《自動控制原理A》教學大綱

《自動控制原理A》教學大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：05136031課程性質：學科基礎必修課學分：4學分學時：64學時（理論56學時，實驗8學時）先修課程：大學物理、高等數(shù)學、復變函數(shù)與積分變換、電路分析基礎、模擬電子技術等后續(xù)課程：機器人編程與系統(tǒng)集成、智能機器人、機器人控制系統(tǒng)仿真等適用專業(yè)：機器人工程開課單位：電氣工程與自動化學院一、課程說明《自動控制原理A》是機器人工程專業(yè)必修的一門學科基礎課。本課程主要講授經(jīng)典控制理論的基本理論與方法，包括自動控制系統(tǒng)的基本原理、控制系統(tǒng)的數(shù)學建模、線性系統(tǒng)的基本分析方法、線性系統(tǒng)的設計校正方法、線性離散系統(tǒng)的分析以及非線性控制系統(tǒng)分析等，為學習其他有關課程及以后從事技術工作奠定扎實的基礎。本課程注重基本理論知識的深入學習，著重培養(yǎng)運用基礎理論知識解決生產(chǎn)實際中問題的能力，并通過后續(xù)相關課程的學習，能夠從事國民經(jīng)濟、國防和科研各部門的運動控制、過程控制、機器人智能控制、導航制導與控制、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)、模式識別與智能系統(tǒng)、生物信息學、人工智能及神經(jīng)網(wǎng)絡、系統(tǒng)工程理論與實踐、等領域的科學研究、技術開發(fā)及管理工作。二、課程目標通過本課程的學習，使學生達到如下目標：課程目標1：掌握經(jīng)典控制理論的基本知識，包括自動控制系統(tǒng)的基本原理、控制系統(tǒng)的數(shù)學建模、線性系統(tǒng)的基本分析方法、線性系統(tǒng)的設計校正方法、線性離散系統(tǒng)的分析以及非線性控制系統(tǒng)分析等。課程目標2：能正確運用數(shù)學建模方法、線性系統(tǒng)時域分析方法、根軌跡分析方法、頻域分析方法、系統(tǒng)校正設計方法等知識分析、解決線性定常系統(tǒng)中遇到的問題，能正確運用線性離散控制系統(tǒng)的方法分析離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，會利用描述函數(shù)法分析非線性控制系統(tǒng)性能。課程目標3：跟蹤自動控制理論發(fā)展的科學前沿，使學生了解我國在自動控制領域的現(xiàn)狀和優(yōu)勢、與世界相關行業(yè)的差距，增強學生的民族自豪感和時代緊迫感，同時增強學生的法治觀念、社會責任感和創(chuàng)新意識。了解自動控制系統(tǒng)開發(fā)設計的流程，能夠就自動控制領域實際工程問題提出設計方案和撰寫研究報告。三、課程目標與畢業(yè)要求《自動控制原理A》課程教學目標對機器人工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學目標與畢業(yè)要求關系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度1.工程知識1.2掌握機器人工程領域所需的電路分析、電子技術、計算機、機械等原理和思想，能將其知識方法用于復雜機器人工程問題的分析和表述。課程目標1：掌握經(jīng)典控制理論的基本知識，包括自動控制系統(tǒng)的基本原理、控制系統(tǒng)的數(shù)學建模、線性系統(tǒng)的基本分析方法、線性系統(tǒng)的設計校正方法、線性離散系統(tǒng)的分析以及非線性控制系統(tǒng)分析等。M2.問題分析2.2應用數(shù)學、物理等方法和專業(yè)知識，能夠對機器人工程領域復雜工程問題進行建模。課程目標2：能正確運用數(shù)學建模方法、線性系統(tǒng)時域分析方法、根軌跡分析方法、頻域分析方法、系統(tǒng)校正設計方法等知識分析、解決線性定常系統(tǒng)中遇到的問題，能正確運用線性離散控制系統(tǒng)的方法分析離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，會利用描述函數(shù)法分析非線性控制系統(tǒng)性能。M4.研究4.3能夠采用計算機仿真、實物或半實物仿真等方法，設計實驗方案，搭建實驗系統(tǒng)，進行實驗。課程目標3：跟蹤自動控制理論發(fā)展的科學前沿，使學生了解我國在自動控制領域的現(xiàn)狀和優(yōu)勢、與世界相關行業(yè)的差距，增強學生的民族自豪感和時代緊迫感，同時增強學生的法治觀念、社會責任感和創(chuàng)新意識。了解自動控制系統(tǒng)開發(fā)設計的流程，能夠就自動控制領域實際工程問題提出設計方案和撰寫研究報告。