5108008自動(dòng)控制原理(教學(xué)大綱).doc

自動(dòng)控制原理教學(xué)大綱課程名稱（中文/英文）：自動(dòng)控制原理（Automatic Control Princple） 課程編號(hào)：5108008學(xué) 分：3.5學(xué) 時(shí)：總學(xué)時(shí)56 講授學(xué)時(shí)48 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)8 開設(shè)學(xué)期：第5學(xué)期授課對(duì)象：電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)課程級(jí)別：校級(jí)重點(diǎn)建設(shè)課程課程負(fù)責(zé)人：吳燕翔教學(xué)團(tuán)隊(duì)：電氣自動(dòng)化教研室一、課程性質(zhì)與目的本課程是自動(dòng)控制類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)目的是通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念和自動(dòng)控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的基本方法，初步掌握系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技能，學(xué)會(huì)運(yùn)用Matlab進(jìn)行控制系統(tǒng)輔助分析設(shè)計(jì)的方法，為后續(xù)課程打下必要的理論基礎(chǔ)。二、課程簡(jiǎn)介本課程主要講授自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述、時(shí)域分析法、根軌跡法、頻率響應(yīng)法、控制系統(tǒng)的校正與綜合等。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成與基本控制原理；掌握控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及建立方法、線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷、穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算及系統(tǒng)時(shí)域與頻域分析與設(shè)計(jì)；為后續(xù)課程（現(xiàn)代控制理論，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等）的學(xué)習(xí)提供所應(yīng)用的系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的基本理論和基本方法，掌握必要的基本技能，為進(jìn)一步深造打下必要的理論基礎(chǔ)。三、教學(xué)內(nèi)容第一章自動(dòng)控制的一般概念（2學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：介紹自動(dòng)控制理論發(fā)展歷程，自動(dòng)控制的基本概念、術(shù)語(yǔ)、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類，典型輸入信號(hào)，自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，本課程的主要內(nèi)容和編排，課程學(xué)習(xí)的方法學(xué)習(xí)要求：掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及工作原理；了解自動(dòng)控制系統(tǒng)中的有關(guān)概念名詞及術(shù)語(yǔ)。教學(xué)重點(diǎn)：通過(guò)開環(huán)控制與閉環(huán)控制的實(shí)例分析，使學(xué)生掌握經(jīng)典控制理論的核心“反饋”的概念，反饋的作用； 自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成分析開環(huán)控制與閉環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)； 教學(xué)難點(diǎn)：怎樣理解自動(dòng)控制在日常生活中的作用；分析實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的原理，各環(huán)節(jié)的構(gòu)成； 從物理概念上理解自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 第二章自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（8學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容： 主要講解自動(dòng)控制系統(tǒng)的兩種數(shù)學(xué)模型：時(shí)域模型微分方程、復(fù)數(shù)域模型傳遞函數(shù)，數(shù)學(xué)模型的圖形表達(dá)結(jié)構(gòu)圖和信號(hào)流圖，結(jié)構(gòu)圖變換，Mason增益公式學(xué)習(xí)要求：掌握線性微分方程和傳遞函數(shù)兩種數(shù)學(xué)模型的建立及其關(guān)系，能根據(jù)系統(tǒng)工作原理圖畫出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，并由結(jié)構(gòu)圖或信號(hào)流圖求取傳遞函數(shù)。