《自動(dòng)控制原理3》課程教學(xué)大綱

《自動(dòng)控制原理3》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱自動(dòng)控制原理AutomaticControlPrinciple課程編碼CTL123811035開課院部控制科學(xué)與工程學(xué)院課程團(tuán)隊(duì)自動(dòng)控制原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)學(xué)分3.5課內(nèi)學(xué)時(shí)60講授48實(shí)驗(yàn)12上機(jī)0實(shí)踐0課外學(xué)時(shí)56適用專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化授課語言中文先修課程課程簡介（必修）本課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)理論課之一，重點(diǎn)介紹動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立、線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法、根軌跡法、頻域分析法及其校正和設(shè)計(jì)、線性離散系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論與分析方法等知識(shí)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本思想，熟悉自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)方法，加深對(duì)控制問題本身的理解，奠定學(xué)生在控制理論與應(yīng)用方面的扎實(shí)基礎(chǔ)，為學(xué)習(xí)后繼的專業(yè)課程、進(jìn)行科研以及實(shí)際工作等都打下良好的理論基礎(chǔ)。Thiscourseisoneoftheprofessionalbasiccoursesofelectricalengineeringandautomationmajor.Thiscoursefocusesonthemathematicalmodelofthecontrolsystem,thetimedomainanalysismethod,therootlocusmethodandthefrequencydomainanalysisanddesignmethodforlinearcontinuous-timesystems,thebasictheoryandanalysismethodforlineardiscrete-timesystems.Bystudyingthiscourse,thestudentsareexpectedtomasterthebasicconceptsandprinciplesofautomaticcontrolsystems,befamiliarwiththeanalysisanddesignmethodsfortheautomaticcontrolsystems,andenhancetheunderstandingofthecontrolproblems.Throughthestudyofthiscourse,thestudentscouldlayasolidfoundationforthecontroltheoryandapplication,andbereadyforstudyingthefollowingprofessionalcourses,scientificresearchandpracticalwork.負(fù)責(zé)人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標(biāo)序號(hào)代號(hào)課程目標(biāo)OBE畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)任務(wù)自選1M1目標(biāo)1：理解與掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理、組成、分類以及性能要求，能夠從控制系統(tǒng)角度出發(fā)進(jìn)行分析，繪制符合控制系統(tǒng)基本組成的方框圖，提煉出具體的控制問題。是1.22M2目標(biāo)2：能夠運(yùn)用高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)與積分變換和大學(xué)物理等知識(shí)建立自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將工程問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)問題，并能夠進(jìn)行多種模型的簡化或轉(zhuǎn)換，了解各模型的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合是1.23M3目標(biāo)3：掌握經(jīng)典控制理論中線性定?？刂葡到y(tǒng)的時(shí)域、根軌跡和頻域分析方法。掌握線性定常離散系統(tǒng)的分析計(jì)算方法。能夠針對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)行穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差和暫態(tài)特性等控制指標(biāo)的定量或定性的分析。是1.2三、課程內(nèi)容序號(hào)章節(jié)號(hào)標(biāo)題課程內(nèi)容/重難點(diǎn)支撐課程目標(biāo)課內(nèi)學(xué)時(shí)教學(xué)方式課外學(xué)時(shí)課外環(huán)節(jié)1第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念本章重點(diǎn)：控制系統(tǒng)的組成、負(fù)反饋原理和控制系統(tǒng)的分類、基本要求等。本章難點(diǎn)：控制系統(tǒng)的基本性能要求。M1////21.1自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展概況介紹控制論的核心思想及其在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、工程等領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)合代表性人物（瓦特、維納、錢學(xué)森、卡爾曼、何毓琦等）介紹控制理論的發(fā)展，結(jié)合反饋原理使學(xué)生理解控制論的思想及其在諸多方面的應(yīng)用。M10.5講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂0.5閱讀31.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成自動(dòng)控制實(shí)例、原理方框圖M10.5講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂0.5作業(yè)41.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)；反饋控制原理；其他分類方法M10.5講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂0.5作業(yè)51.