《自動控制理論》課程教學大綱

自動控制理論（AutomaticControlTheory）課程基本信息課程編號：04021505h課程總學時：56實驗學時：8學時課程性質：必修課程屬性:專業(yè)基礎類開設學期：第5學期適用專業(yè)：電子信息工程專業(yè)；核心對先修的要求：高等數學，復變函數，信號與系統，控制理論等。對后續(xù)的支撐：后續(xù)課程主要有電機與拖動，智能設計等。課程的教學理念、性質、目標和任務自動控制理論課程是河南農業(yè)大學機電工程學院開設的一門電子信息類專業(yè)技術基礎課，是面向電子信息類專業(yè)高年級本科生的一門專業(yè)核心課，為培養(yǎng)電子信息工程領域高質量的專門人才服務。本課程介紹經典控制理論的基礎知識，從基本概念入手，結合工程實例，時域分析方法、根軌跡分析方法和頻域分析方法并重，實現自動控制系統的分析和設計。通過本課程的學習，應使學生清晰地建立起線性反饋控制系統的基本架構和基本概念，掌握自動控制的基本理論及其工程分析和設計方法，學會利用經典控制理論的工程方法設計自動控制系統。培養(yǎng)學習者運用基本理論解決工程實際問題的能力，并為學習后續(xù)有關課程準備必要的知識，有助于學習者綜合能力和整體素質的提高。課程目標及對畢業(yè)要求指標點的支撐序號課程目標支撐畢業(yè)要求指標點畢業(yè)要求1理解控制系統的基本概念、基本組成、基本要求；能夠利用機理分析、實驗等方法對典型線性環(huán)節(jié)進行模型構建，能夠采用適當方法進行模型的簡化和變換；針對控制系統的工程應用背景、研究目的能夠對不同的控制方式進行綜合研判；指標點1.212能夠采用三大分析方法，針對具體的工程問題進行觀測，分析判定控制系統穩(wěn)定性和動態(tài)性能指標，并能明確其中的關聯因素和本質特征。指標點2.423能夠根據復雜工程問題的實際要求，通過閉環(huán)控制系統的結構設計、控制器參數設計與優(yōu)化，實現控制系統關鍵性能指標的改善。指標點4.134通過理論學習和實驗研究相結合，能夠運用Matlab/Simulink仿真工具對被控對象及控制系統時域和頻域的動、靜態(tài)性能進行仿真分析與設計驗證，獲得控制系統建模、分析及進行實驗的能力；指標點5.25教學內容及進度安排（一）理論教學序號教學內容學生學習預期成果課內學時教學方式支撐課程目標1(一)緒論(1)自動控制系統的基本原理；(2)自動控制系統的分類與基本要求；(3)自動控制的歷史和發(fā)展；(4)課程體系結構和學習方法。課外討論：分析日常生活和工程項目中自動控制系統實例的簡單原理和控制結構；課外導讀：控制科學家之錢學森；控制論之父-諾伯特·維納（1）能夠描述一個實際控制系統的工作原理，識別控制系統的被控對象、輸入量、輸出量、反饋量和擾動量；（2）能夠識別系統的控制方式，并說明其特點；（3）能夠識別系統的特征：線性、非線性，時變、時不變，連續(xù)、離散，單輸入單輸出、多輸入多輸出，恒值、隨動等；（4）明確控制系統性能的基本要求。3課堂講授、案例分析。目標12

（二）控制系統數學模型(1).控制系統的數學模型；(2).傳遞函數的概念與性質；(3).控制系統的結構圖繪制、等效變換和簡化(4).信號流圖和梅森增益公式課外討論：利用MATLAB工具建立控制系統的各類模型第1次測試題（1-2章）第1次作業(yè)（1）能夠對簡單的控制理論系統、機械系統等根據其控制理論原理和力學原理列寫系統的微分方程；（2）熟練利用拉普拉斯變換法求解線性定常系統微分方程；（3）能夠解釋傳遞函數的定義、明確傳遞函數的性質和適用范圍；（4）能夠熟練寫出各典型基本環(huán)節(jié)的傳遞函數；（5）能夠根據系統結構圖的等效變換求解系統的傳遞函數；（6）能夠利用信號流圖和梅森公式求解系統的傳遞函數。8課堂講授、案例分析、課外作業(yè)鞏固。目標13（三）控制系統時域分析（1）.系統的時域響應與性能指標；（2）.一階系統的時域響應與性能指標；（3）.二階系統與性能指標計算及其改善；（4）.高階系統的時域響應；（5）.線性定常系統的穩(wěn)定性及勞斯判據；（6）.線性定常系統的穩(wěn)定性分析；（7）.控制系統的穩(wěn)態(tài)誤差-穩(wěn)態(tài)誤差的計算；（8）.