《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)大綱課程編號：21311104總學(xué)時數(shù)：72（理論60，實驗12）總學(xué)分數(shù)：4.5課程性質(zhì)：專業(yè)必修課適用專業(yè)：電氣工程及其自動化一、課程的任務(wù)和基本要求：本課程的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生掌握自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和各件的作用;掌握建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法。掌握分析與綜合線性控制系統(tǒng)的三種方法：時域法、根軌跡法和頻率法。掌握計算機控制系統(tǒng)的工作原理以及分析和綜合的方法。了解非線性控制系統(tǒng)的分析和綜合方法。建立起以系統(tǒng)的概念、數(shù)學(xué)模型的概念、動態(tài)過程的概念。通過課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握分析、測試和設(shè)計自動控制系統(tǒng)的基本方法。結(jié)合各種實踐環(huán)節(jié)，進行自動控制領(lǐng)域工程技術(shù)人員所需的基

2、本工程實踐能力的訓(xùn)練。從理論和實踐兩方面為學(xué)生進一步學(xué)習(xí)自動控制專業(yè)的其他專業(yè)課如:過程控制、數(shù)字控制、智能控制、控制系統(tǒng)設(shè)計等打下必要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)。自動控制原理課程是自動控制專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)計劃中承上啟下的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此該課程在自動控制專業(yè)的教學(xué)計劃中占有重要的位置。二、基本內(nèi)容和要求：1. 基礎(chǔ)知識（1）人工控制和自動控制（2）開環(huán)控制系統(tǒng)（3）閉環(huán)控制系統(tǒng)（4）反饋控制系統(tǒng)的組成、分類和性能指標(biāo)要求：了解控制理論的發(fā)展史、開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)的組成、分類和性能指標(biāo)。2. 單變量線性定常系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述（1）系統(tǒng)的動態(tài)特性  （2）單變量線性定常系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述

3、  （3）典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)  （4）控制系統(tǒng)方塊圖  （5）信號流圖  （6）非線性微分方程線性化 要求：控制系統(tǒng)微分方程的建立，傳遞函數(shù)的基本概念和定義，傳遞函數(shù)的性質(zhì)，基本環(huán)節(jié)及傳遞函數(shù)，控制系統(tǒng)方框圖及其繪制，方框圖的變換規(guī)則，典型系統(tǒng)的方框圖與傳遞函數(shù)，方框圖的化簡，用梅森增益公式化簡信號流圖。3. 單變量線性定常系統(tǒng)的性能指標(biāo)（1）單變量線性定常系統(tǒng)的輸出響應(yīng) （2）單變量線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性 （3）勞斯穩(wěn)定判據(jù)（4）控制系統(tǒng)的瞬態(tài)特性 （5）控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性 （6）動態(tài)誤差系數(shù) 

4、;要求：掌握線性定常系統(tǒng)的瞬態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，掌握勞斯判據(jù)。4. 控制系統(tǒng)中的反饋（可選講）（1）反饋可減小系統(tǒng)參數(shù)的變化  （2）反饋可改善系統(tǒng)的瞬態(tài)特性  （3）反饋可減弱干擾信號的影響  （4）例題要求：了解控制系統(tǒng)中的反饋的相關(guān)知識。5. 時域分析（1）典型輸入信號  （2）脈沖響應(yīng)函數(shù)  （3）一階系統(tǒng)  （4）二階系統(tǒng)  （5）二階系統(tǒng)的校正  （6）高階系統(tǒng)  （7）復(fù)平面上穩(wěn)定性分析要求：典型輸入信號，一階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，線性定常系統(tǒng)的重要性質(zhì)，二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)型及其特點，二階系統(tǒng)的單位階躍