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本性能要求穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性、時(shí)域指標(biāo)、頻域指標(biāo)M10.5講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂0.5作業(yè)/自學(xué)61.5實(shí)驗(yàn)一：認(rèn)識(shí)實(shí)際的控制系統(tǒng)認(rèn)識(shí)實(shí)際的控制系統(tǒng)M12實(shí)驗(yàn)1撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告7第2章第章動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型本章重點(diǎn)：建立機(jī)理模型的思路和方法，傳遞函數(shù)的概念，結(jié)構(gòu)圖等效變換。本章難點(diǎn)：結(jié)構(gòu)圖等效變換。M2////82.1引言數(shù)學(xué)模型與系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)系，靜態(tài)模型，動(dòng)態(tài)模型，各種建模方法。M20.5講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂0.5作業(yè)92.2物理裝置的數(shù)學(xué)模型機(jī)理模型（力學(xué)定律、電學(xué)定律、熱力學(xué)定律、化學(xué)反應(yīng)定律等機(jī)理；物料平衡、能量平衡等方法），非線性環(huán)節(jié)的線性化，無量綱增量的微分方程。M21.5講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂1.5作業(yè)/自學(xué)102.3控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建模舉例，負(fù)載效應(yīng)與信號(hào)的單向性，拉普拉斯變換及其應(yīng)用。M22講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂3作業(yè)/自學(xué)112.4傳遞函數(shù)與動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖傳遞函數(shù)與動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的概念；典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換與簡化。M22講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂2作業(yè)/自學(xué)122.5信號(hào)流圖信號(hào)流圖基本概念，梅遜增益公式及其應(yīng)用。M22講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂2作業(yè)/自學(xué)13第3章線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法本章重點(diǎn)：穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差和瞬態(tài)性能的概念，二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)與特征參數(shù)之間的關(guān)系，調(diào)節(jié)規(guī)律及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響等。本章難點(diǎn)：穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié)規(guī)律及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。M3////143.1引言時(shí)域分析法的特點(diǎn)，典型輸入信號(hào)和時(shí)域性能指標(biāo)。M31講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂1作業(yè)153.2一階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)階躍響應(yīng)分析，系統(tǒng)參數(shù)與瞬態(tài)性能的關(guān)系，其他典型輸入信號(hào)響應(yīng)，線性系統(tǒng)的特性（疊加原理、積分性質(zhì)、微分性質(zhì)）。M32講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂2作業(yè)163.3二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)典型二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，特征根與特征參數(shù)的關(guān)系。動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算，零極點(diǎn)的影響，二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能的改善。M33講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂3作業(yè)/自學(xué)173.4高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，高階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析（各種響應(yīng)分量與特征根分布的關(guān)系），主導(dǎo)極點(diǎn)的概念。M32講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂2作業(yè)/自學(xué)183.5穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性定義，穩(wěn)定的充要條件，穩(wěn)定判據(jù)及其應(yīng)用，相對(duì)穩(wěn)定性的概念。引導(dǎo)學(xué)生通過動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，理解穩(wěn)定性對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的重要意義，以及影響穩(wěn)定性的因素和分析方法。M32講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂2作業(yè)/自學(xué)193.6穩(wěn)態(tài)誤差分析穩(wěn)態(tài)誤差概念，開環(huán)系統(tǒng)的型別（按1/s因子個(gè)數(shù)判斷），誤差系數(shù)計(jì)算（Kp，Kv，Ka），擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，參數(shù)變化時(shí)引起的穩(wěn)態(tài)誤差及反饋系統(tǒng)的特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)，PID參數(shù)及規(guī)律對(duì)系統(tǒng)性能的影響。M32講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂2作業(yè)/自學(xué)203.7實(shí)驗(yàn)二：典型環(huán)節(jié)瞬態(tài)響應(yīng)典型環(huán)節(jié)瞬態(tài)響應(yīng)M33實(shí)驗(yàn)1撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告21第4章第章線性系統(tǒng)的根軌跡法本章重點(diǎn)：負(fù)反饋控制系統(tǒng)根軌跡的繪制方法，閉環(huán)極點(diǎn)與瞬態(tài)響應(yīng)的關(guān)系，PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響等。