自动控制原理教学大纲

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《自动控制原理》教学大纲

课程类别：专业必修课课程名称：自动控制原理

开课单位：飞行器设计与工程专业建设组课程编号：N02010102

总学时：64学分：4

适用专业：飞行器设计与工程

先修课程：高等数学、大学物理、理论力学、机械原理、电工技术等

一、课程在教学计划中的地位、作用

《自动控制原理》是飞行器设计与工程专业的一门必修课，通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基本原理和概念，并具备对自动控制系统进行分析，计算，实验的初步能力，为专业课的学习和参加控制工程实践提供必要的理论基础。通过对本课程的学习，要求学生掌握自动控制的基本理论和基本分析方法，能应用控制理论对自动控制系统进行性能分析，能对系统进行校正和提出改善系统性能的途径和方法。

二、课程内容、基本要求

1、掌握常规控制器和自动控制系统的组成及其相互关系。

2、了解对自动控制系统的性能要求及分析系统性能的方法。

3、掌握用传递函数，方框图，信号流图及状态空间描述建立系统数学模型的方法。

4、掌握常规控制器的基本控制规律、动态特性和对控制系统的作用。

5、掌握对控制系统进行分析和综合的方法：时域分析法、频域分析法、根轨迹法及状态空间分析法。

6、初步掌握控制系统的校正和设计方法，为解决实际问题打好基础。

第一章自动控制的一般概念（3学时）

教学要求：

（1）明确什么是自动控制；正确理解被控对象、被控量、控制装置和自控系统等概念；

（2）正确理解三种控制方式，特别是闭环控制；

（3）初步掌握由系统工作原理画方框图的方法，并能正确判别系统的控制方式；

（4）明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数学模型分类的方式；

（5）明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。

重点和难点重点：掌握线性与非线性系统的分类，特别是对线性系统的定义、性质、判别方法要准确理解。难点：线性系统的准确理解。

教学方式本章采用课堂讲授、多媒体教学相结合的教学形式。

教学内容

1-1自动控制的基本原理与方式

1-2自动控制系统示例

1-3自动控制系统的分类

1-4对自动控制系统的基本要求

1-5自动控制系统的分析与设计工具

第二章控制系统的数学模型（12学时）

教学要求

（1）正确理解数学模型的特点，对系统的相似性、动态模型、静态模型、输入变量、输出变量、中间变量等概念，要准确掌握，掌握动态微分方程建立的一般方法；

（2）掌握运用拉氏变换解微分方程的方法，并对解的结构、运动模态与特征根的关系、零输入响应有清楚的理解；

（3）正确理解传递函数的定义、性质和意义，特别对传递函数微观结构的分析要准确掌握；

（4）正确理解由传递函数派生出来的系统的开环传递函数、闭环传递函数、前向通道传递函数的定义，并对重要传递函数如：控制输入下闭环传递函数、扰动输入下闭环传递函数、误差传递函数、典型环节传递函数，能够熟练掌握。

（5）掌握系统结构图和信号流图两种数学图形的定义和组成方法，熟练掌握等效变换代数法则，简化图形结构，并能用梅逊公式求系统传递函数。

重点和难点重点：

（1）控制系统数学模型的建立方法；

（2）理解微分方程、传递函数、结构图、信号流图的概念以及它们之间的转换关系。难点：建立控制系统四种数学模型。

教学方式说明采用课堂讲授、多媒体教学相结合的教学形式。

教学内容

2-1控制系统的时域数学模型

2-2控制系统的复数域数学模型

2-3控制系统的结构图与信号流图

2-4控制系统建模实例

第三章线性系统的时域分析法（14学时）

教学要求

（1）正确理解时域响应的性能指标、稳定性、系统的型别和静态误差系数等概念；

（2）牢固掌握一阶系统的数学模型和典型时域响应的特点，并能熟练计算其性能指标和结构参数；

（3）牢固掌握二阶系统的数学模型和典型时域响应的特点，并能熟练计算欠阻尼时域性能指标和结构参数；

（4）正确理解线性定常系统的稳定条件，熟练应用劳斯判据判定系统的稳定性；

（5）正确理解和重视稳态误差的定义并能熟练掌握稳态误差的计算方法。明确终值定理的使用条件；

（6）掌握改善系统动态性能及提高系统控制精度的措施。

重点和难点重点：控制系统动态性能指标、稳态性能指标的分析；难点：稳态误差的计算

教学方式说明采用课堂讲授、多媒体教学相结合的教学形式。

教学内容

3-1系统时间响应的性能指标

3-2一阶系统的时域分析

3-3二阶系统的时域分析

3-4高阶系统的时域分析

3-5线性系统的稳定性分析

3-6线性系统的稳态误差计算

3-7控制系统时域设计

第四章线性系统的根轨迹法（8学时）

教学要求

（1）掌握开环根轨迹增益变化时系统闭环根轨迹的绘制方法；

（2）理解闭环零、极点分布和系统阶跃响应的定性关系及系统根轨迹分析的基本思路，正确理解偶极子和主导极点等基本概念，会用主导极点的概念估算系统的性能指标；

（3）掌握参量根轨迹绘制的基本思路和方法。

重点和难点重点：控制系统根轨迹的绘制方法以及根轨迹法在控制系统分析中的应用难点：应用根轨迹法分析控制系统

教学方式说明采用课堂讲授、多媒体教学相结合的教学形式。

教学内容

4-1根轨迹法的基本概念

4-2根轨迹绘制的基本法则

4-3广义根轨迹

4-4系统性能的分析

4-5控制系统复域设计

第五章线性系统的频域分析法（12学时）

教学要求

（1）正确理解频率特性的物理意义、数学本质及定义；

（2）正确运用频率特性的定义进行分析和计算，计算系统在正弦输入下的稳态响应以及反算系统结构参数；

（3）熟记典型环节频率特性的规律及其特征点；

（4）熟练掌握由系统开环传递函数绘制开环极坐标图和伯德图的方法；

（5）熟练掌握最小相位系统由对数幅频特性曲线反求传递函数的方法；

（6）正确理解奈奎斯特判据的原理证明和判别条件；熟练应用奈奎斯特判据判别系统稳定性的方法，并能正确计算稳定裕度。

（7）正确理解谐振峰值、频带宽度、截止频率、相角裕度、幅值裕度的概念。

重点和难点重点：绘制开环极坐标图和伯德图，计算系统的相角裕度、幅值裕度难点：最小相位系统由对数幅频特性曲线反求传递函数

教学方式说明采用课堂讲授、多媒体教学相结合的教学形式。

教学内容

5-1频率特性

5-2典型环节与开环系统的频率特性

5-3频率域稳定判据

5-4稳定裕度

5-5闭环系统的频域性能指标

5-6控制系统频域设计