《自動控制原理》教學(xué)大綱

《自動控制原理》教學(xué)大綱課程編號：13220447英文名稱：PrinciplesofAutomaticControl學(xué)分：2.5學(xué)時：總學(xué)時48學(xué)時，其中理論32學(xué)時，實踐16學(xué)時先修課程：高等數(shù)學(xué)，復(fù)變函數(shù)與積分變換，電路原理，模擬電子技術(shù)課程類別：專業(yè)主干課程授課對象：電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生教學(xué)單位：機械與電氣工程學(xué)院修讀學(xué)期：第4學(xué)期一、課程描述和目標自動控制理論是工科類各相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它已經(jīng)在大多數(shù)工科專業(yè)課程中占據(jù)了核心地位。學(xué)生獲得控制理論的基礎(chǔ)知識，分析自動控制系統(tǒng)的性能和設(shè)計控制系統(tǒng)的校正方案是課程教學(xué)的主要任務(wù)。本課程是為電氣工程及其自動化類專業(yè)的二年級學(xué)生開設(shè)的專業(yè)必修課。學(xué)生能夠綜合應(yīng)用自動控制的基本原理分析控制系統(tǒng)性能。能夠評價線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性，計算分析系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的，比較分析不同的系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)，計算分析控制系統(tǒng)性能指標，運用控制系統(tǒng)的校正方法提高系統(tǒng)的性能。學(xué)生具備對自動控制系統(tǒng)進行分析、設(shè)計、實驗的基本能力，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)和參加控制工程實踐提供必要的理論基礎(chǔ)。學(xué)生具備對自動控制系統(tǒng)進行分析與設(shè)計的綜合能力。本課程擬達到的課程目標:課程目標1：能運用微分方程和傳遞函數(shù)描述系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，能建立諸如電子系統(tǒng)（如RLC）、機械系統(tǒng)（如彈簧阻尼器）、電機系統(tǒng)（如直流電機）等具體控制系統(tǒng)的微分方程組和傳遞函數(shù)等數(shù)學(xué)模型；能應(yīng)用等效變換原理和梅森增益公式化簡得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。課程目標2：能應(yīng)用控制系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù)評價控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；能應(yīng)用時域分析法，計算控制系統(tǒng)動態(tài)性能指標（如超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、峰值時間）；能分析計算控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；能繪制控制系統(tǒng)幅相頻率特性曲線和對數(shù)頻率特性曲線，分析計算控制系統(tǒng)相角裕度和幅值裕度等參數(shù)。課程目標3：能將控制理論知識應(yīng)用于電氣工程及其自動化相關(guān)領(lǐng)域工程問題解決方案的綜合與比較，能夠根據(jù)不同的控制對象設(shè)計合理控制方案。課程目標4：能運用控制理論知識分析各類復(fù)雜控制系統(tǒng)，識別和判斷控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的功能；能應(yīng)用仿真軟件或?qū)嶒炑b置，分析控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的特性。二、課程目標對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標點課程目標權(quán)重1.2能針對具體的對象，運用時頻域分析和相關(guān)方法，建立數(shù)學(xué)模型并求解；課程目標1M1.3能夠?qū)?fù)變函數(shù)與積分變換、最優(yōu)決策等相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型方法用于分析電氣工程相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)工程問題；課程目標2H1.4能夠?qū)⑾嚓P(guān)知識和數(shù)學(xué)模型方法用于電氣工程相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)工程問題解決方案的比較與綜合；課程目標3M2.1能運用電路、電氣、電力等相關(guān)科學(xué)原理，識別和判斷復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；課程目標4M三、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1．理論教學(xué)內(nèi)容序號教學(xué)內(nèi)容基本要求及重、難點（含德育要求）學(xué)時教學(xué)方式對應(yīng)課程目標1控制系統(tǒng)的基本概念學(xué)習(xí)自動控制的任務(wù)、自動控制的基本方式、對控制系統(tǒng)的性能要求等?；疽螅赫莆湛刂葡到y(tǒng)的工作原理、組成及其分類，理解對控制系統(tǒng)的基本要求，了解控制工程的發(fā)展概況。