本章難點(diǎn)：根軌跡的繪制方法，閉環(huán)極點(diǎn)與瞬態(tài)響應(yīng)的關(guān)系。M3////224.1引言時(shí)域分析法的局限性，根軌跡法及其發(fā)展。介紹一元高次方程求根問題的發(fā)展歷史及代表性人物，并指導(dǎo)學(xué)生閱讀方程求根與數(shù)域的擴(kuò)展、群論的誕生等拓展資料，引導(dǎo)學(xué)生探索問題的本質(zhì)并理解方程求根問題對(duì)現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論發(fā)展的重要意義。M30.5講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂1自學(xué)234.2根軌跡方程根軌跡方程，幅值條件和相角條件。M30.5講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂1作業(yè)/自學(xué)244.3根軌跡繪制根軌跡的繪制法則與舉例，正反饋根軌跡繪制法則，參量根軌跡的繪制。M32講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂3作業(yè)/自學(xué)254.4根軌跡分析閉環(huán)系統(tǒng)特征根與瞬態(tài)性能的關(guān)系，根軌跡上主導(dǎo)極點(diǎn)確定，開環(huán)零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，PID參數(shù)（Kp，Ti，Td）的參量根軌跡及對(duì)系統(tǒng)性能的影響。M31講授/討論1作業(yè)/自學(xué)264.5實(shí)驗(yàn)三：控制系統(tǒng)的根軌跡控制系統(tǒng)的根軌跡M32實(shí)驗(yàn)1撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告27第5章第章線性系統(tǒng)的頻率分析法本章重點(diǎn)：頻率特性的概念，典型環(huán)節(jié)的頻率特性，Nyquist穩(wěn)定判據(jù)，開環(huán)頻域指標(biāo)（ωc，γ）與閉環(huán)頻域指標(biāo)（Mp，ωb），典型二階系統(tǒng)的頻域分析。本章難點(diǎn)：Nyquist穩(wěn)定判據(jù)，典型二階系統(tǒng)的頻域分析。M3////285.1頻率特性的概念頻率特性的定義，頻率特性與傳遞函數(shù)的關(guān)系。M32講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂2作業(yè)295.2頻率特性的幾種曲線表示法奈奎斯特圖、波特圖M31講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂1作業(yè)305.3典型環(huán)節(jié)的頻率特性頻率特性的定義，頻率特性與傳遞函數(shù)的關(guān)系。M32講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂2作業(yè)/自學(xué)315.4Nyquist穩(wěn)定判據(jù)幅角原理，由開環(huán)Nyquist曲線、Bode曲線判斷閉環(huán)穩(wěn)定性。M33講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂3作業(yè)/自學(xué)325.5最小相位系統(tǒng)與穩(wěn)定裕度的概念由開環(huán)Bode曲線確定最小相位系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，開環(huán)頻率特性與閉環(huán)頻率特性之間的關(guān)系。M32講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂2作業(yè)/自學(xué)335.6系統(tǒng)性能分析由開環(huán)頻率特性確定誤差系數(shù)（Kp，Kv，Ka），頻率特性的一些重要性質(zhì)，閉環(huán)頻率特性，頻率特性指標(biāo)（放大系數(shù)、穩(wěn)定裕度、穿越頻率、諧振峰值、諧振頻率、頻帶寬度等），典型一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)的頻率特性與時(shí)域性能指標(biāo)的關(guān)系，高階系統(tǒng)性能估計(jì)。M32講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂2作業(yè)/自學(xué)345.7實(shí)驗(yàn)四：控制系統(tǒng)頻率特性測(cè)試控制系統(tǒng)頻率特性測(cè)試M33實(shí)驗(yàn)1撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告35第6章第章線性系統(tǒng)的校正方法本章重點(diǎn)：超前校正與滯后校正，PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。本章難點(diǎn)：超前校正與滯后校正。M3////366.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正問題性能指標(biāo)、系統(tǒng)校正與系統(tǒng)設(shè)計(jì)M31講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂1作業(yè)376.2校正裝置串聯(lián)超前校正，串聯(lián)滯后校正，串聯(lián)超前—滯后校正，期望頻率特性校正法。M31講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂1作業(yè)/自學(xué)386.3頻率特性校正法介紹校正方法的思想，校正步驟結(jié)合案例課外自學(xué)。M33講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂3作業(yè)/自學(xué)396.4實(shí)驗(yàn)五：控制系統(tǒng)校正控制系統(tǒng)校正M32實(shí)驗(yàn)1撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告40第7章線性離散控制系統(tǒng)的分析與校正本章重點(diǎn)難點(diǎn)：離散時(shí)間系統(tǒng)的特點(diǎn)，采樣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述及分析設(shè)計(jì)方法。本章難點(diǎn)：采樣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述及分析設(shè)計(jì)方法。M3////417.1離散系統(tǒng)的基本概念采樣信號(hào)特點(diǎn)，連續(xù)信號(hào)采樣，采樣定理。M30.5講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂0.5自學(xué)427.2Z變換理論介紹Z變換、Z變換的性質(zhì)、Z反變換M30.5講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂0.5作業(yè)/自學(xué)437.3離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型差分方程，脈沖傳遞函數(shù)。