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1、高纲1182江苏省高等教育自学考试大纲 27481控制工程基础南京理工大学编江苏省高等教育自学考试委员会办公室一、课程性质及其设置目的与要求（一）课程性质和特点控制工程基础课程是江苏省高等教育自学考试电子工程专业本科段的必修的专业基础课，该课程是电子工程专业课程体系中的骨干课程之一。控制工程基础知识在各个领域都有着广泛的应用，如航空航天系统、现代交通运输系统、管理决策系统、生产控制系统、机械控制系统、国防武器系统等等，是人们开发、利用信息传递以支持组织自动化生产，开发自动控制设备，是一门能极大地促进了现代社会组织的变革、推进了社会现代化进程、提高了组织自身素质与竞争能力的科学。随着自动控制技术
2、不断发展，自动控制技术这支利剑必须切实瞄准各行各业的业务需求这个目标，做到有的放矢，才能真正发挥作用。控制工程基础这门课程的任务就是利用自动控制的理论及思想，结合具体实际情况，帮助学生掌握分析控制系统的性能及设计控制器的基本方法，从而提高学生理论水平，锻炼他们进行系统开发的能力，为将来从事实际工作奠定坚实的基础。控制工程基础是一门系统性很强的应用型课程，是以讲解控制系统分析、设计及提高系统性能为主要内容，引导学生利用应用数学、力学、电子工程学等知识，不断深入理解控制工程相关知识、灵活运用知识的一门科学。课程具有较强的理论性，学生通过具体的机械及电子控制系统的专门学习，在树立清晰的系统意识的基础
3、上，掌握控制系统性能分析与系统设计的各种方法。通过本课程的学习，学生不仅可以增强自学能力和独立研究能力，而且提高自身的开发能力，成为具备较强的研究能力、创新能力和驾驭现代化控制技术能力的复合型人才。（二）本课程的基本要求通过本课程的学习，应达到如下要求：1以机械运动作为主要控制对象，重点掌握数学模型及分析的基本思想和方法。熟练掌握典型系统（特别是一阶系统、二阶系统）的时域和频域特性；2重点掌握线性系统的性能指标的定义及意义，以及相应的求取思想和基本方法；3重点掌握自动控制系统的稳定性的概念和常用的判定方法，能熟练应用基本的判定方法判别系统的稳定性；4熟练掌握在典型输入信号作用下，系统的响应；4
4、熟练掌握控制系统建模的基本方法及模型简化的基本手段；5掌握控制系统传递函数的概念，深刻理解传递函数性质及物理意义；6掌握控制系统的设计思想和基本的方法；7对基本的校正装置的作用有所了解。（三）本课程与相关课程的联系本课程的前修课程是高等数学、力学、电工、电子线路等，须具备有一定的电子工程基础知识，以便能顺利掌握机械系统、电子工程中的数学模型的建立以及所需的运算工具。二、课程内容与考核目标第一章 概论一、课程内容本章主要介绍了控制理论发展过程及在工程上的应用；自动控制系统的基本概念；控制理论在机械制造工业中的应用；课程的整体安排。二、学习目的与要求通过本章的学习使学生走进控制工程领域，了解控制理
5、论在工程中的应用发展现状，了解自动控制理论在机械制造工业中的一些具体应用，了解本课程学习的知识结构和安排，掌握控制系统的基本概念。三、考核知识点与考核要求（一）领会控制理论的发展过程，及在发展各阶段的主要特点。（二）熟练掌握自动控制系统的基本概念：1自动控制系统的工作原理；2.开环控制；3.闭环控制；4.反馈控制系统基本组成及组成的元件；5.自动控制系统的基本类型；6.对控制系统的基本要求。（三）领会控制理论在机械制造工业中的应用：1.离心调速器；2.机器人关节司服系统；3.三坐标数控机床；4.六自由度工业机器人；5.感应导线式自动导引车；6.柔性制造系统。（四）掌握本课程的基本要求。第二章
