自动控制原理课程教学大纲

物理电子工程学院《自动控制原理》课程教学大纲课程编号：04210164课程性质：专业必修课先修课程：高等数学、函数变换、模拟电路、电路分析总学时数：76学分：4适合专业：电子信息工程、机械与电子工程、机械自动化、电器自动化、通信、包装工程等专业(一)课程教学目标自动控制理论是电子信息科学与技术专业的一门重要的专业基础课程。它侧重于理论角度，系统地阐述了自动控制科学和技术领域的基本概念和基本规律，介绍了自动控制技术从建模分析到应用设计的各种思想和方法，内容十分丰富。通过自动控制理论的教学，应使学生全面系统地掌握自动控制技术领域的基本概念、基本规律和基本分析与设计方法，以便将来胜任实际工作，具有从事相关工程和技术工作的基本素质，同时具有一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力。(二)课程的目的与任务本课程是电子通信工程、机电一体化、包装工程等专业、工科及相关理科的必修基础课程。通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基础理论，并具有对简单连续系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能力，为专业课学习和参加控制工程实践打下必要的基础。学生将掌握自动控制系统分析与设计等方面的基本方法，如控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、状态空间分析法、采样控制系统的分析等基本方法等。为各类计算机控制系统设计打好基础。(三)理论教学的基本要求1、熟练掌握自动控制的概念、基本控制方式及特点、对控制系统性能的基本要求。2、熟练掌握典型环节的传递函数、结构图化简或梅森公式以及控制系统传递函数的建立和表示方法，初步掌握小偏差线性化方法和通过机理分析建立数学模型的方法。3、熟练掌握暂态性能指标、劳思判据、稳态误差、终值定理和稳定性的概念以及利用这些概念对二阶系统性能的分析，初步掌握高阶系统分析方法、主导极点的概念。4、熟练掌握根轨迹的概念和绘制法则，并能利用根轨迹对系统性能进行分析，初步掌握偶极子的概念以及添加零极点对系统性能的影响。5、熟练掌握频率特性的概念、开环系统频率特性Nyquist图和Bode图的画法和奈氏判据，掌握绝对稳定系统、条件稳定系统、最小相位系统、非最小相位系统、稳定裕量、频域性能指标的概念，以及频率特性与系统性能的关系。6、熟练掌握校正的基本概念、基本校正方式和反馈校正的作用，初步掌握复合校正的概念和以串联校正为主的频率响应综合法，了解以串联校正为主的根轨迹综合法，掌握常用校正装置及其作用。(四)教学学时分配数章次各章名称总学时学时分配讲课实验上机课外小计一自动控制的一般概念22二自动控制系统的数学模型1212三时域分析法1414四根轨迹法1010五频率域方法1212六控制系统的校正1010七非线性系统分析1010八系统采样理论66总计7676(五)大纲内容第一章自动控制的一般概念1、教学目的:掌握自动控制系统组成结构和基本要素，理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求，了解一些实际自动控制系统的控制原理。2、基本要求：掌握基本概念：自动控制、反馈、控制系统的构成。要求初步了解如何由系统原理图形成系统的原理方块图及判别控制方式的方法。要求初步了解本门课程的意义与作用。3、教学提示：透彻分析自动控制系统的反馈原理。4、教学内容：a、自动控制的任务b、自动控制的基本方式c、对控制系统的性能要求5、教学重点与难点：重点：基本控制方式及特点；对控制系统性能的基本要求难点：建立元件方块图的方法；自动控制系统实例6、小结：本章内容包括自动控制的定义、基本控制方式及特点，对控制系统性能的基本要求，建立元件方块图的方法，自动控制系统的分类，自动控制系统实例。7、作业：1-1、1-2、1-3第二章自动控制系统的数学模型1、教学目的：掌握传递函数及动态结构图的概念、意义、求取方法和简化方法；理解自动控制系统的建模方法和步骤；了解非线性微分方程的线性化方法。