自動控制原理課程教學(xué)大綱

1、.物理電子工程學(xué)院自動控制原理課程教學(xué)大綱課程04210164課程性質(zhì)：專業(yè)必修課先修課程：高等數(shù)學(xué)、函數(shù)變換、模擬電路、電路分析總學(xué)時數(shù)：76學(xué)分：4適合專業(yè)：電子信息工程、機械與電子工程、機械自動化、電器自動化、通信、包裝工程等專業(yè)(一) 課程教學(xué)目標(biāo)自動控制理論是電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。它側(cè)重于理論角度，系統(tǒng)地闡述了自動控制科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的基本概念和基本規(guī)律，介紹了自動控制技術(shù)從建模分析到應(yīng)用設(shè)計的各種思想和方法，內(nèi)容十分豐富。通過自動控制理論的教學(xué)，應(yīng)使學(xué)生全面系統(tǒng)地掌握自動控制技術(shù)領(lǐng)域的基本概念、基本規(guī)律和基本分析與設(shè)計方法，以便將來勝任實際工作，具有從事相關(guān)

2、工程和技術(shù)工作的基本素質(zhì)，同時具有一定的分析和解決有關(guān)自動控制實際問題的能力。(二) 課程的目的與任務(wù)本課程是電子通信工程、機電一體化、包裝工程等專業(yè)、工科及相關(guān)理科的必修基礎(chǔ)課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握自動控制的基礎(chǔ)理論，并具有對簡單連續(xù)系統(tǒng)進行定性分析、定量估算和初步設(shè)計的能力，為專業(yè)課學(xué)習(xí)和參加控制工程實踐打下必要的基礎(chǔ)。學(xué)生將掌握自動控制系統(tǒng)分析與設(shè)計等方面的基本方法，如控制系統(tǒng)的時域分析法、根軌跡分析法、頻域分析法、狀態(tài)空間分析法、采樣控制系統(tǒng)的分析等基本方法等。為各類計算機控制系統(tǒng)設(shè)計打好基礎(chǔ)。(三) 理論教學(xué)的基本要求1、熟練掌握自動控制的概念、基本控制方式及特點、對控制系

3、統(tǒng)性能的基本要求。2、熟練掌握典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖化簡或梅森公式以及控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立和表示方法，初步掌握小偏差線性化方法和通過機理分析建立數(shù)學(xué)模型的方法。3、熟練掌握暫態(tài)性能指標(biāo)、勞思判據(jù)、穩(wěn)態(tài)誤差、終值定理和穩(wěn)定性的概念以及利用這些概念對二階系統(tǒng)性能的分析，初步掌握高階系統(tǒng)分析方法、主導(dǎo)極點的概念。4、熟練掌握根軌跡的概念和繪制法則，并能利用根軌跡對系統(tǒng)性能進行分析，初步掌握偶極子的概念以及添加零極點對系統(tǒng)性能的影響。5、熟練掌握頻率特性的概念、開環(huán)系統(tǒng)頻率特性Nyquist圖和Bode圖的畫法和奈氏判據(jù)，掌握絕對穩(wěn)定系統(tǒng)、條件穩(wěn)定系統(tǒng)、最小相位系統(tǒng)、非最小相位系統(tǒng)、穩(wěn)定裕量、頻

4、域性能指標(biāo)的概念，以及頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系。6、熟練掌握校正的基本概念、基本校正方式和反饋校正的作用，初步掌握復(fù)合校正的概念和以串聯(lián)校正為主的頻率響應(yīng)綜合法，了解以串聯(lián)校正為主的根軌跡綜合法，掌握常用校正裝置及其作用。(四) 教學(xué)學(xué)時分配數(shù)章次各章名稱總學(xué)時學(xué)時分配講課實驗上機課外小計一自動控制的一般概念22二自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1212三時域分析法1414四根軌跡法1010五頻率域方法1212六控制系統(tǒng)的校正1010七非線性系統(tǒng)分析1010八系統(tǒng)采樣理論66總計7676(五)大綱內(nèi)容第一章 自動控制的一般概念1、教學(xué)目的: 掌握自動控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和基本要素，理解自動控制的基本控制方式

