《自動控制原理》課程教學(xué)大綱

1、自動控制原理課程教學(xué)大綱課程編碼：0110011課程名稱：自動控制原理英文名稱：Principles of Automatic Control學(xué) 時：36學(xué) 分：2課程類型：選修課程性質(zhì)：專業(yè)課適用專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、復(fù)變函數(shù)與積分變換、電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)開課學(xué)期：第六學(xué)期開課院系：機(jī)電工程學(xué)院一、課程的地位、目的和任務(wù)本課程地位：自控原理是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的專業(yè)選修課。自動控制技術(shù)是現(xiàn)代化技術(shù)中重要的一個方面，本課程主要講述現(xiàn)代自動控制技術(shù)的基本原理與結(jié)構(gòu)模型，自動控制系統(tǒng)的分析方法與設(shè)計方法，使學(xué)生具備自動化控制的基礎(chǔ)理論知識

2、以及實踐能力。 本課程目的：通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生理解自動控制的基本概念，掌握簡單系統(tǒng)的建模方法，掌握對線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性的基本分析方法以及設(shè)計和校正方法，能熟練使用根軌跡法和頻率特性法分析與設(shè)計控制系統(tǒng)和控制器，對非線性系統(tǒng)也能進(jìn)行初步的分析。本課程任務(wù)：1掌握自動控制的基本概念、原理，學(xué)會對實際物理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，并用已學(xué)過的數(shù)學(xué)工具進(jìn)行系統(tǒng)分析和綜合，能靈活應(yīng)用各種理論知識來解決實際問題的綜合設(shè)計能力。2不僅為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，而且直接為解決實際控制系統(tǒng)問題提供理論和方法，養(yǎng)成將來在工程實際中經(jīng)常進(jìn)行理性思維的習(xí)慣。3. 培養(yǎng)學(xué)生在掌握課程知識、概念、原理方

3、法基礎(chǔ)上，獨立思考、獨立解決問題、實驗與仿真實現(xiàn)的能力。二、本課程與其它課程的聯(lián)系本課程的先修課是高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、復(fù)變函數(shù)與積分變換、電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)。這些課程的學(xué)習(xí),為本課程學(xué)習(xí)奠定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和分析系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型提供必要的電學(xué)知識。本課程學(xué)習(xí)為后續(xù)課程（控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計等）的學(xué)習(xí)提供所應(yīng)用的系統(tǒng)分析、設(shè)計的基本理論和基本方法，掌握必要的基本技能，為進(jìn)一步深造打下必要的理論基礎(chǔ)。三、教學(xué)內(nèi)容及要求 第一章 自動控制原理概述教學(xué)要求：通過本章教學(xué)，使學(xué)生理解自動控制的定義、組成、基本控制方式及特點，對控制系統(tǒng)性能的基本要求，自動控制系統(tǒng)的分類，自動控制系統(tǒng)

4、實例有一定掌握。使學(xué)生對古典反饋控制的基本理論和方法有一全面、整體的了解。重點：自動控制的定義、組成、基本控制方式、特點及基本要求難點：自動控制系統(tǒng)實例的分析教學(xué)內(nèi)容： 第一節(jié) 自動控制的基本原理與方式（一）自動控制技術(shù)及其應(yīng)用（二）自動控制理論（三）反饋控制原理（四）反饋控制系統(tǒng)的基本組成（五）自動控制系統(tǒng)基本控制方式第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)示例（一）函數(shù)記錄儀（二）飛機(jī)-自動駕駛儀系統(tǒng)（三）電阻爐微型計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)（四）鍋爐液位控制系統(tǒng)第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類（一）線性連續(xù)控制系統(tǒng)（二）線性定常離散控制系統(tǒng)（三）非線性控制系統(tǒng)第四節(jié) 對自動控制系統(tǒng)的基本要求（一）基本要求的提法（二）典型

5、的外作用第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型教學(xué)要求：通過本章教學(xué)，要求學(xué)生了解數(shù)學(xué)模型的概念、表達(dá)方式，建模的方法；掌握微分方程的建立、典型元部件及其傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖及化簡、信號流圖和梅森公式，控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的表示方法，學(xué)會對一般的機(jī)電系統(tǒng)等進(jìn)行機(jī)理建模。明確零初始條件的物理含義；了解系統(tǒng)的零、極點等的概念。重點：傳遞函數(shù)的概念、結(jié)構(gòu)圖及化簡、控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的表示方法難點：微分方程的建立、典型元部件及其傳遞函數(shù)、信號流圖和梅森公式教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 控制系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型（一）線性元件的微分方程（二）控制系統(tǒng)微分方程的建立（三）線性系統(tǒng)的特征（四）線性定常微分方程的求解（五）非線性微分方程的線性化（

