自动控制原理课程简介

《自动控制原理》课程简介课程编号：A1620025课程名称：自动控制原理学分/学时：4/64开课学期：第5学期课程类型：专业必修课程课程性质：必修先修课程：《高等数学A(1)》、《高等数学A(2)》、《线性代数》、《电路》、《复变函数与积分变换》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《信号与系统分析》适用专业：自动化考核方式：考试考核形式：大作业、期中测试、实验评估、期末考试等组合形式建议教材：（1）谢克明编著.自动控制原理（第3版）.电子工业出版社,2010年（2）常熟理工学院电气及自动化工程学院自编讲义.自动控制原理实验指导书，校内讲义，2015年内容简介：《自动控制原理》课程是一门研究自动控制系统的基本概念、基本原理和基本分析与设计方法的基础工程课程，本课程主要内容包括自动控制系统建模、自动控制系统分析和自动控制系统设计（校正）三个方面。通过本课程的教学，让学生掌握分析与综合SISO自动控制系统的经典控制理论与方法，并能初步结合实际，分析和设计控制系统，以及在MATLAB与Simulink支持下对控制系统进行计算机辅助分析和设计。为今后进一步深入学习和研究其他控制理论与控制系统设计打下坚实的基础。自动控制原理AutomaticControlTheory课程编号：A1620025学分：4学时：64学时（讲课：56学时实验：8学时实践：0学时）学时：周开课学期：第5学期课程类型：专业必修课程课程性质：必修先修课程：《高等数学A(1)》、《高等数学A(2)》、《线性代数》、《电路》、《复变函数与积分变换》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《信号与系统分析》适用专业：自动化建议教材：（1）谢克明编著.自动控制原理（第3版）.电子工业出版社,2010年（2）常熟理工学院电气及自动化工程学院自编讲义.自动控制原理实验指导书，校内讲义，2015年主要参考书：（1）胡寿松主编.自动控制原理（第5版）.科学出版社.2007年（2）李友善主编.自动控制原理（第3版）.国防工业出版社.2005年（3）富兰克林,鲍威尔主编;李中华，张雨浓译著.自动控制原理与设计.人民邮电出版社.2007年开课学院：电气与自动化工程学院修订日期：2018年9月一、课程说明《自动控制原理》课程是自动化专业学生学习和掌握自动控制系统的基本概念、基本原理和基本分析与设计方法的基础工程课程，它是自动化专业的一门专业必修课程，在第五学期开设。《自动控制原理》课程是自动化专业的一门重要的技术基础课，其特点是知识覆盖面广、内容多、理论性和抽象性都很强，具有一定深度和复杂性，对后续课程影响较大。通过该课程的学习，使学生清晰地建立反馈控制系统的基本概念，初步学会利用自动控制理论的方法来分析、设计自动控制系统，以及在MATLAB与SIMULINK支持下对控制系统进行计算机辅助分析和设计，为后续课程（如现代控制理论，过程控制工程等）的学习提供自动控制系统分析、设计的基本理论和基本方法，掌握必要的基本技能。二、课程学习成果1.了解自动控制技术的发展现状和趋势；掌握与自动控制技术相关的文献检索、资料查询及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法。2.能够对实际的控制系统用系统方框图描述,分析或设计控制系统各个构成环节的硬件电路，并采用电子元器件来搭建、模拟控制系统。（对应毕业要求1.3：能够应用专业知识对自动化工程问题进行软硬件分析与设计。）3.能够针对控制系统分析或设计（校正）的实际需求，通过运用自动控制原理的相关理论知识，选择恰当的数学模型来描述控制系统，并采用解析法或实验法，建立和简化控制系统的数学模型。（对应毕业要求1.4：能够选择恰当的数学模型，用于描述自动化系统或者过程，对模型进行推理和求解。）4.能够运用时域分析方法和频域分析方法对自动控制系统的稳态性能及动态性能进行分析。