5、和對系統(tǒng)的性能要求，了解一些實際自動控制系統(tǒng)的控制原理。2、基本要求：掌握基本概念：自動控制、反饋、控制系統(tǒng)的構(gòu)成。要求初步了解如何由系統(tǒng)原理圖形成系統(tǒng)的原理方塊圖及判別控制方式的方法。要求初步了解本門課程的意義與作用。3、教學(xué)提示：透徹分析自動控制系統(tǒng)的反饋原理。4、教學(xué)內(nèi)容：a、自動控制的任務(wù)b、自動控制的基本方式c、對控制系統(tǒng)的性能要求5、教學(xué)重點與難點：重點：基本控制方式及特點；對控制系統(tǒng)性能的基本要求難點：建立元件方塊圖的方法；自動控制系統(tǒng)實例6、小結(jié)：本章內(nèi)容包括自動控制的定義、基本控制方式及特點，對控制系統(tǒng)性能的基本要求，建立元件方塊圖的方法，自動控制系統(tǒng)的分類，自動控制系統(tǒng)實例

6、。 7、作業(yè)：1-1、1-2、1-3第二章 自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 1、教學(xué)目的：掌握傳遞函數(shù)及動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的概念、意義、求取方法和簡化方法；理解自動控制系統(tǒng)的建模方法和步驟；了解非線性微分方程的線性化方法。2、基本要求：掌握基本概念：傳遞函數(shù)及動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。掌握求傳遞函數(shù)基本方法：結(jié)構(gòu)圖的變換。3、教學(xué)內(nèi)容：a、自動控制系統(tǒng)微分方程的建立b、非線性微分方程的線性化c、傳遞函數(shù)d、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖e、系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)f、典型反饋系統(tǒng)的傳遞函數(shù)4、教學(xué)提示：著重闡明拉普拉斯變換與傳遞函數(shù)、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的關(guān)系。5、教學(xué)重點與難點：重點：典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)；信流圖和梅森公式難點：拉氏變換；小偏差線性化6、小

7、結(jié)：典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖及化簡、信流圖和梅森公式，控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的表示方法，小偏差線性化，分析建模法。 7、作業(yè)：2-4、2-8、2-12、1-15。第三章 時域分析法 1、教學(xué)目的: 掌握 系統(tǒng)微分方程的拉普拉斯變換解法及判定系統(tǒng)穩(wěn)定性赫爾維茨判據(jù)、林納德判據(jù)、勞思判據(jù)，理解針對一階和二階系統(tǒng)的分析計算以及穩(wěn)態(tài)誤差的分析計算，了解改善系統(tǒng)響應(yīng)的措施。 2、基本要求：掌握基本概念：典型響應(yīng)、漸近穩(wěn)定性及時域性能指標(biāo)、穩(wěn)態(tài)誤差。3、教學(xué)內(nèi)容a、時域分析介紹b、一階和二階系統(tǒng)分析與計算c、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析d、穩(wěn)態(tài)誤差分析及計算4、教學(xué)提示：一、二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)，暫態(tài)性能指標(biāo)，主導(dǎo)極點的概

8、念，穩(wěn)定性概念，勞思判據(jù)，穩(wěn)態(tài)誤差及終值定理。著重闡明穩(wěn)定性判據(jù)和穩(wěn)態(tài)誤差計算。5、教學(xué)重點與難點重點：一、二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)；穩(wěn)定性概念；穩(wěn)態(tài)誤差難點：穩(wěn)態(tài)誤差的分析和計算6、小結(jié)：掌握基本方法：一、二階系統(tǒng)性能指標(biāo)的計算和參數(shù)選擇；系統(tǒng)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差的分析和計算。典型響應(yīng)以階躍響應(yīng)為主。7、作業(yè)：3-2、3-10、3-15、3-25第四章 根軌跡 1、教學(xué)目的: 掌握根軌跡概念、閉環(huán)零極點與開環(huán)零極點的關(guān)系，理解繪制根軌跡的基本法則及其應(yīng)用，了解系統(tǒng)閉環(huán)零極點分布與階躍響應(yīng)的關(guān)系。2、教學(xué)要求掌握基本概念：根軌跡、零極點、主導(dǎo)極點、偶極子。掌握基本方法：根軌跡草圖的繪制。掌握基本規(guī)律：根

