《控制工程基础》课程实验教学大纲
课程性质：非独立设课
课程属性：专业基础课
适用专业：机械与动力类专业机电一体化方向
学 时：总学时 50 实验学时 6
开出时间： 三 年级 一 学期
综合性、设计性实验项目数： 3 个 6 学时
编写人： 张桂菊 审定人： 赵小林
一、课程简介
《控制工程基础》是机械与动力类专业的专业基础课。该课程是分析机械工程动力学系统的理论工具和方法论。实验教学是本课程的一个重要教学环节。通过本课程设置的系统动态性能模拟实验，使同学们深入理解机械动力学系统有关参数对系统动态特性的影响，深入掌握机械动力学动态特性的基本概念、基本理论和基本方法，学习有关仪器使用的基本技能。通过实验增强对课程内容的进一步理解、认识和综合应用，培养学生的动手能力、设计能力和应用能力。
二、实验教学目的及要求
1、实验教学目的
实验是教学中最重要的实践环节，对学生巩固课堂所学理论知识、提高学生综合分析问题和解决问题的能力、培养学生观察和动手实践的能力等都具有重要意义。
2、实验教学要求
通过“典型环节的时域、频域响应分析”及“控制系统的计算机辅助分析”实验，使学生掌握控制系统的两种分析方法，进一步理解典型环节的特点，在此基础上完成“控制系统的设计及PID控制与调节的综合实验”。 综合实验要求将比较多的基本理论、基本实验技能融会贯通在一个实验中，使实验内容成为综合联系控制理论、电磁学、理论力学、电路、计算机应用等学科。要求学生独立进行分析研究和综合。故在实验前，学生应认真预习实验指导书，明确实验原理、操作方法等具体内容，在实验中自己或与同学共同操作实验、认真作好实验记录，实验后独立完成实验报告。
三、实验项目设置表
|
序 号 |
实验名称 |
实验 学时 |
仪器 套数 |
每套 人数 |
实验 要求 |
实验 类型 |
面向专业 |
|
1 |
控制系统应用软件学习使用及典型控制系统建模分析 |
2 |
1 |
30 |
必修 |
综合 |
机械与动力 |
|
2 |
一、二阶系统时域特性分析 |
2 |
1 |
30 |
必修 |
综合 |
机械与动力 |
|
3 |
控制系统频域特性分析 |
2 |
1 |
30 |
必修 |
综合 |
机械与动力 |
|
4 |
控制系统稳定性仿真 |
2 |
1 |
30 |
选做 |
综合 |
机械与动力 |
|
5 |
控制系统校正及PID仿真 |
2 |
1 |
30 |
选做 |
综合 |
机械与动力 |
四、考核方法与评分标准
根据学生的实验预习情况；正确使用实验仪器及设备情况；实验纪律、实验动手能力及实验报告结果；进行综合评定，满分10分。
五、教材或指导书
1、推荐教材
王积伟主编，《控制工程基础》，高等教育出版社，2001
2、指导书
自编，《控制工程基础实验指导书》
六、单项实验的内容和要求
1．控制系统应用软件学习使用及典型控制系统建模分析
实验内容：
（1）了解MATLAB的强大功能、使用范围与特点，正确理解并掌握MATLAB 的基本知识、基本操作，为后续实验的顺利进行打好基础。
（2）掌握SIMULINK 的基本使用方法，了解应用SIMULINK 进行典型控制系统建模、仿真、分析的过程，掌握基于MATLAB/SIMULINK 进行控制系统设计、分析与仿真的方法。
实验要求：
（1）必须进行实验预习，要求认真浏览实验内容，最好能够自己上机独自操作一遍。
(2) 由于后续实验均以本实验为基础，因此实验至关重要，认真学习MATLAB/SIMULINK的基本使用方法。
(3) 由于实验学时有限，而本实验内容多，并且本实验所涉及的仅是MATLAB/SIMULINK的部分内容，所以要求同学们自学，利用课余时间学习MATLAB/SIMULINK的相关知识。
实验设备：
(1) 电脑, 1台/人
(2) MATLAB软件
(3) 打印机
2．一阶、二阶系统时域特性分析
实验内容：
(1) 掌握一阶系统的时域特性，理解时间常数T对系统性能的影响。
(2) 掌握二阶系统的时域特性，理解二阶系统的两个重要参数ξ和ωn 对系统动态特性的影响，并用固高球杆系统进行验证。
(3) 理解二阶系统的性能指标，掌握它们与系统特征参数ξ、ωn 之间的关系。
（4) 了解使用MATLAB/SIMULINKMATLAB 进行时域特性分析的方法。
实验要求：
（1）了解典型输入信号，理解时间响应的概念，理解掌握时间响应分析和性能指标的计算。
（2）对于一阶惯性环节：
1）重点掌握当输入信号为单位阶跃信号时，对应的响应曲线特点；掌握当系统参数T 改变时，对应的响应曲线变化特点，以及对系统的性能的影响。