2、基本要求：掌握基本概念：传递函数及动态结构图。掌握求传递函数基本方法：结构图的变换。3、教学内容：a、自动控制系统微分方程的建立b、非线性微分方程的线性化c、传递函数d、动态结构图e、系统的脉冲响应函数f、典型反馈系统的传递函数4、教学提示：着重阐明拉普拉斯变换与传递函数、动态结构图的关系。5、教学重点与难点：重点：典型环节及其传递函数；信流图和梅森公式难点：拉氏变换；小偏差线性化6、小结：典型环节及其传递函数、结构图及化简、信流图和梅森公式，控制系统传递函数的表示方法，小偏差线性化，分析建模法。7、作业：2-4、2-8、2-12、1-15。第三章时域分析法1、教学目的:掌握系统微分方程的拉普拉斯变换解法及判定系统稳定性赫尔维茨判据、林纳德判据、劳思判据，理解针对一阶和二阶系统的分析计算以及稳态误差的分析计算，了解改善系统响应的措施。2、基本要求：掌握基本概念：典型响应、渐近稳定性及时域性能指标、稳态误差。3、教学内容a、时域分析介绍b、一阶和二阶系统分析与计算c、系统稳定性分析d、稳态误差分析及计算4、教学提示：一、二阶系统的时间响应，暂态性能指标，主导极点的概念，稳定性概念，劳思判据，稳态误差及终值定理。着重阐明稳定性判据和稳态误差计算。5、教学重点与难点重点：一、二阶系统的时间响应；稳定性概念；稳态误差难点：稳态误差的分析和计算6、小结：掌握基本方法：一、二阶系统性能指标的计算和参数选择；系统稳定性和稳态误差的分析和计算。典型响应以阶跃响应为主。7、作业：3-2、3-10、3-15、3-25第四章根轨迹1、教学目的:掌握根轨迹概念、闭环零极点与开环零极点的关系，理解绘制根轨迹的基本法则及其应用，了解系统闭环零极点分布与阶跃响应的关系。2、教学要求掌握基本概念：根轨迹、零极点、主导极点、偶极子。掌握基本方法：根轨迹草图的绘制。掌握基本规律：根轨迹方程及其应用；零极点分布与阶跃响应的关系。3、教学内容a、根轨迹与根轨迹方程b、绘制根轨迹的基本法则c、广义根轨迹d、系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系e、系统阶跃响应的根轨迹分析4、教学提示:着重阐述根轨迹基本法则及其应用。5、教学重点与难点：重点：根轨迹的概念、原理、绘制法则难点：利用根轨迹对系统性能的分析6、小结、基本知识点：根轨迹的概念、原理、绘制法则，利用根轨迹对系统性能的分析，偶极子和主导极点的概念、添加零极点对系统性能的影响。7、作业：４-2、4-7、4-11、4-14、4-19第五章频率域方法1、教学目的：掌握系统频率特性概念、一些典型环节的频率特性以及系统开环频率特性曲线的绘制方法，并掌握频率稳定性判据。理解稳定欲度以及系统闭环、开环频率特性与阶跃响应的关系。2、教学基本要求：掌握基本概念：频率特性、峰值、频带、截止频率、稳定裕度、三频段。掌握基本方法、环节及开环系统对数频率特性曲线的绘制、稳定性的判别及裕度的计算。掌握基本原理：稳定判据、频率特性和时域响应的关系。要明确单反馈的最小相位与非最小相位在计算中的差别。3、教学内容a、频率特性b、典型环节的频率特性c、系统开环频率特性d、频率稳定性判据e、系统闭环频率特性与阶跃响应的关系f、系统开环频率特性与阶跃响应的关系4、教法提示：着重讲解傅立叶变换与频率特性的联系以及频率特性的求法。5、教学重点与难点重点：频率特性的概念；典型环节频率特性；开环频率特性Nyquist图和Bode图的绘制难点：奈氏判据6、小结：基本知识点：频率特性的概念，典型环节频率特性，最小相位系统，非最小相位系统，开环频率特性Nyquist图和Bode图的绘制，奈氏判据，稳定裕量，频域性能指标，频率特性与系统性能的关系。7、作业：5-1、5-6、5-13、5-16、5-20、5-26第六章控制系统的校正1、教学目标：理解系统校正和设计概念，掌握系统校正的基本方式和方法。2、教学基本要求：掌握基本概念：串联(超前、滞后、PID)、反馈及复合校正的特性及其作用。掌握基本方法：串联校正计算的对数频率法(二阶最佳模型法)校正器参数的计算。