自動控制原理教學(xué)大綱

1、自動控制原理課程教學(xué)大綱課程編碼：0110011課程名稱：自控原理英文名稱：Principles of Automatic Control學(xué)時：32學(xué)分：2課程類型：選修課專業(yè)選修課適用專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動 化專業(yè)先修課程：高等數(shù)學(xué)（上、下）、大學(xué)物理、電工電 子技術(shù)（i、n）開課學(xué)期：第六學(xué)期開課院系：機(jī)電工程學(xué)院、課程的地位、目的和任務(wù)本課程地位：自動控制原理是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的專業(yè)方向課。自動控制技術(shù)是現(xiàn)代化技術(shù)中重要的一個方面，本課程主要講述現(xiàn)代自動控制技術(shù)的基本原理與結(jié)構(gòu)模型，自動控制系統(tǒng)的分析方法與設(shè)計方法，使學(xué)生具備自動化控制的基礎(chǔ)理論知識以及實踐能力。本課程目的

2、：通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生理解自動控制的基本概念，掌握簡單系統(tǒng)的建模方法，掌握對線性定常 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性的基本分析方法以及設(shè)計和校正方法，能熟練使用根軌跡法和頻率特性法 分析與設(shè)計控制系統(tǒng)和控制器，對非線性系統(tǒng)也能進(jìn)行初步的分析。本課程任務(wù)：1. 掌握自動控制的基本概念、原理，學(xué)會對實際物理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，并用已學(xué)過的數(shù)學(xué)工具進(jìn)行 系統(tǒng)分析和綜合，能靈活應(yīng)用各種理論知識來解決實際問題的綜合設(shè)計能力。2. 不僅為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，而且直接為解決實際控制系統(tǒng)問題提供理論和方法，養(yǎng)成將來在 工程實際中經(jīng)常進(jìn)行理性思維的習(xí)慣。3. 培養(yǎng)學(xué)生在掌握課程知識、概念、原理方法基礎(chǔ)上，

3、獨立思考、獨立解決問題、實驗與仿真實現(xiàn)的 能力。二、本課程與其它課程的聯(lián)系本課程的先修課是高等數(shù)學(xué)（上、下）、大學(xué)物理、電工電子技術(shù) （i、n）。這些課程的學(xué)習(xí)，為本課程學(xué)習(xí)奠定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和分析系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型提供必要的電學(xué)知識。本課程學(xué)習(xí)為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)提供所 應(yīng)用的系統(tǒng)分析、設(shè)計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)容及要求第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論教學(xué)要求：通過本章教學(xué)，使學(xué)生理解自動控制的定義、組成、基本控制方式及特點，對控制系統(tǒng)性能的基本要 求，自動控制系統(tǒng)的分類，自動控制系統(tǒng)實例有一定掌握。使學(xué)生對反饋控制的基本理論和方法有一全面、整體的了解。重

4、點：自動控制的定義、組成、基本控制方式、特點及基本要求難點：自動控制系統(tǒng)實例的分析教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)自動控制的基本原理（一）自動控制技術(shù)及其應(yīng)用（二）自動控制理論（三）反饋控制原理（四）反饋控制系統(tǒng)的基本組成（五）自動控制系統(tǒng)基本控制方式第二節(jié)自動控制系統(tǒng)示例（一）函數(shù)記錄儀（二）電阻爐微型計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)（三）鍋爐液位控制系統(tǒng)第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類（一）線性連續(xù)控制系統(tǒng)（二）線性定常離散控制系統(tǒng)（三）非線性控制系統(tǒng)第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的基本要求（一）基本要求的提法（二）典型的外作用第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型教學(xué)要求：通過本章教學(xué)，要求學(xué)生掌握拉普拉斯變換的概念、定理及拉普拉斯反變換的數(shù)學(xué)方法；

5、了解數(shù)學(xué)模 型的概念、表達(dá)方式，建模的方法；掌握微分方程的建立、典型元部件及其傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖及化簡、信 號流圖和梅森公式，控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的表示方法，學(xué)會對一般的機(jī)電系統(tǒng)等進(jìn)行機(jī)理建模。明確零初始 條件的物理含義；了解系統(tǒng)的零、極點等的概念。重點：傳遞函數(shù)的概念、結(jié)構(gòu)圖及化簡、控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的表示方法難點：微分方程的建立、典型元部件及其傳遞函數(shù)、信號流圖和梅森公式第一節(jié)拉普拉斯變換（一）拉普拉斯變換的定義（二）拉普拉斯變換的定理（三）拉普拉斯反變換第二節(jié)控制系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型（一）線性元件的微分方程（二）控制系統(tǒng)微分方程的建立（三）線性系統(tǒng)的特征（四）線性定常微分方程的求解（五）非線性微分