（对应毕业要求2.1：能识别和判断自动化控制系统、自动化测试系统开发或集成复杂工程问题中的关键环节和参数。）5.掌握线性控制系统的校正方法，能够根据线性控制系统性能指标要求分析、设计或改进系统校正方案。（对应毕业要求1.5：理解系统的概念及其在控制领域的体现，能对自动化控制系统、自动化测试系统开发或集成中的复杂工程问题的解决方案进行分析，并尝试改进。）三、教学内容及基本要求（一）绪论1．课程教学内容（1）本课程的性质、研究对象与方法、目的、任务；（2）开环控制和闭环控制；（3）自动控制系统的组成及术语；（4）自动控制系统的类型；（5）自动控制系统性能的基本要求。2．课程重点、难点重点：自动控制系统的基本控制方式及特点；对自动控制系统性能的基本要求。难点：根据不同自动控制系统的工作示意图，正确分析其工作原理，并画出系统的方框图；建立元件方框图的方法；自动控制系统实例分析。3．课程教学要求了解本课程的性质、研究对象与方法、任务，掌握自动控制、反馈等基本概念，正确理解和掌握负反馈控制原理，了解控制系统的组成与分类、初步了解如何由系统工作示意图形成系统的方框图及判别控制方式的方法。4.课程教学方式整合思维研究、探究式学习、融合学习、基于问题的教学等。（二）线性系统的数学模型1．课程教学内容（1）线性系统的微分方程；（2）微分方程的线性化；（3）传递函数；（4）方框图；（5）信号流图。2．课程重点、难点重点：控制系统数学模型的基本概念、方框图的等效变换、运用Mason公式求传递函数、从不同途径求传递函数的方法。难点：建立控制系统数学模型、利用方框图的等效变换求取传递函数、运用Mason公式求传递函数。3．课程教学要求了解建立系统微分方程的一般方法，牢固掌握传递函数的概念、定义和性质，明确传递函数与微分方程间的关系，能熟练地进行方框图的等效变换，明确方框图与信号流图间的关系，能熟练应用梅森公式求传递函数。4.课程教学方式整合思维研究、探究式学习、融合学习、基于问题的教学等。（三）控制系统的时域分析1．课程教学内容（1）线性定常系统的时域响应；（2）控制系统的时域响应的性能指标；（3）线性定常系统的稳定性；（4）系统的稳态误差；（5）一阶系统的时域响应；（6）二阶系统的时域响应；（7）高阶系统的瞬态响应。2．课程重点、难点重点：时域分析的基本概念、系统动态性能分析、系统的稳定性分析、系统稳态误差计算；难点：时域法分析二阶系统、系统的稳定性分析、系统稳态误差计算。3．课程教学要求能熟练应用代数稳定判据判定系统的稳定性，并进行有关的分析计算；牢固掌握计算稳态误差的一般方法；能熟练确定一阶系统、二阶系统的特征参数及动态性能计算方法。4.课程教学方式整合思维研究、探究式学习、融合学习、基于问题的教学等。（四）控制系统的频域分析1．课程教学内容（1）频率特性；（2）典型环节的频率特性；（3）系统的开环频率特性；（4）奈奎斯特稳定判据；（5）控制系统的相对稳定性；（6）闭环系统的频率特性；（7）用频率特性分析系统品质。2．课程重点、难点重点：频域法的基本概念、绘制Nyquist曲线图及Bode图、稳定判据与稳定裕度、对数频率特性与系统性能的关系。难点：如何绘制Nyquist曲线图及Bode图、运用Nyquist稳定判据与对数稳定判据判断系统的稳定性、稳定裕度的计算。3．课程教学要求理解频率特性的概念和表达方法，掌握典型环节的频率特性，掌握Nyquist曲线图及Bode图的绘制，掌握奈奎斯特稳定判据，掌握各种频域指标的意义并会计算，掌握控制系统频率特性分析方法，了解闭环频率特性。4.课程教学方式整合思维研究、探究式学习、融合学习、基于问题的教学等。（五）控制系统的设计与校正1．课程教学内容（1）校正的基本概念；（2）线性系统的基本控制规律；（3）校正装置及其特性；（4）采用频率设计法进行串联校正；（5）反馈校正；（6）复合校正。2．课程重点、难点重点：校正的基本概念、串联校正装置的设计步骤、控制系统的性能指标；难点：校正网络的选择与参数的确定。3．