2020161自动控制原理(中英文)

《自动控制原理》课程教学大纲

课程编号：2020161

课程类别：必修

授课对象：本科三年级

先修课程：复变函数，积分变换，信号与系统。

学分：4

总学时：56 课内学时：48 实验学时： 8

一、课程性质、教学目的与任务

课程性质：专业基础课，专业知识链条中的关键环节之一，自动控制原理是仪器仪表类、测控类专业的重要基础课之一，这些专业主要学习信号传感（获取）、信号处理、控制及光机电系统等知识，而控制是知识链条中的重要一环，随着科技发展，自动化、智能化已成为仪器、产品、系统等的重要功能，这就要求学生必须具备自动控制方面的知识。

教学目的与任务：培养学生自动控制原理的基础知识，学习掌握经典控制的基本理论、基本方法和控制系统的基本设计方法，重点学习分析和设计线性控制系统的基本理论、基本方法及控制系统设计方法。主要内容包括：控制系统的数学模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹法、控制系统的频域分析法、控制系统的常用校正方法等。

二、教学基本要求

学习经典控制的基本理论和基本方法，重点学习分析和设计线性控制系统的基本理论和基本方法。主要内容包括：控制系统的数学模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹法、控制系统的频域分析法、控制系统的常用校正方法等。

三、教学内容

第一章控制系统的一般要概念（4课时）

自动控制的基本原理与方式，自动控制系统示例，自动控制系统的分类，对自动控制系统的基本要求

1、基本概念；

2、 反馈系统基本组成；

3、 基本控制方式；

4、 控制系统分类：开环、闭环、复合控制；

第二章 控制系统的数学模型 （8课时）

控制系统的时域数学模型，拉普拉斯变换，控制系统的复域数学模型，控制系统的状态空间模型，控制系统的结构图与信号流图

2-1 时域模型、微分方程表示方法；

2-2 复域模型

1、 传递函数的定义与性质；

2、 传递函数的零、极点表示，开环增益、根轨迹增益等；

3、 典型环节的传递函数（比例、惯性、微分、积分、振荡）；

2-3 控制系统的结构图与信号流图

1、 结构图的等效变换与化简

2、 信号流图组成与性质

A ．性质、术语（理解）

B ．由结构图转化为信号流图方法

C ．梅逊公式

第三章 线性系统的时域分析法 （10课时）

线性系统时间响应的性能指标，一阶系统的时域分析，二阶系统的时域分析，高阶系统的时域分析，线性系统的稳定性分析，线性系统的稳态误差计算。

3-1 线性系统时间响应的性能标

r t ，p t ，s t ，%σ

3-2 一阶系统的单位阶跃响应，

3-3 二阶系统的时域响应

1、二阶系统的标准数学模型 闭环传递函数形式，表示为单位反馈系统形式

2、二阶系统单位阶跃响应（重点：欠阻尼情形）

r t ，p t ，s t ，%σ

3、二阶系统性能改善

A、比例一微分控制掌握原理、特点

B、测速反馈控制掌握原理、特点及性能参数计算

3-4高阶系统时域分析，主导闭环极点概念

3-5线性系统稳定性分析

劳斯判据及其应用

3-6线性系统的稳态误差

1、误差传递函数计算

2、利用终值定理求稳态误差

3、系统类型（型别）

4、典型参考信号输入下的稳态误差；误差系数

5、减小稳态误差方法：提高型别、提高开环增益、采用复合控制

6、扰动误差的传函、减小扰动误差方法

A、增加扰动作用点之前积分环节数目

B、增加扰动作用点之前环节的增益

C、采用复合控制技术

第四章根轨迹（6课时）

根轨迹方程，根轨迹绘制的基本法则，广义根轨迹，系统性能的分析与估算，基于根轨迹的控制系统校正方法，MATLAB语言根轨迹分析法。

4-1 根轨迹方程（相角、幅值条件）

4-2 根轨迹绘制的基本法则，绘制根轨迹

第五章线性系统的频域分析（10课时）

频率特性，典型环节和开环系统频率特性，奈奎斯特稳定判据，稳定裕度，闭环频率特性，系统时域指标估算，传递函数的实验确定法，MATLAB语言频域分析法。

5-2 频率特性

1、基本概念系统频率特性与传函间关系

2、频率特性表示方法幅相曲线；幅频特性；对数幅频特性曲线；相频特性曲线；

对数相频特性曲线

5-3 典型环节和开环系统频率特性

1、典型环节的幅频、相频特性

2、开环对数幅频、幅相曲线绘制对数幅频特性采用渐近线法

3、由幅频曲线或相频曲线确定最小相位系统传递函数的方法

5-4 奈奎斯特稳定性判据

1、奈代判据，实际使用判据，幅相曲线对称性

2、对数频率特性稳定性判据 I型以上辅助线作法

5-5稳定裕度概念：截止频率；相角交界频率；相角裕度；幅值裕度

5-6闭环频率特性（了解）

5-7系统时域指标与频域指标关系

了解它们之间的联系；

第六章线性系统的校正方法（10课时）

系统的设计与校正问题，常用校正装置及其特性，串联校正，反馈校正，复合校正，PID调节器，基于MATLAB语言的校正分析法。

6-1 校正方法串联，反馈，前馈，复合，原理，特性

6-2常用校正装置及其特性（传函，特性，重要公式）

1、无源超前

2、无源迟后

3、无源迟后—超前

6-3串联校正

1、串联超前方法，实用范围

2、串联迟后方法，实用范围

3、串联迟后—超前方法，实用范围

6-4反馈校正（原理，优点）

6-5复合校正

A．按扰动补偿（原理，扰动误差传函推导，误差全补偿条件）

B．按输入补偿（原理，误差传函推导，误差全补偿条件）

6-6 PID控制原理（P，PD，I，PI，PID的特点）