《機械控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱一、課程基本信息1．課程編號：MACH4008012．課程體系/類別：專業(yè)類/專業(yè)核心課3．學(xué)時/學(xué)分：56學(xué)時/3學(xué)分4．先修課程：高等數(shù)學(xué)、積分變換、理論力學(xué)、電工電子技術(shù)、機械設(shè)計基礎(chǔ)、大學(xué)計算機基礎(chǔ)、高級程序設(shè)計5．適用專業(yè)：機械大類專業(yè)（包括機械工程、車輛工程、測控技術(shù)與儀器、\o"能源與動力工程(原熱能與動力工程)"能源與動力工程和工業(yè)工程）二、課程目標及學(xué)生應(yīng)達到的能力《機械控制工程基礎(chǔ)》是西安交通大學(xué)機械類專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，主要授課內(nèi)容是運用現(xiàn)代數(shù)學(xué)知識、自動控制理論和信息技術(shù)來分析、設(shè)計典型機電控制系統(tǒng)。旨在培養(yǎng)學(xué)生運用科學(xué)方法和工具來解決機械工程基本問題的系統(tǒng)分析設(shè)計能力、綜合創(chuàng)新能力。本課程的主要任務(wù)是通過課堂教學(xué)、計算機仿真實訓(xùn)、實驗教學(xué)等教學(xué)方式，使學(xué)生掌握實現(xiàn)機械系統(tǒng)自動控制的基本理論；學(xué)會典型機電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、運行性能分析和系統(tǒng)設(shè)計、校正與補償?shù)然局R和基本技能；具有基本的機電控制系統(tǒng)分析設(shè)計能力，以及對復(fù)雜機械系統(tǒng)的控制問題進行分析、求解和論證的能力，并了解機械控制領(lǐng)域的新理論和新技術(shù)，支撐畢業(yè)要求中的相應(yīng)指標點。課程目標及能力要求具體如下：課程目標1.掌握機械控制系統(tǒng)的基本概念和組成原理，具備自動控制原理與系統(tǒng)的基礎(chǔ)概念；掌握典型機電傳動單元與系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法；掌握機電系統(tǒng)的時域和頻域分析設(shè)計校正方法。（畢業(yè)要求中的第1）課程目標2.培養(yǎng)學(xué)生對機械控制工程中復(fù)雜問題的分析能力，能夠?qū)?fù)雜機械控制系統(tǒng)進行分析、設(shè)計，并能夠采用相關(guān)軟件進行模擬仿真，能夠構(gòu)建實驗控制系統(tǒng)進行分析研究，具有研究和解決機械控制工程問題的能力。（畢業(yè)要求中的第2、4）課程目標3.初步了解機械系統(tǒng)常用的控制方法，以及現(xiàn)代控制和智能控制的原理，了解機械控制理論的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。培養(yǎng)學(xué)生運用機械控制工程領(lǐng)域新技術(shù)新方法對復(fù)雜機械工程中的系統(tǒng)控制問題進行理論分析、實驗研究的能力。（畢業(yè)要求中的第4）畢業(yè)要求畢業(yè)要求指標點課程目標對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系1.工程知識1.4掌握機械設(shè)計、制造及其自動化領(lǐng)域的專業(yè)知識，能將其與數(shù)理基礎(chǔ)、工程基礎(chǔ)和經(jīng)濟管理等知識相結(jié)合，綜合應(yīng)用于解決復(fù)雜機械工程問題。課程目標12.問題分析2.2能夠通過文獻查閱、分析或?qū)嶒灐嵺`，對復(fù)雜工程問題進行解釋并提出相應(yīng)的解決方案。能理解工程問題解決方案的多樣性，并對不同方案進行比較、評價。課程目標24.研究4.2能夠?qū)?fù)雜工程問題中所涉及到的物理現(xiàn)象、材料特性以及系統(tǒng)性能進行理論分析或?qū)嶒灉y試、驗證；課程目標3三、課程教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時分配序號教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求推薦學(xué)時教學(xué)方式對應(yīng)的課程目標1第一章緒論1.1引言機電控制工程的研究對象、用途、基本內(nèi)容、學(xué)科發(fā)展簡史等1.2機電控制系統(tǒng)基本概念與術(shù)語控制系統(tǒng)的定義及組成，控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的主要性能指標，計算機輔助設(shè)計，控制系統(tǒng)主要任務(wù)等1.3典型機電控制系統(tǒng)的介紹運用微分方程對典型機電控制系統(tǒng)進行分析，并利用拉普拉斯變換對系統(tǒng)進行處理。1.掌握機械控制工程的基本概念以及學(xué)科發(fā)展史；2.掌握典型機電控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析方法。