课程编号

01021089

课程名称

（英文名称）

材料成型控制工程基础

Material forming control engineering foundation

课程性质

控制工程基础是自动控制理论的基础，是学生学习专业课以及进行控制系统工程设计的基础，是机械设计制造及其自动化专业学生必修的专业基础课程。

学分/学时

2学分 /28+4学时

开课学期

第五学期

开课单位

机械工程学院

适用专业

机械设计制造及其自动化、材料成型及控制工程

先修课程

高等数学A、大学物理B、理论力学A、电工电子学A等

后续课程

工业机器人、控制类综合实验、毕业设计

教材及参考书

[1]董景新等.控制工程基础.北京:清华大学出版社．2015.1

[2]王积伟,吴振顺.控制工程基础.北京:高等教育出版社.2010.5

[3]王益群,孔祥东.控制工程基础.北京:机械工业出版社.2011.5

[4]杨叔子,杨克冲等.机械工程控制基础.武汉:华中科技大学出版社.2011.5

[5]袁德成,王玉德.自动控制原理.北京:北京大学出版社.2015.2

课程简介

材料成型控制工程基础是材料成型及控制工程专业的一门主要技术基础课程。其目的是使学生了解自动控制系统的基本结构和工作原理，掌握分析系统性能的基本方法，学习设计和系统的基本方法，培养学生分析问题与解决问题的能力，为进一步学习专业课以及毕业后从事专业工作打下必要的基础。

1课程目标

  1.掌握控制理论的基本概念及有关基本术语和定义，理解机械控制工程研究的对象和研究方法，具备将控制工程基础理论知识应用于机械工程领域复杂工程问题的描述和解释的能力。了解相关技术和产品的发展史，增强社会责任感，激发学生动力。

  2. 掌握经典控制论的基本原理、基本方法，训练分析研究机械工程中有关信息的传递、反馈及控制的能力；培养一般控制系统的分析和设计能力，并具备通过文献查阅、分析或实验、实践等手段对不同系统方案的合理性与局限性作出客观比较与评价的能力。

  3. 掌握常用的机电一体化的新技术和新方法，具备确定机械系统、机电系统控制子系统的设计目标和任务的分析能力。

考核方式

本门课程依据全程监控的理念进行考核。

在考核学生对自动控制的基本知识、基础理论和基本方法掌握程度的基础上，重点考核学生对控制系统的数学模型建立与性能分析的掌握程度、运用所学知识分析问题、解决问题的能力。

考核方式：采用平时成绩和课程考试相结合的形式对学生课程成绩进行综合评定。能力目标达成评价与考核总成绩中，平时成绩占20%、实验成绩占10%，考试占70%。具体评定方法如下：

（1）平时成绩包括课程作业和小论文情况，课程作业考核学生对每节课知识点的复习、理解和掌握程度。知识性的作业题、单元测验题（对应课程目标1）8%；计算、综合性的作业题（对应课程目标2）12%。

小论文分析行业前沿发展，查阅文献资料、整理、分析比较（对应课程目标1）5%；主题部分代表性强、具有科学性和创造性的文献引用和评述，对全文能扼要总结（对应课程目标3）5%。

（2）考试：题型主要以客观题、分析题、计算题、作图题、综合题为主。客观题、分析题共20%，其中（对应课程目标1）15%、（对应课程目标2）5%。

计算题、作图题、综合题共50%。其中（对应课程目标2）40%、（对应课程目标3）10%。

毕业生应具有的知识、能力、素质

1．树立和践行社会主义核心价值观，知识面宽广，具有从事工程工作所需的数学、自然科学、经济管理和材料成型与控制工程基础及专业知识；了解本专业前沿发展现状和趋势。

2．能综合运用所学的数学、力学以及专业相关的知识，充分利用数字化资源对专业相关文献进行分析总结，获得有效结论以解决工程实践中所遇到的问题。

3．具有追求创新的态度和意识；具有综合运用理论和技术手段进行创新设计的能力；在设计中能综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等因素。

4．具有对材料成型与控制工程问题进行实验研究、分析数据、建立模型和分析求解的能力；具有设计工艺、模具和成型设备的能力。

5．掌握运用现代信息技术获取相关信息的基本方法，具有熟练进行机械产品（尤其是模具）的设计、分析和制造，有效解决工程问题的能力。

6．能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价材控专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。

7．能够理解和评价针对材控领域复杂工程问题的专业工程实践对环境、社会可持续发展的影响。

8．具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。

9．能正确理解和把握团队和个人的关系，能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。

10．能够就材控领域复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括能撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。

11．理解并掌握工程项目管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。

12．具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。

课程培养学生的知识、能力、素质

掌握专业基础知识，能应用于机械工程领域复杂工程问题的描述和解释；[1、3、5]

