《机械控制工程基础》课程教学大纲一、课程基本信息1．课程编号：MACH4008012．课程体系 / 类别：专业类/专业核心课3．学时 /学分：56学时/ 3学分4．先修课程：高等数学、积分变换、理论力学、电工电子技术、机械设计基础、大学计算机基础、高级程序设计5．适用专业：机械大类专业（包括机械工程、车辆工程、测控技术与仪器、能源与动力工程和工业工程）二、课程目标及学生应达到的能力《机械控制工程基础》是西安交通大学机械类专业的一门专业核心课程，主要授课内容是运用现代数学知识、自动控制理论和信息技术来分析、设计典型机电控制系统。

旨在培养学生运用科学方法和工具来解决机械工程基本问题的系统分析设计能力、综合创新能力。

本课程的主要任务是通过课堂教学、计算机仿真实训、实验教学等教学方式，使学生掌握实现机械系统自动控制的基本理论；学会典型机电系统的数学建模、运行性能分析和系统设计、校正与补偿等基本知识和基本技能；具有基本的机电控制系统分析设计能力，以及对复杂机械系统的控制问题进行分析、求解和论证的能力，并了解机械控制领域的新理论和新技术，支撑毕业要求中的相应指标点。

课程目标及能力要求具体如下：课程目标 1. 掌握机械控制系统的基本概念和组成原理，具备自动控制原理与系统的基础概念；掌握典型机电传动单元与系统的数学建模方法；掌握机电系统的时域和频域分析设计校正方法。

（毕业要求中的第 1）课程目标 2. 培养学生对机械控制工程中复杂问题的分析能力，能够对复杂机械控制系统进行分析、设计，并能够采用相关软件进行模拟仿真，能够构建实验控制系统进行分析研究，具有研究和解决机械控制工程问题的能力。

（毕业要求中的第 2 、4）课程目标 3. 初步了解机械系统常用的控制方法，以及现代控制和智能控制的原理，了解机械控制理论的现状与发展趋势。

培养学生运用机械控制工程领域新技术新方法对复杂机械工程中的系统控制问题进行理论分析、实验研究的能力。

（毕业要求中的第4）毕业要求毕业要求指标点课程目标对毕业要求的支撑关系1. 工程知识 1.4 掌握机械设计、制造及其自动化领域的专业知识，能将其与课程目标 1数理基础、工程基础和经济管理等知识相结合，综合应用于解决复杂机械工程问题。

2.问题分析 2.2能够通过文献查阅、分析或实验、实践，对复杂工程问题进课程目标2行解释并提出相应的解决方案。

能理解工程问题解决方案的多样性，并对不同方案进行比较、评价。

4. 研究 4.2能够对复杂工程问题中所涉及到的物理现象、材料特性以及课程目标3系统性能进行理论分析或实验测试、验证；三、课程教学内容与学时分配序教学内容教学要求号）第一章绪论 1. 掌握机械控制工程的基本概念以及） 1.1 引言学科发展史；）机电控制工程的研究对象、用途、 2. 掌握典型机电控制系统的数学分析基本内容、学科发展简史等方法。

） 1.2 机电控制系统基本概念与术语）控制系统的定义及组成，控制系统） 1分析与设计的主要性能指标，计算机辅助设计，控制系统主要任务等） 1.3 典型机电控制系统的介绍）运用微分方程对典型机电控制系统进行分析，并利用拉普拉斯变换对系统进行处理。

第二章机电系统数学建模 1.掌握机电控制系统通过微分方程数2.1从建立机电系统的运动微分方学建模、传递函数建模的基本方法；程入手，经 Laplace 变换，引出传 2.掌握典型机电系统的传递函数数学递函数、方框图等概念。

模型。

22.2典型的电路环节、平动机械传动环节、转动机械传动环节、典型机电对象的传递函数。

2.3复杂机电系统传递函数的构建，系统方块图的绘制、简化等。

第三章系统的时域响应分析 1.掌握机械控制系统的时域分析方法；3.1时间响应与时域特性概念 2.掌握典型机电系统的性能指标表征3.2一阶系统、二阶系统的时域响和分析方法。

3应及其性能指标3.3 高阶系统的时间响应与闭环主导极点3.4 系统误差分析第四章系统的稳定性分析1．掌握系统稳定性的基本概念及基本4.1系统稳定性的概念及准则判断方法；4 4.2劳斯稳定性判据及应用2．掌握系统相对稳定性的校验方法。

4.3奈奎斯特稳定性判据及应用4.4系统的相对稳定性第五章基于根轨迹法的系统设计 1.掌握根轨迹法设计与校正系统原理；与校正 2.掌握用计算机求解根轨迹设计校正方5.1 根轨迹的定义、性质、画法、法。

5应用法则等 3.初步掌握 PID 校正方法5.2 基于根轨迹法的系统校正补偿方法，包括 PI 校正、 PD校正、 PID校正等第六章基于频率响应的系统设计 1.掌握系统频率响应分析的基本思想；与校正 2.掌握用 bode 图，Nyquist 图进行典型6 5.1 系统频率响应的定义、性质，机电系统频域分析和校正的方法一阶系统、二阶系统的频率特性Bode 图、 Nyquist图画法与应用，推荐教学对应的课程学时方式目标2讲授14讲授1、2 8讲授1、2 410讲授1、2 8讲授1、27 8 9 10 11 12 13 14 15典型机电系统的频域特性分析和系统辨识等5.2 基于系统频率响应系统校正补偿，相位超前、相位滞后、相位超前滞后校正等5.3 PID校正方法第七章现代智能控制理论的发展趋势和应用7.1 现代控制理论基本概念及其应用7.2 智能控制理论方法及其发展趋势上机一Matlab计算基础Matlab 界面与定义，数值计算，逻辑计算，矩阵运算，符号运算，复数和复变函数运算， Laplace 变换等在典型机电系统中的应用。