6、方程的線性化第三節(jié)控制系統(tǒng)的復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型（一）傳遞函數(shù)的定義和性質(zhì)（二）傳遞函數(shù)的零點和極點（三）傳遞函數(shù)的極點和零點對輸出的影響（四）典型元部件的傳遞函數(shù)第四節(jié)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與信號流圖（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的組成和繪制（二）結(jié)構(gòu)圖的等效變換和簡化（三）信號流圖的組成和性質(zhì)（四）信號流圖的繪制（五）梅森增益公式（六）閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)第三章線性系統(tǒng)的時域分析法教學(xué)要求： 通過本章教學(xué)，要求學(xué)生了解控制系統(tǒng)的典型輸入信號；了解線性定常系統(tǒng)的時域響應(yīng)組成，熟悉控 制系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)的定義；掌握一階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)及性能指標(biāo)；掌握二階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)分析及 其與極點之間的關(guān)系， 重點掌握二階系統(tǒng)的暫態(tài)

7、響應(yīng)性能指標(biāo)公式及計算； 一般了解高階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)， 掌握閉環(huán)主導(dǎo)極點的概念；了解穩(wěn)定的概念，掌握線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件；重點掌握判斷穩(wěn)定性的 Routh 代數(shù)判據(jù)及應(yīng)用，對 Hurwitz 判據(jù)有一般了解；了解穩(wěn)態(tài)誤差的概念、定義、產(chǎn)生原因、類型；重點 掌握給定穩(wěn)態(tài)誤差終值的計算，掌握擾動穩(wěn)態(tài)誤差終值的計算及減小穩(wěn)態(tài)誤差的方法。重點：一、二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)、主導(dǎo)極點的概念、判斷穩(wěn)定性的 Routh 代數(shù)判據(jù)及應(yīng)用、穩(wěn)態(tài)誤差 及終值定理難點：二階系統(tǒng)的時間響應(yīng)、判斷穩(wěn)定性的 Routh 代數(shù)判據(jù)及應(yīng)用、擾動穩(wěn)態(tài)誤差終值的計算及減小 穩(wěn)態(tài)誤差的方法教學(xué)內(nèi)容 ：第一節(jié)系統(tǒng)的時域性能指標(biāo)（一）

8、典型輸入信號（二）動態(tài)過程與穩(wěn)態(tài)過程（三）動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能第二節(jié)一階系統(tǒng)的時域分析（一）一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（二）一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)（三）一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)（四）一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)（五）一階系統(tǒng)的單位加速度響應(yīng)第三節(jié)二階系統(tǒng)的時域分析）二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（二）二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)（三）欠阻尼二階系統(tǒng)的動態(tài)過程分析（四）過阻尼二階系統(tǒng)的動態(tài)過程分析（五）二階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)（六）二階系統(tǒng)性能的改善第四節(jié)高階系統(tǒng)的時域分析（一）高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)（二）高階系統(tǒng)閉環(huán)主導(dǎo)極點及其動態(tài)性能分析第五節(jié)線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析（一）穩(wěn)定性的基本概念（二）線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件（三）勞斯穩(wěn)

9、定判據(jù)（四）勞斯穩(wěn)定判據(jù)的特殊情況（五）勞斯穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用第六節(jié)線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算（一）誤差與穩(wěn)態(tài)誤差（二）系統(tǒng)類型（三）階躍輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)位置誤差系數(shù)（四）斜坡輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)位置誤差系數(shù)（五）加速度輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)位置誤差系數(shù)（六）擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差（七）減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的措施第五章線性系統(tǒng)的頻域分析法教學(xué)要求：通過本章教學(xué)，要求學(xué)生正確理解頻率響應(yīng)、頻率特性的概念及特點，明確頻率特性的物理意義；熟 悉典型環(huán)節(jié)頻率特性的特點，熟練掌握繪制開環(huán)幅相特性、開環(huán)對數(shù)頻率特性的方法；熟練掌握由最小相 位系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性確定開環(huán)傳遞函數(shù)的方法；理解奈奎斯