控制系統的穩(wěn)態(tài)誤差的消除；課外討論：利用MATLAB工具分析控制系統的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)時域性能課外導讀：科學家麥克斯韋第3章測試題第2次作業(yè)（1）能夠分析一階系統在典型輸入信號作用下的輸出響應，并通過一階系統的單位階躍響應分析計算其性能指標；（2）明確不同阻尼比時二階系統的閉環(huán)極點的位置和其單位階躍響應，并計算欠阻尼時系統的動態(tài)性能指標和結構參數；（3）明確線性系統穩(wěn)定的充要條件，并熟練利用勞斯判據判斷系統的穩(wěn)定性；（4）能夠利用靜態(tài)誤差系數法、拉普拉斯變換的終值定理分析、討論計算和減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的方法；10課堂講授、案例分析、課外作業(yè)鞏固。目標1目標2目標3目標44（四）控制系統根軌跡（1）根軌跡的基本概念；（2）繪制根軌跡的基本規(guī)則；（3）廣義根軌跡；（4）根軌跡法分析系統性能；（5）增加開環(huán)零、極點對控制系統性能的影響。課外討論：利用MATLAB工具繪制控制系統的根軌跡并分析根對系統性能的影響課外導讀：根軌跡方法提出者W.R.Evans第4章測試題第3次作業(yè)（1）能夠熟練掌握并靈活利用根軌跡方程的幅值條件和相角條件；（2）熟練利用根軌跡繪制的基本規(guī)則繪制一般根軌跡、參數根軌跡和零度根軌跡；（3）能夠利用根軌跡方程以及閉環(huán)主導極點分析系統的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。8課堂講授、案例分析、課外作業(yè)鞏固。目標2目標3目標45

（五）控制系統頻域分析（1）頻率特性基本概念；（2）頻率特性圖示方法；（3）典型環(huán)節(jié)頻率特性；（4）系統開環(huán)頻率特性；（5）Nyguist穩(wěn)定判據；（6）穩(wěn)態(tài)裕度；（7）利用開環(huán)頻率特性分析系統性能；（8）利用閉環(huán)頻率特性分析系統性能。課外討論：利用MATLAB工具繪制控制系統的Bode圖并分析性能課外導讀：貝爾實驗室的工程師科學家Bode和Nyquist第5章測試題第4次作業(yè)（1）能夠熟練畫出典型環(huán)節(jié)的奈氏圖和Bode圖；能夠利用三點法和分段疊加法繪制控制系統的開環(huán)奈氏圖和開環(huán)Bode圖；（2）能夠根據系統的頻率特性確定系統傳遞函數；（3）能夠利用奈氏穩(wěn)定判據判斷系統的穩(wěn)定性；能夠分析并計算系統的穩(wěn)定裕量；（4）能夠分析閉環(huán)頻率特性和系統動態(tài)性能之間的關系。10課堂講授、案例分析、課外作業(yè)鞏固。6（六）控制系統校正設計（1）控制系統校正的基本概念；（2）常用校正裝置及其特性；（3）自動控制系統的頻率法校正；（4）串聯校正裝置設計；（5）期望特性校正及實例分析；（6）PID控制器及設計分析；（7）反饋校正基本原理；（8）復合校正實例分析。課外討論：利用MATLAB工具對控制系統進行串聯校正設計并進行校正前后系統性能分析課外導讀：PID的通俗故事第6章測試題第5次作業(yè)（1）能夠比較各種校正方法的特點和設計原則的區(qū)別；（2）針對控制系統具體特征、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能要求能夠選擇和設計合適的校正方案；（3）求出校正環(huán)節(jié)的傳遞函數形式及其控制器實現（4）理解PID控制器的實現形式和各參數調節(jié)原則；9課堂講授、案例分析、課外作業(yè)鞏固。目標2目標3目標4（二）實驗教學序號實驗名稱學時實驗教學內容學習要求支撐課程目標1控制系統時域性能分析2(1)學習實驗室操作規(guī)范和注意事項；(2)熟悉matlab/simulink仿真軟件的使用方法（3）講解握控制系統時域性能指標的測量方法。(1)研究二階系統的特征參數對系統動態(tài)性能的影響；(2)掌握掌握控制系統時域性能指標的測量方法。