教學(xué)重點(diǎn)：闡述自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的意義； 重點(diǎn)分析用解析法建立系統(tǒng)微分方程的步驟、微分方程的標(biāo)準(zhǔn)形式； 傳遞函數(shù)的定義，如何由微分方程求取傳遞函數(shù)； 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)形式； 開環(huán)傳遞函數(shù)、前向通道傳遞函數(shù)、反饋通道傳遞函數(shù)、閉環(huán)傳遞函數(shù)、誤差傳遞函數(shù)的定義和求取方法；分析結(jié)構(gòu)圖繪制的步驟，詳細(xì)講解結(jié)構(gòu)圖的化簡(jiǎn)方法； 按照系統(tǒng)的信號(hào)流圖，由Mason增益公式求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 教學(xué)難點(diǎn)：怎樣理解負(fù)載效應(yīng)在微分方程建立過(guò)程中的影響； 靈活應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖化簡(jiǎn)的基本法則，結(jié)構(gòu)圖化簡(jiǎn)中比較點(diǎn)和綜合點(diǎn)的移動(dòng)問(wèn)題； 第三章時(shí)域分析法（10學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：講授自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)域分析方法，包括3方面的性能：系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析和穩(wěn)態(tài)性能分析。學(xué)習(xí)要求：理解穩(wěn)定性的定義，掌握判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的勞斯穩(wěn)定判據(jù)，二階系統(tǒng)性能的分析方法，性能指標(biāo)計(jì)算，穩(wěn)態(tài)誤差的求取。 教學(xué)重點(diǎn)：二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的定義及計(jì)算公式；穩(wěn)態(tài)誤差的定義，重點(diǎn)分析典型輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算方法，擾動(dòng)信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算方法，系統(tǒng)型號(hào)、靜態(tài)誤差系數(shù)及與穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)系，利用線性系統(tǒng)的疊加原理求系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念、穩(wěn)定的充要條件；介紹勞斯穩(wěn)定判據(jù)，包括特殊情況下的勞斯判據(jù)的應(yīng)用；利用主導(dǎo)極點(diǎn)的概念近似分析高階系統(tǒng)性能。 教學(xué)難點(diǎn)：怎樣理解穩(wěn)定性只與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，與系統(tǒng)輸入無(wú)關(guān)？ 當(dāng)勞斯表出現(xiàn)特殊情況時(shí)的處理方法； 主導(dǎo)極點(diǎn)的概念； 二階欠阻尼系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)作用下的瞬態(tài)性能指標(biāo)及其物理意義； 減小和消除穩(wěn)態(tài)誤差的方法。 第四章 根軌跡法（8學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：根軌跡法是求解閉環(huán)系統(tǒng)特征方程根的一種圖解方法，本章主要講解線性系統(tǒng)根軌跡的定義、繪制根軌跡的依據(jù)和規(guī)則、根據(jù)根軌跡對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。根軌跡的基本概念； 學(xué)習(xí)要求：掌握根軌跡的定義，分析根軌跡與系統(tǒng)性能指標(biāo)之間的關(guān)系，掌握1800根軌跡和零度根軌跡的繪制方法，掌握由根軌跡圖求得閉環(huán)極點(diǎn)的方法；如何利用幅值條件求根軌跡圖上的K* 值；如何由軌跡增益K*值求得系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K。 教學(xué)重點(diǎn): 根軌跡的概念、根軌跡方程；根軌跡的畫法規(guī)則； 開環(huán)零、極點(diǎn)變化的對(duì)根軌跡的影響； 講解根軌跡繪制的方法，尤其是分離點(diǎn)的畫法；參數(shù)根軌跡的繪制方法，等效開環(huán)傳遞函數(shù)概念；零度根軌跡的繪制方法，分析其與1800根軌跡畫法的不同； 教學(xué)難點(diǎn)：怎樣理解根軌跡的含義？開環(huán)零極點(diǎn)對(duì)根軌跡形狀的影響，通過(guò)增加開環(huán)零極點(diǎn)改善系統(tǒng)性能的方法 ；參數(shù)根軌跡和零度根軌跡的異同點(diǎn)是什么？ 第五章頻率響應(yīng)法（12學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：頻率特性的基本概念；開環(huán)系統(tǒng)頻率特性兩種圖形繪制方法；頻域分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)；控制系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性的概念及穩(wěn)定裕度的求取方法；閉環(huán)系統(tǒng)頻域指標(biāo)及其與系統(tǒng)時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系。學(xué)習(xí)要求：掌握控制系統(tǒng)頻率特性的定義，重點(diǎn)突出開環(huán)幅相曲線和對(duì)數(shù)頻率特性曲線的定義、以及畫法的講解，理解這兩種曲線在分析控制系統(tǒng)性能中的作用。特別需要講解奈奎斯特判據(jù)在分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性中的應(yīng)用，掌握控制系統(tǒng)采用相角裕度和幅值裕度來(lái)表征其相對(duì)穩(wěn)定性。 