重點難點：控制系統(tǒng)的組成、控制系統(tǒng)的原理分析。德育要求：社會責(zé)任3集中講授、討論課程目標1課程目標42控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的微分方程的建立、傳遞函數(shù)、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖、典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的化簡?；疽螅赫莆湛刂葡到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立方法、傳遞函數(shù)的概念和性質(zhì)、傳遞函數(shù)的等效變換與Mason公式；掌握常用拉氏變換表；理解開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)的概念。重點難點：傳遞函數(shù)的等效變換和Mason公式。德育要求：細心細致9集中講授、討論課程目標1課程目標3課程目標43時域分析法講授時域分析基礎(chǔ)、一階系統(tǒng)分析與計算、二階系統(tǒng)分析與計算、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析及計算?；疽螅赫莆找浑A、二階系統(tǒng)在典型輸入信號作用下的時域響應(yīng)和時域性能指標；掌握系統(tǒng)穩(wěn)定的概念和分析、判別系統(tǒng)穩(wěn)定的方法；掌握系統(tǒng)誤差的概念和計算穩(wěn)態(tài)誤差的方法。重點難點：二階欠阻尼系統(tǒng)的動態(tài)性能指標分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差計算德育要求：實踐創(chuàng)新8集中講授、討論課程目標1課程目標2課程目標3課程目標44頻率域方法學(xué)習(xí)頻率特性、典型環(huán)節(jié)的頻率特性、系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性、系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性與階躍響應(yīng)的關(guān)系、開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)階躍響應(yīng)的關(guān)系?；疽螅赫莆疹l率特性的基本概念；掌握控制系統(tǒng)頻率特性圖的繪制方法；掌握系統(tǒng)穩(wěn)定性的頻率域分析方法；了解頻域性能指標與時域性能指標之間的關(guān)系。重點難點：Bode圖的繪制。德育要求：誠信考試8中講授集、討論課程目標1課程目標2課程目標3課程目標45控制系統(tǒng)的校正講授系統(tǒng)校正設(shè)計基礎(chǔ)、串聯(lián)校正、串聯(lián)校正的理論設(shè)計方法、反饋校正和復(fù)合校正。掌握超前、滯后及滯后—超前校正網(wǎng)絡(luò)的特點、頻率特性及其作用；掌握頻率法設(shè)計和校正系統(tǒng)；了解并聯(lián)校正和復(fù)合校正。4中講授集、討論課程目標1課程目標2課程目標3課程目標4合計322．實驗教學(xué)內(nèi)容序號實驗項目實驗內(nèi)容與要求學(xué)時類型對應(yīng)課程目標1典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)實驗實驗內(nèi)容：獲取典型環(huán)節(jié)實驗數(shù)據(jù),分析模型數(shù)據(jù),掌握電路參數(shù)對環(huán)節(jié)特性的影響。實驗要求：必修。2驗證課程目標1課程目標42二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)實驗實驗內(nèi)容：獲取欠阻尼二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)數(shù)據(jù),分析模型數(shù)據(jù),建立二階系統(tǒng)傳遞函數(shù),掌握控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)。實驗要求：必修。2驗證課程目標2課程目標43系統(tǒng)頻率特性測量實驗實驗內(nèi)容：獲取系統(tǒng)頻域特性數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)，掌握控制系統(tǒng)及元件頻率特性的測量方法。實驗要求：必修。2驗證課程目標1課程目標2課程目標44連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正實驗實驗內(nèi)容：實現(xiàn)控制系統(tǒng)串聯(lián)校正，掌握控制系統(tǒng)過渡過程的測量方法。實驗要求：必修。4驗證課程目標1課程目標2課程目標45調(diào)速系統(tǒng)的控制設(shè)計實驗內(nèi)容：設(shè)計直流電機調(diào)速系統(tǒng)，掌握電機調(diào)速系統(tǒng)的控制實現(xiàn)方法。實驗要求：必修。6設(shè)計課程目標1課程目標2課程目標3課程目標4合計16注：實驗要求包括必修、選修；實驗類型包括演示、驗證、綜合、設(shè)計等。四、課程教學(xué)方法1．理論學(xué)習(xí)以集中授課的形式為主，討論為輔，線上線下相結(jié)合的方式；2．綜合項目設(shè)計以小組形式，課外分散完成，集中答疑，集中評價；3．實驗教學(xué)以分組分批形式組織，實驗指導(dǎo)教師實時指導(dǎo)。五、學(xué)業(yè)評價和課程考核（一）考核方式及具體要求1.