6、六）運動模態(tài)第二節(jié) 控制系統(tǒng)的復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型（一）傳遞函數(shù)的定義和性質(zhì)（二）傳遞函數(shù)的零點和極點（三）傳遞函數(shù)的極點和零點對輸出的影響（四）典型元部件的傳遞函數(shù)第三節(jié) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與信號流圖（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的組成和繪制（二）結(jié)構(gòu)圖的等效變換和簡化（三）信號流圖的組成和性質(zhì)（四）信號流圖的繪制（五）梅森增益公式（六）閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)第三章 線性系統(tǒng)的時域分析法教學(xué)要求：通過本章教學(xué)，要求學(xué)生了解控制系統(tǒng)的典型輸入信號；了解線性定常系統(tǒng)的時域響應(yīng)組成，熟悉控制系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)的定義；掌握一階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)及性能指標(biāo)；掌握二階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)分析及其與極點之間的關(guān)系，重點掌握二階系統(tǒng)的暫態(tài)響

7、應(yīng)性能指標(biāo)公式及計算；一般了解高階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)，掌握閉環(huán)主導(dǎo)極點的概念；了解穩(wěn)定的概念，掌握線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件；重點掌握判斷穩(wěn)定性的Routh代數(shù)判據(jù)及應(yīng)用，對Hurwitz判據(jù)有一般了解；了解穩(wěn)態(tài)誤差的概念、定義、產(chǎn)生原因、類型；重點掌握給定穩(wěn)態(tài)誤差終值的計算，掌握擾動穩(wěn)態(tài)誤差終值的計算及減小穩(wěn)態(tài)誤差的方法。 重點：一、二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)、主導(dǎo)極點的概念、判斷穩(wěn)定性的Routh代數(shù)判據(jù)及應(yīng)用、穩(wěn)態(tài)誤差及終值定理。難點：二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)、判斷穩(wěn)定性的Routh代數(shù)判據(jù)及應(yīng)用、擾動穩(wěn)態(tài)誤差終值的計算及減小穩(wěn)態(tài)誤差的方法教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 系統(tǒng)時間響應(yīng)的性能指標(biāo)（一）典型輸入信號（二）動

8、態(tài)過程與穩(wěn)態(tài)過程（三）動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能第二節(jié) 一階系統(tǒng)的時域分析（一）一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（二）一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)（三）一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)（四）一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)（五）一階系統(tǒng)的單位加速度響應(yīng)第三節(jié) 二階系統(tǒng)的時域分析（一）二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（二）二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)（三）欠阻尼二階系統(tǒng)的動態(tài)過程分析（四）過阻尼二階系統(tǒng)的動態(tài)過程分析（五）二階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)（六）二階系統(tǒng)性能的改善（七）非零初始條件下二階系統(tǒng)的響應(yīng)過程第四節(jié) 高階系統(tǒng)的時域分析（一） 三階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)（二） 高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)（三） 閉環(huán)主導(dǎo)極點第五節(jié) 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析（一）穩(wěn)定性的基本概念（二

9、）線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件（三）勞思-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)（四）勞思穩(wěn)定判據(jù)的特殊情況（五）勞思穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用第六節(jié) 線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算（一） 誤差與穩(wěn)態(tài)誤差（二） 系統(tǒng)類型（三） 階躍輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)位置誤差系數(shù)（四） 斜坡輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)位置誤差系數(shù)（五） 加速度輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)位置誤差系數(shù)（六） 動態(tài)誤差系數(shù)（七） 擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差（八） 減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的措施 第四章 線性系統(tǒng)的根軌跡法教學(xué)要求：通過本章教學(xué)，要求學(xué)生正確理解根軌跡的概念及根軌跡方程；掌握根軌跡繪制的基本法則及其應(yīng)用；熟悉閉環(huán)零，極點分布與階躍響應(yīng)的關(guān)系，主導(dǎo)極點與偶極子的概念，高

