《自動(dòng)控制原理B》課程教學(xué)大綱

ADDINCNKISM.UserStyle《自動(dòng)控制原理B》課程教學(xué)大綱（理論課程）一、課程基本信息課程號(hào)3023S05005開(kāi)課單位國(guó)際學(xué)院課程名稱（中文）自動(dòng)控制原理B（英文）PrinciplesofAutomaticControlB課程性質(zhì)必修考核類型考試課程學(xué)分3課程學(xué)時(shí)51課程類別專業(yè)發(fā)展課程（專業(yè)核心課）先修課程高等數(shù)學(xué)，電路分析基礎(chǔ)，模擬電路、信號(hào)與系統(tǒng)適用專業(yè)（類）電氣工程及其自動(dòng)化二、課程描述及目標(biāo)（一）課程簡(jiǎn)介《自動(dòng)控制原理B》課程是本專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，旨在使學(xué)生熟悉控制系統(tǒng)組成、建立反饋思想、掌握基本控制概念和要求；具備利用時(shí)域、頻域、根軌跡三種方法分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，動(dòng)、靜態(tài)性能的能力，以及根據(jù)性能要求為系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器的能力。為《現(xiàn)代控制》《過(guò)程控制》等后續(xù)課程奠定必要的理論基礎(chǔ)。教學(xué)過(guò)程中再現(xiàn)理論體系演化形成的過(guò)程，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維意識(shí)，激勵(lì)學(xué)生了解前沿科學(xué)技術(shù)，為祖國(guó)繁榮富強(qiáng)奮斗終生。（二）教學(xué)目標(biāo)通過(guò)本課程理論學(xué)習(xí)使學(xué)生建立控制系統(tǒng)的基本概念，掌握控制系統(tǒng)基本分析和設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述分析系統(tǒng)特性的抽象表達(dá)及分析能力，使學(xué)生具備系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)的專業(yè)思維方式。課程目標(biāo)及能力要求具體如下：課程目標(biāo)1：掌握控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成，控制基本要求，理解反饋的重要性，建立控制理論知識(shí)架構(gòu)。課程目標(biāo)2：掌握機(jī)理建模法及時(shí)域、頻域模型形式，能夠基于模型抽象表達(dá)系統(tǒng)特性，從而分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)性能。課程目標(biāo)3：掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的逆向思維方式，利用所學(xué)分析工具，根據(jù)控制要求反推，逐步設(shè)計(jì)出控制器，并能夠利用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和效果驗(yàn)證。三、課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)權(quán)重1-3能將相關(guān)知識(shí)和數(shù)學(xué)模型方法用于推演、分析專業(yè)相關(guān)工程問(wèn)題，并能夠用于工程問(wèn)題解決方案的比較與綜合課程目標(biāo)32-1能運(yùn)用相關(guān)科學(xué)原理，識(shí)別和判斷復(fù)雜工程問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)課程目標(biāo)2四、教學(xué)方式與方法1、導(dǎo)向式預(yù)習(xí)題：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)布置與課程內(nèi)容相關(guān)的引導(dǎo)性預(yù)習(xí)題目，啟發(fā)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)而尋求解決問(wèn)題的方法，為課堂授課的順利進(jìn)行，成功互動(dòng)做好準(zhǔn)備。2、貫穿性例題剖析：磁盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)例貫串整個(gè)課程，從系統(tǒng)模型建立到穩(wěn)定性、動(dòng)靜態(tài)特性的分析，再到系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)，統(tǒng)一的實(shí)例更方便學(xué)生建立系統(tǒng)的整體觀念，對(duì)比各種方法的關(guān)系和作用。3、客觀細(xì)化成績(jī)?cè)u(píng)定：平時(shí)成績(jī)的評(píng)定由預(yù)習(xí)、習(xí)題、在線考試、課上搶答、在線討論、PBL任務(wù)等多個(gè)模塊組成，各模塊的成績(jī)按權(quán)重求和，實(shí)現(xiàn)客觀化過(guò)程式成績(jī)?cè)u(píng)定。