《信號檢測與自動控制原理》課程教學(xué)大綱

《信號檢測與自動控制原理》課程教學(xué)大綱課程名稱：信號檢測與自動控制原理SignalDetectionandAutomaticControlTheory課程編號：081050203課程性質(zhì)：□必修□選修課程類別：□通識課程□專業(yè)課程￡實踐教學(xué)適用專業(yè)：智能采礦工程課程學(xué)時：總學(xué)時32學(xué)時，全部為理論教學(xué)學(xué)時課程學(xué)分：2應(yīng)開課學(xué)期：第6學(xué)期先修課程：復(fù)變函數(shù)、礦山電工學(xué)、電工電子技術(shù)、離散數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、線性代數(shù)等課程任課學(xué)院、系部：能源科學(xué)與工程學(xué)院采礦系一、課程簡介《信號檢測與自動控制原理》為專業(yè)選修課，教學(xué)對象為采礦工程專業(yè)、智能采礦工程專業(yè)、采礦工程專業(yè)（卓越）。本課程是一門講述信號檢測與自動控制原理的課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，旨在拓寬學(xué)生在傳感器及自動控制方面的基礎(chǔ)知識、增加學(xué)生在智能開采方面的知識儲備、使學(xué)生了解傳感器與自動控制技術(shù)在社會發(fā)展中的作用及與煤礦智能化開采的關(guān)系，增強獻(xiàn)身煤炭工業(yè)的事業(yè)心和責(zé)任感，為今后從事礦業(yè)工作或能源領(lǐng)域工作奠定基礎(chǔ)。二、課程教學(xué)的目標(biāo)及與畢業(yè)要求的關(guān)系（一）課程目標(biāo)課程總目標(biāo)：通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠?qū)鞲衅鞯脑砑俺Ｓ梅椒ǎ瑢ψ詣涌刂圃碛兄A(chǔ)性認(rèn)識，了解自動控制的數(shù)學(xué)模型，增強獻(xiàn)身煤炭工業(yè)的事業(yè)心和責(zé)任感，為學(xué)生今后從事采礦工程設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)管理及科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。課程目標(biāo)1：掌握常規(guī)控制器和自動控制系統(tǒng)的組成及其相互關(guān)系；課程目標(biāo)2：了解對自動控制系統(tǒng)的性能要求及分析系統(tǒng)性能的方法；課程目標(biāo)3：掌握用傳遞函數(shù)，方框圖，信號流圖及狀態(tài)空間描述建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法；課程目標(biāo)4：掌握對控制系統(tǒng)進行分析和綜合的方法:時域分析法、頻域分析法、根軌跡法及狀態(tài)空間分析法；課程目標(biāo)5：初步掌握控制系統(tǒng)的校正和設(shè)計方法，為解決實際問題打好基礎(chǔ)；課程目標(biāo)6：具備利用傳感器技術(shù)解決一些工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中自動化系統(tǒng)應(yīng)用的初步能力。（二）課程目標(biāo)與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系本課程目標(biāo)支持的主要畢業(yè)要求如下表（各專業(yè)根據(jù)實際情況使用此表，非工程認(rèn)證專業(yè)可刪除“指標(biāo)點”列）：課程目標(biāo)畢業(yè)要求指標(biāo)點1.掌握常規(guī)控制器和自動控制系統(tǒng)的組成及其相互關(guān)系畢業(yè)要求2：問題分析：能夠運用專業(yè)技能識別、表達(dá)、并通過文獻(xiàn)研究分析采礦工程與智能開采技術(shù)中的實際問題，以獲得有效結(jié)論。指標(biāo)點2.2：具有運用自然科學(xué)知識進行采礦工程與智能開采相關(guān)物理力學(xué)變量測定、數(shù)據(jù)采集與分析等能力。2.了解對自動控制系統(tǒng)的性能要求及分析系統(tǒng)性能的方法畢業(yè)要求2：問題分析：能夠運用專業(yè)技能識別、表達(dá)、并通過文獻(xiàn)研究分析采礦工程與智能開采技術(shù)中的實際問題，以獲得有效結(jié)論。