H注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關畢業(yè)要求的關聯(lián)度。四、教學內容、基本要求與學時分配1.理論部分理論部分的教學內容、基本要求與學時分配見表2。表2教學內容、基本要求與學時分配教學內容教學要求，教學重點難點理論學時實驗學時對應的課程目標1.控制系統(tǒng)導論1.1自動控制的基本原理1.2自動控制系統(tǒng)示例1.3自動控制系統(tǒng)的分類1.4自動控制系統(tǒng)的基本要求1.5自動控制系統(tǒng)的分析與設計工具教學要求：理解自動控制的基本原理與方式；掌握自動控制系統(tǒng)方框圖的繪制方法；了解自動控制系統(tǒng)的分類；理解對自動控制系統(tǒng)的基本要求。重點：自動控制的基本原理與方式；自動控制系統(tǒng)的分類；自動控制系統(tǒng)的基本要求。難點：分析系統(tǒng)并繪制方框圖的方法。2032.控制系統(tǒng)的數(shù)學模型2.1拉普拉斯變換2.2控制系統(tǒng)的時域數(shù)學模型2.3控制系統(tǒng)的復數(shù)域數(shù)學模型2.4控制系統(tǒng)的結構圖與信號流圖教學要求：了解控制系統(tǒng)的時域數(shù)學模型和復數(shù)域數(shù)學模型；掌握控制系統(tǒng)的結構圖的等效變換與信號流圖的畫法；掌握梅森公式的使用方法；了解控制系統(tǒng)數(shù)學建模方法。重點：控制系統(tǒng)的復數(shù)域數(shù)學模型；控制系統(tǒng)的結構圖的等效變換與信號流圖的畫法。難點：控制系統(tǒng)的結構圖的等效變換與信號流圖的畫法。801、23.線性系統(tǒng)的時域分析法3.1系統(tǒng)的時域性能指標3.2一階系統(tǒng)的時域分析3.3二階系統(tǒng)的時域分析3.4高階系統(tǒng)的時域分析3.5線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析3.6線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算教學要求：理解系統(tǒng)時間響應的各項性能指標；掌握一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)的時域分析方法；了解高階系統(tǒng)的時域分析方法；掌握線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法；掌握線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算方法。重點：欠阻尼二階系統(tǒng)的時域分析；線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算。難點：閉環(huán)極點與系統(tǒng)性能間的關系；高階系統(tǒng)的閉環(huán)主導極點。1221、2、34.線性系統(tǒng)的根軌跡法4.1根軌跡法的基本概念4.2常規(guī)根軌跡的繪制法則4.4系統(tǒng)性能的分析教學要求：了解根軌跡法的基本概念；掌握常規(guī)根軌跡繪制的基本法則；熟悉利用根軌跡法分析系統(tǒng)性能。重點：常規(guī)根軌跡繪制的基本法則；利用根軌跡法分析系統(tǒng)性能。難點：利用根軌跡法分析系統(tǒng)性能。401、25.線性系統(tǒng)的頻域分析法5.1頻率特性5.2典型環(huán)節(jié)與開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性5.3頻域穩(wěn)定判據(jù)5.4穩(wěn)定裕度5.5閉環(huán)系統(tǒng)的頻域性能指標教學要求：理解頻率特性的概念；掌握典型環(huán)節(jié)與開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性；掌握頻域穩(wěn)定判據(jù)和穩(wěn)定裕度的計算方法；了解閉環(huán)系統(tǒng)的頻域性能指標。重點：典型環(huán)節(jié)與開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性；頻域穩(wěn)定判據(jù)；穩(wěn)定裕度的計算方法。難點：頻域穩(wěn)定判據(jù)；穩(wěn)定裕度的計算方法。1241、2、36.線性系統(tǒng)的校正方法6.1系統(tǒng)的設計與校正問題6.2常用校正裝置及其特性6.3串聯(lián)校正教學要求：了解系統(tǒng)的設計與校正所面臨的問題；掌握常用校正裝置及其特性；掌握串聯(lián)校正的設計方法；理解控制系統(tǒng)校正設計作用。