《自動控制理論》教學(xué)大綱

1、自動控制理論教學(xué)大綱課程名稱：自動控制理論課程代號: 022201 學(xué)時數(shù)：80（實驗10學(xué)時）學(xué)分?jǐn)?shù)： 5 適用專業(yè): 自動化等一、本課程的地位、任務(wù)和作用本課程是自動化等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握自動控制的基本原理和概念，并具備對自動控制系統(tǒng)進行分析、設(shè)計、實驗的初步能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和參加控制工程實踐提供必要的理論基礎(chǔ)，也為學(xué)生進一步學(xué)習(xí)和研究控制理論提供條件。二、本課程的相關(guān)課程先修課程有：高等數(shù)學(xué)、積分變換、復(fù)變函數(shù)、普通物理、電路分析、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、電機與電力拖動基礎(chǔ)等。要求數(shù)學(xué)系列課程介紹微分方程、拉氏變換、傅里葉變換等的基本內(nèi)容。

2、要求電路分析及電子技術(shù)基礎(chǔ)課程介紹無源網(wǎng)絡(luò)及模擬運算電路等的基本計算方法。要求電機與電力拖動課程介紹自動控制系統(tǒng)中常用的機電檢測、執(zhí)行元件的基本原理、特性和基本方程。后續(xù)課程主要有：現(xiàn)代控制理論、最優(yōu)控制、電力拖動自動控制系統(tǒng)、計算機控制技術(shù)、過程控制系統(tǒng)等。三、本課程的基本內(nèi)容及要求（一）基本內(nèi)容根據(jù)專業(yè)教學(xué)計劃規(guī)定的學(xué)時和對專業(yè)基礎(chǔ)課的要求以及當(dāng)前控制理論的發(fā)展現(xiàn)狀，確定以精選內(nèi)容、保證基礎(chǔ)(概念、方法、規(guī)律)、適當(dāng)保持學(xué)科的系統(tǒng)性和先進、注重對學(xué)生分析、計算、實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)為目標(biāo)確定教學(xué)內(nèi)容。采用先進的教學(xué)手段和計算機輔助分析與設(shè)計以保證理論和實驗教學(xué)內(nèi)容順利完成。第一章 緒論 1引言。

3、介紹自動控制理論的發(fā)展概況及自動控制的一般概念。2自動控制的基本控制方式。開環(huán)控制、閉環(huán)（反饋）控制、復(fù)合控制的特點與作用；反饋的概念及其物理本質(zhì)、重要性；自動控制系統(tǒng)的基本組成、術(shù)語及定性分析方法。3自動控制系統(tǒng)的分類。4對自動控制系統(tǒng)的基本要求。5本課程的任務(wù)及性質(zhì)、學(xué)習(xí)特點。第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1引言。數(shù)學(xué)模型的意義、建立數(shù)學(xué)模型的主要方法、數(shù)學(xué)模型的主要類型。2控制系統(tǒng)的微分方程式描述。3非本質(zhì)非線性數(shù)學(xué)模型的線性化。4傳遞函數(shù)的定義、性質(zhì)、求法及典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。5方框圖的建立、基本聯(lián)接、等效變換和簡化；控制系統(tǒng)的開環(huán)、閉環(huán)、誤差傳遞函數(shù)。6信號流程圖的基本概念、術(shù)語與定義。

4、梅遜公式的應(yīng)用。第三章 線性系統(tǒng)的時域分析1典型輸入信號和自動控制系統(tǒng)的時域性能指標(biāo)。2一階系統(tǒng)的時域分析。數(shù)學(xué)模型，極點位置，典型響應(yīng)、性能指標(biāo)及與特征參數(shù)的關(guān)系。3二階系統(tǒng)的時域分析。數(shù)學(xué)模型，極點位置，按阻尼比分類，典型響應(yīng)、性能指標(biāo)及與特征參數(shù)的關(guān)系。4高階系統(tǒng)的時域分析。系統(tǒng)主導(dǎo)極點與偶極子的概念；近似分析高階系統(tǒng)的性能。5線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念與定義；線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件；勞斯判據(jù)的應(yīng)用。6穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差的定義；穩(wěn)態(tài)誤差的計算；系統(tǒng)的型別、誤差系數(shù)、誤差級數(shù)；系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)系；減小穩(wěn)態(tài)誤差的方法。第四章 根軌跡法 1根軌跡的基本概念。根軌跡的定義；根軌跡方程。

