自動控制原理 教學大綱（含課程思政）

自動控制原理課程教學大綱課程基本信息課程代碼課程基本信息課程代碼0710473學時80（含實驗16）學分4.5課程名稱（中文）自動控制原理（英文）PrinciplesofAutomaticControl課程類型專業(yè)基礎課，學位課，核心課先修課程高等數(shù)學、大學物理、信號與系統(tǒng)、MATLAB語言、電路、模擬電子技術后續(xù)課程現(xiàn)代控制理論、計算機控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)開課院系電子與電氣工程學院，電氣工程及其自動化系適用專業(yè)電氣工程及其自動化、電子信息工程、計算機科學與技術等課程簡介（500字以內，含課程性質、課程要求、課程教學總目標等）課程的性質“自動控制原理”課程要求和教學目標⑴知識目標⑵能力目標⑶素質目標通過本課程的學習，培養(yǎng)學生的工科人文情懷和精益求精的工匠精神、團結協(xié)作精神課程目標一、課程目標課程目標目標目標1：掌握自動控制的基本概念、理論和方法，能夠對自動控制系統(tǒng)進行建模和求解。(支撐畢業(yè)要求指標點1.3)目標2：掌握控制系統(tǒng)分析方法，能夠對控制系統(tǒng)性能進行分析。(支撐畢業(yè)要求指標點2.3)目標3：能夠正確理解常用校正裝置的特性及各種校正方法，并對控制系統(tǒng)進行校正設計。(支撐畢業(yè)要求指標點3.2)4.2）課程目標支撐畢業(yè)要求及指標點課程目標支撐畢業(yè)要求及指標點畢業(yè)要求1：工程知識具有從事電氣工程領域工作所需1.3課程目標1針對典型控制工程問題進行建模與分析。課程目標與畢業(yè)要求指標對應關系課程目標22.3能夠運用電氣工程基本原理和專業(yè)知識對具體工程問題進行分析，得到有效結論。畢業(yè)要求2：問題分析過文獻研究分析通信領域中復雜工程問題，以獲得有效結論。畢業(yè)要求3：設計/開發(fā)解決方案能夠針對電氣領域中的復雜工程課程目標33.2根據(jù)電氣工程領域各模塊的特定需求，進行設計和實現(xiàn)，并能夠在設計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識。新意識，考慮社會、健康、安全法律、文化以及環(huán)境等因素。，、課程目標44.2能夠選用器件、芯片、功能模塊等搭建實驗平臺，安全有效地開展實驗。畢業(yè)要求4：科學研究能夠基于科學原理并采用科學方法對電氣領域復雜工程問題進行、、、三、教學內容進度安排及對應課程目標章節(jié)教學內容（重點難點）教學目標學時教學形式作業(yè)及考核要求課程思政融入情況對應課程目標第1章緒論教學內容：引言自動控制的一般概念自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的控制方式自動控制系統(tǒng)實例自動控制系統(tǒng)的分類對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求自動控制的基本概自動控制系統(tǒng)實例掌握自動控制的基本概念，深刻理解反饋控制原了解自動控制系統(tǒng)的應用，掌握由系統(tǒng)工作原理圖繪制方框圖的方法。理解對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求。了解自動控制系統(tǒng)的分類及發(fā)展。2課堂教學為主，課外輔導為輔；提問、討論的互動方式，提高學生課堂參與度，鼓勵學生自主探究。課后作業(yè)思維導圖章節(jié)測試1.通過介紹我國古代的指南車、計時漏壺、水運儀象臺、都江堰所蘊含的控制思想，讓學生感受到勞動人民的聰明才智，增強學2.自動控制技術域，取得了前所、、就，通過介紹具體實例，激發(fā)學生強烈的民族自豪感及專業(yè)認同感。同時讓學生明白這些國家重器背后是無數(shù)科索、精益求精、克服困難、大膽創(chuàng)新的結果。3.通過介紹錢學森在工程控制領域的成就以及歷科研事業(yè)做出的目標1巨大貢獻，引導學生的愛國意識和奉獻精神。1理解建立控制課堂教學為主，課外輔導為輔；提問、討論的互動方式，提高學生課堂參與度，鼓勵學生自主探究。1.線性定常系統(tǒng)可以采用不同形式的數(shù)學模型，傳遞函數(shù)、頻率狀態(tài)方程等，根據(jù)解決的問題不同，采用不同的數(shù)學模型。引導學生具體問題具體分析。