4、總結(jié)性綜合討論：為避免學(xué)生只注重方法而忽視基本概念和控制思想，設(shè)計(jì)階段性的總結(jié)性思考題，在學(xué)生掌握了基本知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)他們站到一定的高度重新審視學(xué)習(xí)的內(nèi)容，突出“控制”的目的性，明確普適性方法在控制前提下應(yīng)用的特點(diǎn)，避免只見(jiàn)樹木不見(jiàn)森林。5、多方位課程管理：網(wǎng)絡(luò)——課堂——實(shí)驗(yàn)室三種途徑有機(jī)結(jié)合，形成立體化的授課體系。充分利用網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、互相溝通和協(xié)作解決問(wèn)題的能力：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)布置課前預(yù)習(xí)題；建立課程論壇，完成課后思考題的討論；建立作業(yè)和仿真專區(qū)，方便學(xué)生交流經(jīng)驗(yàn)，分享資源。課堂教學(xué)主要完成知識(shí)體系的傳授和實(shí)例剖析，幫學(xué)生建立系統(tǒng)性的知識(shí)構(gòu)架，討論和解決學(xué)生在作業(yè)和實(shí)踐中的主要問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)教學(xué)本著理論聯(lián)系實(shí)際的宗旨，配套的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)和學(xué)生的自發(fā)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，在學(xué)以致用的過(guò)程中深化課程內(nèi)容的理解。五、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)（一）教學(xué)重點(diǎn)線性連續(xù)定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，主要包括以下內(nèi)容：1. 數(shù)學(xué)模型的建立（微分方程，傳遞函數(shù)，框圖，信號(hào)流圖）2. 時(shí)域分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其分析（穩(wěn)定性的基本概念，穩(wěn)定性的判定方法）系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（一階、二階系統(tǒng)的性能分析，高階系統(tǒng)的降階）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)的校正（校正的基本結(jié)構(gòu)、PID控制器）3. 系統(tǒng)的根軌跡分析方法（根軌跡的基本概念，根軌跡動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能的關(guān)系，根軌跡的繪制方法，基于根軌跡的系統(tǒng)校正）4. 系統(tǒng)的頻域分析方法（頻率分析法的基本思想，頻率特性圖的繪制，基于頻率特性圖的系統(tǒng)性能分析，基于頻率特性圖的系統(tǒng)設(shè)計(jì)）（二）教學(xué)難點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)組成及穩(wěn)定性概念；系統(tǒng)頻域分析思想及方法；系統(tǒng)校正方法步驟。六、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配序號(hào)教學(xué)內(nèi)容基本要求學(xué)時(shí)教學(xué)方式對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1自動(dòng)控制基本概念開(kāi)環(huán)與閉環(huán)單閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)正反饋與負(fù)反饋控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)基本要求能夠結(jié)合不同領(lǐng)域?qū)嵗f(shuō)明控制定義中的各個(gè)基本要素（被控對(duì)象，控制目標(biāo)，被控量，控制量、擾動(dòng)量）能區(qū)分兩種控制結(jié)構(gòu)并掌握各種的特點(diǎn)能夠辨認(rèn)單閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成部分及它們的連接方式能夠判斷系統(tǒng)的正負(fù)反饋狀態(tài)和穩(wěn)定性。能按照不同分類方法進(jìn)行系統(tǒng)分類理解各個(gè)指標(biāo)含義及其在實(shí)際系統(tǒng)中的具體意義4講授討論練習(xí)案例分析課程目標(biāo)1，32數(shù)學(xué)模型的基本概念建模的基本方法機(jī)理建模法步驟傳遞函數(shù)方框圖理解數(shù)學(xué)模型定義及系統(tǒng)的抽象性，掌握數(shù)學(xué)模型種類。