重點：常用校正裝置及其特性；串聯(lián)校正的設計方法。難點：串聯(lián)校正的設計方法；各串聯(lián)校正的作用。621、2、37.線性離散系統(tǒng)的分析與校正7.1離散系統(tǒng)的基本概念7.2信號的采樣與保持7.3z變換理論7.4離散系統(tǒng)的數(shù)學模型7.5離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差教學要求：了解離散系統(tǒng)的基本概念；了解信號采樣與保持；掌握z變換理論；掌握離散系統(tǒng)的數(shù)學模型建立方法；掌握離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性分析方法。重點：離散系統(tǒng)的數(shù)學模型；離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差。難點：閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的計算；離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差。801、28.非線性控制系統(tǒng)分析8.1非線性控制系統(tǒng)概述8.2常見非線性特性及其對系統(tǒng)運動的影響8.3描述函數(shù)法。教學要求：了解非線性控制系統(tǒng)基本概念；理解常見非線性特性及其對系統(tǒng)運動的影響；掌握利用描述函數(shù)法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。重點：常見非線性特性及其對系統(tǒng)運動的影響；利用描述函數(shù)法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。難點：利用描述函數(shù)法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。401、2合計5682.實驗部分實驗部分的教學內容、基本要求與學時分配見表3。表3實驗項目、實驗內容與學時實驗項目實驗內容和要求實驗學時對應的課程目標1.二階系統(tǒng)的時域分析法實驗內容：學習繪制系統(tǒng)時域響應曲線及系統(tǒng)分析的方法。22、32.線性系統(tǒng)的頻域分析法——典型環(huán)節(jié)特性曲線實驗內容：學習繪制系統(tǒng)頻域典型環(huán)節(jié)特性曲線的方法，掌握典型環(huán)節(jié)表達的特性。22、33.線性系統(tǒng)的頻域分析法——伯德圖實驗內容：學習繪制系統(tǒng)頻域伯德圖的方法，掌握穩(wěn)定性判斷方法及穩(wěn)定裕度分析方法。22、34.線性系統(tǒng)的校正方法實驗內容：學習分析各種校正手段對于系統(tǒng)性能改善的方法。22、3合計8五、教學方法及手段本課程以課堂講授為主，結合討論、案例、視頻資源共享、實驗等教學手段，促進學生積極思考，開發(fā)學生的潛能，培養(yǎng)學生思考問題、分析問題和解決問題的能力；同時精選教學內容，精講多練；安排習題課，鞏固課堂所學知識；課程依托超星泛雅學習平臺，提供靈活的自主學習平臺，學生可通過學習通完成作業(yè)提交、課堂互動、問題答疑、在線學習等活動，通過這些方法和手段完成學任務和相關能力的培養(yǎng)課程教。使得學生能較全面地理解線性定常系統(tǒng)建模、時域分析、復數(shù)域分析、頻域分析的基本方法與設計系統(tǒng)的基本原理，對線性離散控制系統(tǒng)進行建模并進行性能分析，對非線性控制系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析，具有根據(jù)系統(tǒng)性能指標要求設計系統(tǒng)控制器的初步能力。實驗教學著重講授如何用科學的手段來完成理論的驗證；如何組織實驗、處理數(shù)據(jù)和分析實驗現(xiàn)象；介紹常用設備和儀器的原理、構造和使用維護方法以及綜合實驗內容的思路和方案設計等。采用教師講授和學生動手操作的方法；在實驗前學生應復習和掌握與本實驗有關的教學內容、認真閱讀實驗指導書；在實驗中要嚴格遵守實驗紀律，按操作規(guī)程使用儀器；實驗結束后，按規(guī)定對儀器進行維護保養(yǎng)；每完成一項實驗，要認真完成一份實驗報告。六、課程資源1.推薦教材：胡壽松.自動控制原理[M].7版.北京:科學出版社,2019．2.參考書：（1）胡壽松.自動控制原理習題解析[M].2版.北京:科學出版社,2017.（2）胡壽松.自動控制原理筆記和課后習題（含考研真題）詳解[M].6版.北京:中國石化出版社,2017．