自动控制原理 教学大纲

《自动控制原理》课程教学大纲

一、课程的地位、目的和任务

本课程地位：

自动控制原理是机械设计制造及其自动化专业的专业方向课。自动控制技术是现代化技术中重要的一个方面，本课程主要讲述现代自动控制技术的基本原理与结构模型，自动控制系统的分析方法与设计方法，使学生具备自动化控制的基础理论知识以及实践能力。

本课程目的：

通过本课程的学习，要求学生理解自动控制的基本概念，掌握简单系统的建模方法，掌握对线性定常系统的稳定性、快速性和准确性的基本分析方法以及设计和校正方法，能熟练使用根轨迹法和频率特性法分析与设计控制系统和控制器，对非线性系统也能进行初步的分析。

本课程任务：

1.掌握自动控制的基本概念、原理，学会对实际物理系统进行数学抽象，并用已学过的数学工具进行系统分析和综合，能灵活应用各种理论知识来解决实际问题的综合设计能力。

2.不仅为后续课程的学习奠定基础，而且直接为解决实际控制系统问题提供理论和方法，养成将来在工程实际中经常进行理性思维的习惯。

3.培养学生在掌握课程知识、概念、原理方法基础上，独立思考、独立解决问题、实验与仿真实现的能力。

二、本课程与其它课程的联系

本课程的先修课是高等数学（上、下）、大学物理、电工电子技术(Ⅰ、Ⅱ）。这些课程的学习,为本课程学习奠定数学基础和分析系统建立数学模型提供必要的电学知识。本课程学习为后续课程的学习提供所应用的系统分析、设计的基本理论和基本方法，掌握必要的基本技能，为进一步深造打下必要的理论基础。

三、教学内容及要求

第一章控制系统导论

教学要求：

通过本章教学，使学生理解自动控制的定义、组成、基本控制方式及特点，对控制系统性能的基本要求，自动控制系统的分类，自动控制系统实例有一定掌握。使学生对反馈控制的基本理论和方法有一全面、整体的了解。

重点：自动控制的定义、组成、基本控制方式、特点及基本要求

难点：自动控制系统实例的分析

教学内容：

第一节自动控制的基本原理

（一）自动控制技术及其应用

（二）自动控制理论

（三）反馈控制原理

（四）反馈控制系统的基本组成

（五）自动控制系统基本控制方式

第二节自动控制系统示例

（一）函数记录仪

（二）电阻炉微型计算机温度控制系统

（三）锅炉液位控制系统

第三节自动控制系统的分类

（一）线性连续控制系统

（二）线性定常离散控制系统

（三）非线性控制系统

第四节自动控制系统的基本要求

（一）基本要求的提法

（二）典型的外作用

第二章控制系统的数学模型

教学要求：

通过本章教学，要求学生掌握拉普拉斯变换的概念、定理及拉普拉斯反变换的数学方法；了解数学模型的概念、表达方式，建模的方法；掌握微分方程的建立、典型元部件及其传递函数、结构图及化简、信号流图和梅森公式，控制系统传递函数的表示方法，学会对一般的机电系统等进行机理建模。明确零初始条件的物理含义；了解系统的零、极点等的概念。

重点：传递函数的概念、结构图及化简、控制系统传递函数的表示方法

难点：微分方程的建立、典型元部件及其传递函数、信号流图和梅森公式

第一节拉普拉斯变换

（一）拉普拉斯变换的定义

（二）拉普拉斯变换的定理

（三）拉普拉斯反变换

第二节控制系统的时域数学模型

（一）线性元件的微分方程

（二）控制系统微分方程的建立

（三）线性系统的特征

（四）线性定常微分方程的求解

（五）非线性微分方程的线性化

第三节控制系统的复数域数学模型

（一）传递函数的定义和性质

（二）传递函数的零点和极点

（三）传递函数的极点和零点对输出的影响

（四）典型元部件的传递函数

第四节控制系统的结构图与信号流图

（一）系统结构图的组成和绘制

（二）结构图的等效变换和简化

（三）信号流图的组成和性质

（四）信号流图的绘制

（五）梅森增益公式

（六）闭环系统的传递函数

第三章线性系统的时域分析法

教学要求：

通过本章教学，要求学生了解控制系统的典型输入信号；了解线性定常系统的时域响应组成，熟悉控制系统暂态响应性能指标的定义；掌握一阶系统的暂态响应及性能指标；掌握二阶系统的暂态响应分析及其与极点之间的关系，重点掌握二阶系统的暂态响应性能指标公式及计算；一般了解高阶系统的暂态响应，掌握闭环主导极点的概念；了解稳定的概念，掌握线性定常系统稳定的充要条件；重点掌握判断稳定性的Routh代数判据及应用，对Hurwitz判据有一般了解；了解稳态误差的概念、定义、产生原因、类型；重点掌握给定稳态误差终值的计算，掌握扰动稳态误差终值的计算及减小稳态误差的方法。

