机械工程控制基础教案.docx
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机械工程控制基础教案
第1次课程教案
授课章节
第一章绪论
（1）
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
了解机械工程控制的基本概念，研究对象和任务，明确学习该课程的目的和意义
本次课
重点与难点
教学
重点
理解“系统”、“反馈”、“反馈控制”的概念
教学
难点
理解机械系统，能够进行分析建立数学模型，掌握控制系统的分类及要求
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
引言
20
研究对象——系统
15
研究任务——动力学问题
10
系统问题分类
20
实例分析
25
教学过
程设计
以控制理论为基础，引入机械自动控制的概念，进行控制基础知识和实质内涵，以及组成结构，结合实际生活中的例子，加以分析，使学生充分理解，并且学生自己能举例说明生活中的控制问题。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
了解控制系统研究的对象与基本任务。
通过实际例子了解控制系统。
第2次课程教案
授课章节
第一章绪论
（2）
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
了解机械工程控制系统的分类，反馈控制系统组成，控制系统的要求等
本次课
重点与难点
教学
重点
理解“反馈”、“反馈控制”的概念，了解系统组成结构。
教学
难点
掌握控制系统的组成，性能指标，能对控制系统进行分析
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
控制系统分类
5
开环控制特点分析及实例讲解
15
闭环控制特点分析及实例讲解
20
反馈控制系统分类
10
控制系统性能指标
25
机械制造发展及控制系统应用
15
教学过
程设计
以机械自动控制基本概念为基础，分析其分类及组成结构，结合实际生活中的例子，加以分析，使学生充分理解，并且学生自己能举例分析生活中的控制问题。
思考题或预习题或作业题
1.14、1.15
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
掌握控制系统的分类及组成，以及各种控制系统的优缺点。
第4次课程教案
授课章节
2.1系统的微分方程
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
了解系统数学模型的表现形式；了解微分方程的列写方法；了解微分方程的增量化表示方法；了解非线性微分方程做小偏差线性化的处理方法。
本次课
重点与难点
教学
重点
系统数学模型的表现形式及微分方程的列写方法
教学
难点
控制系统的数学模型分析及微分方程列写方法
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
系统的数学模型
20
系统的微分方程
25
系统模型建立及微分方程列写各种特例分析
20
微分方程的增量化表示
15
非线性微分方程的线性化处理
10
教学过
程设计
以控制系统为基础，将对其从定性的认识上升到定量的精确认识，定量地描述系统的动态性能，揭示系统的结构、参数与动态性能之间的关系——引入数学模型的分析，微分方程的列写，阐明原理，并对典型原件组成的控制系统具体分析，最后实例分析加以强固学生的理解，使学生完全掌握数学建模及列写微分方程的能力。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
掌握通过建立数学模型来求解传递函数的方法。
第3次课程教案
授课章节
Laplace变换
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
为方便学生对控制系统的分析与建模，在此对学生进行Laplace变换知识的补充讲解，掌握典型函数的拉氏变换，微分性质等。
本次课
重点与难点
教学
重点
典型函数的拉氏变换，拉氏变换的性质及方法
教学
难点
拉氏变换性质在数学模型变换中的应用
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
复数、复平面、复变函数
10
Laplace变换及逆变换的概念
10
典型函数的拉氏变换
25
拉氏变换的性质
20
求解拉氏反变换的方法
15
拉氏变换求解线性微分方程
10
教学过
程设计
1.复习复数、辐角、模的概念
2.用定义求拉氏变换
3.拉氏变换的公式
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
1.要记住典型环节的拉氏变换结果
2.要掌握基础的拉氏变换的性质
第5次课程教案
授课章节
2.3系统的传递函数
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
牢固掌握传递函数的性质和特点，掌握典型环节及其传递函数
本次课
重点与难点
教学
重点
从动力学方程到传递函数的推导
教学
难点
区分表示系统结构的物理框图和分析系统的传递函数框图
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
传递函数
15
特征方程，零点，极点和放大系数
25
典型环节的传递函数
35
实例讲解
15
教学过
程设计
以系统的动力学方程建立为基础，讲解推导其传递函数的方法和步骤，对建立的传递函数特征及性质进行分析讲解，重点讲解典型环节的传递函数建立及特点分析。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
要掌握各典型环节的传递函数的表达形式。
第6次课程教案
授课章节
2.4系统的传递函数方框图及其简化
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
掌握传递函数方框图建立的基本方法，传递函数方框图等效变换规则，掌握扰动输入作用下，系统传递函数的列写方法
本次课
重点与难点
教学
重点
传递函数方框图等效变换规则
教学
难点
扰动输入作用下，系统传递函数的列写方法
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
传递函数方框图的建立
15
传递函数方框图的等效变换
25
传递函数方框图的简化
25
存在干扰的反馈控制系统传递函数
15
传递函数相似原理
10
教学过
程设计
以系统的动力学方程建立为基础，讲解推导其传递函数方框图的建立方法和步骤，然后对方框图特性进行分析，重点讲解其等效变换与简化方法，最后对于存在干扰的反馈系统分析其传递函数建立应注意的情况。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
重点掌握方框图的等效变换方法。