能夠區(qū)分機(jī)理法和實(shí)驗(yàn)法能夠根據(jù)機(jī)理建立系統(tǒng)微分方程掌握傳遞函數(shù)定義、性質(zhì)能夠靈活轉(zhuǎn)換微分方程及傳遞函數(shù)；能夠?qū)鬟f函數(shù)寫為四種基本表達(dá)形式，明確每種形式參數(shù)名稱和意義。利用傳遞函數(shù)求系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)。根據(jù)微分方程組繪制方框圖化簡(jiǎn)方框圖4講授討論練習(xí)測(cè)驗(yàn)案例分析課程目標(biāo)13梅森公式線性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特征系統(tǒng)模態(tài)零極點(diǎn)的作用能夠?qū)⒎娇驁D轉(zhuǎn)化為信號(hào)流圖，并用梅森公式進(jìn)行化簡(jiǎn)單回路系統(tǒng)的幾個(gè)常用閉環(huán)傳遞函數(shù)和開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)明確系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)基本組成部分能根據(jù)微分方程特征根判斷系統(tǒng)響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)特征。能夠根據(jù)傳遞函數(shù)零極點(diǎn)判斷系統(tǒng)響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)特征。4講授討論練習(xí)課程目標(biāo)14穩(wěn)定性定義及條件、Routh穩(wěn)定判據(jù)Routh穩(wěn)定判據(jù)應(yīng)用明確平衡點(diǎn)及其穩(wěn)定性定義，能夠區(qū)分大范圍穩(wěn)定、局部穩(wěn)定、不穩(wěn)定。能夠正確列些Routh表進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性判定能夠Routh穩(wěn)定判據(jù)確定參數(shù)的穩(wěn)定區(qū)域（以及留有裕量的情況）4講授練習(xí)測(cè)驗(yàn)課程目標(biāo)25系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)；掌握動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)定義及作用；一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)二階系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分類高階系統(tǒng)降階能夠區(qū)分系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)能夠根據(jù)階躍響應(yīng)曲線求取性能指標(biāo)明確慣性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)形態(tài)，能夠根據(jù)時(shí)間常數(shù)求取系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。明確參數(shù)意義，能區(qū)分不同阻尼情況及運(yùn)動(dòng)特征。熟悉欠阻尼二階系統(tǒng)特征根位置與參數(shù)的關(guān)系、并能利用性能指標(biāo)公式確定期望特征根位置。掌握降階基本思想，能夠根據(jù)傳遞函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)降階。4講授討論練習(xí)案例分析課程目標(biāo)26輸入端與輸出端定義的誤差穩(wěn)態(tài)誤差的定義穩(wěn)態(tài)誤差的求取穩(wěn)態(tài)誤差表%內(nèi)模原理%區(qū)分兩種誤差，并了解兩者關(guān)系從運(yùn)動(dòng)角度，理解穩(wěn)態(tài)誤差是誤差響應(yīng)的受迫運(yùn)動(dòng)部分。明確系統(tǒng)穩(wěn)定是穩(wěn)態(tài)誤差存在的前提能夠利用定義法或終值定理求取系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差熟記，并能利用其求解穩(wěn)態(tài)誤差，分析如何減小和消除穩(wěn)態(tài)誤差4講授討論練習(xí)課程目標(biāo)27時(shí)域控制器設(shè)計(jì)根軌跡定義根軌跡方程根軌跡基本繪制規(guī)則能夠根據(jù)控制要求用時(shí)域相關(guān)方法結(jié)論設(shè)計(jì)控制器明確是閉環(huán)特征根在某一參量（不一定是根軌跡增益）變化時(shí)，位置變換形成的軌跡明確其實(shí)質(zhì)是系統(tǒng)特征方程，能根據(jù)不同情況判斷該應(yīng)用模條件還是角條件。理解規(guī)則，熟練應(yīng)用4分組任務(wù)講授討論練習(xí)課程目標(biāo)3課程目標(biāo)18根軌跡繪制練習(xí)0度根軌跡、參量根軌跡根軌跡設(shè)計(jì)能夠根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)繪制閉環(huán)根軌跡概略圖能夠分辨屬于哪種情況，并利用響應(yīng)方法進(jìn)行更軌跡繪制。