的定義及其與系統(tǒng)特征參數(shù)之間的關(guān)系。（4）系統(tǒng)誤差的定義，系統(tǒng)誤差與系統(tǒng)偏差的關(guān)系，誤差及穩(wěn)態(tài)誤差的求法；系統(tǒng)的輸入、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及干擾對系統(tǒng)偏差的影響。[本章難點]：（1）二階系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)曲線、單位階躍響應(yīng)曲線的基本形狀及其振蕩情況與系統(tǒng)阻尼比之間的對應(yīng)關(guān)系；二階系統(tǒng)性能指標的定義及其與系統(tǒng)特征參數(shù)之間的關(guān)系。（2）系統(tǒng)的輸入、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及干擾對系統(tǒng)偏差的影響。第四章系統(tǒng)的頻率特性分析[教學(xué)內(nèi)容]：頻率響應(yīng)與頻率特性的基本概念頻率特性與系統(tǒng)傳遞函數(shù)的關(guān)系系統(tǒng)的動剛度與動柔度的概念頻率特性的表示方法；頻率特性的極坐標圖（Nyquist圖）的一般概念典型環(huán)節(jié)的Nyquist圖繪制系統(tǒng)Nyquist圖的一般步驟和方法；頻率特性的對數(shù)坐標圖（Bode圖）的一般概念典型環(huán)節(jié)的Bode圖繪制系統(tǒng)Bode圖的一般步驟和方法；根據(jù)頻率特性的對數(shù)坐標圖辨識系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的一般方法。[本章基本要求]：1．掌握頻率特性的定義和代數(shù)表示法以及與傳遞函數(shù)、單位脈沖響應(yīng)函數(shù)和微分方程之間的相互關(guān)系；掌握頻率特性和頻率響應(yīng)的求法；掌握動剛度與動柔度的概念。2．掌握頻率特性的圖和圖的組成原理，熟悉典型環(huán)節(jié)的圖和圖的特點及其繪制，掌握一般系統(tǒng)的的圖和圖的特點和繪制。3．了解閉環(huán)頻率特性與開環(huán)頻率特性之間的關(guān)系。4．掌握頻域中性能指標的定義和求法；了解頻域性能指標與系統(tǒng)性能的關(guān)系。5．了解最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng)的概念。[本章重點]：1．頻率特性基本概念、代數(shù)表示法及其特點。2．頻率特性的圖示法的原理、典型環(huán)節(jié)的圖示法及其特點和一般系統(tǒng)頻率特性的兩種圖形的繪制。3．頻域中的性能指標。[本章難點]：1．一般系統(tǒng)頻率特性圖的畫法以及對圖形的分析。2．頻域性能指標和時域性能指標之間的基本關(guān)系。第五章系統(tǒng)的穩(wěn)定性[教學(xué)目的與要求]：系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念判別線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本出發(fā)點；Routh穩(wěn)定性判據(jù)、Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)的基本原理和方法Bode判據(jù)；系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性幅值裕度與相位裕度最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng)。[本章基本要求]：1．了解系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義、系統(tǒng)穩(wěn)定的條件；2．掌握判據(jù)的必要條件和充要條件，學(xué)會應(yīng)用判據(jù)判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定，對于不穩(wěn)定系統(tǒng)，能夠指出系統(tǒng)包含不穩(wěn)定的特征根的個數(shù)；3．掌握Nyquist判劇；4．理解Nyquist圖和Bode圖之間的關(guān)系；5．掌握Bode判劇；6．理解系統(tǒng)相對穩(wěn)定性的概念，會求相位裕度和幅值裕度，并能夠在Nyquist圖和Bode圖上加以表示。[本章重點]：1．Routh判劇、Nyquist判劇和Bode判劇的應(yīng)用；2．系統(tǒng)相對穩(wěn)定性；相位裕度和幅值裕度求法及其在Nyquist圖和Bode圖的表示法。[本章難點]：Nyquist判劇及其應(yīng)用。第六章系統(tǒng)的性能分析與校正[教學(xué)目的與要求]：系統(tǒng)的性能指標校正的一般概念常用的校正方法與分類；相位超前校正、相位滯后校正及相位滯后—超前校正的基本特性及其頻域設(shè)計方法；PID調(diào)節(jié)器的基本特性與設(shè)計方法；順饋校正與反饋校正的基本特性。[本章基本要求]：（1）了解系統(tǒng)時域性能指標、頻域性能指標和綜合性能指標的概念；了解頻域性能指標和時域性能指標的關(guān)系。（2）了解系統(tǒng)校正的基本概念。（3）掌握增益校正的特點；熟練掌握相位超前校正裝置、相位滯后校正裝置和相位滯后—超前校正裝置的模型、頻率特性及有關(guān)量的概念、求法及意義；掌握各種校正裝置的頻率特性設(shè)計方法；熟練掌握各種校正的特點。（4）掌握PID校正的基本規(guī)律及各種調(diào)節(jié)器的特點；掌握PID調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法。（5）掌握反饋校正、順饋校正的定義、基本形式、作用和特點。[本章重點]：（1）各種串聯(lián)無源校正裝置的模型、頻率特性及有關(guān)量的概念、求法及意義；各種校正裝置的特點及其設(shè)計方法。（2）PID校正的基本規(guī)律及各種調(diào)節(jié)器的特點；PID調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法。（3）反饋校正、順饋校正的定義、基本形式、作用和特點。[本章難點]：（1）各種串聯(lián)無源校正裝置的設(shè)計。（2）PID調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法。四、課程學(xué)時分配授課學(xué)時為48學(xué)時章節(jié)教學(xué)與實驗內(nèi)容學(xué)時第一章緒論機械工程控制的基本概念研究對象和任務(wù)學(xué)習(xí)本課程的目的和意義