2）了解当输入信号分别改为单位脉冲信号、单位度信号时，响应曲线的变化情况及特点。
3）通过对实验结果的观察、分析和比较，总结对于同一个系统，当输入信号不同时，对系统的性能的影响。。
（3）对于二阶系统：
1）了解输入信号为单位阶跃信号时，对应的响应曲线的特点及系统参数ξ、ωn改变时（分别取ξ＝0、ξ＝1、ξ>1、0< ξ<1），对应的响应曲线的变化特点及对系统性能的影响。
2）重点掌握欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应曲线，当系统参数ξ、ωn改变时， 系统的性能指标的变化情况；掌握系统性能指标有哪些，各表示系统哪些方面的特性。
3）了解当输入信号改为单位脉冲、单位度信号时，响应曲线的变化情况。
4）通过对实验结果的观察、分析和比较，总结对于同一个系统，当输入信号不同时，对系统的性能的影响。
（4）将实验结果与理论分析的结果进行比较，验证理论的正确性。
（5）将实验数据、图形曲线、性能指标打印出来。
实验设备：
主要仪器设备：
（1）电脑，1台/人
（2）MATLAB软件
（3）打印机
3．控制系统频域特性分析
实验内容：
（1） 加深理解频率特性的概念，掌握系统频率特性的测试原理及方法。
（2） 掌握频率特性的Nyquist图和Bode图的组成原理，熟悉典型环节的Nyquist图和Bode 图的特点及其绘制，了解一般系统的的Nyquist图和Bode图的特点和绘制。
（3）了解MATLAB/SIMULINK，能够根据给出的传递函数运用MATLAB 求出幅相频特性和对数频率特性。
实验要求：
（1）正确理解频率特性的概念，熟悉典型环节的频率特性。
（2）分析开环系统的频率特性，并绘制其开环Nyquist 图和Bode 图，求取剪切频率ω，将实验结果与理论分析计算结果进行比较，验证理论的正确性。
（3）分析单位反馈系统的频率特性，并绘制其Nyquist 图和Bode 图，求取谐振频率ωr 、谐振峰值Mr ，将实验结果与理论分析计算结果进行比较，验证理论的正确性。
（4）了解闭环频率特性与时域性能之间的关系。掌握开环增益K 变化对频率特性的影响，以及对Bode 图的幅频、相频的影响。
（5）对系统的频率特性进行实验验证，掌握系统频率特性的测试原理及方法。
(6) 实验数据、图形曲线、性能指标打印出来。
实验设备：
主要仪器设备：
电脑，1台/人
MATLAB软件
打印机
4．控制系统稳定性仿真
实验内容：
(1) 运用Routh 稳定判据、Nyquist 稳定判据和Bode 稳定判据来判断系统的稳定性。
(2) 研究开环增益K、时间常数T对系统的动态性能及稳定性的影响。
(3) 学会利用零极点图分析系统的稳定性。
(4) 了解相位裕度γ和幅值裕度Kg与系统的相对稳定性的关系及其规律、以及求取的方法。
实验要求：
(1) 实验观测记录与响应曲线。
(2) 观察开环增益K 对系统的稳定性的影响。
(3) 用不同稳定性判据分析系统的稳定性，要求写出判断依据以及推导过程。
(4) 分析开环系统的频率特性，并绘制其开环Nyquist 图和Bode 图，求取剪切频率ωc、相位交界频率ωg、相位裕度γ和幅值裕度K g 、将实验结果与理论分析计算结果进行比较，验证理论的正确性。
(5) 掌握剪切频率ωc、相位交界频率ωg与系统的稳定性的关系及其规律、以及求取的方法。
(6) 了解相位裕度γ和幅值裕度K g 与系统的相对稳定性的关系及其规律、以及求 取的方法。
(7) 所做实验要求独 完成。
实验设备：
主要仪器设备：
(1) 电脑,1台/人
(2) MATLAB软件
(3) 打印机
5．控制系统校正及PID仿真
实验内容：
(1) 熟悉超前、滞后和超前——滞后网络的特性。
(2) 理解基于频率法进行串联校正的基本概念，掌握基于频率法进行超前、滞后和超前——滞后校正的方法。
(3) 了解控制系统的设计和校正原理，给定原系统，能分析出系统参数，设计串联校正装置，使系统满足一定性能指标，观察校正前后系统动态特性的变化,了解校正装置对系统性能的影响，掌握控制系统分析和校正方法。
(4) 掌握P、PD、PID 控制器的控制原理和实际应用，及对球杆系统的控制效果。
(5) 了解在Matlab Simulink 环境下进行实时控制的原理和方法。
实验要求：
(1) 明确实验目的，实验原理及数据。
(2) 说明各校正装置的作用，画出各校正的幅相频特性。
(3) 对实验现象进行分析讨论 。
实验设备：
主要仪器设备：
电脑,1台/人
MATLAB软件
打印机