1、【精品文檔】如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除，僅供學(xué)習(xí)與交流機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)大綱.精品文檔.機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、高級程序設(shè)計(jì)5適用專業(yè)：機(jī)械大類專業(yè)（包括機(jī)械工程、車輛工程、測控技術(shù)與儀器、能源與動力工程和工業(yè)工程）二、課程目標(biāo)及學(xué)生應(yīng)達(dá)到的能力機(jī)械控制工程基礎(chǔ)是西安交通大學(xué)機(jī)械類專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，主要授課內(nèi)容是運(yùn)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(jì)典型機(jī)電控制系統(tǒng)。

2、旨在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)方法和工具來解決機(jī)械工程基本問題的系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)仿真實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等教學(xué)方式，使學(xué)生掌握實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)自動控制的基本理論；學(xué)會典型機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、運(yùn)行性能分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、校正與補(bǔ)償?shù)然局R和基本技能；具有基本的機(jī)電控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)能力，以及對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的控制問題進(jìn)行分析、求解和論證的能力，并了解機(jī)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(biāo)點(diǎn)。課程目標(biāo)及能力要求具體如下：課程目標(biāo)1. 掌握機(jī)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(jī)電傳動單元與系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法；掌握機(jī)電

3、系統(tǒng)的時域和頻域分析設(shè)計(jì)校正方法。（畢業(yè)要求中的第1）課程目標(biāo)2. 培養(yǎng)學(xué)生對機(jī)械控制工程中復(fù)雜問題的分析能力，能夠?qū)?fù)雜機(jī)械控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)，并能夠采用相關(guān)軟件進(jìn)行模擬仿真，能夠構(gòu)建實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，具有研究和解決機(jī)械控制工程問題的能力。（畢業(yè)要求中的第2、4）課程目標(biāo)3. 初步了解機(jī)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(jī)械控制理論的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用機(jī)械控制工程領(lǐng)域新技術(shù)新方法對復(fù)雜機(jī)械工程中的系統(tǒng)控制問題進(jìn)行理論分析、實(shí)驗(yàn)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(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系1.工程知識1.4 掌握機(jī)械設(shè)計(jì)、制造及其

4、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(jì)管理等知識相結(jié)合，綜合應(yīng)用于解決復(fù)雜機(jī)械工程問題。課程目標(biāo)12. 問題分析2.2 能夠通過文獻(xiàn)查閱、分析或?qū)嶒?yàn)、實(shí)踐，對復(fù)雜工程問題進(jìn)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(jìn)行比較、評價。課程目標(biāo)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(jìn)行理論分析或?qū)嶒?yàn)測試、驗(yàn)證；課程目標(biāo)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(biāo)（1） 1（2） 第一章 緒論（3） 1.1 引言（4） 機(jī)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（5） 1

5、.2 機(jī)電控制系統(tǒng)基本概念與術(shù)語（6） 控制系統(tǒng)的定義及組成，控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的主要性能指標(biāo)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)主要任務(wù)等（7） 1.3 典型機(jī)電控制系統(tǒng)的介紹（8） 運(yùn)用微分方程對典型機(jī)電控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，并利用拉普拉斯變換對系統(tǒng)進(jìn)行處理。1.掌握機(jī)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(jī)電控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析方法。2講授12第二章 機(jī)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模2.1 從建立機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)械傳動環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)動機(jī)械傳動環(huán)節(jié)、典型機(jī)電對象的傳遞函數(shù)。2.3 復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)傳遞函數(shù)的構(gòu)建，系統(tǒng)方塊圖的繪制、

6、簡化等。1.掌握機(jī)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(jī)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(biāo)3.3高階系統(tǒng)的時間響應(yīng)與閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)3.4 系統(tǒng)誤差分析1.掌握機(jī)械控制系統(tǒng)的時域分析方法；2.掌握典型機(jī)電系統(tǒng)的性能指標(biāo)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(zhǔn)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(yàn)方法。45

7、第五章 基于根軌跡法的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(bǔ)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(jì)與校正系統(tǒng)原理；2.掌握用計(jì)算機(jī)求解根軌跡設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)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(bǔ)償，相位超前、相位滯后、相位超前滯后校正等5.3 PID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bod

8、e圖，Nyquist圖進(jìn)行典型機(jī)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(xiàn)，撰寫關(guān)于機(jī)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(jìn)行簡要匯報。（此內(nèi)容每屆需更新）4講授38上機(jī)一 Matlab計(jì)算基礎(chǔ)Matlab界面與定義，數(shù)值計(jì)算，邏輯計(jì)算，矩陣運(yùn)算，符號運(yùn)算，復(fù)數(shù)和復(fù)變函數(shù)運(yùn)算，Laplace變換等在典型機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。1、掌握用Matlab進(jìn)行一般數(shù)值計(jì)算的方法。2、利用Matlab軟件對彈簧-質(zhì)量-阻尼等二階機(jī)械系統(tǒng)特性進(jìn)行分析。4上機(jī)29上

9、機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)210上機(jī)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(jī)械傳動、機(jī)床切削過程等控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。2上機(jī)1、211上機(jī)四 時域分析法及應(yīng)用時域響應(yīng)性能指標(biāo)求取，二階系統(tǒng)參數(shù)對時域響應(yīng)性能的影響，LTI Viewer應(yīng)用，穩(wěn)定性分析1.學(xué)會用Matlab函數(shù)和LTI View