课程教学要求掌握校正装置的频率特性及其作用，掌握串联(超前、滞后、PID)、反馈及复合校正的特性及其作用。重点掌握串联校正的频率设计法，了解反馈校正、复合校正的设计方法，掌握指标验证方法。4.课程教学方式整合思维研究、探究式学习、融合学习、基于问题的教学等。(六)采样控制系统1．课程教学内容（1）采样系统的基本概念；（2）采样过程与采样定理；（3）采样信号保持器；（4）Z变换；（5）采样系统的数学模型；（6）采样系统的稳定性分析；（7）采样系统的稳态误差；（8）采样系统的暂态响应与脉冲传递函数零、极点分布的关系；（9）采样系统的校正。2．课程重点、难点重点：采样系统的基本概念、采样控制系统分析；难点：分析采样系统的稳定性、计算采样系统的稳态误差。3．课程教学要求了解采样系统与连续系统的区别与联系，理解信号采样过程和采样定理，掌握Z变换、脉冲传递函数、采样系统的稳定性分析、误差分析、理解瞬态响应与极点分布的关系，了解采样系统的频率法校正。4.课程教学方式整合思维研究、探究式学习、融合学习、基于问题的教学等。四、课程学时分配《自动控制原理》根据教学计划规定的学时数，理论课56学时，实验8学时，具体学时分配如下表。课程学时分配表教学内容概要学时教学方式对应课程学习成果讲课实验实践1.绪论（1）本课程的性质、研究对象与方法、目的、任务；（2）开环控制和闭环控制；（3）自动控制系统的组成及术语；（4）自动控制系统的类型；（5）自动控制系统性能的基本要求。4讲授1、3、4、52.线性系统的数学模型（1）线性系统的微分方程；（2）微分方程的线性化；2讲授2、32.线性系统的数学模型（3）传递函数；传递函数的概念、定义和性质；传递函数与微分方程间的关系；典型元部件的传递函数。2讲授2、32.线性系统的数学模型（4）方框图（结构图）；结构图的建立（结构图的概念，结构图的绘制）；结构图的等效变换（结构图的等效变换法则，由结构图的等效变换求传递函数）。3讲授2、32.线性系统的数学模型（5）信号流图。信号流图的概念；信号流图的绘制；梅森增益公式的应用。3讲授33.控制系统的时域分析（1）线性定常系统的时域响应；（2）控制系统的时域响应的性能指标；1讲授43.控制系统的时域分析（3）线性定常系统的稳定性；稳定的概念；代数稳定判据及其应用。3讲授43.控制系统的时域分析（4）系统的稳态误差；误差及稳态误差的概念；线性系统的稳态误差计算。2讲授43.控制系统的时域分析（5）一阶系统的时域响应；一阶系统的时间响应；一阶系统的动态性能分析。1讲授43.控制系统的时域分析（6）二阶系统的时域响应；二阶系统的时间响应；二阶系统的动态性能分析。2讲授43.控制系统的时域分析（7）高阶系统的瞬态响应。高阶系统的时间响应；高阶系统的动态性能分析。1讲授43.控制系统的时域分析控制系统典型环节的模拟2实验2、3、43.控制系统的时域分析二阶系统的瞬态响应分析2实验2、3、44.控制系统的频域分析（1）频率特性；频率响应与频率特性的概念。2讲授3、44.控制系统的频域分析（2）典型环节的频率特性；典型环节幅相频率特性的绘制；典型环节Bode图的绘制。2讲授3、44.控制系统的频域分析（3）系统的开环频率特性；开环系统的幅相频率特性绘制；开环系统的Bode图绘制；最小相位(角)系统和非最小相位(角)系统2讲授44.控制系统的频域分析（4）奈奎斯特稳定判据；奈奎斯特稳定判据的概念；奈奎斯特稳定判据的应用；对数稳定判据。2讲授44.控制系统的频域分析（5）控制系统的相对稳定性；稳定裕度的概念；稳定裕度的计算。2讲授44.控制系统的频域分析（6）闭环系统的频率特性；开环对数频率特性与系统稳态性能、动态性能的关系（7）用频率特性分析系统品质。三频段理论2讲授44.控制系统的频域分析线性系统的频率特性的测试2实验2、35.控制系统的设计与校正（1）校正的基本概念；2讲授55.控制系统的设计与校正（2）线性系统的基本控制规律；2讲授55.控制系统的设计与校正（3）校正装置及其特性；2讲授55.控制系统的设计与校正（4）采用频率设