自動控制課程教學(xué)大綱(64課時)..

1、自動控制原理課程教學(xué)大綱山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院制定（修訂）單位：機械電子工程系制定（修訂）時間：2015年8月課程中文名稱：自動控制原理課程英文名稱：TheoryofAutomaticControl課程代碼：學(xué)時數(shù)：64學(xué)時學(xué)分?jǐn)?shù)：4學(xué)分先修課程：高等數(shù)學(xué)、電路分析、電子技術(shù)基礎(chǔ)適用專業(yè)：電氣自動化、通信技術(shù)一、課程的性質(zhì)和任務(wù)1. 課程性質(zhì)自動控制原理課程是機械電子工程、電氣工程及其自動化的專業(yè)基礎(chǔ)課是電氣自動化的專業(yè)必修課，是通信技術(shù)的專業(yè)選修課。2. 課程任務(wù)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)和參加實踐打下必

2、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)。二、本課程與其他課程的聯(lián)系與分工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、模擬電子基礎(chǔ)和電路分析等。本課程的很多內(nèi)容都與電子技術(shù)基礎(chǔ)、信號與系統(tǒng)有聯(lián)系，是主要后續(xù)課程之一。該課程是電氣和通信專業(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，希望每章后多布置習(xí)題給同學(xué)們練習(xí)。三、課程教學(xué)內(nèi)容第一章緒論教學(xué)目的與要求：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

3、控制方式和對系統(tǒng)的性能要求，了解一些實際自動控制系統(tǒng)的控制原理。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。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)實例第一節(jié)開環(huán)控制和閉環(huán)控制一、開環(huán)控制二、閉環(huán)控制第二節(jié)自控系統(tǒng)的組成及術(shù)語一、系統(tǒng)組成：（1）被控對象（2）控制器（3）放大變換（4）校正裝置（5）反饋環(huán)節(jié)（6）給定環(huán)節(jié)二、系統(tǒng)信號：（1）輸入信號（2）輸出信號（3）反饋信號（4）偏差信號（5）誤差信號（6）擾動信號A/yH

4、-第三節(jié)自控系統(tǒng)的類型一、信號流向二、輸入信號三、系統(tǒng)分類：1、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)2、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)3、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)4、單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)第四節(jié)自控系統(tǒng)性能基本要求一、衡量尺度1、穩(wěn)定性2、穩(wěn)態(tài)精度3、動態(tài)過程第五節(jié)自控課程的主要任務(wù)一、任務(wù)1、系統(tǒng)分析2、系統(tǒng)綜合3、采用方法二、典型輸入信號1、階躍信號2、斜坡函數(shù)3、拋物線函數(shù)4、脈沖函數(shù)5、正弦函數(shù)第二章自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型教學(xué)目的與要求：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。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

5、數(shù)基本方法：結(jié)構(gòu)圖的變換。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；小偏差線性化第一節(jié)線性系統(tǒng)的微分方程一、建立系統(tǒng)的微分方程二、相似系統(tǒng)和線性系統(tǒng)第二節(jié)微分方程的線性化一、線性化條件二、線性化方法*Y*、'八，I/r-.r三、注意事項第三節(jié)傳遞函數(shù)一、傳遞函數(shù)的概念二、傳遞函數(shù)的特點（性質(zhì)）三、典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)1、比例環(huán)節(jié)2、慣性環(huán)節(jié)3、積分環(huán)節(jié)4、微分環(huán)節(jié)5、二階震蕩環(huán)節(jié)（二階慣性環(huán)節(jié)）6、延遲環(huán)節(jié)（遲滯環(huán)節(jié)）第四節(jié)方框圖一、方框圖（動態(tài)結(jié)構(gòu)圖）二、系統(tǒng)方框圖的構(gòu)成三、環(huán)節(jié)間的連接1、串聯(lián)2、并聯(lián)3、反饋四、方框圖的變換和化簡第五節(jié)信號流圖一、信

