自动控制原理教学大纲-2017版

《自动控制原理》课程教学大纲课程代码：060131003课程英文名称：Automatic Control Principle课程总学时：64 讲课：56 实验：8 上机：0适用专业：自动化专业大纲编写（修订）时间：2017.11一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标自动控制原理是高等工业学校自动化专业开设的一门培养学生自动控制系统分析设计能力的主干技术基础课，主要讲授自动控制系统基本知识、基本理论和基本方法，在自动化专业培养计划中，它起到由基础理论课向专业课过渡的承上启下的作用。

本课程在教学内容方面除基本知识、基本理论和基本方法的教学外，还通过实验学时，来培养学生的设计思维和设计能力。

通过本课程的学习，学生将达到以下要求：1．掌握自动控制系统的分析原理、设计方法和系统稳定性的一般规律2．具有设计闭环控制系统的初步能力；3．了解典型控制系统的实验方法，获得实验技能的基本训练；（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.基本知识：掌握控制系统的一般知识，控制系统的主要类型、性能、结构特点、应用等。

2.基本理论和方法：掌握控制系统设计的基本原则，系统稳定的工作原理、简化的物理模型与数学模型、时域分析、根轨迹分析、频域分析、系统校正、非线性分析等。

3.基本技能:掌握设计计算、结构设计，实验技能等。

（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性。

讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。

2．教学手段：本课程属于技术基础课，在教学中采用电子教案、CAI课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。

3．计算机辅助学习：提醒学生使用matlab软件，要求学生使用VB编写程序来完成某些计算和绘制。

（四）对先修课的要求本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。

本课程主要的先修课程有高等数学、信号变换等。

（五）对习题课、实践环节的要求1．对重点、难点章节（如：系统校正、非线性计算等）应安排习题课，例题的选择以培养学生消化和巩固所学知识，用以解决实际问题为目的。

2．课后作业要少而精，内容要多样化，作业题内容必须包括基本概念、基本理论及设计计算方面的内容，作业要能起到巩固理论，掌握计算方法和技巧，提高分析问题、解决问题能力，熟悉标准、规范等的作用，对作业中的重点、难点，课上应做必要的提示，并适当安排课内讲评作业。

学生必须独立、按时完成课外习题和作业，作业的完成情况应作为评定课程成绩的一部分。

3．每个学生要完成大纲中规定的必修实验，通过实验环节，学生应掌握典型系统的频率特性测试、校正、稳定性研究等基本的实验方法，获得实验操作的基本训练。

实验成绩作为评定课程成绩的一部分。

4．安排大作业，大作业成绩作为平时成绩的一部分。

（六）课程考核方式1．考核方式：考试2．考核目标：考核学生对基本知识、基本原理和方法的掌握程度，其中包括跨章节知识点的灵活组合问题。

3．成绩构成：本课程的总成绩主要由三部分组成：平时成绩（包括作业情况、出勤情况等）占10%，实验成绩占10%，期末考试成绩占80%。

平时成绩由任课教师视具体情况按百分制给出；实验成绩由实验老师参照相关规定按百分制给出，实验无成绩或实验不及格，取消期末考试资格，总成绩直接以不及格计。

（七）参考书目《自动控制原理》任彦硕等编，机械工业出版社，2007《自动控制原理》程鹏编，高等教育出版社，2010《自动控制原理》胡寿松编，科学出版社，2007二、中文摘要本课程是自动化专业学生必修的一门理论性较强的主干技术基础课程。