9、軌跡方程及其應(yīng)用；零極點分布與階躍響應(yīng)的關(guān)系。3、教學(xué)內(nèi)容a、根軌跡與根軌跡方程b、繪制根軌跡的基本法則c、廣義根軌跡d、系統(tǒng)閉環(huán)零、極點分布與階躍響應(yīng)的關(guān)系e、系統(tǒng)階躍響應(yīng)的根軌跡分析4、教學(xué)提示: 著重闡述根軌跡基本法則及其應(yīng)用。5、教學(xué)重點與難點：重點：根軌跡的概念、原理、繪制法則難點：利用根軌跡對系統(tǒng)性能的分析6、小結(jié)、基本知識點： 根軌跡的概念、原理、繪制法則，利用根軌跡對系統(tǒng)性能的分析，偶極子和主導(dǎo)極點的概念、添加零極點對系統(tǒng)性能的影響。7、作業(yè)：-2、4-7、4-11、4-14、4-19第五章 頻率域方法 1、教學(xué)目的：掌握系統(tǒng)頻率特性概念、一些典型環(huán)節(jié)的頻率特性以及系統(tǒng)開環(huán)頻率

10、特性曲線的繪制方法，并掌握頻率穩(wěn)定性判據(jù)。理解穩(wěn)定欲度以及系統(tǒng)閉環(huán)、開環(huán)頻率特性與階躍響應(yīng)的關(guān)系。2、教學(xué)基本要求：掌握基本概念：頻率特性、峰值、頻帶、截止頻率、穩(wěn)定裕度、三頻段。掌握基本方法、環(huán)節(jié)及開環(huán)系統(tǒng)對數(shù)頻率特性曲線的繪制、穩(wěn)定性的判別及裕度的計算。掌握基本原理：穩(wěn)定判據(jù)、頻率特性和時域響應(yīng)的關(guān)系。要明確單反饋的最小相位與非最小相位在計算中的差別。3、教學(xué)內(nèi)容a、頻率特性b、典型環(huán)節(jié)的頻率特性 c、系統(tǒng)開環(huán)頻率特性 d、頻率穩(wěn)定性判據(jù) e、系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性與階躍響應(yīng)的關(guān)系 f、系統(tǒng)開環(huán)頻率特性與階躍響應(yīng)的關(guān)系 4、教法提示：著重講解傅立葉變換與頻率特性的聯(lián)系以及頻率特性的求法。5、教學(xué)

11、重點與難點重點：頻率特性的概念；典型環(huán)節(jié)頻率特性；開環(huán)頻率特性Nyquist圖和Bode圖的繪制難點：奈氏判據(jù)6、小結(jié)：基本知識點：頻率特性的概念，典型環(huán)節(jié)頻率特性，最小相位系統(tǒng)，非最小相位系統(tǒng)，開環(huán)頻率特性Nyquist圖和Bode圖的繪制，奈氏判據(jù)，穩(wěn)定裕量，頻域性能指標(biāo)，頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系。7、作業(yè)：5-1、5-6、5-13、5-16、5-20、5-26第六章 控制系統(tǒng)的校正 1、教學(xué)目標(biāo)：理解系統(tǒng)校正和設(shè)計概念，掌握系統(tǒng)校正的基本方式和方法。2、教學(xué)基本要求：掌握基本概念：串聯(lián)(超前、滯后、PID)、反饋及復(fù)合校正的特性及其作用。掌握基本方法：串聯(lián)校正計算的對數(shù)頻率法(二階最佳模

12、型法)校正器參數(shù)的計算。3、教學(xué)內(nèi)容a、系統(tǒng)校正設(shè)計基礎(chǔ)b、串聯(lián)校正c、串聯(lián)校正的理論設(shè)計方法d、反饋校正e、復(fù)合校正4、教法提示：重點闡明串聯(lián)校正及其各種方法。5、教學(xué)重點與難點重點：校正的基本概念；基本校正方式難點：各種校正方式對系統(tǒng)性能的影響。6、小結(jié)：基本知識點：校正的基本概念，常用校正裝置及作用，基本校正方式，以串聯(lián)校正為主的頻率響應(yīng)綜合法和根軌跡綜合法，反饋校正的作用，復(fù)合校正的概念。7、作業(yè)：6-2、6-5、6-11、6-16、6-18第七章 非線性系統(tǒng)分析 1、教學(xué)目標(biāo)：掌握相平面法和描述函數(shù)法，掌握相平面結(jié)構(gòu)和奇點類型，了解非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法。2、教學(xué)基本要求：掌握基