5、2繪制1800根軌跡的基本規(guī)則。3繪制00根軌跡的基本規(guī)則。4參數(shù)根軌跡與遲后系統(tǒng)根軌跡。5用根軌跡法分析控制系統(tǒng)的性能。第五章 頻率特性法1頻率特性。頻率特性的物理概念、定義及求法；頻率特性的幾種圖示方法。2典型環(huán)節(jié)的頻率特性。最小相位與非最小相位環(huán)節(jié)。3控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性。研究系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的意義；系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的求取與繪制（Nyquist圖、Bode圖）方法。4Nyquist穩(wěn)定判據(jù)。5系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度（相角裕度與增益裕度）及其工程意義。6控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性。7頻域性能指標(biāo)與時域性能指標(biāo)的關(guān)系及三頻段的概念。第六章 線性反饋系統(tǒng)的校正1控制系統(tǒng)校正的基本概念。校正的定義；校正的

6、形式；基本控制規(guī)律。2超前、遲后、遲后-超前校正裝置的作用、對應(yīng)的校正網(wǎng)絡(luò)、傳遞函數(shù)及其特性。3根軌跡法在系統(tǒng)校正中應(yīng)用。4頻率特性法在系統(tǒng)校正中的應(yīng)用。5反饋校正和復(fù)合校正。第七章 非線性控制系統(tǒng)分析 1非線性系統(tǒng)的基本概念。非線性系統(tǒng)的定義、特點；本質(zhì)非線性和非本質(zhì)非線性；典型非線性特性的數(shù)學(xué)描述、實例及對控制系統(tǒng)性能的影響。2用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)。諧波線性化及描述函數(shù)的定義、求取方法；典型非線性特性的描述函數(shù)；非線性系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)；判別非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3用相平面法分析非線性系統(tǒng)。繪制相軌跡的方法；奇點和極限環(huán)定義；由相軌跡分析系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)、運動特性。第八章 采樣控制系統(tǒng)的分析

7、與校正1采樣過程與采樣定理。采樣系統(tǒng)的定義；采樣信號的形成；采樣定理；零階和一階保持器。2采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。差分方程；Z變換及Z反變換；開環(huán)、閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。3采樣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定的概念與定義；雙線性變換；勞斯穩(wěn)定判據(jù)；根軌跡法及頻率特性法的應(yīng)用。4采樣控制系統(tǒng)的動、穩(wěn)態(tài)性能分析。5采樣控制系統(tǒng)的校正。（二）基本要求1、緒論 掌握自動控制系統(tǒng)的基本概念、術(shù)語，了解自動控制系統(tǒng)的組成和分類。 掌握自動控制系統(tǒng)的基本控制方式（開環(huán)、閉環(huán)（反饋）控制、復(fù)合控制）及特點。 了解對自動控制系統(tǒng)的基本要求。 了解自動控制系統(tǒng)的定性分析方法。 了解本門課程的意義與作用。2、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

8、一般了解數(shù)學(xué)模型的概念、表達方式，建模的方法。 掌握一般物理系統(tǒng)的微分方程式建立。 熟練掌握傳遞函數(shù)的概念、求法及典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。 熟練掌握控制系統(tǒng)方框圖的化簡方法、用梅遜公式求取系統(tǒng)等效傳遞函數(shù)。3、線性系統(tǒng)的時域分析 了解線性定常系統(tǒng)的時域響應(yīng)的組成，熟悉控制系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)的定義。 重點掌握一、二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析、性能指標(biāo)及其與系統(tǒng)極點、系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系。 一般了解高階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)和閉環(huán)主導(dǎo)極點的概念。 掌握線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念、穩(wěn)定的充要條件。重點掌握Routh判據(jù)的應(yīng)用。 掌握穩(wěn)態(tài)誤差的概念、系統(tǒng)的型別、誤差級數(shù)的計算。重點掌握穩(wěn)態(tài)誤差終值的計算及減小穩(wěn)態(tài)誤差的方