3、教学内容a、系统校正设计基础b、串联校正c、串联校正的理论设计方法d、反馈校正e、复合校正4、教法提示：重点阐明串联校正及其各种方法。5、教学重点与难点重点：校正的基本概念；基本校正方式难点：各种校正方式对系统性能的影响。6、小结：基本知识点：校正的基本概念，常用校正装置及作用，基本校正方式，以串联校正为主的频率响应综合法和根轨迹综合法，反馈校正的作用，复合校正的概念。7、作业：6-2、6-5、6-11、6-16、6-18第七章非线性系统分析1、教学目标：掌握相平面法和描述函数法，掌握相平面结构和奇点类型，了解非线性系统的稳定性分析方法。2、教学基本要求：掌握基本概念：串联(超前、滞后、PID)、反馈及复合校正的特性及其作用。掌握基本方法：串联校正计算的对数频率法(二阶最佳模型法)校正器参数的计算。3、教学内容a、非线性问题概述b、常见非线性因素对系统运动特性的影响c、相平面法基础d、非线性系统的相轨迹分析e、描述函数f、用描述函数法分析非线性系统4、教法提示：着重阐明相平面法和描述函数法及其应用。5、教学重点与难点：常见非线性因素对系统运动特性的影响、非线性系统的相轨迹分析、用描述函数法分析非线性系统。6、小结：本章主要介绍工程上常用的相平面法和描述函数法，并通过这两种方法揭示非线性系统的一些出别于线性系统的现象。7、作业：6-2、6-5、6-11、6-16、6-18第八章系统采样理1、教学目的：理解采样过程、采样定理以及脉冲传递函数的意义、掌握Z变换及其反变换方法，并能对采样系统进行性能分析和数字校正。2、教学基本要求：学习数字系统的数学模型、分析与设计方法，重点掌握差分方程和脉冲传递函数数学模型，主要掌握数字控制系统的分析，学会模拟控制器的数值化方法。3、教学内容a、采样过程和采样定理b、信号的恢复和零阶保持器c、Z变换及其反变换d、脉冲传递函数e、采样系统的性能分析f、采样系统的数字校正4、教法提示：重点讲明采样过程分析和Z变换及其反变换方法。5、教学重点和难点教学重点：采样过程与采样定理，信号保持，Z变换及Z反变换。教学难点：开环及闭环脉冲传递函数，采样系统的性能分析。6、小结：概述。采样过程及采样定理。Ｚ变换。脉冲传递函数。采样系统时域分析。*采样系统根轨迹法。采样系统的稳态误差。7、作业：7-2、7-6、7-11、15、7-16(六)课程有关说明本课程的先修课程主要有高等数学、复变函数与积分变换、信号与系统、模拟电子线路和电路分析基础等。本课程的很多内容都与信号与系统有联系，是信号与系统的主要后续课程之一。所以，与信号与系统课程有重复的内容可以只做简要讲解，以突出重点。该课程是自动化专业最重要的专业基础课之一，也是其他专业的选修课程，学习一定要紧密结合工程背景，通过多练习有助于学生掌握课程内容，希望每章后多布置习题给同学们练习。这门课是“自动控制原理实验课”的理论基础，因而该课要覆盖实验课所要用到的理论知识，而通过实验课则能帮助学生更好的掌握课程内容，加深对理论知识的理解，建立自动控制系统框架。该课程由于学时限制，数字控制系统与非线性系统理论的内容学生只有通过初步自学与老师辅导相结合，进一步深入可通过后续课程《计算机控制系统》和研究生课程《非线性系统》来学习和提高。(七)主要教学方法与媒体要求传统教学与多媒体教学相结合；matlab数学应用软件与相应的自动控制实验装置。(八)使用教材及主要参考书本课程的使用教材：程鹏.自动控制原理[M].北京：高等教育出版社，2003.可供参考的教材：[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2001.[2]蒋大明等.自动控制原理[M].北京：清华大学出版社/北方交通大学出版社，2003.[3]翁思义等.自动控制原理[M].北京：中国电力出版社，2001.[4]周其节等.自动控制原理[M].广州：华南理工大学出版社，1996.[5][美]KatsuhikoOgata著卢伯英,于海勋等译.现代控制工程(第四版)[M].北京：电子工业出版社，2003.(九)推荐的教学网站和相关专业文献网站