指標(biāo)點2.2：具有運用自然科學(xué)知識進行采礦工程與智能開采相關(guān)物理力學(xué)變量測定、數(shù)據(jù)采集與分析等能力。3.掌握用傳遞函數(shù)，方框圖，信號流圖及狀態(tài)空間描述建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法畢業(yè)要求2：問題分析：能夠運用專業(yè)技能識別、表達(dá)、并通過文獻(xiàn)研究分析采礦工程與智能開采技術(shù)中的實際問題，以獲得有效結(jié)論。指標(biāo)點2.2：具有運用自然科學(xué)知識進行采礦工程與智能開采相關(guān)物理力學(xué)變量測定、數(shù)據(jù)采集與分析等能力。4.掌握對控制系統(tǒng)進行分析和綜合的方法:時域分析法、頻域分析法、根軌跡法及狀態(tài)空間分析法畢業(yè)要求2：問題分析：能夠運用專業(yè)技能識別、表達(dá)、并通過文獻(xiàn)研究分析采礦工程與智能開采技術(shù)中的實際問題，以獲得有效結(jié)論。指標(biāo)點2.2：具有運用自然科學(xué)知識進行采礦工程與智能開采相關(guān)物理力學(xué)變量測定、數(shù)據(jù)采集與分析等能力。5.初步掌握控制系統(tǒng)的校正和設(shè)計方法，為解決實際問題打好基礎(chǔ)畢業(yè)要求4：研究：能夠基于科學(xué)原理，采用科學(xué)方法對采礦工程、智能開采中的工程問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。指標(biāo)點4.2：能夠針對復(fù)雜采礦工程和智能開采問題進行研究，包括設(shè)計實驗、數(shù)據(jù)采集與分析等6.具備利用傳感器技術(shù)解決一些工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中自動化系統(tǒng)應(yīng)用的初步能力畢業(yè)要求4：研究：能夠基于科學(xué)原理，采用科學(xué)方法對采礦工程、智能開采中的工程問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。指標(biāo)點4.2：能夠針對復(fù)雜采礦工程和智能開采問題進行研究，包括設(shè)計實驗、數(shù)據(jù)采集與分析等三、課程教學(xué)的基本內(nèi)容及教學(xué)安排（課程內(nèi)容需細(xì)化到章、節(jié)和知識點，并說明授課學(xué)時、實驗項目及類型或?qū)嵺`教學(xué)具體安排）（一）課程教學(xué)的內(nèi)容及學(xué)時安排知識單元知識點學(xué)時數(shù)課程目標(biāo)線下授課線上授課實驗/實踐1.自動控制系統(tǒng)的基本原理及主要類別知識點1.1：自動控制系統(tǒng)的基本工作原理；知識點1.2：自動控制系統(tǒng)的反饋形式；知識點1.3：自動控制系統(tǒng)的分類；知識點1.4：對控制系統(tǒng)的基本要求；知識點1.5：控制工程中的外作用函數(shù)類型。2課程目標(biāo)22.拉普拉斯變換知識點2.1：拉氏變換的基本概念；知識點2.2：拉氏變換的基本性質(zhì)；知識點2.3：拉普拉斯逆變換；知識點2.4：拉普實例設(shè)計。2課程目標(biāo)23.自動控制系統(tǒng)的時域分析知識點3.1：控制系統(tǒng)的微分方程；知識點2.2：非線性微分方程的線性化；知識點3.3：傳遞函數(shù)的定義和性質(zhì)；知識點3.4：傳遞函數(shù)的零點和極點及其對輸出的影響；知識點3.5：典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。2課程目標(biāo)24.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖知識點4.1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的繪制；知識點4.2：結(jié)構(gòu)圖的等效變換和簡化；知識點4.3：信號流圖的組成與繪制；知識點4.4：結(jié)構(gòu)圖與信號流圖的轉(zhuǎn)化；知識點4.5：梅森增益公式。2課程目標(biāo)25.線性系統(tǒng)的時域分析知識點5.1：系統(tǒng)時間響應(yīng)的性能指標(biāo)；知識點5.2：一階系統(tǒng)的時域分析；知識點5.3：二階系統(tǒng)的時域分析；知識點5.4：高階系統(tǒng)的時域分析。2課程目標(biāo)26.