2.實際系統(tǒng)往往都具有不同程度的非線性特性，在工程上為了簡化問題，常常忽、素，將非線性系、統(tǒng)轉換為線性系統(tǒng)，從而給理論分析和工程實踐都帶來了很大方便。引導學生解決問題抓主要矛盾，找主導因素3.在畫信號流圖時信號只能沿著支路箭頭的方向傳輸不能逆輸,若違反規(guī)則,根據(jù)梅森增益公式則會得到錯誤的傳遞函數(shù)，由此強化學生的規(guī)矩意識。系統(tǒng)微分方程的一般步驟和方法會利用拉普拉斯變換法求解微分教學內容：微分方程線性化2.1控制系統(tǒng)的微分方程的方法。2.2控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2掌握傳遞函數(shù)2.3控制系統(tǒng)的結構圖2.4控制系統(tǒng)的信號流圖同形式的表達式2.5典型反饋控制系統(tǒng)的掌握典型環(huán)節(jié)及傳遞函數(shù)其傳遞函數(shù)。重點：3掌握控制系統(tǒng)第2章性質及不同形式的表達結構圖的建立步課后作業(yè)式；典型環(huán)節(jié)的傳遞函構圖等效變換規(guī)8思維導圖章節(jié)測試目標1目標4學模型典型反饋控制系統(tǒng)的傳等效變換求解系遞函數(shù)。統(tǒng)的傳遞函數(shù)。難點:結構圖等效變換;信4掌握信號流圖的概念和繪制方梅森增益公式求取傳遞函數(shù)的方法。5掌握典型反饋系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)及誤差傳遞函數(shù)的概念及求取方法。；；、，；；、，。教學內容：1.介紹穩(wěn)定性概念時，引導學生在工業(yè)生產中要關注細節(jié)，細節(jié)決定控制系統(tǒng)性能，培養(yǎng)學生樹立責任意識，安全意識，養(yǎng)成嚴謹細致的職業(yè)精神。2.穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)工作的首要社會這個復雜的此，正如鄧小平、所說“穩(wěn)定壓倒、”學生應自覺維護國家穩(wěn)定。3.以勞斯穩(wěn)定判據(jù)的講授引出穩(wěn)定性分析理論的發(fā)展歷程，使學生明白一個理論的形成不是一蹴而就的，是需要科研工作者的深入研究、長期積累，在前人工作的基礎上不斷探索、勇于創(chuàng)新中逐漸完善的。3.1時域分析基礎1了解時域分析3.2一階系統(tǒng)的動態(tài)性能型輸入信號的特分析點和時域性能指3.3二階系統(tǒng)的動態(tài)性能標的含義。分析2.3.4高階系統(tǒng)的動態(tài)性能系統(tǒng)的數(shù)學模型分析階躍響應的特點3.5線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分及動態(tài)性能指標析3.6線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差課堂教學為分析主，課外輔3章典型輸入信號及時二階和高階系統(tǒng)的動態(tài)統(tǒng)動態(tài)性能指標3理解穩(wěn)定性的概念及穩(wěn)定條件能熟練運用穩(wěn)定10導為輔；提問、討論的互動方式，提高學生課課后作業(yè)思維導圖章節(jié)測試目標2目標4法性分析及穩(wěn)定判據(jù)的應判據(jù)判定系統(tǒng)的堂參與度，穩(wěn)定性并進行有鼓勵學生自計算及減小或消除穩(wěn)態(tài)關參數(shù)分析計算主探究。誤差的措施。4理解穩(wěn)態(tài)誤差二階系統(tǒng)的動態(tài)性能分析；穩(wěn)定判據(jù)的應定理的應用條件掌握系統(tǒng)的型別計算及減小或消除穩(wěn)態(tài)和靜態(tài)誤差系數(shù)誤差的措施。穩(wěn)態(tài)誤差的方法理解減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的措施教學內容：1掌握根軌跡的課堂教學為1.埃文斯用系統(tǒng)參數(shù)變化時特征方程的根的變化、軌跡來研究系統(tǒng)、的性能，相比較70多年前麥克斯韋和勞斯取得的研究成果，開創(chuàng)了新的思維和研4.1根軌跡法的基本概念主，課外輔4章繪制根軌跡的基本規(guī)則廣義根軌跡系統(tǒng)性能的分析模值方程計算根軌跡上任一點的根軌跡增益。