能够通过文献查阅、分析或实验、实践，理解已有解决方案的合理性与局限性，能提出相应的解决方案，对不同方案进行比较、评价；[1、3、5]

能够针对机械工程领域特定需求的复杂工程问题进行分析提炼，确定相应的工程设计目标与任务。[3、5、12]

4 教学内容

及要求

为了适应机械设计制造及其自动化专业人才培养的需要，适应工科类专业人才对机械控制系统设计与研究能力的要求以及自动控制理论的发展与工程的紧密结合，课程按照自动控制的基本概念、基本理论、基本分析方法、工程应用体系组织教学。理论教学课时28学时，实验教学4学时，其中：

内容1：概述（2学时）

了解控制论的发展历史，了解机械控制工程研究的对象和研究方法，掌握控制系统中的基本概念，理解控制系统的组成、分类，理解反馈控制及开环控制，理解自动控制系统稳、准、快三方面的基本要求。

课程思政切入点：控制工程理论发展史、现代大国重器研制；通过国内外产品在控制工程理论应用使产品形成的市场竞争力的比较，既看到我国某些领域的巨大进步和我国发展的后发优势，也认清在高性能装备和软件技术方面与国际先进水平在许多方面还存在较大差距。

思政内容：工匠精神，树立社会主义核心价值观，增强自信心，培养爱国情怀；树立远大志向，勇于社会担当。

切入方式：案例教学（我国在盾构机、大型海上平台、高速列车、大型起重装置、工程机械、汽车制造等方面取得的成就。东芝事件、高精尖装备禁运等）。

内容2：控制系统的动态数学模型（10学时）

了解数学模型、拉氏变换、传递函数和系统方框图的概念，掌握建立系统数学模型的一般步骤，运用动力学、电学及专业知识，列写机械系统、电网络的微分方程，掌握建立系统数学模型的各种方法（包括时域、复数域，解析式、图示式），掌握拉氏变换及反变换定义和性质，掌握传递函数及典型环节传递函数，掌握系统方框图的建立和简化方法，了解微分方程线性化的意义及方法。

内容3：时域瞬态响应分析（4学时）

了解时间响应的概念、组成及常用的典型输入信号，掌握一阶系统的基本参数、时间响应曲线的基本形状及意义，掌握二阶系统的定义和基本参数，掌握二阶系统单位阶跃响应曲线的基本形状及振荡情况与系统阻尼比之间的关系，掌握二阶系统性能指标的定义、计算及其系统特征参数之间的关系。

内容4：系统的频率特性（6学时）

了解系统频率特性的概念，理解频率特性的表示方法，掌握典型环节频率特性的Bode图，掌握典型环节频率特性的Nyquist图。

内容5：频域性能指标分析（2学时）

熟悉Matlab软件，掌握系统频率特性及其性能指标。

内容6：控制系统的稳定性分析（2学时）

掌握系统稳定性的基本概念和系统稳定性的充分必要条件，掌握Routh稳定性判据的必要条件和充要条件，学会应用劳斯判据评定系统是否稳定，对于不稳定的系统，能够指出系统包含不稳定特征根的个数，了解Nyquist稳定性判别法、对数幅频特性的稳定性判据法。

内容7：系统的误差分析和计算（2学时）

掌握稳态误差的基本概念，误差与偏差的关系，静态位置误差系数，稳态误差的计算方法，稳态误差与输入信号及系统类型的关系。

实验部分

实验一 控制系统的稳定性分析实验（2学时）

学习二阶系统阶跃响应测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数；掌握一阶、二阶及高阶控制系统时间响应分析、频率特性分析以及系统稳定性分析。

实验二 频率特性实验（2学时）

研究二阶系统的特征参数，阻尼比和无阻尼自然频率对系统动态性能的影响，定量分析阻尼比和无阻尼自然频率与最大超调量和调节时间之间的关系；改变随动系统的速度品质系数及时间常数，研究其稳定性，并与伯德图的分析结果相比较，进一步掌握频率特性稳定据。

6 教学方法

课程教学以课堂教学、课堂讨论、课外作业、综合习题课、网络答疑以及课外自学等共同实施。

本课程以控制系统的数学模型建立与性能分析为主线，重点讲授数学模型建立、性能分析的各个环节，并结合常用机械系统、电气系统的工程案例分析。通过授课与讨论、提问与小论文等教学手段建立学生的系统概念，借助于典型工程案例分析，对系统数学模型的建立、分析方法进行有效的训练，对经典控制与现代控制予以熟悉，培养学生的工程实践能力、分析与解决问题能力。

本课程的教学将充分利用数字化技术、网络技术制作丰富多彩的教学和辅导材料，调动学习积极性，提高教学效率。本课程注重教与学的过程，采用平时作业、课程考试等多种形式综合考核，并适当参考工程背景强的小论文来锻炼学生的信息收集与分析能力。