能根據(jù)控制要求利用根軌跡方法完成控制器設(shè)計(jì)4講授討論練習(xí)分組任務(wù)課程目標(biāo)1，2課程目標(biāo)39信號(hào)與頻譜的關(guān)系頻域分析思想頻率特性函數(shù)Nyquist圖掌握信號(hào)形態(tài)與其頻譜的關(guān)系能用此思想解釋實(shí)際系統(tǒng)階躍響應(yīng)速度和形態(tài)不同的原因掌握定義、能用傳遞函數(shù)求出頻率特性函數(shù)、幅頻特性、相頻特性；能夠利用其含義求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)正弦響應(yīng)。熟悉頻率變化對(duì)復(fù)數(shù)模與角的影響4案例分析講授練習(xí)測(cè)驗(yàn)課程目標(biāo)110Nyquist圖繪制Nyquist穩(wěn)定判據(jù)能熟練繪制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)Nyquist圖掌握判據(jù)內(nèi)容，了解由來(lái)4課程目標(biāo)211穩(wěn)定判據(jù)應(yīng)用穩(wěn)定裕量應(yīng)用判據(jù)根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性理解定義，能夠根據(jù)傳遞函數(shù)求系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量，并在Nyquist圖中標(biāo)出4講授討論練習(xí)課程目標(biāo)212Bode圖定義Bode圖繪制熟悉對(duì)數(shù)坐標(biāo)及其優(yōu)勢(shì)；掌握折線圖繪制方法；理解最小相位系統(tǒng)斜率與相位近似對(duì)應(yīng)關(guān)系；4講授討論練習(xí)測(cè)驗(yàn)課程目標(biāo)113Bode圖系統(tǒng)性能分析頻域校正利用開(kāi)環(huán)Bode圖分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。利用開(kāi)環(huán)Bode圖分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量；能夠根據(jù)控制要求利用頻域方法設(shè)計(jì)控制器3講授討論練習(xí)分組任務(wù)案例分析課程目標(biāo)2課程目標(biāo)3合計(jì)=SUM(ABOVE)51六、學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)和課程考核（一）考核類型：考試考查（二）考核方式：開(kāi)卷考試閉卷考試課程論文課程報(bào)告其它：（三）成績(jī)?cè)u(píng)定：考核依據(jù)建議分值（百分比）考核/評(píng)價(jià)細(xì)則對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)平時(shí)考核50%課堂表現(xiàn)40借助學(xué)習(xí)平臺(tái)的課堂討論、搶答等功能，及時(shí)反饋基本概念和方法的教學(xué)效果。隨堂練習(xí)（35分）（0-21分）能夠完成0%~60%課堂練習(xí)，（26-30分）能夠完成60%~80%課堂練習(xí)，（31-35分）能夠完成80%~100%所有課堂練習(xí)；課堂互動(dòng)（5分）積極參與課堂問(wèn)卷、搶答等活動(dòng)；能夠積極思考，針對(duì)課程內(nèi)容提出建設(shè)性觀點(diǎn)。課程目標(biāo)1作業(yè)30每周以線上作業(yè)形式考察應(yīng)用基本理論分析系統(tǒng)性能的能力。根據(jù)完成度、正確性和書寫規(guī)范進(jìn)行評(píng)分，分5個(gè)等級(jí)。（25-30）：全部完成、作答正確、解題步驟完整、字跡工整排版美觀；（20-24）：完成100%~80%、作答正確率100%~80%、主要解題步驟完整、字跡清晰；（15-19）：完成80%~60%、作答正確率80%~60%、缺少主要解題步驟，字跡可讀性差；（0-14分）：完成度不足60%、正確率不足60%，解題步驟嚴(yán)重缺失，字跡潦草；注：確認(rèn)抄襲計(jì)0分；課程目標(biāo)2小測(cè)30線上發(fā)布3.4.5三章的章節(jié)小測(cè)，要求學(xué)生設(shè)計(jì)控制器使單回路系統(tǒng)滿足給定的控制要求。分別考察應(yīng)用時(shí)域法、根軌跡法、頻域法的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。將多次小測(cè)的平均分折算為30分。課程目標(biāo)3實(shí)驗(yàn)考核期末考核50%填空題30考察基本概念課程目標(biāo)1計(jì)算題30考察分析方法的應(yīng)用能力課程目標(biāo)2分析設(shè)計(jì)題40考察利用相關(guān)理論結(jié)果設(shè)計(jì)控制器的能力。課程目標(biāo)3七、課程目標(biāo)達(dá)成評(píng)價(jià)課程目標(biāo)的實(shí)際達(dá)成效果計(jì)算方式如下，達(dá)成值越高，教學(xué)效果越好。課程目標(biāo)達(dá)成度畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度八、教材與教學(xué)參考書（一）教材《自動(dòng)控制原理(雙語(yǔ)教材)》，擺玉龍，清華大學(xué)出版社，(第2版)（二）教學(xué)參考