10、特穩(wěn)定判據(jù)的原理，熟練掌握運用奈奎 斯特穩(wěn)定判據(jù)和對數(shù)頻率判據(jù)判定系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法；正確理解穩(wěn)定裕度的概念及意義，熟練掌握計算穩(wěn) 定裕度的方法；掌握頻域性能指標(biāo)及頻域指標(biāo)與時域指標(biāo)的關(guān)系。重點：頻率響應(yīng)、頻率特性的概念及特點、開環(huán)幅相特性、開環(huán)對數(shù)頻率特性的繪制、運用奈奎斯特 穩(wěn)定判據(jù)和對數(shù)頻率判據(jù)判定系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法、穩(wěn)定裕度的計算、頻域性能指標(biāo)的求解 難點：頻率特性的概念、開環(huán)對數(shù)頻率特性的繪制、奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的原理、域性能指標(biāo)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)頻率特性（一）頻率特性的基本概念（二）頻率特性的幾何表示方法第二節(jié)典型環(huán)節(jié)與開環(huán)系統(tǒng)頻率特性（一）典型環(huán)節(jié)（二）典型環(huán)節(jié)的頻率特性（三）開環(huán)幅相曲

11、線繪制（四）開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線（五）延遲環(huán)節(jié)和延遲系統(tǒng)（六）傳遞函數(shù)的頻域?qū)嶒灤_定第三節(jié)頻率域穩(wěn)定判據(jù)（一）奈氏判據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（二）奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)（三）對數(shù)頻率穩(wěn)定判據(jù)（四）條件穩(wěn)定系統(tǒng)第四節(jié)頻域穩(wěn)定裕度（一）相角裕度（二）幅值裕度第五節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)（一）控制系統(tǒng)的頻帶寬度（二）系統(tǒng)帶寬選擇（三）閉環(huán)系統(tǒng)頻域指標(biāo)和時域指標(biāo)的轉(zhuǎn)換第六章線性系統(tǒng)的校正方法教學(xué)要求：通過本章教學(xué)，要求學(xué)生理解控制系統(tǒng)校正的概念、校正的實質(zhì)、校正方式、基本控制規(guī)律；熟練掌 握常用校正裝置及其特性；熟悉串聯(lián)校正、反饋校正、復(fù)合校正的基本原理；熟悉頻率法進(jìn)行系統(tǒng)校正的 過程和校正前后系統(tǒng)性能的比較。重點：系

12、統(tǒng)校正的概念、校正方式、基本控制規(guī)律、常用校正裝置及其特性難點：頻率法進(jìn)行系統(tǒng)校正的過程和校正前后系統(tǒng)性能的比較教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計與校正問題（一）性能指標(biāo)（二）系統(tǒng)帶寬的選擇（三）校正方式（四）基本控制規(guī)律第二節(jié)常用校正裝置及其特性（一）無源校正網(wǎng)絡(luò)（二）有源校正裝置第三節(jié)串聯(lián)校正（一）頻率響應(yīng)法校正設(shè)計（二）串聯(lián)超前校正（三）串聯(lián)滯后校正（四）串聯(lián)滯后-超前校正第四節(jié)前饋校正（一）前置濾波組合校正（二）最小節(jié)拍組合校正四、教學(xué)安排及方式總學(xué)時：32學(xué)時，其中理論教學(xué)時數(shù) 32學(xué)時，實驗（上機(jī)）教學(xué)時數(shù)為0學(xué)時。、教學(xué)環(huán)節(jié) 教學(xué)時數(shù)課程內(nèi)容'''''講課實 驗習(xí) 題 課上機(jī)看或錄參像觀小計備 注第一章控制系統(tǒng)的導(dǎo)論22第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模 型1010第三章線性系統(tǒng)的時域分 析法88第五章線性系統(tǒng)的頻域分 析法1010第六章線性系統(tǒng)的校正方 法22合計3232五、考核方式1、考核方式：筆試（閉卷）。2、成績評定：平時成績占10%包括出勤、課堂提問、作業(yè)等；期中成績占20%期末成績占70%綜合