M32講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂2作業(yè)/自學(xué)447.4離散系統(tǒng)的分析離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差及性能分析。M32講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂2作業(yè)/自學(xué)四、考核方式序號(hào)考核環(huán)節(jié)操作細(xì)節(jié)總評(píng)占比1平時(shí)表現(xiàn)1.完成每個(gè)知識(shí)點(diǎn)布置的作業(yè)。2.參加課堂活動(dòng)，如隨堂測(cè)試、提問、課堂討論等。25%2在線學(xué)習(xí)1.完成在線課堂的各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)。2.完成在線課堂的各章測(cè)試。3.完成在線綜合測(cè)試。15%3實(shí)驗(yàn)1.本課程共5個(gè)實(shí)驗(yàn)，12學(xué)時(shí)。2.成績采用百分制，根據(jù)實(shí)驗(yàn)完成情況評(píng)分。3.考核學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制的理解、對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)的能力。10%4期末考試1.閉卷考試，成績采用百分制，卷面成績總分100分。2.針對(duì)控制系統(tǒng)建模、時(shí)域分析、頻域分析等方面考查學(xué)生對(duì)線性定常系統(tǒng)、線性離散系統(tǒng)以及非線性系統(tǒng)的分析能力和數(shù)學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力。3.試題類型主要包括計(jì)算、繪圖、分析、設(shè)計(jì)等。50%五、評(píng)分細(xì)則序號(hào)課程目標(biāo)考核環(huán)節(jié)大致占比評(píng)分等級(jí)1M1在線學(xué)習(xí)40%根據(jù)在線學(xué)習(xí)任務(wù)完成情況及測(cè)試結(jié)果評(píng)定成績。2M1平時(shí)表現(xiàn)40%A-控制問題描述準(zhǔn)確，語言簡練，控制系統(tǒng)方框圖能夠準(zhǔn)確表示實(shí)際控制系統(tǒng)，繪圖清晰規(guī)范。B-控制問題描述較為準(zhǔn)確，控制系統(tǒng)方框圖表示較為規(guī)范與準(zhǔn)確。C-控制問題描述與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖表示基本正確，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖基本能夠表示實(shí)際控制系統(tǒng)。D-控制問題描述不清晰，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖不能體現(xiàn)控制系統(tǒng)的組成及控制方式。3M1實(shí)驗(yàn)20%根據(jù)實(shí)驗(yàn)完成情況評(píng)分。4M2平時(shí)表現(xiàn)30%A-能夠根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理準(zhǔn)確建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并能夠通準(zhǔn)確地通過控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和信號(hào)流圖進(jìn)行表達(dá)與化簡。B-能夠根據(jù)微分方程模型建立控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型，在利用結(jié)構(gòu)圖等效變換和信號(hào)修圖求傳遞函數(shù)時(shí)結(jié)果基本正確。C-基本掌握控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、脈沖傳遞函數(shù)模型的建立方法，在使用結(jié)構(gòu)圖等效變換及信號(hào)流圖化簡時(shí)存在少量錯(cuò)誤。D-不能建立控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型，不能利用控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和信號(hào)流圖表達(dá)控制系統(tǒng)。5M2在線學(xué)習(xí)20%根據(jù)在線學(xué)習(xí)任務(wù)完成情況及測(cè)試結(jié)果評(píng)定成績。6M2期末考試50%依據(jù)試卷評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。7M3平時(shí)表現(xiàn)20%A-能夠根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理準(zhǔn)確建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并能夠通準(zhǔn)確地通過控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和信號(hào)流圖進(jìn)行表達(dá)與化簡，能夠選擇恰當(dāng)?shù)姆椒?zhǔn)確分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)特性，能夠準(zhǔn)確分析參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。B-能夠根據(jù)微分方程模型建立控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型，在利用結(jié)構(gòu)圖等效變換和信號(hào)修圖求傳遞函數(shù)時(shí)結(jié)果基本正確，能夠準(zhǔn)確分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與穩(wěn)定性分析，能夠較為準(zhǔn)確地分析系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。C-基本掌握控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、脈沖傳遞函數(shù)模型的建立方法，在使用結(jié)構(gòu)圖等效變換及信號(hào)流圖化簡時(shí)存在少量錯(cuò)誤，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性分析的基本正確，理解系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。D-不能建立控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型，不能利用控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和信號(hào)流圖表達(dá)控制系統(tǒng)，不能采用合適的方法分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，或得到錯(cuò)誤結(jié)論。8M3在線學(xué)習(xí)20%根據(jù)在線學(xué)習(xí)任務(wù)完成情況及測(cè)試結(jié)果評(píng)定成績。9M3實(shí)