線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析知識點6.1：線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件；知識點6.2：勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)；知識點6.3：線性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計算2課程目標(biāo)27.自動控制系統(tǒng)的根軌跡分析法知識點7.1：根軌跡法的基本概念；知識點7.2：普通根軌跡繪制的基本原則；知識點7.3：參數(shù)根軌跡繪制方法；知識點7.4：零度根軌跡的繪制法則；2課程目標(biāo)28.線性系統(tǒng)的頻域特性曲線知識點8.1：頻率特性的基本概念；知識點8.2：開環(huán)幅相頻率特性曲線的繪制；知識點8.3：開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線的繪制；2課程目標(biāo)29.線性系統(tǒng)頻域穩(wěn)定分析知識點9.1：頻率域穩(wěn)定判據(jù)；知識點9.2：奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)；知識點9.3：穩(wěn)定裕度；知識點9.4：閉環(huán)頻域特性。2課程目標(biāo)210.線性系統(tǒng)的矯正設(shè)計知識點10.1：綜合與矯正的基本概念；知識點10.2：期望頻率特性法矯正；知識點10.3：串聯(lián)校正；知識點10.4：反饋矯正。2課程目標(biāo)411.PID控制系統(tǒng)知識點11.1：PID控制的原理；知識點11.2：PID控制的傳遞函數(shù)；知識點11.3：PID控制器設(shè)計方法。2課程目標(biāo)412.信號檢測技術(shù)的基本概念知識點12.1：測量的基本概念及方法；知識點12.2：測量誤差及數(shù)據(jù)處理；知識點12.3：傳感器及其基本特征。2課程目標(biāo)213.光電傳感器知識點13.1：光電式原件工作原理；知識點13.2：光電編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；知識點13.3：光電編碼器測量數(shù)據(jù)的計算。2課程目標(biāo)414.電阻傳感器知識點14.1：電阻傳感器的原理；知識點14.2：電阻傳感器的類型；知識點14.3：電阻傳感器在檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用。2課程目標(biāo)415.電容傳感器知識點15.1：電容傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式；知識點15.2：電容傳感器的誤差分析；知識點15.3：電容傳感器在壓力、液位和流量方面的實際應(yīng)用。2課程目標(biāo)416.電渦流傳感器知識點16.1:電渦流傳感器的工作原理；知識點16.2:電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)及特性；知識點16.3:接近開關(guān)及應(yīng)用。2課程目標(biāo)4合計32四、本課程與其他課程的聯(lián)系本課程的先修課程為復(fù)變函數(shù)、礦山電工學(xué)、電工電子技術(shù)、離散數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、線性代數(shù)等課程。五、教材與其他教學(xué)資源（含教學(xué)參考書或在線資源）（一）建議教材（建議選用新出版的國家級規(guī)劃教材）（1）胡壽松主編，《自動控制原理》（第七版），科學(xué)出版社，ISBN:978-7-03-057291-2，普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材（2）《自動檢測技術(shù)及應(yīng)用》，（第3版），梁森主編，機械工業(yè)出版社，2018年。（二）其他教學(xué)資源（1）王化祥，崔自強.《傳感器原理及應(yīng)用》（第五版），天津大學(xué)出版社（2）《傳感器檢測與應(yīng)用》，王斌主編，國防工業(yè)出版社，2013年。（3）《自動檢測與儀表》，劉玉長主編，冶金工業(yè)出版社，2016年。（4）中國大學(xué)MOOC六、教學(xué)方法與學(xué)習(xí)建議建議重點掌握以下內(nèi)容：1、掌握自動控制系統(tǒng)設(shè)計的基本理論和主要方法。