6、控制系统的动态数学模型一、课程内容本章主要介绍：（一）基本环节数学模型1质量弹簧阻尼系统应用牛顿第二定律建立质量弹簧阻尼系统的运动微分方程。2电路网络应用基尔霍夫定律和区姆定律建立电路网络系统的微分方程。3电动机应用力学、电学方面定律建立电枢控制式直流电动机的数学模型。（二）数学模型的线性化1各类非线性现象。2系统线性化处理的方法。（三）拉氏变换及反变换1拉氏变换定义2简单函数的拉氏变换（1）单位阶跃函数；（2）指数函数；（3）正弦函数和余弦函数。（4）幂函数。3拉氏变换的性质（1）叠加原理；（2）微分定理；（3）积分定理；（4）衰减定理；（5）延时定理；（6）初值定理；（7）终值定理；（8）
7、时间比例尺改变的象函数；（9）tx(t)的象函数；（10）x(t)/t的拉氏变换；(11)周期函数的象函数；(12)卷积分的象函数。4拉氏反变换（1）只含不同单极点的情况；（2）含共轭复数极点的情况；（3）含多重极点的情况。5用拉氏变换解常系数线性微分方程（四） 传递函数以及典型环节的传递函数1比例环节2一阶惯性环节3微分环节（1）理想微分环节；（2）近似微分环节。4积分环节5二阶振荡环节（五）系统函数方块图及其简化1方块图单元；2比较点；3引出点；4串联；5并联；6反馈；7方块图变换法则；8方块图简化。（六）系统信号流图及梅逊公式1信号流图的表示方法。2梅逊公式。（七）受控机械对象数学模型1
8、高谐振频率；2高刚度；3适当阻尼；4低转动惯量。（八）绘制实际物理系统的函数方块图1各种典型机械系统的传递函数。2各种电网络及电气系统的传递函数。*（九）控制系统数学模型的MATLAB实现*（十）状态空间方程基本概念二、学习目的与要求通过本章学习明确为了分析、研究机械电子工程系统的动态特性，或对它们进行控制，最重要的一步首先是建立系统的数学模型，明确数学模型的含义，掌握采用解析方法建立一些简单机、电系统的数学模型。 明确拉普拉斯（简称拉氏）变换是分析研究线性动态系统的有力工具，通过拉氏变换将时域的微分方程变换为复数域的代数方程，掌握拉氏变换的定义，用定义求常用函数的拉氏变换，会查拉氏变换表，掌
9、握拉氏变换的重要性质及其应用，掌握用部分分式法求拉氏变换的方法以及了解用拉氏变换求解线性微分方程的方法。掌握传递函数定义、特点及推导方法，方块图及其简化法则。了解信号流程图及梅逊公式的应用，以及数学模型、传递函数、方块图和信号流程图之间的关系。三、考核知识点与考核要求（一）数学模型的概念：1熟练掌握数学模型的含义；2熟练掌握线性系统含义及其最重要的特征可以运用叠加原理；3熟练掌握线性定常系统和线性时变系统的点义；4领会非线性系统的定义及其线性化方法。（二）系统微分方程的建立：1、掌握对于机械系统运用牛顿第二定律建立运动微分方程式；2、掌握对于电气系统运用基尔霍夫定律建立微分方程式。（三）熟练掌
10、握拉氏变换与拉氏反变换定义：（四）熟练掌握典型时间函数的拉氏变换：1、单位阶跃函数的拉氏变换；2、指数函数的拉氏变换；3、正弦函数和余弦函数的拉氏变换；4、幂函数的拉氏变换。（五）掌握拉氏变换的性质1、熟练掌握叠加原理；2、熟练掌握微分定理；3、熟练掌握积分定理；4、衰减定理；5、延进定理；6、熟练掌握初值定理；7、熟练掌握终值定理；8、时间比例尺改变的象函数；9、tx(t)的象函数；10、x(t)/t的拉氏变换；11、周期函数的象函数；12、卷积分的象函数。（六）掌握拉氏反变换1、拉氏反变换2、拉氏反变换的部分分式法：无重极点和有重极点的情况。（七）熟练掌握用拉氏变换解常微分方程：（八）熟练