8導為輔；提問、討論的互動方式，提高學生課課后作業(yè)思維導圖章節(jié)測試目標2目標4根軌跡的基本概念2掌握繪制根軌堂參與度，鼓勵學生自運用根軌跡規(guī)則主探究。、。；。、。；。；，。、跡分析系統(tǒng)的性能。繪制系統(tǒng)根軌跡3.理解繪制廣義根軌跡的思路、要點和方法。4.點分布和階躍響握運用根軌跡分析系統(tǒng)性能的方法。究方法，讓學生明白創(chuàng)新精神、探索精神。2.在繪制根軌跡時不需要精確作圖，根據(jù)一些關鍵點進行概略繪制，引導學生要以目標為導向，有時不必過于精確，糾結細節(jié)，要抓主要問題、關鍵問題，解決難點問題。5章教學內容：頻率特性的基本概念典型環(huán)節(jié)的頻率特性系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性頻率穩(wěn)定判據(jù)穩(wěn)定裕度利用開環(huán)頻率特性分析系統(tǒng)的性能控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性典型環(huán)節(jié)的頻率特判據(jù)和對數(shù)頻率穩(wěn)定判據(jù)及其應用；幅值裕度和環(huán)頻率特性分析閉環(huán)系統(tǒng)性能的三頻段法。開環(huán)頻率特性曲線據(jù)和對數(shù)頻率穩(wěn)定判據(jù)及其應用。理解頻率特性的基本概念及幾何表示方法。掌握最小相位和非最小相位典型環(huán)節(jié)的幅相特掌握開環(huán)頻率特性曲線的繪制率域穩(wěn)定判據(jù)判斷系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性。掌握由系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線求開環(huán)傳遞函數(shù)的方法。理解幅值裕度和相角裕度的概念，并會求解。理解系統(tǒng)開環(huán)頻域指標和時域三頻段法分析閉環(huán)系統(tǒng)性能的方法。14課堂教學為主，課外輔導為輔；提問、討論的互動方式，提高學生課堂參與度，鼓勵學生自主探究。章節(jié)測試1.傅里葉級數(shù)和傅里葉變換主要研究如何將信號從時域轉化到頻域。讓學生明白信號的時域和頻域本質上是同一個問題的不同表現(xiàn)形式，有些問題在時域中得不到解答，但在頻域內就可以找找到解決方法。通過時域和頻域的對比，讓學生明白一個問題可以式，從不同的角度去看問題，可以得到不同的解答。2.奈奎斯特、伯德和尼科爾斯三人創(chuàng)新了頻率特論。引導學生學會在已有研究基礎上不斷開拓創(chuàng)目標2目標4。。。。7.理解系統(tǒng)閉環(huán)頻域指標與開環(huán)頻域指標、時域指標的關系。新。3.通過穩(wěn)定裕度的講解，引導學生做事要留有余地，防患于未然6章教學內容：系統(tǒng)校正設計基礎常用校正裝置及其特性串聯(lián)校正反饋校正復合校正線性系統(tǒng)基本控制串聯(lián)校正的設計步理解線性系統(tǒng)的基本控制規(guī)律理解常用校正裝置的特性及對系統(tǒng)性能的影響3.掌握串聯(lián)超前、串聯(lián)滯后和串聯(lián)滯后-超前校正的設計原理及方法4.理解反饋校正和復合校正的特點和作用，掌握運用反饋校正和復合校正提高系統(tǒng)性能的方法。10課堂教學為主，課外輔導為輔；提問、討論的互動方式，提高學生課堂參與度，鼓勵學生自主探究。課后作業(yè)思維導圖章節(jié)測試1.在控制系統(tǒng)的分析與設計過程中，理論的指導固然不可缺少，但實踐經驗往往起更重要作用。在設計手段上，除了必要的理論計算之外，還需要配合一些局部和整體的模擬試驗和數(shù)字仿真。使學生明白，要達到比較滿意的設計，需要綜合、多方面的知識和、依賴于長期實踐經驗的積累。2.PID參數(shù)的調整是一種工程整定方法，是在反復“試錯”過程中進行的，實踐經驗的積累十分重要，鼓勵學生在今后的工作崗位中努力將理論知識應用于實踐，不斷積累經驗，提高自己在專業(yè)領域的核心競爭力。目標3目標47章教學內容：7.1離散系統(tǒng)概述1理解離散系統(tǒng)8課堂教學為主，課外輔課后作業(yè)思維導圖1通過了解中、興事件”、“華為、”、目標1目標2。。。。。。。。