課程成績構(gòu)成與要求課程考核注重形成性和終結(jié)性評價相結(jié)合，考核內(nèi)容主要由平時作業(yè)、課程實驗、線上測試、綜合項目設(shè)計、期末考核組成，均按百分制計分，其中期末考核成績占50%、平時作業(yè)成績占20%、課程實驗成績占15%、平時測試成績占15%。2.課程目標達成考核與評價序號教學(xué)環(huán)節(jié)課程目標1（分值）課程目標2（分值）課程目標3（分值）課程目標4（分值）合計1平時作業(yè)51050202課程實驗00015153平時測試51000155期末考試7.5402.5050課程目標對應(yīng)分值17.5607.515100注：(1)考勤不加分，但曠課1次扣平時分1分，扣滿5分為止；(2)期末總成績不能低于50分；低于50分者，其總評成績?yōu)椴患案?。（二）考核與評價標準1.平時作業(yè)考核與評價標準作業(yè)成績平時以優(yōu)、良、中、及格、不及格五個等級登記，期末時折算為百分制計入總分。等級觀測點優(yōu)（90-100分）良（80-89分）中（70-79分）及格（60-69分）不及格（0-59分）作業(yè)能夠很好地應(yīng)用自動控制理論分析被控對象穩(wěn)定性、準確性，計算控制系統(tǒng)動態(tài)性能指標，按時完成，解答答案正確或合理，字跡工整，完成質(zhì)量高。能夠較好應(yīng)用自動控制理論分析被控對象穩(wěn)定性、準確性，計算控制系統(tǒng)動態(tài)性能指標，計算基本正確，解答答案基本正確或合理，字跡工整，完成質(zhì)量較高。能夠應(yīng)用自動控制理論分析被控對象穩(wěn)定性、準確性，計算控制系統(tǒng)動態(tài)性能指標，計算有錯誤，解答答案大部分正確或合理，字跡比較工整，完成質(zhì)量一般。能夠大部分應(yīng)用自動控制理論分析被控對象穩(wěn)定性、準確性，計算控制系統(tǒng)動態(tài)性能指標，計算、解答答案錯誤較多，字跡基本工整，完成質(zhì)量尚可。能夠小部分應(yīng)用自動控制理論分析被控對象穩(wěn)定性、準確性，計算控制系統(tǒng)動態(tài)性能指標，計算、解答答案錯誤較多或者不答，字跡潦草，完成質(zhì)量差，或有抄襲行為。2.課程實驗考核與評價標準課程實驗成績平時以優(yōu)、良、中、及格、不及格五個等級登記，期末時折算為百分制計入總分。等級觀測點優(yōu)（90-100分）良（80-89分）中（70-79分）及格（60-69分）不及格（≤59分）課程實驗?zāi)芨鶕?jù)要求搭建實驗裝置，圓滿完成實驗任務(wù)，準確處理獲得的數(shù)據(jù)，體現(xiàn)出優(yōu)秀的系統(tǒng)分析和設(shè)計實現(xiàn)能力。能根據(jù)要求搭建實驗裝置，自行完成實驗任務(wù)，較為準確處理獲得的數(shù)據(jù)，具有較好的系統(tǒng)分析和設(shè)計實現(xiàn)能力。能根據(jù)要求搭建實驗裝置，自行完成大部分實驗任務(wù)，能處理獲得的數(shù)據(jù)，具有一定的系統(tǒng)分析和設(shè)計實現(xiàn)能力。能根據(jù)要求完成部分實驗任務(wù)，系統(tǒng)分析和設(shè)計實現(xiàn)能力較弱，處理數(shù)據(jù)能力一般。無法根據(jù)要求完成部分實驗任務(wù)，不具備系統(tǒng)分析和設(shè)計實現(xiàn)能力。3.平時測試與評價標準平時測試根據(jù)題目分值直接評分（百分制）。等級觀測點90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分平時測試很好掌握控制系統(tǒng)基本概念，很好掌握數(shù)學(xué)模型建立方法，很好掌握控制系統(tǒng)的分析方法和校正方法。較好掌握控制系統(tǒng)基本概念，較好掌握數(shù)學(xué)模型建立方法，較好掌握控制系統(tǒng)的分析方法和校正方法。掌握控制系統(tǒng)基本概念，掌握數(shù)學(xué)模型建立方法，掌握控制系統(tǒng)的分析方法和校正方法。基本掌握控制系統(tǒng)基本概念，基本掌握數(shù)學(xué)模型建立方法，基本掌握控制系統(tǒng)的分析方法和校正方法。掌握部分控制系統(tǒng)基本概念，掌握部分數(shù)學(xué)模型建立方法，掌握部分控制系統(tǒng)的分析方法和校正方法。4.期末試卷考核與評價標準分值觀測點90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分期末考試自動控制原理基本概念描述準確。準確建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，準確應(yīng)用自動控制理論計算分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、準確性、快速性等。準確繪制Bode圖等。自動控制原理基本概念描述較準確。較準確建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，較準確應(yīng)用自動控制理論計算分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、準確性、快速性等。較準確繪制Bode圖等。自動控制原理基本概念描述大部分準確。建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用自動控制理論計算分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、準確性、快速性等大部分準確。繪制Bode圖等大部分準確。自動控制原理基本概念描述基本準確。建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用自動控制理論計算分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、準確性、快速性等基本準確。繪制Bode圖等基本準確。沒掌握自動控制原理基本概念。不具備自動控制理論分析能