9、法。4、根軌跡法 了解根軌跡的概念。熟練掌握根軌跡方程。 重點掌握繪制1800根軌跡的基本條件和基本規(guī)則。 熟練掌握參數(shù)根軌跡與00根軌跡的繪制。了解遲后系統(tǒng)根軌跡。 重點掌握根軌跡與系統(tǒng)各項性能指標(biāo)的關(guān)系。5、頻率特性法 熟練掌握頻率特性的概念。 重點掌握系統(tǒng)開環(huán)頻率特性（Nyquist圖和Bode圖）的繪制。 重點掌握乃奎斯特穩(wěn)定判據(jù)。 了解最小相位系統(tǒng)的概念。 重點掌握利用實測開環(huán)對數(shù)幅頻特性確定最小相位系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的方法。 重點掌握控制系統(tǒng)相角裕度、幅值裕度的基本定義、概念及計算方法。 了解閉環(huán)幅頻特性的概念及其頻域性能指標(biāo)。 一般了解頻域指標(biāo)與時域指標(biāo)間的關(guān)系。6線性反饋系統(tǒng)的校

10、正 熟練掌握控制系統(tǒng)校正的概念、校正的實質(zhì)、校正的形式。 熟練掌握串聯(lián)相位超前校正、相位滯后校正、相位滯后-超前校正裝置及特性。 了解用根軌跡法確定串聯(lián)校正裝置參數(shù)的方法。掌握用頻率特性法確定串聯(lián)校正裝置參數(shù)的方法。 掌握反饋校正、前饋校正及復(fù)合控制的基本思想。7. 非線性控制系統(tǒng)分析 掌握非線性系統(tǒng)的基本概念、非線性系統(tǒng)與線性系統(tǒng)的差別及實質(zhì)。了解非線性的數(shù)學(xué)描述、分類、特點、研究方法。 掌握描述函數(shù)的概念、幾種典型非線性特性的描述函數(shù)。 重點掌握用描述函數(shù)分析非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法、判別自激振蕩存在的條件。 掌握相平面的基本概念：相平面、相軌跡，平衡點、奇點、極限環(huán)。熟練掌握繪制相軌跡的方

11、法，用相軌跡分析非線性系統(tǒng)的運動及極限環(huán)判斷。8. 采樣控制系統(tǒng)的分析與校正 掌握采樣控制系統(tǒng)的基本概念、采樣過程，熟練掌握采樣定理的內(nèi)容和零階保持器的概念及傳遞函數(shù)。 重點掌握Z變換和Z反變換的計算方法。 重點掌握求取脈沖傳遞函數(shù)的方法。掌握采樣控制系統(tǒng)的動、穩(wěn)態(tài)性能分析、求解的方法。 重點掌握采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析（利用雙線性變換及勞斯判據(jù)）。 掌握采樣控制系統(tǒng)的最少拍設(shè)計方法。四、實驗實驗以學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的基本實驗方法和培養(yǎng)測試、分析、設(shè)計能力為主，驗證性的內(nèi)容為輔。實驗教學(xué)時數(shù)為10學(xué)時。1典型環(huán)節(jié)的模擬研究（2學(xué)時），必做。重點了解典型一、二階系統(tǒng)的電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、時域響應(yīng)特征。線性系統(tǒng)的校