（3）熊曉君.自動控制原理實驗教程(硬件模擬與MATLAB仿真)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2017.（4）張志涌.MATLAB教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2017.（5）胡壽松.自動控制原理題海與考研指導[M].2版.北京:科學出版社,2017.（6）劉勝.全方位推進器控制系統(tǒng)研究[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011.3.期刊：（1）王飛躍.智能控制五十年回顧與展望:傅京孫的初心與薩里迪斯的雄心[J].自動化學報,2021,47(10):2301-2320.（2）陳皓勇,任章,張承慧,等.“集群智能與協(xié)同控制”?？把訹J].控制理論與應用,2021,38(07):873-874.（3）程啟明,沈磊,程尹曼,等.電網(wǎng)不平衡下基于SGSC和Lyapunov控制器的DFIG協(xié)調控制[J].電機與控制學報,2020,24(10):27-37.（4）ShihuaLi,HaoGu.FuzzyAdaptiveInternalModelControlSchemesforPMSMSpeed-RegulationSystem[J].IEEETransactionsonIndustrialInformatics,2012,8(4):767-779.（5）DerongLiu.Adaptivecriticnonlinearrobustcontrol:asurvey[J].IEEETransactionsonCybernetics,2017,47(10):3429-3451.4.網(wǎng)絡資源：（1）華中科技大學.王永驥.國家級精品課程《自動控制原理》./course/HUST-1001531001?tid=1001614004.（2）中國工控網(wǎng)./.七、課程考核對課程目標的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關系見表4。表4課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標123過程性考核課堂表現(xiàn)8（1）根據(jù)課堂互動、筆記、課堂出勤情況和課程討論等情況進行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√104階段性測試6（1）根據(jù)階段性測試試卷的完成情況進行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√44作業(yè)10（1）主要考核學生對各章節(jié)知識點的復習、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭?3實驗16（1）根據(jù)每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質量單獨評分，滿分100分；（2）每次實驗單獨評分，取各次實驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實驗成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭?6期末考核60（1）卷面成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考核系統(tǒng)結構簡化及梅森公式建模、線性系統(tǒng)時域性能分析、線性系統(tǒng)根軌跡分析、線性系統(tǒng)頻域分析、線性系統(tǒng)校正設計、線性離散系統(tǒng)建模與性能分析、非線性系統(tǒng)模型與穩(wěn)定性分析等內容。（3）考試題型為：選擇題、填空題、計算題和設計題等?！獭?030合計：100分47476八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、階段性測試、實驗、作業(yè)、期末考試等方式對學生進行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┰嚲沓煽兒瓦^程性考核成績組成。其中：期末試卷成績?yōu)?00分（權重60%），試題類型為填空題、選擇題、計算題和設計題等類型，試卷中基本知識、基本理論、基本技能的試題分值不超過50%，綜合應用題、分析題不低于50%；課堂表現(xiàn)、階段性測試、作業(yè)、實驗等過程性考核成績?yōu)?00分（權重40%）；過程性考核和考試試題分值分配應與教學大綱各章節(jié)的學時基本成比例。2.過程性考核成績的標準過程性考核方式