10、階系統(tǒng)的性能分析；重點掌握系統(tǒng)階躍響應(yīng)的根軌跡法分析。重點：根軌跡的概念、根軌跡方程、常規(guī)根軌跡的繪制及系統(tǒng)性能分析難點：利用根軌跡對系統(tǒng)性能的分析、添加零極點對系統(tǒng)性能的影響教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 根軌跡法的基本概念（一）根軌跡概念（二）根軌跡與系統(tǒng)性能（三）閉環(huán)零、極點與開環(huán)零、極點之間的關(guān)系（四）根軌跡方程第二節(jié) 根軌跡繪制的基本原則（一）繪制根軌跡的基本原則（二）閉環(huán)極點的確定第三節(jié) 廣義根軌跡（一）參數(shù)根軌跡（二）附加開環(huán)零點的作用（三）零度根軌跡第四節(jié) 系統(tǒng)性能的分析（一）閉環(huán)零極點與時間響應(yīng)（二）系統(tǒng)性能的定性分析（三）商品經(jīng)濟(jì)的基本特征第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析法教學(xué)要求：通過本章教

11、學(xué)，要求學(xué)生正確理解頻率響應(yīng)、頻率特性的概念及特點，明確頻率特性的物理意義；熟悉典型環(huán)節(jié)頻率特性的特點，熟練掌握繪制開環(huán)幅相特性、開環(huán)對數(shù)頻率特性的方法；熟練掌握由最小相位系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性確定開環(huán)傳遞函數(shù)的方法；理解奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的原理，熟練掌握運用奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)和對數(shù)頻率判據(jù)判定系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法；正確理解穩(wěn)定裕度的概念及意義，熟練掌握計算穩(wěn)定裕度的方法；掌握頻域性能指標(biāo)及頻域指標(biāo)與時域指標(biāo)的關(guān)系。重點：頻率響應(yīng)、頻率特性的概念及特點、開環(huán)幅相特性、開環(huán)對數(shù)頻率特性的繪制、運用奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)和對數(shù)頻率判據(jù)判定系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法、穩(wěn)定裕度的計算、頻域性能指標(biāo)的求解 難點：頻率特性的概念

12、、開環(huán)對數(shù)頻率特性的繪制、奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的原理、域性能指標(biāo)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 引言第二節(jié) 頻率特性（一）頻率特性的基本概念（二）頻率特性的幾何表示方法第三節(jié) 開環(huán)系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)分解和開環(huán)頻率特性曲線的繪制（一）典型環(huán)節(jié)（二）典型環(huán)節(jié)的頻率特性（三）開環(huán)幅相曲線繪制 （四）開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線（五）延遲環(huán)節(jié)和延遲系統(tǒng)（六）傳遞函數(shù)的頻域?qū)嶒灤_定第四節(jié) 頻率域穩(wěn)定判據(jù)（一）奈氏判據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（二）奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)（三）對數(shù)頻率穩(wěn)定判據(jù)（四）條件穩(wěn)定系統(tǒng)第五節(jié) 穩(wěn)定裕度（一）相位裕度（二）幅值裕度第六節(jié) 閉環(huán)系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)（一）控制系統(tǒng)的頻帶寬度（二）系統(tǒng)帶寬選擇（三）確定閉環(huán)頻率特性的圖解方法

13、（四）閉環(huán)系統(tǒng)頻域指標(biāo)和時域指標(biāo)的轉(zhuǎn)換第六章 線性系統(tǒng)的校正方法教學(xué)要求：通過本章教學(xué)，要求學(xué)生理解控制系統(tǒng)校正的概念、校正的實質(zhì)、校正方式、基本控制規(guī)律；熟練掌握常用校正裝置及其特性；熟悉串聯(lián)校正、反饋校正、復(fù)合校正的基本原理；熟悉頻率法進(jìn)行系統(tǒng)校正的過程和校正前后系統(tǒng)性能的比較。重點：系統(tǒng)校正的概念、校正方式、基本控制規(guī)律、常用校正裝置及其特性難點：頻率法進(jìn)行系統(tǒng)校正的過程和校正前后系統(tǒng)性能的比較教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 系統(tǒng)的設(shè)計與校正問題（一）性能指標(biāo)（二）系統(tǒng)帶寬的選擇（三）校正方式（四）基本控制規(guī)律第二節(jié) 常用校正裝置及其特性（一）無源校正網(wǎng)絡(luò)（二）有源校正裝置（三）PID控制器第三節(jié) 串