12、正（2學(xué)時），必做。對于給定的數(shù)學(xué)模型設(shè)計超前、遲后、遲后超前校正網(wǎng)絡(luò)。非線性系統(tǒng)的研究（2學(xué)時），必做。研究具有典型非線性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的時域響應(yīng)特征。采樣系統(tǒng)的研究（2學(xué)時），必做。研究采樣控制系統(tǒng)的時域響應(yīng)特征。控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真（學(xué)時），選做。五、習(xí)題和習(xí)題課的要求為幫助學(xué)生理解和鞏固本課程的基本概念、理論與基本分析、設(shè)計方法，從鞏固基礎(chǔ)和提高能力方面安排習(xí)題，除第一章外每章習(xí)題數(shù)不少于10題，總習(xí)題量不少于80題。 六、教學(xué)方式與考核方式本門課程以理論教學(xué)為主，輔之以實驗教學(xué)。實行教考分離，以筆試成績?yōu)橹?，適當(dāng)考慮實驗及作業(yè)情況。七、學(xué)時分配章次一二三四五六七八理論教學(xué)時數(shù)學(xué)時391081

13、28101070 八、幾點說明1、教學(xué)建議與教學(xué)方法自動控制的理論和技術(shù)已應(yīng)用于工業(yè)、經(jīng)濟、武備等各領(lǐng)域。本課程的學(xué)習(xí)不僅直接影響到續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，而且對學(xué)生將來的工作和進一步深造產(chǎn)生重要影響。·在教學(xué)中采用啟發(fā)式教學(xué)方法，注重培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、學(xué)習(xí)能力。根據(jù)本課程的主線（系統(tǒng)的穩(wěn)定性），講透重點內(nèi)容，其余內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)。由于本課程所涉及到的數(shù)學(xué)知識幾乎包括了先修的全部數(shù)學(xué)內(nèi)容（如微積分、積分變換、復(fù)變函數(shù)、矩陣和線性代數(shù)等）以及先修的物理學(xué)、多門電學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課的內(nèi)容，因此培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力尤為重要。·每次提前布置12個典型習(xí)題讓同學(xué)課前預(yù)習(xí)、思考，使之帶著

14、問題聽課。·本課程總體來說較為抽象、枯燥，教學(xué)中結(jié)合一些簡單的實際物理模型、工程實例和典型例題，幫助學(xué)生增加感性認識，以加深對基本理論的理解。·必須保證有足夠的習(xí)題量，以幫助學(xué)生提高分析問題、解決問題的能力。·實驗教學(xué)中要求學(xué)生根據(jù)實驗內(nèi)容完成預(yù)習(xí)報告。在實驗的安排次序上由簡單到復(fù)雜，由驗證性實驗到設(shè)計性實驗，最后進行綜合性實驗，加強學(xué)生解決實際問題和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。部分實驗內(nèi)容采用控制系統(tǒng)輔助分析和設(shè)計軟件MATLAB完成。·為引導(dǎo)學(xué)生全面發(fā)展，科學(xué)評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，使學(xué)習(xí)成績的評定真正起到教育激勵、反饋調(diào)控、培養(yǎng)督導(dǎo)等作用，考核形式包括平時作業(yè)完成

15、情況、實驗完成情況、期中考試、期末考試等?？荚噧?nèi)容包括課程的基礎(chǔ)理論、基本知識、基本技能以及在融會貫通基礎(chǔ)上分析問題、解決問題的能力及綜合素質(zhì)。2、推薦教材和主要參考書（1）胡壽松主編，自動控制原理（第四版）北京：科學(xué)出版社，2002。（2）夏德鈐，自動控制理論北京：機械工程出版社，1993。（3）李友善，自動控制原理（修訂版）北京：國防工業(yè)出版社，1989。（4）緒方勝彥著，盧伯英譯現(xiàn)代控制工程北京：科學(xué)出版社，1979。（5）蔡尚峰，自動控制原理北京：機械工業(yè)出版社，1980。（6）吳 麒，自動控制原理北京：清華大學(xué)出版社，1990。（7）Morris Driels 主編，Linear C

