上海开放大学开放本科机械电子工程专业

上海开放大学本科（专科起点）机械电子工程专业
《自动控制原理》课程教学大纲
(2013年9月13日审定)
第一部分课程的性质、目的与任务
一、课程的性质、目的与任务
《自动控制原理》是机械电子工程本科专业的一门专业基础课程。

学习自动控制理论的基本概念、基本原理和自动控制系统的主要分析和设计方法，主要内容包括：建立线性连续定常系统的数学模型、用时域法和频域法分析控制系统、线性系统的校正和综合、采样控制系统分析等问题。

通过本课程的学习，使学生获得自动控制的基本理论和基本知识；掌握系统数学模型的建立方法，动态特性和静态特性的分析计算方法；针对机电一体化产品性能要求，具有初步分析设计系统的能力。

二、先修后续课程：
先修课程：工程数学、电工电子技术等
后续课程：电力传动控制系统、过程控制技术、机电一体化系统设计等。

第二部分教学内容与要求
第一章绪论（4学时）
一、教学要求
1．了解自动控制发展简史和自动控制的基本概念。

2．正确理解开环控制、闭环控制、复合控制等自动控制方式及特点。

3．正确认识对控制系统的性能要求。

4．根据自动控制系统原理图，初步掌握绘制控制系统原理方框图的方法。

二、内容要点
1．自动控制系统的基本概念和发展简史
2．自动控制的基本方式
3．自动控制的性能要求
4．自动控制系统示例
三、教学重点和难点
重点：自动控制的基本方式、自动控制的性能要求
难点：根据自动控制系统原理图绘制系统的原理方框图。

第二章控制系统的数学模型（12学时）
一、教学要求
1．熟悉拉氏变换的基本法则，熟记典型函数的拉氏变换。

2．掌握用拉氏变换求解微分方程的方法。

3．正确理解控制系统开环传递函数、闭环传递函数、误差传递函数等定义、性质及意
义。

4．掌握系统结构图变换的基本法则，熟记典型环节的传递函数表达式；
5．了解MATLAB在控制系统分析中的应用。

二、内容要点
1．拉氏变换
2．传递函数
3．动态结构图及其等效变换
4．典型环节的传递函数
5．自动控制系统的传递函数
6．MATLAB的应用
7．示例-磁盘驱动读取系统
三、教学重点和难点
重点：典型环节的传递函数、自动控制系统的传递函数
难点：动态结构图及其等效变换、传递函数的具体意义
第三章时域分析法（12学时）
一、教学要求
1．正确理解单位阶跃响应及其时域性能指标（δ%、tp、ts、ess）的定义。

2．掌握一阶系统的数学模型和典型响应的特点、能熟练计算性能指标和结构参数。

3．掌握二阶系统的数学模型和阶跃响应的特点，能熟练计算欠阻尼(ξ<1)时性能指标和结构参数。

4．熟练掌握分析及综合一阶、二阶系统的方法。

5．正确运用代数判据判定系统的稳定性，并能进行参数的分析和计算。

6．掌握系统稳态误差、系统的型别和静态误差系数Kp、Kv、Ka等概念和计算。

二、内容要点
1．典型输入信号及性能指标
2．一阶系统分析
3．二阶系统分析
4．高阶系统分析
5．系统稳定性分析
6．系统稳态精度分析
7．MATLAB的应用
三、教学重点和难点
重点：一阶和二阶系统的数学模型和典型响应的性能指标计算、系统稳定条件及稳定性判据。

难点：二阶系统欠阻尼时的性能指标计算、系统稳定性判别和系统的稳态误差计算。

第四章复域分析法－根轨迹法（拓展学习）
一、教学要求
1．了解通过开环研究闭环根轨迹。

理解开环零点极点、闭环零点极点及根轨迹的含义。

2．理解根轨迹方程的概念，了解绘制根轨迹的基本法则。

二、内容要点
1．根轨迹的基本概念
2．绘制根轨迹图的基本法则
3．利用根轨迹分析系统的动态性能
4．广义根轨迹
5．用MATLAB绘制根轨迹
三、教学重点和难点
重点：正确理解根轨迹的基本概念。

难点：利用根轨迹分析系统的稳定性和动态性能。

第五章频域分析法—频率法（12学时）
一、教学要求
1．正确理解频率特性的物理意义、定义及求解方法。

2．熟记典型环节的频率特性。

3．熟练掌握绘制开环幅相特性曲线、对数幅频特性和相频特性的方法。

4．了解根据最小相位系统开环对数幅频求传递函数。

5．运用奈式判据判定闭环系统的稳定性，正确计算幅值裕量和相位裕量。

6．了解零频幅比M(0)、峰值M r(A m)、频宽ωb、穿越频率（截止频率）ωc、相位裕量γ、幅值裕量h以及三频段的概念。

二、内容要点
1．频率特性
2．典型环节的频率特性
3．控制系统开环频率特性
4．稳定判据及稳定裕度
5．闭环频域性能指标及时域性能指标的估算
6．系统开环频率特性三频段概念
7．用实验法求传递函数
8．用MATLAB分析系统稳定性
三、教学重点和难点
重点：熟练掌握绘制开环对数幅频特性和相频特性的方法。

难点：运用奈式判据判定闭环系统的稳定性。

第六章自动控制系统的设计与校正（8学时）
一、教学要求
1．明确P、PI、PID基本控制规律、正确理解它们在改善系统性能中的作用。

2．掌握串联校正网络和二阶最佳模型串联校正方法。

3．了解反馈校正和复合校正的特点及其作用。

4．了解控制系统的工程设计方法和步骤。

二、内容要点
1．控制系统的设计步骤
2．性能指标与系统设计的基本概念
3．基本控制规律
4．常用串联校正网络
5．常用的串联校正方法
6．反馈校正
7．复合校正
8．控制系统设计实例
三、教学重点和难点
重点：串联校正的特点及其对系统响应性能的影响。

难点：串联超前与滞后校正的方法。

第七章采样数据控制系统分析（12学时）
一、教学要求
1．正确理解采样控制系统的基本概念。

2．掌握Z变换、Z反变换的概念及主要性质。

3．掌握求取开环、闭环脉冲传递函数的方法和步骤。

4．正确理解采样系统稳定的条件及稳定性判别方法、掌握计算采样系统稳态误差的方法。

二、内容要点
1．概述
2．信号的采样与保持
3．Z变换与Z反变换
4．脉冲传递函数
5．采样数据控制系统的性能分析
三、教学重点和难点
重点：采样系统稳定判据、稳态误差的计算。

难点：掌握脉冲传递函数的求取方法。

期末复习：6学时
第三部分实验教学（6学时）
实验一典型环节的动态特性分析
实验二二阶系统的特性分析
实验三控制系统串联校正
第四部分教材与教学参考资料
选用教材：
《自动控制原理》（第二版），高等教育出版社，孟庆明主编，2008年1月
教学参考资料：
《自动控制原理》（第五版），科学出版社，胡寿松，2007
《自动控制原理》（上、下），清华大学出版社，吴麒、王诗宓，2006
《现代控制系统》（第十一版），多尔夫(Richard C.Dorf)、毕晓普(Robert H.Bishop)著，谢红卫、孙志强译，电子工业出版社，2011。