《自動(dòng)控制原理》教學(xué)大綱

《自動(dòng)控制原理》教學(xué)大綱課程的性質(zhì)、地位與任務(wù)本課程是電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握自動(dòng)控制的基礎(chǔ)理論，并具有對(duì)簡(jiǎn)單連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析、定量估算和初步設(shè)計(jì)的能力，學(xué)生將掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)等方面的基本方法，如控制系統(tǒng)的時(shí)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。本課程系統(tǒng)地闡述了自動(dòng)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(dòng)控制技術(shù)從建模分析到應(yīng)用設(shè)計(jì)的各種思想和方法，內(nèi)容十分豐富。通過自動(dòng)控制理論的教學(xué)，應(yīng)使學(xué)生全面系統(tǒng)地掌握自動(dòng)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(jì)方法，以便將來勝任實(shí)際工作，具有從事相關(guān)工程和技術(shù)工作的基本素質(zhì)，同時(shí)具有一定的分析和解決有關(guān)自動(dòng)控制實(shí)際問題的能力。二、教學(xué)基本要求了解自動(dòng)控制的概念、基本控制方式及特點(diǎn)、對(duì)控制系統(tǒng)性能的基本要求。理解典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖化簡(jiǎn)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(jī)理分析建立數(shù)學(xué)模型的方法，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。熟悉暫態(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(duì)二階系統(tǒng)性能的分析，初步了解高階系統(tǒng)分析方法、主導(dǎo)極點(diǎn)的概念，能利用根軌跡對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，熟悉偶極子的概念以及添加零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。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)，了解絕對(duì)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、頻指標(biāo)的概念，以及頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系?；拘Ｕ绞胶头答佇Ｕ淖饔茫莆諒?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。三、教學(xué)學(xué)時(shí)分配表章教學(xué)內(nèi)容教學(xué)時(shí)數(shù)教學(xué)方法或手段備注一自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本知識(shí)4講授法和討論二控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型8講授法、演示、討論三控制系統(tǒng)的時(shí)域分析8講授法和多媒體四控制系統(tǒng)的頻域分析8講授法和演示五控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)4講授法和多媒體六簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)舉例4講授法、多媒體、討論實(shí)訓(xùn)一MATLAB的認(rèn)識(shí)2講授、演示、實(shí)操實(shí)訓(xùn)二MATLAB的運(yùn)算與繪圖2講授、演示、實(shí)操實(shí)訓(xùn)三用MATLAB解決時(shí)域分析的問題4講授、演示、實(shí)操實(shí)訓(xùn)四用MATLAB解決頻率分析問題4講授、演示、實(shí)操總計(jì)48四、教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本知識(shí)……4學(xué)時(shí)本章教學(xué)目的和要求：掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和基本要素，理解自動(dòng)控制的基本控制方式和對(duì)系統(tǒng)的性能要求，了解一些實(shí)際自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制原理。掌握自動(dòng)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。重點(diǎn)和難點(diǎn)：基本控制方式及特點(diǎn)；對(duì)控制系統(tǒng)性能的基本要求；建立元件方塊圖的方法；自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例。第一節(jié)自動(dòng)控制的一般概念一、自動(dòng)控制技術(shù)二、自動(dòng)控制理論的發(fā)展過程

第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與反饋控制理論二、開環(huán)控制與閉環(huán)控制三、自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例

第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型一、恒值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)與隨動(dòng)控制系統(tǒng)二、線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)第四節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求一、控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)與過度過程二、對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求及技術(shù)指標(biāo)第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型……8學(xué)時(shí)本章教學(xué)目的和要求：掌握傳遞函數(shù)及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的概念、意義、求取方法和簡(jiǎn)化方法；理解自動(dòng)控制系統(tǒng)的建模方法和步驟；掌握拉氏變換解微分方程。掌握傳遞函數(shù)及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、傳遞函數(shù)基本方法和結(jié)構(gòu)圖的變換。重點(diǎn)和難點(diǎn)：典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)；拉氏變換，傳遞函數(shù)的化簡(jiǎn)。第一節(jié)微分方程一、微分方程的建立二、微分方程的求解

第二節(jié)拉普拉斯變換與反變換一、拉普拉斯變化的基本概念二、拉普拉斯反變換第三節(jié)傳遞函數(shù)一、傳遞函數(shù)定義與求取二、傳遞函數(shù)的性質(zhì)第四節(jié)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖一、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的組成與繪制二、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變化與化簡(jiǎn)第五節(jié)反饋控制系統(tǒng)的重要傳遞函數(shù)第六節(jié)MATLAB基礎(chǔ)知識(shí)及其在結(jié)構(gòu)圖繪制與部分分式再開中的應(yīng)用第三章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析……8學(xué)時(shí)本章教學(xué)目的和要求：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(duì)一階和二階系統(tǒng)的分析計(jì)算以及穩(wěn)態(tài)誤差的分析計(jì)算，了解改善系統(tǒng)響應(yīng)的措施。掌握典型響應(yīng)、漸近穩(wěn)定性及時(shí)域性能指標(biāo)、穩(wěn)態(tài)誤差。重點(diǎn)和難點(diǎn)：一、二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)；穩(wěn)態(tài)誤差的分析和計(jì)算第一節(jié)線性定常系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)第二節(jié)線性定常數(shù)的穩(wěn)定性分析一、穩(wěn)定性的基本概念二、線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件第三節(jié)線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差一、穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算二、穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及輸入量的關(guān)系三、提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的方法第四節(jié)一階系統(tǒng)的時(shí)域分析一、一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型二、一階系統(tǒng)的響應(yīng)第五節(jié)二階系統(tǒng)的時(shí)域分析一、二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型二、二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)及性能指標(biāo)三、二階系統(tǒng)性能的改善第六節(jié)應(yīng)用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)域分析