第7次课程教案
授课章节
3.1~3.3
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
系统时间响应及其组成，典型输入信号模型、变换及图像；一阶系统单位脉冲及单位阶跃响应特性分析
本次课
重点与难点
教学
重点
一阶系统单位脉冲及单位阶跃响应特性分析
教学
难点
一阶系统单位脉冲及单位阶跃响应特性分析
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
时间响应及其组成
20
典型输入信号
30
一阶系统的单位脉冲响应
20
一阶系统的单位阶跃响应
20
教学过
程设计
首先讲解系统的时间响应及其一般组成：
自由相应+强迫相应，零输入响应+零状态相应；然后针对典型试验输入信号，讲解其模型、变换及图像以及典型输入信号的选择原则；最后分析一阶系统的单位脉冲响应特性和单位阶跃响应特性。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
重点掌握时间响应的分析方法，以及拉氏反变换的方法。
第8次课程教案
授课章节
3.4二阶系统
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
二阶系统单位脉冲及单位阶跃响应特性分析
本次课
重点与难点
教学
重点
二阶系统单位脉冲响应，单位阶跃响应
教学
难点
阻尼比取值不同时会有不同的时间响应
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
二阶系统分析
30
二阶系统的单位脉冲响应
30
二阶系统的单位阶跃响应
30
教学过
程设计
系统分类与阻尼比的关系——二阶系统单位脉冲响应——二阶系统单位阶跃响应及其与特征参数之间的关系
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
重点掌握时间响应在阻尼比取值不同的时候有不同的情况。
第9次课程教案
授课章节
二阶系统的性能指标、高阶系统
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
二阶系统的性能指标、高阶系统单位脉冲及单位阶跃响应特性分析
本次课
重点与难点
教学
重点
二阶系统的性能指标
教学
难点
高阶系统单位脉冲及单位阶跃响应特性分析
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
二阶系统响应的性能指标
40
二阶系统计算实例
30
高阶系统及其讨论
20
教学过
程设计
二阶系统响应的性能指标及系统参数的求解方法、高阶系统分类与阻尼比的关系——高阶系统单位脉冲响应——高阶系统单位阶跃响应及其与特征参数之间的关系——高阶系统响应的性能指标及系统参数的求解方法
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
要重点掌握各指标的计算公式
第10次课程教案
授课章节
3.6系统误差分析与计算
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
系统误差与偏差的基本概念及数学表达，求解方法。
本次课
重点与难点
教学
重点
系统误差与偏差的基本概念及数学表达
教学
难点
误差与偏差的求解方法
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
系统的误差e（t）与偏差ε（t）
15
误差e（t）的一般计算
20
系统的稳态误差与稳态偏差
15
与输入有关的稳态偏差
15
与干扰有关的稳态偏差
15
实例分析
10
教学过
程设计
首先对系统存在的误差以及偏差进行概念讲解，然后分别对各种状态下存在的误差及偏差计算加以分析，之后通过实例分析加深学生的理解。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
掌握偏差与误差之间的关系，以及稳态误差系数的应用。
第12次课程教案
授课章节
4.1频率特性概述
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
频率特性分析的目的和意义，频率响应和传递函数的关系，频率特性的求解方法，作用。
本次课
重点与难点
教学
重点
频率特性的求法
教学
难点
频率特性与传递函数的关系
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
频率特性引入的目的及重要性
10
频率响应与频率特性
25
频率特性与传递函数的关系
25
频率特性的求法
15
实例分析
15
教学过
程设计
首先介绍频率特性分析在控制论中的目的和意义，然后进一步讲解频率响应和频率特性，频率特性与传递函数之间的关系及其求解方法，最后通过实例分析加深学生对其理解。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
重点掌握频率特性表达方式与求法。
第13次课程教案
授课章节
4.2频率特性的图示方法——Nyquist图
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
Nyquist图的概念，表现形式和一般绘制方法
本次课
重点与难点
教学
重点
典型控制环节Nyquist图的表现形式及画法。
教学
难点
典型控制环节Nyquist图的表现形式。
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
频率特性的极坐标图
15
典型环节的Nyquist图
35
Nyquist图的绘制
20
实例分析
20
教学过
程设计
从Nyquist图的概念及学习目的触出发，讲解典型环节的Nyquist图特性及绘制方法，最后通过实例分析加深学生的理解。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
掌握绘制极坐标图的一般步骤、起点终点的选择。
第14次课程教案
授课章节
4.2频率特性的图示方法——Bode图
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
Bode图的概念，表现形式和一般绘制方法，频率特性的特征量，最小相位和非最小相位系统。
本次课
重点与难点
教学
重点
典型环节的Bode图及绘制方法
教学
难点
典型环节的Bode图及绘制方法
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
对数坐标图
15
典型环节的Bode图
35
绘制系统Bode图的步骤
10
绘制系统Bode图的顺序频率法
15
频率特性的特征量
10
最小相位和非最小相位系统
5
教学过
程设计
首先介绍对数坐标图基本原理和坐标倍频规定，然后讲解典型环节Bode图的绘制方法和稳定系统相位类型的分析方法，最后通过实例分析加深学生的理解。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