關(guān)于“系統(tǒng)”、“信息傳遞”和“反饋”及“反饋控制”的基本概念

系統(tǒng)及其模型控制系統(tǒng)的分類反饋控制系統(tǒng)的基本組成對控制系統(tǒng)的基本要求本課程的特點4第二章系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本概念應(yīng)用機械動力學(xué)、電工學(xué)等基礎(chǔ)知識建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本方法典型例子

傳遞函數(shù)的基本概念其數(shù)學(xué)物理意義求取方法輸入輸出信號與傳遞函數(shù)的關(guān)系

系統(tǒng)方框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)及其傳遞函數(shù)方框圖的等效簡化工程中典型的機、電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)10第三章時間響應(yīng)與誤差分析時間響應(yīng)的基本概念典型輸入信號與一階、二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)二階系統(tǒng)響應(yīng)的性能指標高階系統(tǒng)的時間響應(yīng)δ函數(shù)在時間響應(yīng)中的作用

系統(tǒng)的誤差分析：系統(tǒng)的類型及各型系統(tǒng)的位置、速度、加速度誤差10第四章系統(tǒng)的頻率特性分析頻率響應(yīng)與頻率特性的基本概念頻率特性與系統(tǒng)傳遞函數(shù)的關(guān)系系統(tǒng)的動剛度與動柔度的概念頻率特性的表示方法

頻率特性的極坐標圖（Nyquist圖）的一般概念典型環(huán)節(jié)的Nyquist圖繪制系統(tǒng)Nyquist圖的一般步驟和方法

頻率特性的對數(shù)坐標圖（Bode圖）的一般概念典型環(huán)節(jié)的Bode圖繪制系統(tǒng)Bode圖的一般步驟和方法

根據(jù)頻率特性的對數(shù)坐標圖辨識系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的一般方法10第五章系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念判別線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本出發(fā)點

Routh穩(wěn)定性判據(jù)、Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)的基本原理和方法Bod