目標42控制系統根軌跡繪制與性能分析2（1）講解控制系統根軌跡的繪制方法；（2）講解常用函數的調用方式。（3）講解運用根軌跡分析系統性能的方法。（1）掌握控制系統根軌跡的繪制方法；（2）學會運用根軌跡分析系統性能。(3)進一步增強動手能力，認真撰寫實驗報告目標43控制系統頻域特性分析2（1）講解控制系統頻率特性的物理概念；（2）講解控制系統的頻域測量和分析方法；(3)講解MATLAB常用頻域函數的使用；。（1）加深了解控制系統頻率特性的物理概念，能用MATLAB繪制系統頻域曲線；（2）掌握控制系統的頻域測量和分析方法；(3)進一步增強動手能力，認真撰寫實驗報告。目標44PID控制系統的Simulink仿真分析2（1）講解PID控制規(guī)律及其控制器的實現。（2）講解PID控制器的參數對系統穩(wěn)定性的及過度過程的影響。(3)講解PID控制器的封裝與設置。（1）掌握PID控制規(guī)律及其控制器的實現。（2）研究PID控制器的參數對系統穩(wěn)定性的及過度過程的影響。(3)進一步增強動手能力，認真撰寫實驗報告。目標4課程思政《自動控制理論》在教學過程中，圍繞“立德樹人”這個教育的根本任務，深入挖掘課程所蘊含的思想政治教育元素，引導學生樹立可持續(xù)發(fā)展的科學發(fā)展觀，培養(yǎng)工匠精神，運用專業(yè)知識為國家自動控制事業(yè)做出應有的貢獻。在課程教學中，課程思政內容有多處體現：1、講到控制理論的發(fā)展歷史，取得成果以及科學家杰出貢獻指導學生樹立愛國、敬業(yè)精神,增強民族自信心、自豪感;用大系統概念引導學生樹立團隊合作意識。2、.通過分析控制系統穩(wěn)定的重要性，引導認識社會穩(wěn)定的重要意義及自身責任。穩(wěn)定性是系統能夠正常運行的首要條件、先決條件，對于控制系統，不論是時域分析法、根軌跡分析法還是頻域分析法，都要對系統穩(wěn)定性做出判定。只有當系統是穩(wěn)定的，我們研究系統的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能才有意義，才能討論系統的快速性和準確性，實現預定的控制任務和基本要求。3、通過數學模型的等價變換映射自由、平等、誠信、公正、法制原則。同一系統可以采用不同的數學模型，如微分方程、傳遞函數、方框圖、信號流圖、頻率特性來描述，微分方程、傳遞函數、頻率特性可以相互轉換，方框圖和信號流圖可以通過等價變換法則求典型的傳遞函數，變換的目的是進行系統性能分析，先等價變換哪部分是人的自由，但必須遵循等價原則。數學模型的等價變化如同人與人相處之道，必須互相尊重，遵守自由、平等、誠信、友愛、公正的原則。失去這個基礎，人與人之間便不會融洽、和諧相處。4、通過時域分析法的三種性能要求有時是互相矛盾的，映射識大體、顧大局、合作共贏。時域分析法是在時間域對系統的穩(wěn)定性、動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能進行分析。掌握勞斯穩(wěn)定判據，掌握一階、二階乃至高階系統性能分析方法，穩(wěn)態(tài)誤差的計算方法。通過分析發(fā)現，穩(wěn)定性、動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能要求有時互相矛盾。比如，開環(huán)增益的增大，對穩(wěn)定性不利，穩(wěn)態(tài)誤差是常數時，有利于減小穩(wěn)態(tài)誤差，對動態(tài)性能來說可加快系統響應，三者相互制約，是矛盾的。再如，加入積分環(huán)節(jié)對穩(wěn)定性不利，對消除穩(wěn)態(tài)誤差有利，這就要綜合各種因素通盤考慮，折中考慮，講究中庸之道，在保證穩(wěn)定的情況下兼顧動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的要求，不可只顧一種性能要求而忽略另一種性能訴求，而要顧全大局，不能只顧一己之私，講究合作共贏。5、通過穩(wěn)定裕度的含義，映射做任何事要做好充分準備、留有余地、游刃有余。幅值裕度、相位裕度綜合衡量自動控制系統的相對穩(wěn)定程度，留有穩(wěn)定的余量，保證系統在受到不確定、隨機的擾動時，仍能保持穩(wěn)定性能。