上机二Simulink 仿真基础Simulink 建模仿真，功能模块处理，仿真器参数设置， S 函数设置与典型机电控制系统的应用等。

上机三控制系统数学模型Simulink 中的控制系统模型表示，系统数学模型的转换与连接。

上机四时域分析法及应用时域响应性能指标求取，二阶系统参数对时域响应性能的影响， LTIViewer 应用，稳定性分析上机五根轨迹法根轨迹分析相关的MATLAB函数，根轨迹分析与设计工具 rltool ，利用MATLAB绘制根轨迹图，正反馈系统的根轨迹，参数根轨迹，时滞系统的根轨迹，用根轨迹法分析系统的瞬态特性，控制系统的根轨迹法校正。

上机六频域分析与PID 校正系统的 Bode 图 Nyquist 图画法，系统的频率响应分析与稳定性分析，应用 MATLAB/Simulink 设计 PID控制器。

实验一：基于直流伺服电机的旋转运动控制与校正实验实验二：基于比例电磁铁的直线运动控制与校正实验1.查阅中英文文献，撰写关于机器人智能控制理论现状及其未来发展趋势的课程报告，并做 PPT进行简要汇报。

（此内容每届需更新）1、掌握用 Matlab 进行一般数值计算的方法。

2、利用 Matlab 软件对弹簧 - 质量 - 阻尼等二阶机械系统特性进行分析。

学会使用 Simulink 搭建弹簧 - 质量 - 阻尼、机械传动等控制系统结构图，并在不同仿真条件下观察系统的稳定性。

学会在 Simulink环境下建立弹簧- 质量-阻尼、机械传动、机床切削过程等控制系统数学模型。

1. 学会用 Matlab 函数和 LTI Viewer 分析一阶弹簧 - 阻尼系统、二阶机械平移、转动系统的时域特性，并对系统的响应时间、超调量等参数进行分析。

2.针对球杆系统、倒立摆系统、带弹簧的直线伺服电机系统等建立数学模型，并转换成传递函数，通过 Simulink 对系统特性进行分析。

1.学会用 Matlab 及其 rltool 工具对机械一阶、二阶控制系统进行根轨迹分析与校正。

2.对球杆系统、倒立摆系统、带弹簧的直线伺服电机系统等系统分析其根轨迹特性，确定控制参数。

1.学会用 Matlab 中函数对系统的频率响应进行分析，学会 PID 控制器设计与参数整定；2.并在 simulink 对 PID 等控制算法设计的参数对系统进行校正仿真1.通过对直流伺服电机进行建模，通过Matlab 对模型进行分析，掌握直流伺服电机控制系统的时域与频域特征；2.通过编程和仿真综合实验装置，观察和分析不同参数的频率特性，掌握PID参数的整定方法；3.掌握直流伺服电机控制系统的校正方法，分析不同 PID 参数与电机控制系统性能的关系。

1.掌握比例电磁铁控制系统的时域与频域特征；2.通过编程和仿真综合实验装置，观察和分析不同参数的频率特性，掌握 PID 参数的整定方法；4讲授34上机24上机22上机1、22上机1、24上机1、24上机22（ 4）实验1、2、 32（ 4）实验1、2、 3实验三：基于直线伺服电机的控制与校正实验3.掌握比例电磁铁控制系统的校正方法，分析 PID 参数与比例电磁铁控制系统性能的关系。

1.建立直线伺服电机、弹簧系统的数学模型，通过Matlab 等软件对直线伺服电机系统进行分析，掌握直线伺服电机系统的时域与频域特征；2.通过编程和仿真综合实验装置，观察16和分析不同参数的频率特性，4（ 8）实验1、2、 3并根据根轨迹方法确定球杆系统的调整参数；3.掌握直线伺服电机控制系统的校正方法，分析 PID 参数与直线伺服电机控制系统性能的关系。

实验四：基于直流伺服电机的球杆 1. 建立球杆系统的数学模型，通过控制与校正实验Matlab 等软件对球杆系统进行分析，掌握球杆位置控制系统的时域与频域特征；2. 通过编程和仿真综合实验装置，观察和分析不同参数的频率特性，并根据根17轨迹方法确定球杆系统的调整参数，4（ 8）实验1、2、 3明；3. 掌握在 Simulink 实时控制系统中，球杆位置控制系统的校正方法，通过对比球杆系统的仿真结果与球杆位置控制系统，分析 PID 参数与控制系统性能之间关系。

实验五：基于倒立摆系统的控制与 1. 建立倒立摆系统的数学模型，通过校正系统Matlab 等软件对倒立摆系统进行分析，掌握倒立摆系统的时域与频域特征；2. 通过编程和仿真综合实验装置，观察18和分析不同参数的频率特性，并根据根1、2、 3轨迹方法确定球杆系统的调整参数；4（ 8）实验3.掌握在 Simulink 实时控制系统中，倒立摆系统的校正方法，通过对比倒立摆系统的仿真结果与实时控制系统，分析PID 参数与控制系统性能之间关系。

备注：（1）实验室提供以上 5 个大综合实验条件，要求学生自由选择其中 4 个；（2）学生 4-5 人一组自由组合。

每个综合实验 1 个组长 4 个组员，由组长协调组员的分工；第 2 个综合实验换1 个组长，新组长协调组员完成新的综合实验。

（3）对于每个综合实验，2-4学时课内、4-8学时课外。

（4）综合实验完成后除了提交实验报告外，还需准备PPT 进行答辩。

每组答辩总时间20 分钟，每个小组由2个人分别汇报每个综合实验完成情况，每人汇报7分钟， 2人共14 分钟，教师提问 6 分钟。