第四章控制系統(tǒng)的頻域分析……8學(xué)時(shí)本章教學(xué)目的和要求：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，穩(wěn)定性的判別及裕度的計(jì)算。掌握穩(wěn)定判據(jù)、頻率特性和時(shí)域響應(yīng)的關(guān)系。重點(diǎn)和難點(diǎn)：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；奈氏穩(wěn)定性判據(jù)。

第一節(jié)控制系統(tǒng)頻率特性的概念一、控制系統(tǒng)頻率特性概述二、頻率特性的表示方法三、頻域性能指標(biāo)四、典型環(huán)節(jié)的頻率特性第二節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線繪制一、系統(tǒng)開環(huán)幅相頻率特性曲線的畫法二、系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性曲線的繪制第三節(jié)頻域的穩(wěn)定性判據(jù)一、奈氏穩(wěn)定性判據(jù)二、對(duì)數(shù)頻率穩(wěn)定判據(jù)三、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定量第四節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)性能與開環(huán)頻率特性關(guān)系一、頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系第五章控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)……4學(xué)時(shí)本章教學(xué)目的和要求：理解控制系統(tǒng)的組成，掌握?qǐng)?zhí)行器的選擇、基本控制規(guī)律、串級(jí)控制系統(tǒng)。要求學(xué)生掌握基本概念，學(xué)會(huì)相關(guān)的設(shè)計(jì)。

重點(diǎn)和難點(diǎn)：控制裝置的選擇；串聯(lián)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

第一節(jié)控制系統(tǒng)的預(yù)期數(shù)學(xué)模型一、典型系統(tǒng)二、兩種預(yù)期數(shù)學(xué)模型的比較第二節(jié)控制系統(tǒng)的校正一、調(diào)節(jié)器二、控制系統(tǒng)的工程校正方法第六章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)舉例……6學(xué)時(shí)本章教學(xué)目的和要求：通過單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)實(shí)例，分別從系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度對(duì)經(jīng)典控制理論的基本知識(shí)加以綜合應(yīng)用。對(duì)控制理論的分析方法以及工程設(shè)計(jì)方法有一個(gè)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

重點(diǎn)和難點(diǎn)：?jiǎn)伍]環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的性能分析；雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)。

第一節(jié)單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的性能分析一、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立二、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能分析第二節(jié)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型五、上機(jī)內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配實(shí)訓(xùn)一MATLAB的認(rèn)識(shí)（2學(xué)時(shí)）1.目的要求：學(xué)會(huì)編程軟件的安裝，掌握通信參數(shù)的設(shè)置，掌握MATLAB常用的操作指令和操作鍵2.掌握要點(diǎn)：編程軟件的安裝，MATLAB常用的操作指令和操作鍵，MATLAB中的簡(jiǎn)單運(yùn)算3.實(shí)訓(xùn)內(nèi)容（1）安裝MATLAB軟件按步驟安裝軟件和漢化軟件（2）通信參數(shù)的設(shè)置（3）編程軟件的使用1）創(chuàng)建項(xiàng)目或打開已有項(xiàng)目2）選擇默認(rèn)的編程語言和指令助記符3）確定程序的結(jié)構(gòu)，指令的輸入，定義符號(hào)地址4）程序的注釋，編譯程序5）下載程序，運(yùn)行和調(diào)試程序，保存程序?qū)嵱?xùn)二MATLAB的運(yùn)算與繪圖（2學(xué)時(shí)）1.目的要求：學(xué)會(huì)編程軟件的安裝，掌握MATLAB繪圖2.掌握要點(diǎn)：編程軟件的安裝，函數(shù)的運(yùn)算，M文件的使用，MATLAB繪圖3.實(shí)訓(xùn)內(nèi)容（1）安裝MATLAB軟件（2）菜單的使用；（3）繪圖工具的使用（4）繪圖的注釋實(shí)訓(xùn)三用MATLAB解決時(shí)域分析的問題（4學(xué)時(shí)）1.目的要求：掌握MATLAB常用的操作指令和操作鍵2.掌握要點(diǎn)：MATLAB常用的操作指令和操作鍵，MATLAB中時(shí)域響應(yīng)曲線的繪制、二階系統(tǒng)性能指標(biāo)的計(jì)算3.實(shí)訓(xùn)內(nèi)容（1）安裝MATLAB軟件（2）通信參數(shù)的設(shè)置（3）編程軟件的使用（4）繪圖工具的使用（5）根據(jù)圖列出性能指標(biāo)