控制系統是這樣，對于人也是一樣。我們做什么事時一定事先做好充分準備，不打無準備之仗，不打無把握之仗。天道酬勤，做好充足的準備，才能以不變應萬變，遇到突發(fā)事件保持沉著冷靜。找工作、創(chuàng)業(yè)、讀研，都要事先規(guī)劃好，做好充足準備，首先，必須有扎實的專業(yè)知識基礎，這就要求我們平時游刃有余地完成課內知識的同時，自主擴展知識面，開闊視野。其次，鍛煉自己的能力，如協調溝通能力、管理能力、動手能力、研究能力、創(chuàng)新能力、應變能力等。最后，提高個人修養(yǎng)，內外兼修。有了扎實的基礎知識、很強的綜合能力和很好的個人修養(yǎng)做后盾，干什么事才能更有底氣、更自信淡定。自信源于實力，達到“任爾東西南北風，我自巋然不動”“不管風吹浪打，勝似閑庭信步”的境界，方能立于不敗之地。6、通過頻域三頻段理論，映射做人要根據不同階段規(guī)劃好目標。頻域三頻段理論中，低頻代表控制系統穩(wěn)態(tài)性能，要有積分環(huán)節(jié)和較大的開環(huán)增益，對數幅頻特性曲線要抖要高;中頻代表控制系統的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，對數幅頻特性曲線要緩要寬;高頻代表抗干擾性能，要抖要低。不同的頻率階段代表對控制系統的要求不同。對于我們也是一樣，不同年齡階段要求不同。大學正是學生增長知識、開闊視野、提高能力和個人修養(yǎng)的時期，就要在這些方面努力。五、教材及參考資料1.選用教材：（1）理論課教材：《自動控制理論（第2版）》，劉丁編著，機械工業(yè)出版社，2019年.實驗課教材：自編2.參考書：（1）《自動控制原理》第7版.胡壽松.北京：科學出版社.2019.（2）《自動控制理論》第2版.盧京潮.西安：西北工業(yè)大學出版社.2017.（3）《自動控制原理與設計》（第六版）[FeedbackControlofDynamicSystems,SixthEdition][美]GeneF.Franklin（吉尼F.富蘭克林）電子工業(yè)出版社.2014.（4）《自動控制原理》李友善主編.國防工業(yè)出版社.2008年.3.推薦網站（線上資源）：（1）中國大學生慕課，網址：/（2）愛課程，網址：/home/六、教學條件課程采用多媒體進行教學，教室及設備在數量和功能上滿足教學需求，學校有良好的管理、維護和更新機制，方便教師進行教學。學院有獨立機房，可供學生查閱資料使用。本課程負責人工作在科研一線，對于科研流程等十分熟悉。七、課程考核、考核方式及成績評定序號課程目標（支撐畢業(yè)要求指標點）考核內容評價依據及成績比例(%)成績比例(%)作業(yè)實驗課堂表現期末1目標1：（支撐畢業(yè)要求指標點1.4）對控制理論的基礎知識、基本概念、基本方法的理解和掌握80215252目標2：（支撐畢業(yè)要求指標點2.2）考核學生對控制理論數學模型的建模和模型變換、化簡能力，以及采用時域和根軌跡方法分析系統穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)性能，判斷系統穩(wěn)定性的能力90325373目標3：（支撐畢業(yè)要求指標點4.1）控制系統在三域中的數學模型、系統三要素的分析與計算、以及系統的設計、校正方法。80020284目標4：（支撐畢業(yè)要求指標點5.2）主要考核學生課內知識的掌握情況和實驗技能0100010合計2510560100課堂表現及評分標準課程目標考核內容評分標準90-100分80-89分70-79分60-69分<60分課程目標1（2%）考核學生課下預習、復習、課堂回答問題及討論參與情況。遵守課堂紀律，積極參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于90%；或能回答老師提出的問題，準確率大于90%。遵守課堂紀律，認真參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于80%；或能回答老師提出的問題，準確率大于80%。遵守課堂紀律，上課狀態(tài)一般，能回答老師提出的問題，準確率大于70%。