信號的采樣與保持z變換脈沖傳遞函數(shù)離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析離散系統(tǒng)的動態(tài)性能分析離散系統(tǒng)的數(shù)字校正信號的采樣和保離散系統(tǒng)的穩(wěn)定分析；最少拍系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的區(qū)別與聯(lián)系。2理解信號采樣及保持的數(shù)學描的內容及零階保持器的特性。3.掌握z變換的定義、性質及求z法。4掌握脈沖傳遞函數(shù)的概念及性開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)和閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的求解方法。5s域到z握離散系統(tǒng)的穩(wěn)定條件及穩(wěn)定性離散系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計算方法。掌握離散系統(tǒng)閉環(huán)極點分布與瞬態(tài)響應的關系以及系統(tǒng)動態(tài)性能的分析計算方法。掌握數(shù)字控制器脈沖傳遞函數(shù)拍系統(tǒng)的定義及最少拍系統(tǒng)的設計方法。導為輔；提問、討論的互動方式，提高學生課堂參與度，鼓勵學生自主探究。章節(jié)測試“Matlab地認識到我國在關鍵核心技術領域的不足，激發(fā)學生獻身國家高科技事業(yè)、力爭科技強國的職業(yè)使命感。2.離散控制系統(tǒng)是在連續(xù)控制系統(tǒng)的基礎上產生的，很多分析方法與連續(xù)控制系統(tǒng)有相似之處，引導學生通過類比的方法進行有效的學習，可以達到事半功倍的效果。目標3目標48章教學內容：非線性控制系統(tǒng)概述相平面法描述函數(shù)法1.理解非線性系統(tǒng)的特點，掌握典型非線性特性及對系統(tǒng)性能的影響。4課堂教學為主，課外輔導為輔；提問、討論的互動方式，課后作業(yè)思維導圖章節(jié)測試實際系統(tǒng)往往都、具有不同程度的、非線性特性，在工程上為了簡化問題，常常忽略目標2目標4非線性系統(tǒng)的特用相平面法分析非線性析非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性及自激振蕩，自振參數(shù)的計算。相平面法分析非線非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性及掌握相平面的握二階線性系統(tǒng)的相軌跡及奇點夠利用相平面法分析非線性系統(tǒng)的運動特性。掌握描述函數(shù)的概念及典型非線性特性描述函用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性及自激振蕩。提高學生課堂參與度，鼓勵學生自主探究。一些次要因素，將非線性系統(tǒng)轉換為線性系統(tǒng)，從而給理論分析和工程實踐都帶來了很大方便。但是也有相當多的系統(tǒng)，需要考慮非線性模型才能得到符合實際的結果。引導學生具體問題具體分析。四、考核與評價標準1、考核方式及成績占比序號成績構成考核方式成績占比1期末成績閉卷筆試60%2過程考核課后習題或章節(jié)測試10%3思維導圖或課堂筆記10%4實驗20%合計100%課程目標達成評價計算方法：（課程目標試題均分/課程目標試題總分）×60%+課程目標過程考核成績均分/課程目標過程考核成績總分）×40%。2、課程目標評價標準課程目標考核環(huán)節(jié)評價標準優(yōu)（90-100）良（75-89）中（60-74）不及格（0-59）課程目標1課程目標2課程目標3考核環(huán)節(jié)1出試題時，（1）需設置好支撐課程目標1、2、3的題型分值；（2）根據(jù)期末考試試卷評分標準進行評分。不按時提交作業(yè)業(yè)書寫工整清楚課程目標1能熟練運用自動運用自動控制的基本運用自動控完整或抄襲現(xiàn)象課程目標2課程目標3考核環(huán)節(jié)2控制的原理和方法對控制系統(tǒng)關鍵問題進行分析原理和方法對控制系統(tǒng)關鍵問題進行分析，解題過制的原理和方法對控制系統(tǒng)關鍵問題進行分析，解未掌握運用自動控制的原理和方法對控制系統(tǒng)關程較正確、存在題過程基本正確