2、初步建立信號檢測與自動控制原理的整體知識框架，掌握傳感器與檢測技術(shù)的基本概念、原理和特性，能夠運用相關(guān)知識對自動檢測系統(tǒng)中的復(fù)雜工程問題的解決方案進行比較。3、使學(xué)生能理論聯(lián)系實際，將抽象的數(shù)學(xué)模型與實際系統(tǒng)聯(lián)系，根據(jù)性能指標(biāo)的要求，合理地選擇參數(shù)，對系統(tǒng)進行綜合與校正。4、能夠根據(jù)實際應(yīng)用情況，正確采集與處理分析傳感器的數(shù)據(jù)及現(xiàn)象，得到合理有效結(jié)論。同時，課中及課后可觀看由任課老師的提供的教學(xué)視頻，加深對所學(xué)內(nèi)容的理解。七、課程考核及成績評定方式（一）課程考核（說明考核方式及占總成績的比例）本課程成績滿分100分，由平時考核、過程考核、期末考查成績構(gòu)成：（1）平時考核成績，占總成績的10%，每個知識點后面有10題，總計320題，題型為：單項選擇題、多項選擇題和判斷題。（2）過程考核，占總成績的40%，發(fā)布20條，每條超過20字具有實際意義的評論獲滿分。（3）期末考查，占總成績的50%。（二）課程目標(biāo)與考核內(nèi)容的關(guān)系課程具體目標(biāo)與知識單元和考試內(nèi)容的關(guān)系如下：課程目標(biāo)知識單元考試內(nèi)容1：掌握常規(guī)控制器和自動控制系統(tǒng)的組成及其相互關(guān)系1.自動控制系統(tǒng)的基本原理及主要類別自動控制系統(tǒng)的基本工作原理；自動控制系統(tǒng)的反饋形式；自動控制系統(tǒng)的分類；對控制系統(tǒng)的基本要求；控制工程中的外作用函數(shù)類型。2：了解對自動控制系統(tǒng)的性能要求及分析系統(tǒng)性能的方法2.拉普拉斯變換3.自動控制系統(tǒng)的時域分析拉氏變換的基本概念；拉氏變換的基本性質(zhì)；拉普拉斯逆變換；拉普實例設(shè)計；控制系統(tǒng)的微分方程；非線性微分方程的線性化；傳遞函數(shù)的定義和性質(zhì)；傳遞函數(shù)的零點和極點及其對輸出的影響；典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。3：掌握用傳遞函數(shù)，方框圖，信號流圖及狀態(tài)空間描述建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法4.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的繪制；結(jié)構(gòu)圖的等效變換和簡化；信號流圖的組成與繪制；結(jié)構(gòu)圖與信號流圖的轉(zhuǎn)化；梅森增益公式。4：掌握對控制系統(tǒng)進行分析和綜合的方法:時域分析法、頻域分析法及根軌跡法5.線性系統(tǒng)的時域分析6.線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析7.自動控制系統(tǒng)的根軌跡分析法8.線性系統(tǒng)的頻域特性曲線9.線性系統(tǒng)頻域穩(wěn)定分析系統(tǒng)時間響應(yīng)的性能指標(biāo)；一階系統(tǒng)的時域分析；二階系統(tǒng)的時域分析；高階系統(tǒng)的時域分析；線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件；勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)；線性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計算根軌跡法的基本概念；普通根軌跡繪制的基本原則；參數(shù)根軌跡繪制方法；零度根軌跡的繪制法則；頻率特性的基本概念；開環(huán)幅相頻率特性曲線的繪制；開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線的繪制；頻率域穩(wěn)定判據(jù)；奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)；穩(wěn)定裕度；閉環(huán)頻域特性。5：初步掌握控制系統(tǒng)的校正和設(shè)計方法，為解決實際問題打好基礎(chǔ)10.線性系統(tǒng)的矯正設(shè)計11.PID控制系統(tǒng)綜合與矯正的基本概念；期望頻率特性法矯正；串聯(lián)校正；反饋矯正