5、響應(yīng)，二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)，二階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)，二階系統(tǒng)的單位速度響應(yīng)，初始條件不為零時二階系統(tǒng)的過渡過程。閉環(huán)主導(dǎo)極點的概念，高階系統(tǒng)性能指標(biāo)的近似計算。穩(wěn)定的基本概念和定義， 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定條件，勞斯穩(wěn)定判據(jù)?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差的計算：泰勒級數(shù)法和長除法，控制系統(tǒng)的無靜差度，用終值定理計算穩(wěn)態(tài)誤差，減小穩(wěn)態(tài)誤差的方法。6. 根軌跡法（1）根軌跡的基本原理  （2）繪制根軌跡圖的規(guī)則  （3）非最小相位系統(tǒng)根軌跡圖  （4）參數(shù)根軌跡  （5）二階系統(tǒng)的根軌跡校正要求：控制系統(tǒng)的根軌跡，繪制根軌跡的基本規(guī)則，控制系統(tǒng)的根軌跡分析，參數(shù)根軌跡，閉

6、環(huán)系統(tǒng)的零極點分布域性能指標(biāo)，了解非最小相位系統(tǒng)的根軌跡圖和參數(shù)根軌跡。7. 頻域分析（1）頻率特性  （2）幅相特性  （3）對數(shù)頻率特性  （4）對數(shù)幅相特性  （5）奈魁斯特穩(wěn)定判據(jù)  （6）控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性  （7）閉環(huán)頻率特性  （8）頻域性能指標(biāo)與時域性能指標(biāo)間的關(guān)系 要求：頻率特性的概念，典型環(huán)節(jié)頻率特性的極坐標(biāo)圖表示，典型環(huán)節(jié)頻率特性的對數(shù)坐標(biāo)圖表示，開環(huán)系統(tǒng)的對數(shù)頻率特性，最小相位系統(tǒng)。v=0、1、2時開環(huán)系統(tǒng)的極坐標(biāo)圖，Nyquist穩(wěn)定判據(jù)，用開環(huán)系統(tǒng)的Bode圖判定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)的相對

7、穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)的性能指標(biāo)，二階系統(tǒng)性能指標(biāo)間的關(guān)系，高階系統(tǒng)性能指標(biāo)間的關(guān)系，開環(huán)對數(shù)頻率特性和性能指標(biāo)的關(guān)系。8. 工業(yè)對象的動態(tài)特性及測試方法（選講）（1）工業(yè)加熱爐的動態(tài)特性  （2）控制對象動態(tài)特性的測試方法  （3）由測試的數(shù)據(jù)或曲線求對象的數(shù)學(xué)模型要求：了解控制對象動態(tài)特性的測試方法，理解由測試的數(shù)據(jù)或曲線求對象的數(shù)學(xué)模型。9. 控制系統(tǒng)設(shè)計與校正（1）校正方法和校正裝置  （2）用根軌跡法對系統(tǒng)進行串聯(lián)校正  （3）用頻率響應(yīng)法對系統(tǒng)進行串聯(lián)校正  （4）反饋校正  （4）其它控制方式要求：控制系統(tǒng)校正的基本方法，基本

8、控制規(guī)律。相位超前校正網(wǎng)絡(luò)，用頻率特法確定相位超前校正參數(shù)，按根軌跡法確定相位超前校正參數(shù)。相位滯后網(wǎng)絡(luò)，用頻率特性法確定相位滯后校正參數(shù)，按根軌跡法確定相位滯后校正參數(shù)。相位滯后-超前校正網(wǎng)絡(luò)，控制系統(tǒng)的期望頻率特性， 控制系統(tǒng)的固有頻率特性， 根據(jù)期望頻率特性確定串聯(lián)校正參數(shù)。10. 時滯系統(tǒng)分析與設(shè)計（選講）（1）時滯系統(tǒng)的頻域分析  （2）時滯系統(tǒng)的根軌跡分析  （3）時滯系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法  （4）采用Smith預(yù)估時滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求：了解時滯系統(tǒng)分析與設(shè)計方法。11. 非線性系統(tǒng)（1）常見的非線性因素及對系統(tǒng)特性的影響  （2）非線性系統(tǒng)