11、掌握传递函数：1、传递函数的定义；2、传递函数的主要特点。（九）熟练掌握方块图及系统的构成：1方块图表示方法及其构成；2系统的构成：（1）串联环节的构成及计算；（2）并联环节的构成及计算;(3) 反馈环节的构成及计算；（4）误差传递函数、前向通道传递函数、闭环传递函数、反馈通道传递函数和开环传递函数的定义及计算。3方块图的简化；4画系统方块图及求传递函数步骤。（十）掌握信号流图与梅逊公式；1信号流图表示方法及其成；2信号流统与方块图之间的关系；3梅隶公式的应用。（十一）掌握受控机械对象的数学模型：1 高谐振频率；2 高刚度；3 适当阻尼；4 低转动惯量。（十二）掌握实际物理系统的传递函数方块图
12、：1 各种机械系统的传递函数；2 各种电网络及电气系统的传递函数。第三章 时域瞬态响应分析一、课程内容（一）时域响应以及典型输入信号1时域响应的含义：（1）瞬态响应的含义；（2）稳态响应当含义。2典型输入信号的概念：（1）选择典型输入信号的好处；（2）常见的典型输入信号。阶跃函数、斜坡函数、加速度函数、脉冲函数、正弦函数（二）一阶系统的瞬态响应1一阶系统的单位阶跃响应。2一阶系统的单位斜坡响应。3一阶系统的单位脉冲响应。（三）二阶系统的瞬态响应1二阶系统的单位阶跃响应：（1）欠阻尼情况；（2）临界阻尼情况；（3）过阻尼情况；（4）零阻尼情况；（5）负阻尼情况。2二阶系统的单位脉冲响应：（1）欠
13、阻尼情况；（2）临界阻尼情况；（3）过阻尼情况。3二阶系统的单位斜坡响应：（1）欠阻尼情况；（2）临界阻尼情况；（3）过阻尼情况。（四）时域分析性能指标瞬态响应性能指标包括：1 上升时间；2 峰值时间；3 最大超调量；4 调整时间。（五）高阶系统的瞬间响应1主导极点的概念；2偶极子的概念。*（六）借助MATLAB进行系统时间响应分析（七）机电系统时域瞬态响应的实验方法二、学习目的与要求通过本章学习，明确一个系统在建立了系统的数学模型（包括微分方程和传递函数）之后，就可以采用不同的方法来分析和研究系统的动态性能，时域分析是重要的方法之一。明确系统在外加作用激励下，根据所描述系统的数学模型，求出系
14、统的输出量随时间变化的规律，并由此确定系统的性能，明确系统的时间响应及其组成，脉冲响应函数的概念，掌握一阶、二阶系统的典型时间响应和高阶系统的时间响应以及主导极点的概念。三、考核知识点与考核要求（一）熟练掌握时间响应：1时间响应的概念；2瞬态响应和稳态响应的定义。（二）熟练掌握脉冲响应函数：1脉冲响应函数的定义；2脉冲响应函数与传递函数的关系；3如何利用脉冲响应函数求系统在任意输入下的响应。（三）熟练掌握一阶系统的时间响应：1一阶系统的传递函数及其增益和时间常数的计算；2一阶系统的单位脉冲响应函数的计算；3一阶系统的单位阶跃响应函数的计算；4一阶系统的单位斜坡响应函数的计算。（四）二阶系统的时间响应：1熟练掌握二阶系统的传递函数及其无阻尼自然频率、有阻尼自然频率和阻尼比的计算；2熟练掌握二阶系统特征方程；3熟练掌握二阶系统特征方程根的分布；4熟练掌握欠阻尼下的单位阶跃响应计算；5掌握临界阻尼下的单位阶跃响应；6掌握过阻尼下的单位阶跃响应；7掌握阻尼比、无阻尼自然频率与响应曲线的关系；8掌握不同阻尼比下的单位脉冲响应。（五）领会高阶系统的时间响应1主导极