14、聯(lián)校正（一）頻率響應(yīng)法校正設(shè)計（二）串聯(lián)超前校正（三）串聯(lián)滯后校正（四）串聯(lián)滯后-超前校正（五）串聯(lián)綜合法校正（六）串聯(lián)工程設(shè)計方法第四節(jié) 反饋校正（一）反饋校正的原理與特點（二）測速-超前網(wǎng)絡(luò)反饋校正（三）綜合法反饋校正第五節(jié) 復(fù)合校正（一）復(fù)合校正的概念（二）按擾動補(bǔ)償?shù)膹?fù)合校正（三）按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合校正第七章 線性離散系統(tǒng)的分析與校正教學(xué)要求：通過本章教學(xué)，要求學(xué)生了解采樣控制系統(tǒng)的基本概念、采樣過程，掌握采樣定理的內(nèi)容和零階保持器；理解香農(nóng)采樣定理；熟悉Z變換和Z反變換的計算方法；掌握求解采樣控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；掌握采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和穩(wěn)態(tài)誤差分析，了解其暫態(tài)性能分析。重點：采樣定理的

15、內(nèi)容和零階保持器、z變換與z反變換、求系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)，采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性判定及穩(wěn)態(tài)誤差計算難點：z變換與z反變換、采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性判定及穩(wěn)態(tài)誤差計算教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 離散系統(tǒng)的基本概念（一）采樣控制系統(tǒng)（二）數(shù)字控制系統(tǒng)（三）離散控制系統(tǒng)的特點（四）離散系統(tǒng)的研究方法第二節(jié) 信號的采樣與保持（一）采樣過程（二）采樣過程的數(shù)學(xué)描述（三）農(nóng)香采樣定理（四）采樣周期的選?。ㄎ澹┬盘柋３值谌?jié) z變換理論（一）z變換定義（二）z變換方法（三）z變換性質(zhì)（四）z反變換（五）關(guān)于z變換的說明第四節(jié) 離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（一）離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)定義（二）線性常系數(shù)差分方程及其解法（三）脈沖傳遞函數(shù)（四）開環(huán)系統(tǒng)脈

16、沖傳遞函數(shù)（五）閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)（六）z變換法的局限性及修正z變換第五節(jié) 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差（一）s域到z域的映射（二）離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件（三）離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)（四）采樣周期與開環(huán)增益對穩(wěn)定性的影響（五）離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差（六）離散系統(tǒng)的型別與靜態(tài)誤差系數(shù)第六節(jié) 離散系統(tǒng)的動態(tài)性能分析（一）離散系統(tǒng)的時間響應(yīng)（二）采樣器和保持器對動態(tài)性能的影響（三）閉環(huán)極點與動態(tài)響應(yīng)的關(guān)系第八章 非線性控制系統(tǒng)分析教學(xué)要求：通過本章教學(xué)，要求學(xué)生了解非線性系統(tǒng)特點，典型非線性特性及其對系統(tǒng)性能的影響；了解相平面的有關(guān)概念，了解繪制相軌跡、用相平面法分析非線性系統(tǒng)的一般方法；理解非線性特

17、性的描述函數(shù)。重點：非線性系統(tǒng)特點、相平面的有關(guān)概念、非線性特性的描述函數(shù)難點：典型非線性特性及其對系統(tǒng)性能的影響、用相平面法分析非線性系統(tǒng)的一般方法教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 非線性控制系統(tǒng)概論（一）研究非線性控制理論的意義（二）非線性系統(tǒng)的特征（三）非線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法第二節(jié) 常見非線性特性及其對系統(tǒng)運動的影響（一）非線性特性的等效增益（二）常見非線性因素對系統(tǒng)運動的影響第三節(jié) 相平面法（一）相平面的基本概念（二）相軌跡繪制的等傾線法（三）線性系統(tǒng)的相軌跡（四）奇點和奇線（五）由相軌跡求取時間間隔（六）非線性系統(tǒng)的相平面分析第四節(jié) 描述函數(shù)法（一）描述函數(shù)的基本概念（二）典型非線性特性的描述函數(shù)四、教學(xué)安排及方式總學(xué)時：36學(xué)時，其中理論教學(xué)時數(shù)36學(xué)時，實驗（上機(jī)）教學(xué)時數(shù)為0學(xué)時。 教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)時數(shù)課程內(nèi)容講課實驗習(xí) 題 課上 機(jī)看或錄參像觀小 計備注自動控制原理概述22控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型66線性系統(tǒng)的時域分析法44線性系統(tǒng)的根軌跡法66線性系統(tǒng)的頻域分析法44線性系統(tǒng)的