2講授12第二章機電系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模2.1從建立機電系統(tǒng)的運動微分方程入手，經(jīng)Laplace變換，引出傳遞函數(shù)、方框圖等概念。2.2典型的電路環(huán)節(jié)、平動機械傳動環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)動機械傳動環(huán)節(jié)、典型機電對象的傳遞函數(shù)。2.3復(fù)雜機電系統(tǒng)傳遞函數(shù)的構(gòu)建，系統(tǒng)方塊圖的繪制、簡化等。1.掌握機電控制系統(tǒng)通過微分方程數(shù)學(xué)建模、傳遞函數(shù)建模的基本方法；2.掌握典型機電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型。4講授1、23第三章系統(tǒng)的時域響應(yīng)分析3.1時間響應(yīng)與時域特性概念3.2一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)及其性能指標3.3高階系統(tǒng)的時間響應(yīng)與閉環(huán)主導(dǎo)極點3.4系統(tǒng)誤差分析1.掌握機械控制系統(tǒng)的時域分析方法；2.掌握典型機電系統(tǒng)的性能指標表征和分析方法。8講授1、24第四章系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析4.1系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念及準則4.2勞斯穩(wěn)定性判據(jù)及應(yīng)用4.3奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)及應(yīng)用4.4系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性1．掌握系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念及基本判斷方法；2．掌握系統(tǒng)相對穩(wěn)定性的校驗方法。45第五章基于根軌跡法的系統(tǒng)設(shè)計與校正5.1根軌跡的定義、性質(zhì)、畫法、應(yīng)用法則等5.2基于根軌跡法的系統(tǒng)校正補償方法，包括PI校正、PD校正、PID校正等1.掌握根軌跡法設(shè)計與校正系統(tǒng)原理；2.掌握用計算機求解根軌跡設(shè)計校正方法。3.初步掌握PID校正方法10講授1、26第六章基于頻率響應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計與校正5.1系統(tǒng)頻率響應(yīng)的定義、性質(zhì)，一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)的頻率特性Bode圖、Nyquist圖畫法與應(yīng)用，典型機電系統(tǒng)的頻域特性分析和系統(tǒng)辨識等5.2基于系統(tǒng)頻率響應(yīng)系統(tǒng)校正補償，相位超前、相位滯后、相位超前滯后校正等5.3PID校正方法1.掌握系統(tǒng)頻率響應(yīng)分析的基本思想；2.掌握用bode圖，Nyquist圖進行典型機電系統(tǒng)頻域分析和校正的方法8講授1、27第七章現(xiàn)代智能控制理論的發(fā)展趨勢和應(yīng)用7.1現(xiàn)代控制理論基本概念及其應(yīng)用7.2智能控制理論方法及其發(fā)展趨勢1.查閱中英文文獻，撰寫關(guān)于機器人智能控制理論現(xiàn)狀及其未來發(fā)展趨勢的課程報告，并做PPT進行簡要匯報。（此內(nèi)容每屆需更新）4講授38上機一Matlab計算基礎(chǔ)Matlab界面與定義，數(shù)值計算，邏輯計算，矩陣運算，符號運算，復(fù)數(shù)和復(fù)變函數(shù)運算，Laplace變換等在典型機電系統(tǒng)中的應(yīng)用。1、掌握用Matlab進行一般數(shù)值計算的方法。2、利用Matlab軟件對彈簧-質(zhì)量-阻尼等二階機械系統(tǒng)特性進行分析。4上機29上機二Simulink仿真基礎(chǔ)Simulink建模仿真，功能模塊處理，仿真器參數(shù)設(shè)置，S函數(shù)設(shè)置與典型機電控制系統(tǒng)的應(yīng)用等。學(xué)會使用Simulink搭建彈簧-質(zhì)量-阻尼、機械傳動等控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并在不同仿真條件下觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4上機210上機三控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型Simulink中的控制系統(tǒng)模型表示，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)換與連接。學(xué)會在Simulink環(huán)境下建立彈簧-質(zhì)量-阻尼、機械傳動、機床切削過程等控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。