16、ontrol System Engineering，McGraw-Hill和清華大學(xué)出版社聯(lián)合出版。（8）楊自厚主編，自動控制原理冶金工業(yè)出版社。（9）Richard C. Dorf, Robert H. Bishop ，Modern Control Systems (Ninth Edition)，科學(xué)出版社，培生教育出版集團，2002。（網(wǎng)址：（10）Katsuhiko Ogata，Modern Control Engineering，PrenticeHall,Inc.Englewood Cliffs,N.J.，現(xiàn)代控制理論教學(xué)大綱課程代號：022403 學(xué)時數(shù)：40學(xué)時學(xué)分?jǐn)?shù)： 4 適用專

17、業(yè)：自動化等 一、本課程的地位、任務(wù)和作用本課程為自動化等專業(yè)的專業(yè)選修課。現(xiàn)代控制理論是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析和線性系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)知識，初步具備應(yīng)用狀態(tài)空間法分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的能力，并為今后進一步深入學(xué)習(xí)、研究現(xiàn)代控制理論打下扎實的基礎(chǔ)。二、本課程的相關(guān)課程先修課程為：高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、積分變換、自動控制理論等。三、本課程的基本內(nèi)容及要求（一）基本要求熟練掌握控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述法。熟練掌握線性定常系統(tǒng)的運動分析。了解線性時變系統(tǒng)狀態(tài)方程的求解過程。重點掌握線性定常系統(tǒng)的能控性、能觀測性判別定理。了解運用李雅普諾夫方法分析系統(tǒng)平衡狀態(tài)的穩(wěn)

18、定性的方法及系統(tǒng)BIBO穩(wěn)定性的判別。重點掌握極點配置、全維狀態(tài)觀測器的設(shè)計方法。了解降維狀態(tài)觀測器的設(shè)計方法、狀態(tài)反饋解耦問題。（二）基本內(nèi)容第一章 緒論 控制理論的發(fā)展簡歷史。現(xiàn)代控制理論的主要研究內(nèi)容、研究方法?，F(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的比較。第二章 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式 狀態(tài)空間的基本概念。狀態(tài)變量的選取、狀態(tài)向量、狀態(tài)空間以及空間表達式的定義。狀態(tài)空間表達式的建立。從系統(tǒng)工作機理、系統(tǒng)方框圖和描述系統(tǒng)的微分方程出發(fā)，建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式。線性變換。等價方程，線性變換的基本特性，對角線、約當(dāng)、模態(tài)規(guī)范型。傳遞函數(shù)矩陣。由狀態(tài)空間表達式求系統(tǒng)傳遞函數(shù)距陣。離散時間系統(tǒng)的狀態(tài)空間

19、表達式。第三章 控制系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式的解 線性定常系統(tǒng)方程的解。狀態(tài)轉(zhuǎn)移距陣的定義、性質(zhì)及求法。線性定常系統(tǒng)狀態(tài)方程的解。線性時變系統(tǒng)的運動分析。離散時間系統(tǒng)狀態(tài)方程的解。連續(xù)時間系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式離散化。第四章 線性控制系統(tǒng)的能控性和能觀性能控性及判據(jù)。能觀測性及判據(jù)。離散時間系統(tǒng)的能控性和能觀測性。對偶原理。狀態(tài)空間表達式的能控標(biāo)準(zhǔn)型與能觀測標(biāo)準(zhǔn)型。能控標(biāo)準(zhǔn)、型與能觀測標(biāo)準(zhǔn)、型的定義、求法和相互關(guān)系。線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解。將線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)按能控性、能觀測性分解。傳遞函數(shù)矩陣的實現(xiàn)。能控標(biāo)準(zhǔn)型與能觀測標(biāo)準(zhǔn)型的實現(xiàn)及最小實現(xiàn)。傳遞函數(shù)與狀態(tài)能控性和能觀測性之間的關(guān)系。第五章 穩(wěn)定性與李雅普諾夫方法 穩(wěn)定性的定義。平衡狀態(tài)，李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定、漸進穩(wěn)定、大范圍漸進穩(wěn)定的定義。李雅普諾夫方法。李雅普諾夫第一法和李雅普諾夫第二法。李雅普諾夫方法在線性系統(tǒng)中的應(yīng)用。李雅普諾夫方法在非線性系統(tǒng)