6、號流圖的概念二、系統(tǒng)信號流圖的繪制步驟三、信號流圖的定義和術(shù)語四、信號流圖的性質(zhì)五、信號流圖的化簡六、信號流圖的增益公式（梅森公式）七、課程實驗（一）MATLAB的基本操作掌握MATLAB的基本使用方法，使用步驟，虛擬儀器的使用方法。用MATLAB處理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，拉氏變換，反變換，多項式運算，微分方程的求解，傳遞函數(shù)及結(jié)構(gòu)圖的串并聯(lián)與反饋的仿真方法（二）本實驗課程涉及的主要儀器設(shè)備（或場所設(shè)施）嵌入式實驗室MATLAB仿真軟件（三）本實驗課程的實驗內(nèi)容（1）控制系統(tǒng)的模型描述：傳遞函數(shù)模型、零極點模型、系統(tǒng)狀態(tài)空間模型（2）模型轉(zhuǎn)換（3）系統(tǒng)連接：并聯(lián)、串聯(lián)、反饋（4）綜合應(yīng)用：結(jié)構(gòu)圖化簡

7、及其閉環(huán)傳遞函數(shù)的求取第三章控制系統(tǒng)的時域分析教學(xué)目的與要求：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。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。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)誤差的分析和計算第一節(jié)線性定常系統(tǒng)的時域響應(yīng)一、基本概念第二節(jié)控制系統(tǒng)時域響應(yīng)的性能指標(biāo)一、穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)1、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程2、穩(wěn)態(tài)誤差二、動態(tài)性能指標(biāo)（1）上升時間（2）峰值時間（3）最大超調(diào)量（4）調(diào)整時間（5）震蕩次數(shù)第三節(jié)線性定常系

8、統(tǒng)的穩(wěn)定性一、穩(wěn)定性的概念1、系統(tǒng)的初始狀態(tài)2、穩(wěn)定性的定義二、線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件三、勞斯判據(jù)1、代數(shù)判據(jù)2、特別說明四、赫爾維茨判據(jù)五、參數(shù)系統(tǒng)對穩(wěn)定性的影響六、相對穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕量第四節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差一、誤差及穩(wěn)態(tài)誤差的的定義1、輸入端定義2、輸出端定義二、穩(wěn)態(tài)誤差的分析三、穩(wěn)態(tài)誤差的計算1、給定信號作用下的計算2、擾動信號作用下的計算3、給定信號和擾動信號同時作用下的計算四、應(yīng)用靜態(tài)誤差系數(shù)計算給定信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差1、系統(tǒng)的類型2、靜態(tài)位置誤差系數(shù)3、靜態(tài)速度誤差系數(shù)4、靜態(tài)加速度誤差系數(shù)五、改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的途徑第五節(jié)一階系統(tǒng)的時域響應(yīng)一、數(shù)學(xué)模型（一階慣性環(huán)節(jié)）二、單

9、位階躍響應(yīng)三、性能指標(biāo)1、調(diào)整時間2、穩(wěn)態(tài)誤差3、超調(diào)量四、一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)第六節(jié)二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)一、二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型二、二階系統(tǒng)的工作狀態(tài)（1）欠阻尼狀態(tài)（2）臨界阻尼狀態(tài)（3）過阻尼狀態(tài)（4）無阻尼狀態(tài)三、典型二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)1、快速性能指標(biāo)（1）上升時間（2）峰值時間（3）調(diào)整時間2、相對穩(wěn)定性能指標(biāo)（1）最大超調(diào)量（2）震蕩次數(shù)四、課程實驗（一）基于MATLAB的時域分析應(yīng)用軟件進行系統(tǒng)的輸出響應(yīng)及性能分析，穩(wěn)定性分析，誤差分析（二）本實驗課程涉及的主要儀器設(shè)備（或場所設(shè)施）嵌入式實驗室MATLAB仿真軟件（三）本實驗課程的實驗內(nèi)容（1）穩(wěn)定性分析（2）動態(tài)性能分析：單位脈