重点：一、二阶系统的时间响应、主导极点的概念、判断稳定性的Routh代数判据及应用、稳态误差及终值定理

难点：二阶系统的时间响应、判断稳定性的Routh代数判据及应用、扰动稳态误差终值的计算及减小稳态误差的方法

教学内容：

第一节系统的时域性能指标

（一）典型输入信号

（二）动态过程与稳态过程

（三）动态性能与稳态性能

第二节一阶系统的时域分析

（一）一阶系统的数学模型

（二）一阶系统的单位阶跃响应

（三）一阶系统的单位脉冲响应

（四）一阶系统的单位斜坡响应

（五）一阶系统的单位加速度响应

第三节二阶系统的时域分析

（一）二阶系统的数学模型

（二）二阶系统的单位阶跃响应

（三）欠阻尼二阶系统的动态过程分析

（四）过阻尼二阶系统的动态过程分析

（五）二阶系统的单位斜坡响应

（六）二阶系统性能的改善

第四节高阶系统的时域分析

（一）高阶系统的单位阶跃响应

（二）高阶系统闭环主导极点及其动态性能分析

第五节线性系统的稳定性分析

（一）稳定性的基本概念

（二）线性系统稳定的充分必要条件

（三）劳斯稳定判据

（四）劳斯稳定判据的特殊情况

（五）劳斯稳定判据的应用

第六节线性系统的稳态误差计算

（一）误差与稳态误差

（二）系统类型

（三）阶跃输入作用下的稳态误差与静态位置误差系数

（四）斜坡输入作用下的稳态误差与静态位置误差系数

（五）加速度输入作用下的稳态误差与静态位置误差系数

（六）扰动作用下的稳态误差

（七）减小或消除稳态误差的措施

第五章线性系统的频域分析法

教学要求：

通过本章教学，要求学生正确理解频率响应、频率特性的概念及特点，明确频率特性的物理意义；熟悉典型环节频率特性的特点，熟练掌握绘制开环幅相特性、开环对数频率特性的方法；熟练掌握由最小相位系统的开环对数幅频特性确定开环传递函数的方法；理解奈奎斯特稳定判据的原理，熟练掌握运用奈奎斯特稳定判据和对数频率判据判定系统稳定性的方法；正确理解稳定裕度的概念及意义，熟练掌握计算稳定裕度的方法；掌握频域性能指标及频域指标与时域指标的关系。

重点：频率响应、频率特性的概念及特点、开环幅相特性、开环对数频率特性的绘制、运用奈奎斯特稳定判据和对数频率判据判定系统稳定性的方法、稳定裕度的计算、频域性能指标的求解

难点：频率特性的概念、开环对数频率特性的绘制、奈奎斯特稳定判据的原理、域性能指标教学内容：

第一节频率特性

（一）频率特性的基本概念

（二）频率特性的几何表示方法

第二节典型环节与开环系统频率特性

（一）典型环节

（二）典型环节的频率特性

（三）开环幅相曲线绘制

（四）开环对数频率特性曲线

（五）延迟环节和延迟系统

（六）传递函数的频域实验确定

第三节频率域稳定判据

（一）奈氏判据的数学基础

（二）奈奎斯特稳定判据

（三）对数频率稳定判据

（四）条件稳定系统

第四节频域稳定裕度

（一）相角裕度

（二）幅值裕度

第五节闭环系统的频域性能指标

（一）控制系统的频带宽度

（二）系统带宽选择

（三）闭环系统频域指标和时域指标的转换

第六章线性系统的校正方法

教学要求：

通过本章教学，要求学生理解控制系统校正的概念、校正的实质、校正方式、基本控制规律；熟练掌握常用校正装置及其特性；熟悉串联校正、反馈校正、复合校正的基本原理；熟悉频率法进行系统校正的过程和校正前后系统性能的比较。

重点：系统校正的概念、校正方式、基本控制规律、常用校正装置及其特性

难点：频率法进行系统校正的过程和校正前后系统性能的比较

教学内容：

第一节系统的设计与校正问题

（一）性能指标

（二）系统带宽的选择

（三）校正方式

（四）基本控制规律

第二节常用校正装置及其特性

（一）无源校正网络

（二）有源校正装置

第三节串联校正

（一）频率响应法校正设计

（二）串联超前校正

（三）串联滞后校正

（四）串联滞后-超前校正

第四节前馈校正

（一）前置滤波组合校正

（二）最小节拍组合校正

四、教学安排及方式

总学时：32学时，其中理论教学时数32学时，实验（上机）教学时数为0学时。

五、考核方式

1、考核方式：

笔试（闭卷）。

2、成绩评定：

平时成绩占10%，包括出勤、课堂提问、作业等；期中成绩占20%；期末成绩占70%。

综合考核成绩=平时成绩+期中成绩+期末成绩

六、推荐教材与参考资料

1、推荐教材：

[1]满红主编.《自动控制原理》（第一版）.北京：清华大学出版社,2011.

[2]胡寿松主编.《自动控制原理（简明教程）》（第二版）.北京：科学出版社,2011.

[3]王万良主编.《自动控制原理》（第一版）.北京：高等教育出版社,2008.

2、参考资料：

[1]胡寿松主编.《自动控制原理基础教程》（第三版）.北京:科学出版社, 2013.

编写人：邵瑞影

审核人：孙维丽