10、er分析一階彈簧-阻尼系統(tǒng)、二階機(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)行分析。2上機(jī)1、212上機(jī)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(jì)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(jī)械一階、二階控制系統(tǒng)進(jìn)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

11、服電機(jī)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(jī)1、213上機(jī)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(jì) 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(jìn)行分析，學(xué)會PID控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定；2.并在simulink對PID等控制算法設(shè)計(jì)的參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行校正仿真4上機(jī)214實(shí)驗(yàn)一：基于直流伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動控制與校正實(shí)驗(yàn)1.通過對直流伺服電機(jī)進(jìn)行建模，通過Matlab對模型進(jìn)行分析，掌握直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的時域與頻域特征；2.通過編程和仿真綜合實(shí)驗(yàn)裝置，觀察和分析不同參數(shù)的頻率特性，

12、掌握PID參數(shù)的整定方法；3. 掌握直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的校正方法，分析不同PID參數(shù)與電機(jī)控制系統(tǒng)性能的關(guān)系。2（4）實(shí)驗(yàn)1、2、315實(shí)驗(yàn)二：基于比例電磁鐵的直線運(yùn)動控制與校正實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)1、2、316實(shí)驗(yàn)三：基于直線伺服電機(jī)的控制與校正實(shí)驗(yàn)1. 建立直線伺服電機(jī)、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(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析，掌握直線伺服電機(jī)系統(tǒng)的時域與頻域特征；

13、2.通過編程和仿真綜合實(shí)驗(yàn)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(jī)控制系統(tǒng)的校正方法，分析PID參數(shù)與直線伺服電機(jī)控制系統(tǒng)性能的關(guān)系。4（8）實(shí)驗(yàn)1、2、317實(shí)驗(yàn)四：基于直流伺服電機(jī)的球桿控制與校正實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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P

14、ID參數(shù)與控制系統(tǒng)性能之間關(guān)系。4（8）實(shí)驗(yàn)1、2、318實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)1、2、3備注：（1）實(shí)驗(yàn)室提供以上5個大綜合實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)1個組長

15、4個組員，由組長協(xié)調(diào)組員的分工；第2個綜合實(shí)驗(yàn)換1個組長，新組長協(xié)調(diào)組員完成新的綜合實(shí)驗(yàn)。（3）對于每個綜合實(shí)驗(yàn)，2-4學(xué)時課內(nèi)、4-8學(xué)時課外。（4）綜合實(shí)驗(yàn)完成后除了提交實(shí)驗(yàn)報告外，還需準(zhǔn)備PPT進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教師共同組成評委，評委給出每個小組、每個綜合實(shí)驗(yàn)的總成績，由組長根據(jù)組員在實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際貢獻(xiàn)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(jī)器人控制系統(tǒng)、機(jī)床運(yùn)動控制系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)等

16、實(shí)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(dú)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(shí)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(jī)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(xiàn)，撰寫有關(guān)機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)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(qiáng)教學(xué)效果。4在進(jìn)行彈簧-質(zhì)量-阻尼、機(jī)械傳動等典型機(jī)械控制系

17、統(tǒng)的案例教學(xué)環(huán)節(jié)中，理論教學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真模擬與綜合實(shí)驗(yàn)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(jì)方法和手段，進(jìn)行機(jī)械控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、仿真、實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)其識別、表達(dá)和解決機(jī)械控制相關(guān)工程問題的思維方法和實(shí)踐能力。（二）計(jì)算機(jī)仿真操作（課外20學(xué)時）圍繞各章教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容，介紹Matlab計(jì)算機(jī)控制仿真分析軟件，并指導(dǎo)學(xué)生上機(jī)操作。在進(jìn)行彈簧-質(zhì)量-阻尼、機(jī)械傳動等典型機(jī)械控制系統(tǒng)的案例教學(xué)環(huán)節(jié)中，運(yùn)用所學(xué)的Matlab知識進(jìn)行分析。（三）綜合實(shí)驗(yàn)（16學(xué)時，32小時）課程選做綜合實(shí)驗(yàn)4個，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求，獨(dú)立或分組完成，提交實(shí)驗(yàn)報告，并進(jìn)行PPT答辯。五

18、、課程的考核環(huán)節(jié)及課程目標(biāo)達(dá)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(diǎn)的掌握程度和應(yīng)用能力，包括課后作業(yè)、期末考試、實(shí)驗(yàn)報告（含上機(jī)仿真與綜合實(shí)驗(yàn)）三部分組成。總評成績以百分計(jì)，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(jìn)行微調(diào)，建議值及考核細(xì)則如下。考核環(huán)節(jié)建議分值考核/評價細(xì)則對應(yīng)的課程目標(biāo)作業(yè)10（1）主要考核學(xué)生對每章節(jié)知識點(diǎn)的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度；（2）每次作業(yè)按10分制單獨(dú)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(shí)驗(yàn)30（1）根據(jù)每個實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)情況和實(shí)驗(yàn)報告質(zhì)量單獨(dú)評分，滿分100分；（2）取各次實(shí)驗(yàn)成績的平均值乘以其在總評成績中所占的比例計(jì)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(jì)入課程總評成績。（2）主要考核機(jī)械控制系統(tǒng)的基本概念和系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容。考試題型為填空、選擇、判斷正誤、簡答、分析計(jì)算題等。1，2，3（二）課程目標(biāo)達(dá)成度評價方式課程目標(biāo)達(dá)成度評價包括課程分目標(biāo)達(dá)成度評價和課程總目標(biāo)達(dá)成度評價，具體計(jì)算方法如下：達(dá)成度評價值計(jì)算