9、的描述函數(shù)方法  （3）非線性系統(tǒng)相平面分析方法  （4）利用非線性特性改善系統(tǒng)性能 要求：非線性控制系統(tǒng)引言，相平面法，描述函數(shù)法，利用非線性特性改善控制系統(tǒng)性能。12. 線性離散系統(tǒng)的分析與校正（補充相關(guān)內(nèi)容）（1）離散系統(tǒng)的基本概念（2）信號的采樣與保持（3） Z變換理論（4）離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（5）離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差（6）離散系統(tǒng)的動態(tài)性能分析（7）離散系統(tǒng)的數(shù)字校正要求：采樣過程，采樣周期的選取，信號保持，Z變換，脈沖傳遞函數(shù)，穩(wěn)定性分析。線性數(shù)字控制系統(tǒng)的時域分析，線性離散系統(tǒng)的數(shù)字校正，連續(xù)校正環(huán)節(jié)的離散化， 數(shù)字校正的實現(xiàn)。三、實踐環(huán)節(jié)和要

10、求：實驗一 典型環(huán)節(jié)的模擬研究要求：掌握典型環(huán)節(jié)模擬電路的構(gòu)成方法，了解各環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線和參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)的動態(tài)特性的影響。實驗二 典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性要求：通過測定典型系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，性能指標(biāo)。實驗三 采樣控制系統(tǒng)分析 要求：通過實驗進一步理解香農(nóng)采樣定理和零階保持器ZOH的原理及其實現(xiàn)方法；利用組件LF398組成一個采樣控制系統(tǒng)，并研究采樣周期T的大小對該系統(tǒng)性能的影響。實驗四 線性系統(tǒng)的時域響應(yīng)分析要求：研究線性系統(tǒng)在單位階躍、單位脈沖及單位斜坡函數(shù)作用下的響應(yīng)；熟練掌握系統(tǒng)的穩(wěn)定性的判斷方法。實驗五 控制系統(tǒng)的頻率特性研究要求：學(xué)會控制系統(tǒng)頻率特性測試方法。

11、實驗六 線性系統(tǒng)的串聯(lián)校正要求：掌握控制系統(tǒng)頻域范圍內(nèi)的分析校正方法。四、教學(xué)時數(shù)分配：理論：60 實驗：12 上機：無 其它：無教學(xué)內(nèi)容學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容學(xué)時分配1 緒論22 單變量線性定常系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述63 單變量線性定常系統(tǒng)的性能指標(biāo)64 控制系統(tǒng)中的反饋25 時域分析8實驗26 根軌跡法8實驗27 頻域分析8實驗28 工業(yè)對象的動態(tài)特性及測試方法2實驗49 控制系統(tǒng)設(shè)計與校正 10實驗210 時滯系統(tǒng)分析與設(shè)計211 非線性系統(tǒng) 212 線性離散系統(tǒng)的分析與校正4合計72五、其它項目（含課外學(xué)時內(nèi)容）：無六、有關(guān)說明：1、教學(xué)和考核方式：本課程屬考試課，考試方式為閉卷。 由平時（30%）、考試（70%）兩部分綜合評定。2、習(xí)題：每次上完課后，布置2-3道習(xí)題。對于比較難的知識點，安排習(xí)題課。3、能力培養(yǎng)要求：（1）掌握分析、測試和設(shè)計自動控制系統(tǒng)的基本方法；（2）結(jié)合各種實踐環(huán)節(jié)，進行自動控制領(lǐng)域工程技術(shù)人員所需的基本工程實踐能力的訓(xùn)練；（3）從理論和實踐兩方面為學(xué)生進一步學(xué)習(xí)自動控制專業(yè)的其他專業(yè)課如:過程控制、數(shù)字控制、智能控制、控制系統(tǒng)設(shè)計等打下必要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)。4、與其它課程和教學(xué)環(huán)節(jié)的聯(lián)系：先修課程和教學(xué)環(huán)節(jié)：普通物理、電路、電子技術(shù)、電機及拖動基礎(chǔ)、電力電子技術(shù)、復(fù)變函數(shù)等。后續(xù)課程和教學(xué)環(huán)節(jié)： 檢測技術(shù)與控制儀表。平行