教學(xué)重點(diǎn)：分析線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)的定義，推導(dǎo)線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)形式，理解頻率特性的物理意義；線性系統(tǒng)的幅相頻率特性曲線的定義，典型環(huán)節(jié)的幅相頻率特性曲線畫法，開環(huán)系統(tǒng)的幅相曲線的大致畫法，并總結(jié)一般規(guī)律； 線性系統(tǒng)對(duì)數(shù)頻率特性曲線的定義，敘述典型環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)頻率特性曲線畫法，詳細(xì)講解開環(huán)系統(tǒng)的幅相曲線的大致畫法，并總結(jié)規(guī)律； 講解奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)-幅角原理，說(shuō)明引入輔助函數(shù)的作用； 推導(dǎo)開環(huán)傳遞函數(shù)的自變量s沿s平面的封閉曲線順時(shí)針繞行一周，所得的奈氏曲線性質(zhì)，講述奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)并舉例說(shuō)明其應(yīng)用； 講述控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性的定義，分析相角裕度和幅值裕度在相對(duì)穩(wěn)定性度量中的作用，并介紹其計(jì)算方法。 教學(xué)難點(diǎn)：頻率特性的物理意義，線性系統(tǒng)在正弦函數(shù)作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；理解奈奎斯特判據(jù)推導(dǎo)的思路；正確理解當(dāng)開環(huán)系統(tǒng)含有積分環(huán)節(jié)時(shí)的奈奎斯特曲線的形狀；非最小相位系統(tǒng)幅相曲線與最小相位系統(tǒng)的不同主要在相頻特性上。 第六章控制系統(tǒng)的校正與綜合（8學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：主要介紹用頻率法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。包括校正和綜合的概念；常用校正裝置及其特性；串聯(lián)校正設(shè)計(jì)思想和校正步驟；反饋校正的設(shè)計(jì)思想和校正步驟；采用期望頻率特性對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正的方法。 學(xué)習(xí)要求：了解系統(tǒng)設(shè)計(jì)和校正的基本過(guò)程，掌握頻率法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)、反饋校正的方法和步驟，能根據(jù)時(shí)域性能指標(biāo)或頻域性能指標(biāo)的要求選擇合適的校正裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。教學(xué)重點(diǎn): 分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程、系統(tǒng)校正的過(guò)程；掌握超前校正和滯后校正參數(shù)選取的方法；根據(jù)期望特性選擇校正參數(shù)的方法；校正裝置的特性及其和原系統(tǒng)適當(dāng)鏈接后對(duì)系統(tǒng)性能改善的作用；確定校正裝置的形式和參數(shù)選取的方法； 教學(xué)難點(diǎn)：如何根據(jù)系統(tǒng)要求合適的選擇校正裝置及其參數(shù)；各種校正方法選擇的靈活性及參數(shù)？ 理解選擇校正裝置的非唯一性和不宜采用某些校正裝置的情況。 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容概況通過(guò)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生初步掌握控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模擬的方法；實(shí)際系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程及頻率特性的測(cè)量方法；掌握常用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的正確使用方法；通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生鞏固和加深對(duì)課程基本內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學(xué)生控制系統(tǒng)的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)研究能力。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)工作的全面總結(jié)，是教師考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)的重要依據(jù)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告是學(xué)生分析、歸納、總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果的書面記錄。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要用規(guī)定的實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙書寫，其內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)名稱、學(xué)生姓名、學(xué)號(hào)、班級(jí)和實(shí)驗(yàn)日期、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、?shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備與材料、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)原始記錄、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、討論與心得體會(huì)。