通过对自动控制原理内容的讲授，使学生掌握控制系统设计的基本知识、基本原理和基本方法，并具有设计控制系统、分析控制系统性能指标的能力。

课程主要内容包括控制系统基本概念、系统性能分析、系统设计等。

本课程将为后续课程的学习以及相关课程设计、毕业设计等奠定重要的基础。

三、课程学时分配表四、教学内容及基本要求第1部分绪论总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0具体内容:明确本课程的内容、性质和任务；控制系统的概念、分类、例子第2部分控制系统的数学模型总学时(单位：学时):8 讲课:8 实验:0 上机:0第2.1部分结构图与微分方程（讲课1学时）对给定的系统，建立结构图，建立微分方程第2.2部分传递函数（讲课1学时）传递函数的概念（与函数比较），微分方程转换为传递函数第2.3部分结构图化简（讲课4学时）结构图的简化技巧：直接法，参考点法口诀：串乘并加，单环变框，各支同变，加分不换第2.4部分信号流图与梅逊公式（讲课2学时）结构图与信号流图的相互转换：结流：加分端点；流结：先加后分梅逊公式使用技巧：前：上下右左，环：每加一反第3部分时域分析总学时(单位：学时):8 讲课:8 实验:0 上机:0第3.1部分时域性能指标与典型信号（讲课1学时）第3.2部分 时域响应与零极点（讲课1学时） 时域响应的一般表达式，零点、极点的作用 无重根情况下归结为一阶或二阶运动模式 第3.3部分 二阶系统（讲课2学时） 二阶系统的阶跃响应 二阶根的运动模式第3.4部分 劳斯判据（讲课2学时） 形象记忆：宝葫芦第3.5部分 稳态误差（讲课2学时） G=v sk G1 第4部分 根轨迹法总学时(单位：学时):8 讲课:8 实验:0 上机:0 第4.1部分 根轨迹原理（讲课1学时） 二阶系统的根的轨迹 根轨迹基本方程第4.2部分 根轨迹绘制方法（讲课3学时）根轨迹绘制，口诀对称连续N ，始终实轴渐，出入走势和，分合虚轴交 平分３６０，正馈偶００，互补连成圈，同K 截取性 第4.3部分 正反馈系统的根轨迹（讲课2学时） 根轨迹绘制，正负反馈根轨迹的互补图 第4.4部分 广义根轨迹（讲课2学时） 第5部分 频域法总学时(单位：学时):12 讲课:10 实验:2 上机:0 第5.1部分 频率特性（讲课2学时） 基本概念 图形表示第5.2部分 奈奎斯特曲线（讲课2学时）绘制方法，技巧ｋ起ｖ象限，负过正不过，同过异回头，奇换偶不换 第5.3部分 伯德图（讲课2学时）绘制方法，技巧负ｖ斜率起，逢ω改斜率，寻找双标点，补画横轴线 第5.4部分 奈奎斯特判据（讲课2学时）奈奎斯特判据的原理，应用 绕-1顺生逆消，消净则稳第5.5部分 闭环频率特性与指标（讲课2学时） 稳定裕量，频域指标，与时域指标的转换三段式作用：低频定稳差，高频抗噪声，中频定动态 实验：频率特性测量（2学时） 第6部分 控制系统校正总学时(单位：学时):16 讲课:10 实验:6 上机:0 第6.1部分 校正概念和分类（讲课2学时）校正的概念，校正的伯德图介绍PID 校正、前馈校正、根轨迹校正等 第6.2部分 超前校正（讲课2学时）0：G 0，k *，γ* 1：φm =γ*-γ0+Δ2：a=mmsim sim φφ-+113：由|G 0(j ω*)|=1/a ½求ω*4：ωL =ω*/a ½，ωH =ω**a ½，Gc=（1+s/ωL ）/（1+s/ωH ） 第6.3部分 迟后校正（讲课2学时）0：G 0，k *，γ*1：由180+φ0（ω*）=γ*+Δ得ω*2：a=|G 0（ω*）|3：ωH =0.1~0.3ω*，ωL =ωH *a ，Gc=（1+s/ωH ）/（1+s/ωL ） 第6.4部分 综合校正（讲课2学时）0：G 0，k *，γ*，ω*1：a=)sin(1)sin(1**∆+-∆++γγ 2：过ω*画-1斜率线，ωL =ω*/a ½，ωH =ω**a ½3：尽量随G 0转折画左右过渡线，4：左必须到达G 0（记为ωL1），右到达（记为ωH1）或不到达G 0（无ωH1），得到G *图5：按图写G *，由G *扣除G 0各因子得到G C 第6.5部分 并联校正（讲课2学时）0：G 0=G1G2（G C 包围G2），k *，γ*，ω*1：a=)sin(1)sin(1**∆+-∆++γγ 2：过ω*画-1斜率线，ωL =ω*/a ½，ωH =ω**a ½3：画左右过渡线到G 0（左记为ωL1，右记为ωH1），转折尽量随G1不随G2，得到G *图4：G 0图-G *图，左右平改坡，得到G C 图，按图写G C 5：按图计算ωL1，ωH1，完成G C 实验2：连续系统串联校正（2学时）实验3：控制系统稳定性分析综合实验（2学时） 第7部分 非线性系统总学时(单位：学时):10 讲课:10 实验:0 上机:0 第7.1部分 非线性系统的特点及其等效（讲课2学时） 非线性系统的特殊性，含非线性的等效组合与化简 第7.2部分 描述函数法（讲课4学时）Ｇ（ｊω）＝－１／Ｎ（ａ），求自激振荡，ωx ，A x ，自振稳定性画Ｇ（ｊω）和－１／Ｎ（ａ）的图，有交点就有自激振荡，计算ωx ，A x按奈稳判据判稳定区（逆－１／Ｎ画辅助箭头）和不稳定区（顺－１／Ｎ画辅助箭头）， 辅助箭头来来为稳定自振，来去为半稳定自振，去去为不稳定自振第7.3部分相轨迹法（讲课4学时）相轨迹口诀，共3组一般：上右下左不相交，Ｎ上折点开关线，导数全零求奇点，奇点类型画邻域S1,2类型：双正一三负二四，正实发散负收敛，正负Ｘ型纯虚圆，正零正斜负零反x’’+ax’+bx+c=0：有ｂ有ｃ左右移，有ａ无ｂ有横线，无ａ无ｂ抛物线，系数全零全横线。