绘制Bode图的一般步骤。
第15次课程教案
授课章节
5.1~5.2
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
稳定性概念，Routh判据
本次课
重点与难点
教学
重点
系统稳定的充要条件，Routh稳定判据
教学
难点
Routh稳定判据的应用
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
系统稳定性概念
20
稳定性的定义和条件
20
关于稳定性的相关提法
10
Routh稳定判据
25
例题
15
教学过
程设计
首先提出系统稳定性的概念，对其稳定的必要条件和充要条件进行分析讲解，然后提出Routh稳定判据，分析其方法和应用，最后通过实例分析加深学生的理解。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
掌握稳定性的必要、充要条件，利用Routh盘踞判断取值范围。
第16次课程教案
授课章节
Routh判据特殊情况，幅角原理
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
Routh判据特殊情况，辐角原理基本概念及与系统稳定性关系
本次课
重点与难点
教学
重点
Routh判据的特殊情况
教学
难点
幅角原理
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
Routh判据的特殊情况
40
例题讲解
20
幅角原理（Cauchy定理）
30
教学过
程设计
Routh判据里有Routh阵列里出现特殊情况的怎么判断稳定性，幅角原理是Nyquist判据的重要数学基础。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
在遇到Routh判据的特殊情况时怎样判断系统稳定性，幅角原理是Nyquist判据的数学基础。
第17次课程教案
授课章节
5.3Nyquist（乃奎斯特）稳定判据
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
Nyquist判据稳定性判断方法。
本次课
重点与难点
教学
重点
Nyquist判据稳定性判断方法
教学
难点
Nyquist判据稳定性判断方法
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
Nyquist稳定判据
30
开环含有积分环节的Nyquist轨迹
20
关于Nyquist判据的几点说明
20
具有延时环节的系统的稳定性分析
10
实例分析
10
教学过
程设计
从Nyquist判据稳定性判断的各种方法入手，分别举例分析其应用，然后总结分析其特点。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
Nyquist判据理解起来很复杂，但应用起来很方便，重点掌握怎么应用Nyquist判据判断稳定性。
第18次课程教案
授课章节
Bode稳定判据、系统的相对稳定性
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
Bode稳定判据基本原理，Nyquist判据和Bode判据对应关系；穿越基本概念；Bode稳定性判据判断系统稳定性的基本方法。
系统的相对稳定性
本次课
重点与难点
教学
重点
Bode稳定判据，穿越原理、系统的相对稳定性
教学
难点
Bode稳定判据，穿越原理
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
Bode判据原理
15
穿越原理
25
Bode判据
20
系统的相对稳定性
15
实例分析
15
教学过
程设计
从Bode判据稳定性判断的各种方法入手，分别举例分析其应用，然后总结分析其特点。
系统的相对稳定性，相位裕度和幅值裕度。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
掌握Bode判据的判断方法，以及相对稳定性。
第19次课程教案
授课章节
6.1控制系统校正原理及方法
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
了解校正的含义；掌握控制系统时频动态特性之间的关系；了解校正的分类及其校正原理。
本次课
重点与难点
教学
重点
控制系统时频动态特性之间的关系，校正原理
教学
难点
校正原理
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
控制系统设计原理
15
系统的性能指标
25
校正的分类及方法
20
校正系统设计方法
15
实例分析
15
教学过
程设计
首先从控制系统设计的原理出发，分析系统的性能指标，针对各个指标，研究其校正的方法，最后整体分析校正系统的设计方法，最后通过实例分析，讲解其原理的应用，加深学生的理解。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
掌握校正提出的原因、分类和概念
第20次课程教案
授课章节
串联校正
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
相位超前校正，相位滞后校正、相位滞后-超前校正
本次课
重点与难点
教学
重点
相位超前校正，相位滞后校正、相位滞后-超前校正的计算公式，推导过程
教学
难点
超前以及滞后校正的选择方法，适用范围
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
相位超前校正
30
相位滞后校正
30
相位滞后-超前校正
30
教学过
程设计
根据串联校正的三种不同情况推导各情况的不同公式，并了解超前和滞后校正适用的范围。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡寿松等编《自动控制原理》，国防工业出版社
2.李友善主编《自动控制原理》，国防工业出版社
3.阳含和编著《机械控制工程》，机械工业出版社
课后小结
重点掌握串联超前校正的计算方法。
第21次课程教案
授课章节
PID校正
本次课学时数
2
本次课教学目的与要求
PID校正控制规律，PID校正环节，PID调节器设计
本次课
重点与难点
教学
重点
PID校正环节的组成及传递函数
教学
难点
PID调节器的设计方法
教学方法
与手段
PPT，板书
教学内容
时间分配
教学内容
课时分配（分钟）
PID校正控制规律
30
PID校正环节
30
PID调节器设计
30
教学过
程设计
由比例，积分，微分环节进行控制的PID调节器是应用最广泛的一种调节器，根据控制规律和校正环节，学习怎么设计PID调节器。
思考题或预习题或作业题
参考资料
1.胡
升级会员 