主要儀器設(shè)備自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱1套、示波器1臺(tái)，電腦1臺(tái)，萬(wàn)用表1塊，導(dǎo)線若干。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書名稱自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書自編實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一覽表序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱內(nèi)容提要學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)類型實(shí)驗(yàn)要求每組人數(shù)1實(shí)驗(yàn)1典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)1驗(yàn)證性22實(shí)驗(yàn)2二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)2驗(yàn)證性23實(shí)驗(yàn)3控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析2驗(yàn)證性24實(shí)驗(yàn)4系統(tǒng)頻率特性測(cè)量2驗(yàn)證性25實(shí)驗(yàn)5*連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正2綜合性四、教學(xué)基本要求教師在課堂上應(yīng)對(duì)自動(dòng)控制的基本概念、分析方法和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行必要的講授，并詳細(xì)講授每章的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容；講授中應(yīng)注意理論聯(lián)系實(shí)際，通過(guò)必要的典型例題進(jìn)行討論，啟迪學(xué)生的思維，加深學(xué)生對(duì)有關(guān)概念、分析方法和設(shè)計(jì)方法的理解，采用多媒體輔助教學(xué)，加大課堂授課的信息量。重要術(shù)語(yǔ)用英文單詞標(biāo)注。習(xí)題討論課的次數(shù)應(yīng)不少4次，主要安排在時(shí)域分析法、根軌跡法、頻率響應(yīng)法和控制系統(tǒng)的校正與綜合章節(jié)；教師應(yīng)把握計(jì)算習(xí)題思路，進(jìn)行必要的提示，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)控制理論知識(shí)，分析、解決實(shí)際問(wèn)題；習(xí)題討論后，教師應(yīng)及時(shí)進(jìn)行總結(jié)。學(xué)生必須自學(xué)一些數(shù)學(xué)推導(dǎo)，應(yīng)用性、設(shè)計(jì)性例子及拓展內(nèi)容。對(duì)于一題多方案、多解答的命題，或有趣的應(yīng)用方向，引導(dǎo)學(xué)生展開討論，以拓寬思路，博采眾長(zhǎng)。在主要章節(jié)講授完之后，要布置一定量習(xí)題和討論問(wèn)題等，旨在加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解、運(yùn)用，拓寬學(xué)生的知識(shí)面。五、教學(xué)方法采用啟發(fā)式教學(xué)，首先進(jìn)行問(wèn)題的提出，然后引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生帶著問(wèn)題聽(tīng)課，使學(xué)生的學(xué)習(xí)變被動(dòng)為主動(dòng)。本課程采用的教學(xué)媒體主要有：文字教材（包括主教材和學(xué)習(xí)指導(dǎo)書）、電子教案、電子課件，和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通訊手段，采用E-mail、QQ等交流工具，加強(qiáng)和學(xué)生之間的交流和溝通?？荚囍饕捎瞄]卷方式，考試范圍應(yīng)涵蓋所有講授及自學(xué)的內(nèi)容，考試內(nèi)容應(yīng)能客觀反映出學(xué)生對(duì)本門課程主要概念的理解，對(duì)有關(guān)理論和分析方法的掌握及綜合運(yùn)用能力。在主要章節(jié)講授完之后，要布置一定量的習(xí)題和思考題。要求學(xué)生全部按時(shí)完成，批改量不得低于30%?？傇u(píng)成績(jī)：平時(shí)作業(yè)占10%、課堂討論和出勤占20%、閉卷考試占70%。六、參考教材和閱讀書目參考教材：自動(dòng)控制原理，程鵬主編，高等教育出版社，2003.8（自動(dòng)控制原理），王萬(wàn)良主編，高等教育出版社自動(dòng)控制原理，王永驥、王金城、王敏主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2007年9月第二版 自動(dòng)控制原理，盧京潮主編，西北工業(yè)大學(xué)出版社，20049 閱讀書目：1 Automatic Contrul Systems，Benjamin C.Kuo, Farid Gulnarghi,第8版，影印版，高等教育出版社2003 2 Modern Contrul Systems, Richard C.Dorf, Robert H.Bishop,第9版，影印版，科學(xué)出版社，2002 3 自動(dòng)控制原理，胡壽松主編（第四版），國(guó)防工業(yè)出版社 4 自動(dòng)控制原理試題精選題解，王敏主編，華中科技大學(xué)出版社，2002年 5 自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與題解，呂漢興主編，華中科技大學(xué)出版社，2003年 七、本課程與其它課程的聯(lián)系與分工本課程的先修課程是高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)與積分變換、普通物理、電路原理和模擬電子技術(shù)。在電路原理中，學(xué)生已具備了一些簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的概念，因此起點(diǎn)可高一些。一