遵守課堂紀律，上課狀態(tài)一般，能回答老師提出的問題，準確率大于60%。遵守課堂紀律，但不能正常參與課堂教學活動，不能回答老師提出的問題。課程目標2（3%）考核學生課下預習、復習、課堂回答問題及討論參與情況。遵守課堂紀律，積極參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于90%；或能回答老師提出的問題，準確率大于90%。遵守課堂紀律，認真參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于80%；或能回答老師提出的問題，準確率大于80%。遵守課堂紀律，上課狀態(tài)一般，能回答老師提出的問題，準確率大于70%。遵守課堂紀律，上課狀態(tài)一般，能回答老師提出的問題，準確率大于60%。遵守課堂紀律，但不能正常參與課堂教學活動，不能回答老師提出的問題。（2）作業(yè)測驗評分標準成績課程目標優(yōu)秀（90-100分）良好（80-89分）中等（70-79分）及格（60-69分）不及格（<60分）課程目標1（8%）按時交作業(yè)，概念正確，相關知識點論述清晰，能正確理解控制理論的基本概念、基本定律對控制系統進行分析和計算。按時交作業(yè)，概念正確，相關知識點論述清晰，能理解控制理論的基本概念、基本定律對控制系統進行分析和計算。按時交作業(yè)，概念正確，相關知識點論述清晰，能基本理解控制理論的基本概念、基本定律對控制系統進行分析和計算。按時交作業(yè)，概念正確，相關知識點論述清晰，能部分理解控制理論的基本概念、基本定律對控制系統進行分析和計算。按時交作業(yè)，概念正確，相關知識點論述清晰，不能理解控制理論的基本概念、基本定律對控制系統進行分析和計算。課程目標2（9%）按時交作業(yè)，基本概念正確，相關知識點論述清晰；能熟練應用各種分析方法進行控制系統的分析和計算。按時交作業(yè)，基本概念正確，相關知識點論述清晰；基本能熟練應用各種分析方法進行控制系統的分析和計算。按時交作業(yè)，基本概念正確，相關知識點論述清晰；能應用各種分析方法進行控制系統的分析和計算。按時交作業(yè)，基本概念理解一般，相關知識點論述一般；基本能應用各種分析方法進行控制系統的分析和計算。不交或不按時交作業(yè)；有抄襲現象；或者基本概念不清晰；相關知識點論述不清晰；不能應用各種分析方法進行控制系統的分析和計算。課程目標3（8%）按時交作業(yè)，基本概念正確，相關知識點論述清晰；能熟練應用各種設計方法進行控制系統的分析和計算。按時交作業(yè)，基本概念正確，相關知識點論述清晰；基本能熟練應用各種設計方法進行控制系統的分析和計算。按時交作業(yè)，基本概念正確，相關知識點論述清晰；能應用各種設計方法進行控制系統的分析和計算。按時交作業(yè)，基本概念理解一般，相關知識點論述一般；基本能應用各種設計方法進行控制系統的分析和計算。不交或不按時交作業(yè)；有抄襲現象；或者基本概念不清晰；相關知識點論述不清晰；不能應用各種設計方法進行控制系統的分析和計算。每次作業(yè)按百分制評分，以所有作業(yè)的平均成績計入總成績。（3）實驗環(huán)節(jié)考核及評價標準成績課程目標優(yōu)秀（90-100分）良好（80-89分）中等（70-79分）及格（60-69分）不及格（<60分）課程目標4（10%）實驗態(tài)度端正；實驗操作規(guī)范、實驗結果正確；考核中能準確地回答全部問題；實驗報告撰寫規(guī)范、整潔、全面。實驗態(tài)度端正；實驗操作規(guī)范、實驗結果正確；考核中能基本準確地回答全部問題；實驗報告撰寫規(guī)范整潔。實驗態(tài)度端正；實驗操作基本規(guī)范，實驗結果正確；考核中能準確地回答主要問題；實驗報告撰寫基本規(guī)范。實驗態(tài)度較端正；實驗操作基本規(guī)范，實驗結果基本正確；考核中能準確地回答部分問題；實驗報告撰寫基本規(guī)范。實驗態(tài)度不端正；無法獨立完成實驗操作，實驗結果不正確；考核中不能準確地回答主要問題；實驗報告書寫不規(guī)范。期末考核及評分標準課程目標考核內容評分標準90-100分80-89分70-79分60-69分<60分課程