10、沖響應(yīng)、單位階躍響應(yīng)、任意輸入響應(yīng)、零輸入響應(yīng)（3）綜合應(yīng)用（系統(tǒng)時域動態(tài)性能分析）第四章根軌跡分析法教學(xué)目的與要求：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。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：根軌跡方程及其應(yīng)用；零極點分布與階躍響應(yīng)的關(guān)系教學(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)性能的分析第一節(jié)根軌跡與根軌跡方程一、基本概念二、根軌跡方程第二節(jié)繪制根軌跡的基本條件一、繪制依據(jù)二、對根軌跡的說明第三節(jié)繪制根軌跡的規(guī)則和方法一、繪

11、制規(guī)則與方法1、規(guī)則一：根軌跡的起點和終點2、規(guī)則二：根軌跡的分支數(shù)、對稱性和連續(xù)性3、規(guī)則三：實軸上的根軌跡4、規(guī)則四：根軌跡的漸近線5、規(guī)則五：根軌跡的分離點6、規(guī)則六：根軌跡與虛軸的交點（1）閉環(huán)特征方程求交點（2）勞斯穩(wěn)定判據(jù)求交點7、規(guī)則七:根軌跡的起始角和終止角8、規(guī)則八：根之和第四節(jié)控制系統(tǒng)根軌跡的性能分析一、開環(huán)零極點對根軌跡的影響1、增加開環(huán)零點對根軌跡的影響2、增加開環(huán)零點對控制系統(tǒng)的影響二、閉環(huán)零極點與階躍響應(yīng)關(guān)系三、利用根軌跡確定系統(tǒng)參數(shù)四、利用根軌跡分析系統(tǒng)的動態(tài)性能五、課程實驗（一）基于MATLAB的根軌跡分析應(yīng)用MATLAB軟件命令得到連續(xù)的單輸入單輸出的根軌跡，

12、系統(tǒng)分析者可以方便的描繪出根軌跡圖形。（二）本實驗課程涉及的主要儀器設(shè)備（或場所設(shè)施）嵌入式實驗室MATLAB仿真軟件（三）本實驗課程的實驗內(nèi)容（1）繪制零極點分布圖（2）繪制根軌跡圖（3）綜合應(yīng)用（系統(tǒng)性能復(fù)域分析）第五章控制系統(tǒng)的頻域分析教學(xué)目的與要求：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。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)

13、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。教學(xué)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：奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)第一節(jié)頻率特性一、頻率特性的概述二、頻率特性的求取第二節(jié)典型環(huán)節(jié)的頻率特性一、概述1、極坐標(biāo)圖（幅相曲線或奈奎斯特圖）2、對數(shù)頻率特性曲線（伯德圖）二、典型環(huán)節(jié)的頻率特性1、積分環(huán)節(jié)2、慣性環(huán)節(jié)3、微分環(huán)節(jié)4、比例環(huán)節(jié)5、一階微分環(huán)節(jié)第三節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性一、系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性二、系統(tǒng)開環(huán)極坐標(biāo)圖（奈氏圖）三、最小相位和非最小相位系統(tǒng)第四節(jié)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)及穩(wěn)定裕量一、開環(huán)頻率特性和閉環(huán)特征式的關(guān)系二、奈奎