2上機1、211上機四時域分析法及應(yīng)用時域響應(yīng)性能指標求取，二階系統(tǒng)參數(shù)對時域響應(yīng)性能的影響，LTIViewer應(yīng)用，穩(wěn)定性分析1.學(xué)會用Matlab函數(shù)和LTIViewer分析一階彈簧-阻尼系統(tǒng)、二階機械平移、轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的時域特性，并對系統(tǒng)的響應(yīng)時間、超調(diào)量等參數(shù)進行分析。2.針對球桿系統(tǒng)、倒立擺系統(tǒng)、帶彈簧的直線伺服電機系統(tǒng)等建立數(shù)學(xué)模型，并轉(zhuǎn)換成傳遞函數(shù)，通過Simulink對系統(tǒng)特性進行分析。2上機1、212上機五根軌跡法根軌跡分析相關(guān)的MATLAB函數(shù)，根軌跡分析與設(shè)計工具rltool，利用MATLAB繪制根軌跡圖，正反饋系統(tǒng)的根軌跡，參數(shù)根軌跡，時滯系統(tǒng)的根軌跡，用根軌跡法分析系統(tǒng)的瞬態(tài)特性，控制系統(tǒng)的根軌跡法校正。1.學(xué)會用Matlab及其rltool工具對機械一階、二階控制系統(tǒng)進行根軌跡分析與校正。2.對球桿系統(tǒng)、倒立擺系統(tǒng)、帶彈簧的直線伺服電機系統(tǒng)等系統(tǒng)分析其根軌跡特性，確定控制參數(shù)。4上機1、213上機六頻域分析與PID校正系統(tǒng)的Bode圖Nyquist圖畫法，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析與穩(wěn)定性分析，應(yīng)用MATLAB/Simulink設(shè)計PID控制器。1.學(xué)會用Matlab中函數(shù)對系統(tǒng)的頻率響應(yīng)進行分析，學(xué)會PID控制器設(shè)計與參數(shù)整定；2.并在simulink對PID等控制算法設(shè)計的參數(shù)對系統(tǒng)進行校正仿真4上機214實驗一：基于直流伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動控制與校正實驗1.通過對直流伺服電機進行建模，通過Matlab對模型進行分析，掌握直流伺服電機控制系統(tǒng)的時域與頻域特征；2.通過編程和仿真綜合實驗裝置，觀察和分析不同參數(shù)的頻率特性，掌握PID參數(shù)的整定方法；3.掌握直流伺服電機控制系統(tǒng)的校正方法，分析不同PID參數(shù)與電機控制系統(tǒng)性能的關(guān)系。2（4）實驗1、2、315實驗二：基于比例電磁鐵的直線運動控制與校正實驗1.掌握比例電磁鐵控制系統(tǒng)的時域與頻域特征；2.通過編程和仿真綜合實驗裝置，觀察和分析不同參數(shù)的頻率特性，掌握PID參數(shù)的整定方法；3.掌握比例電磁鐵控制系統(tǒng)的校正方法，分析PID參數(shù)與比例電磁鐵控制系統(tǒng)性能的關(guān)系。2（4）實驗1、2、316實驗三：基于直線伺服電機的控制與校正實驗1.建立直線伺服電機、彈簧系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過Matlab等軟件對直線伺服電機系統(tǒng)進行分析，掌握直線伺服電機系統(tǒng)的時域與頻域特征；2.通過編程和仿真綜合實驗裝置，觀察和分析不同參數(shù)的頻率特性，并根據(jù)根軌跡方法確定球桿系統(tǒng)的調(diào)整參數(shù)；3.掌握直線伺服電機控制系統(tǒng)的校正方法，分析PID參數(shù)與直線伺服電機控制系統(tǒng)性能的關(guān)系。4（8）實驗1、2、317實驗四：基于直流伺服電機的球桿控制與校正實驗1.建立球桿系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過Matlab等軟件對球桿系統(tǒng)進行分析，掌握球桿位置控制系統(tǒng)的時域與頻域特征；2.通過編程和仿真綜合實驗裝置，觀察和分析不同參數(shù)的頻率特性，并根據(jù)根軌跡方法確定球桿系統(tǒng)的調(diào)整參數(shù)，明；3.掌握在Simulink實時控制系統(tǒng)中，球桿位置控制系統(tǒng)的校正方法，通過對比球桿系統(tǒng)的仿真結(jié)果與球桿位置控制系統(tǒng)，分析PID參數(shù)與控制系統(tǒng)性能之間關(guān)系。4（8）實驗1、2、318實驗五：基于倒立擺系統(tǒng)的控制與校正系統(tǒng)1.建立倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過Matlab等軟件對倒立擺系統(tǒng)進行分析，掌握倒立擺系統(tǒng)的時域與頻域特征；2.通過編程和仿真綜合實驗裝置，觀察和分析不同參數(shù)的頻率特性，并根據(jù)根軌跡方法確定球桿系統(tǒng)的調(diào)整參數(shù)；3.掌握在Simulink實時控制系統(tǒng)中，倒立擺系統(tǒng)的校正方法，通過對比倒立擺系統(tǒng)的仿真結(jié)果與實時控制系統(tǒng)，分析PID參數(shù)與控制系統(tǒng)性能之間關(guān)系。