13、本概念：串聯(lián)(超前、滯后、PID)、反饋及復(fù)合校正的特性及其作用。掌握基本方法：串聯(lián)校正計算的對數(shù)頻率法(二階最佳模型法)校正器參數(shù)的計算。3、教學(xué)內(nèi)容a、非線性問題概述b、常見非線性因素對系統(tǒng)運動特性的影響c、相平面法基礎(chǔ)d、非線性系統(tǒng)的相軌跡分析e、描述函數(shù)f、用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)4、教法提示：著重闡明相平面法和描述函數(shù)法及其應(yīng)用。5、教學(xué)重點與難點：常見非線性因素對系統(tǒng)運動特性的影響、非線性系統(tǒng)的相軌跡分析、用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)。6、小結(jié)：本章主要介紹工程上常用的相平面法和描述函數(shù)法，并通過這兩種方法揭示非線性系統(tǒng)的一些出別于線性系統(tǒng)的現(xiàn)象。 7、作業(yè)：6-2、6-5、6-1

14、1、6-16、6-18第八章 系統(tǒng)采樣理1、教學(xué)目的：理解采樣過程、采樣定理以及脈沖傳遞函數(shù)的意義、掌握Z變換及其反變換方法，并能對采樣系統(tǒng)進行性能分析和數(shù)字校正。2、教學(xué)基本要求：學(xué)習(xí)數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、分析與設(shè)計方法，重點掌握差分方程和脈沖傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型，主要掌握數(shù)字控制系統(tǒng)的分析，學(xué)會模擬控制器的數(shù)值化方法。3、教學(xué)內(nèi)容a、采樣過程和采樣定理 b、信號的恢復(fù)和零階保持器c、Z變換及其反變換d、脈沖傳遞函數(shù)e、采樣系統(tǒng)的性能分析f、采樣系統(tǒng)的數(shù)字校正4、教法提示：重點講明采樣過程分析和Z變換及其反變換方法。5、教學(xué)重點和難點教學(xué)重點：采樣過程與采樣定理，信號保持，Z變換及Z反變換。教學(xué)難

15、點：開環(huán)及閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，采樣系統(tǒng)的性能分析。6、小結(jié)：概述。采樣過程及采樣定理。變換。脈沖傳遞函數(shù)。采樣系統(tǒng)時域分析。*采樣系統(tǒng)根軌跡法。采樣系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。7、作業(yè)：7-2、7-6、7-11、15、7-16(六) 課程有關(guān)說明本課程的先修課程主要有高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)與積分變換、信號與系統(tǒng)、模擬電子線路和電路分析基礎(chǔ)等。本課程的很多內(nèi)容都與信號與系統(tǒng)有聯(lián)系，是信號與系統(tǒng)的主要后續(xù)課程之一。所以，與信號與系統(tǒng)課程有重復(fù)的內(nèi)容可以只做簡要講解，以突出重點。該課程是自動化專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，也是其他專業(yè)的選修課程，學(xué)習(xí)一定要緊密結(jié)合工程背景，通過多練習(xí)有助于學(xué)生掌握課程內(nèi)容，希望每章后多

16、布置習(xí)題給同學(xué)們練習(xí)。這門課是 “自動控制原理實驗課”的理論基礎(chǔ)，因而該課要覆蓋實驗課所要用到的理論知識，而通過實驗課則能幫助學(xué)生更好的掌握課程內(nèi)容，加深對理論知識的理解，建立自動控制系統(tǒng)框架。該課程由于學(xué)時限制，數(shù)字控制系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)理論的內(nèi)容學(xué)生只有通過初步自學(xué)與老師輔導(dǎo)相結(jié)合，進一步深入可通過后續(xù)課程計算機控制系統(tǒng)和研究生課程非線性系統(tǒng)來學(xué)習(xí)和提高。(七) 主要教學(xué)方法與媒體要求傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合；matlab數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件與相應(yīng)的自動控制實驗裝置。(八) 使用教材及主要參考書本課程的使用教材：程鵬. 自動控制原理M. ：高等教育出版社，2003.可供參考的教材：1胡壽松. 自動控制原理M. ：科學(xué)出版社，2001.2蔣大明等. 自動控制原理M. ：清華大學(xué)出版社/北方交通大學(xué)出版社，2003.3翁思義等. 自動控制原理M. ：中國電力出版社，2001.4周其節(jié)等. 自動控制原理M.：華南理工大學(xué)出版社，1996.5 美Katsuhiko Ogata 著 盧伯英, 于海勛等譯. 現(xiàn)代