14、斯特穩(wěn)定判據(jù)三、對數(shù)判斷依據(jù)四、系統(tǒng)穩(wěn)定裕量（1）相位裕量（2）增益裕量第五節(jié)用開環(huán)頻率特性分析系統(tǒng)的性能一、系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性與閉環(huán)穩(wěn)定性的關(guān)系二、系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性與閉環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)系1、0型系統(tǒng)2、I型系統(tǒng)3、II型系統(tǒng)三、開環(huán)對數(shù)頻率特性與系統(tǒng)時域性能之間的關(guān)系1、伯德圖的對數(shù)幅頻特性曲線中頻段與系統(tǒng)動態(tài)性能的關(guān)系2、頻域性能指標(biāo)與時域性能指標(biāo)的定量關(guān)系（1）相位裕量與超調(diào)量之間的定量關(guān)系（2）相位裕量與調(diào)整時間之間的定量關(guān)系3、開環(huán)頻率特性的高頻段對系統(tǒng)性能的影響四、課程實驗（一）基于MATLAB的頻域分析應(yīng)用MATLAB軟件進行頻率特性圖的繪制，幅值和相位裕量的求解。（二）本實

15、驗課程涉及的主要儀器設(shè)備（或場所設(shè)施）嵌入式實驗室MATLAB仿真軟件（三）本實驗課程的實驗內(nèi)容（1）伯德圖（2）奈奎斯特圖（3）綜合運用（系統(tǒng)穩(wěn)定性的頻域分析）第六章控制系統(tǒng)的綜合與校正教學(xué)目的與要求：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。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（二階最佳模型法）校正器參數(shù)的計算教學(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。第一節(jié)控制系統(tǒng)綜合與校正概述一、控制系統(tǒng)校正的概念二、控制系統(tǒng)的校正方法三、控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)四、控制系統(tǒng)的校

16、正方式1、串聯(lián)校正2、反饋校正3、復(fù)合校正第二節(jié)串聯(lián)校正一、串聯(lián)超前校正（PD校正）1、相位超前網(wǎng)絡(luò)2、用頻率法設(shè)計超前校正網(wǎng)絡(luò)二、串聯(lián)滯后校正（PI校正）1、相位滯后網(wǎng)絡(luò)2、用頻率法設(shè)計滯后校正網(wǎng)絡(luò)三、串聯(lián)滯后一超前校正（PID校正）第三節(jié)反饋校正一、常用反饋校正方法1、比例負(fù)反饋2、正反饋3、微分負(fù)反饋二、負(fù)反饋校正設(shè)計三、課程實驗（一）基于MATLAB的系統(tǒng)校正應(yīng)用MATLAB軟件進行超前、滯后校正裝置的設(shè)計及調(diào)節(jié)器的設(shè)計（二）本實驗課程涉及的主要儀器設(shè)備（或場所設(shè)施）嵌入式實驗室MATLAB仿真軟件（三）本實驗課程的實驗內(nèi)容（1）串聯(lián)校正（2）復(fù)合校正四、學(xué)時分配表章次章名實驗名稱學(xué)時

17、分配備注理論實踐第一早緒論404第一早自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型MATLAB的基本操作10111第一早控制系統(tǒng)的時域分析基于MAT的時域分析12214第四章根軌跡分析法基于MAT的根軌跡分析10212-J-*Vr.第五早控制系統(tǒng)的頻域分析基于MAT的頻域分析12214AVr*、.宀第八早控制系統(tǒng)的綜合與校正基于MAT的系統(tǒng)校正819合計56864五、課程教學(xué)基本要求1. 課堂講授：傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合。2. 實驗：MATLAB數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件控制系統(tǒng)工具箱使用及仿真實驗3. 作業(yè)：鑒于課時量的限制，沒有開設(shè)專項的討論課，關(guān)于學(xué)法和教法改進與適應(yīng)性問題的討論放在課間或課余。加強學(xué)生對作業(yè)的訓(xùn)練，并做到詳細(xì)批改每個學(xué)生所作的每道作業(yè)題，適時發(fā)現(xiàn)并及時糾正學(xué)生的錯誤以加強學(xué)生對所學(xué)知識的理解。六、建議教材及主要參考資料1. 建議教材1黃堅.自動控制原理及其應(yīng)用M.北京：高等教育出版社，2004年.2. 主要參考資料1 胡壽松.自動控制原理M.北京：科學(xué)出版社，2001.2 蔣大明等.自動控制原理M.北京：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.北京：中國電力出