4（8）實驗1、2、3備注：（1）實驗室提供以上5個大綜合實驗條件，要求學(xué)生自由選擇其中4個；（2）學(xué)生4-5人一組自由組合。每個綜合實驗1個組長4個組員，由組長協(xié)調(diào)組員的分工；第2個綜合實驗換1個組長，新組長協(xié)調(diào)組員完成新的綜合實驗。（3）對于每個綜合實驗，2-4學(xué)時課內(nèi)、4-8學(xué)時課外。（4）綜合實驗完成后除了提交實驗報告外，還需準備PPT進行答辯。每組答辯總時間20分鐘，每個小組由2個人分別匯報每個綜合實驗完成情況，每人匯報7分鐘，2人共14分鐘，教師提問6分鐘。（5）答辯時由任課教師與實驗教師共同組成評委，評委給出每個小組、每個綜合實驗的總成績，由組長根據(jù)組員在實驗中的實際貢獻度分配成績，原則上不可平分。四、課程教學(xué)方法（一）課堂講授（40學(xué)時）1．采用啟發(fā)式教學(xué)，通過結(jié)合具體如機器人控制系統(tǒng)、機床運動控制系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)等實例教學(xué)，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、分析問題和解決問題的能力，引導(dǎo)學(xué)生主動通過實踐和自學(xué)獲得自己想學(xué)到的知識。2．在教學(xué)內(nèi)容上，系統(tǒng)講授古典控制理論應(yīng)用于機電系統(tǒng)的基本理論、基本知識和基本方法，初步介紹現(xiàn)代控制、智能控制理論的基本知識和方法，并通過學(xué)生查閱中英文文獻，撰寫有關(guān)機器人智能控制理論前沿發(fā)展報告，使學(xué)生能夠系統(tǒng)掌握用于解決機械控制工程問題的專業(yè)基礎(chǔ)知識，并了解學(xué)科前沿知識。3．在機械控制系統(tǒng)緒論、數(shù)學(xué)建模、時域分析、穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)設(shè)計與校正、頻域分析等教學(xué)環(huán)節(jié)中采用電子教案與多媒體教學(xué)，提高課堂教學(xué)信息量，增強教學(xué)效果。4．在進行彈簧-質(zhì)量-阻尼、機械傳動等典型機械控制系統(tǒng)的案例教學(xué)環(huán)節(jié)中，理論教學(xué)、計算機仿真模擬與綜合實驗教學(xué)相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，采用現(xiàn)代設(shè)計方法和手段，進行機械控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計、仿真、實驗，培養(yǎng)其識別、表達和解決機械控制相關(guān)工程問題的思維方法和實踐能力。（二）計算機仿真操作（課外20學(xué)時）圍繞各章教學(xué)重點內(nèi)容，介紹Matlab計算機控制仿真分析軟件，并指導(dǎo)學(xué)生上機操作。在進行彈簧-質(zhì)量-阻尼、機械傳動等典型機械控制系統(tǒng)的案例教學(xué)環(huán)節(jié)中，運用所學(xué)的Matlab知識進行分析。（三）綜合實驗（16學(xué)時，32小時）課程選做綜合實驗4個，學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書的要求，獨立或分組完成，提交實驗報告，并進行PPT答辯。五、課程的考核環(huán)節(jié)及課程目標達成度自評方式（一）課程的考核環(huán)節(jié)課程的考核主要是檢查學(xué)生對各知識點的掌握程度和應(yīng)用能力，包括課后作業(yè)、期末考試、實驗報告（含上機仿真與綜合實驗）三部分組成?？傇u成績以百分計，滿分100分，各考核環(huán)節(jié)所占分值比例可根據(jù)具體情況進行微調(diào)，建議值及考核細則如下?？己谁h(huán)節(jié)建議分值考核/評價細則對應(yīng)的課程目標作業(yè)10（1）主要考核學(xué)生對每章節(jié)知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度；（2）每次作業(yè)按10分制單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。1，2實驗30（1）根據(jù)每個實驗的實驗情況和實驗報告質(zhì)量單獨評分，滿分100分；（2）取各次實驗成績的平均值乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。1、2、3期末考試60（1）卷面成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考核機械控制系統(tǒng)的基本概念和系統(tǒng)分析設(shè)計方法等內(nèi)容?？荚囶}型為填空、選擇、判斷正誤、簡答、分析計算題等。1，2，3（二）課程目標達成度評價方式課程目標達成度評價包括課程分目標達成度評價和課程總目標達成度評價，具體計算方法如下：達成度評價值計算的具體說明及示例如下表所示，其中A、B和C則分別