自動(dòng)控制原理課程教學(xué)大綱

1、1 自動(dòng)控制原理課程教學(xué)大綱 Principles Principles of Automatic Control System of Automatic Control System 課程編號(hào)： 2000081 適用專業(yè)：電氣工程與自動(dòng)化 學(xué) 時(shí) 數(shù)： 40 執(zhí) 筆 者：邱瑞昌 王艷 、課程的性質(zhì)與目的 概 要： 隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中所起的作 用越來(lái)越大。自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用不僅使生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，極大的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率 和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動(dòng)條件，并且在人類探索新能源，發(fā)展空間技術(shù)和改善人民物質(zhì)生活 都起著極為重要的作用 課程性質(zhì)： 自動(dòng)控制原理是

2、電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課（專業(yè)基礎(chǔ)平臺(tái) 課），是必修課，是以原理為主的理論性課程；主要講述自動(dòng)控制原理與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí) 驗(yàn)等內(nèi)容。 根據(jù)自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的不同階段，自動(dòng)控制原來(lái)可分為古典控制理論和現(xiàn)代控制理論 兩大部分。 古典控制理論的主要內(nèi)容是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入單輸出一類自動(dòng)控制系統(tǒng)的 分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。這些理論研究較早，現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟。并且在工程實(shí)踐中得到了廣泛的 應(yīng)用。 現(xiàn)代控制論是 60 年代在古典控制論的基礎(chǔ)上，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程實(shí)踐的需要 而迅速發(fā)展起來(lái)的。其內(nèi)容主要以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入多輸出、變參數(shù)、非線 性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析與設(shè)

3、計(jì)問(wèn)題。最優(yōu)控制、最佳濾波、系統(tǒng)辯識(shí)、自適 應(yīng)控制等理論都是這一領(lǐng)域研究的主要課題。特別是近年來(lái)由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代應(yīng)用 數(shù)學(xué)研究的迅速發(fā)展，使現(xiàn)代控制理論又在研究龐大的系統(tǒng)工程的大系統(tǒng)理論和模仿人類智 能活動(dòng)的智能控制、生物控制、模糊控制等方面有了重大進(jìn)展。 主要目的： 培養(yǎng)學(xué)生 1掌握經(jīng)典控制論中，線性定常連續(xù)、單輸入單輸出閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理、分析 和綜合，掌握反饋控制原理的應(yīng)用以及分析和設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，使其具有分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控 制系統(tǒng)的初步能力，使學(xué)生對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)上升到更高的層次。 2了解控制系統(tǒng)中常用的檢測(cè)裝置，常用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理，數(shù)學(xué)模型的建立過(guò) 程，以及自控原理、經(jīng)典控

4、制論在當(dāng)今的發(fā)展?fàn)顩r。 3了解并掌握對(duì)系統(tǒng)的仿真，其中包括模擬仿真和數(shù)字仿真，使學(xué)生建立起仿真的概 念，并靈活應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題，掌握用模擬和數(shù)字仿真方法來(lái)進(jìn)行原理實(shí)驗(yàn)，獲得仿真實(shí) 驗(yàn)技能的基本訓(xùn)練。 、課程教學(xué)內(nèi)容 第一章 自動(dòng)控制概論（講課 2 學(xué)時(shí)） 了解本課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務(wù)，掌握控制的基本方式 重點(diǎn)： 弄清楚對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求和系統(tǒng)的組成。 課上至少舉兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)明自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成，以及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的過(guò)程，至少布 置兩道作業(yè)題，幫助學(xué)生熟悉系統(tǒng)的組成和對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求。 第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（講課 6 學(xué)時(shí)）學(xué) 分 數(shù)： 2.5 編寫日期： 2002.5 2 對(duì)

5、系統(tǒng)的討論從定性到定量，建立起系統(tǒng)中各組成部分的數(shù)學(xué)模型：傳遞函數(shù)，并掌握 自控原理中定量數(shù)學(xué)模型的表示法以及求一個(gè)自控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并對(duì)非本質(zhì)非線性的系 統(tǒng)怎樣進(jìn)行線性化有一定的了解。 重點(diǎn)： 準(zhǔn)確掌握傳遞函數(shù)的概念，以及系統(tǒng)中開(kāi)環(huán)傳函和閉環(huán)傳函的概念；怎樣由一個(gè) 系統(tǒng)的方框圖求系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生對(duì)系統(tǒng)中經(jīng)常遇見(jiàn)的環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)以及在典型信號(hào) 輸入下環(huán)節(jié)的輸出，以及這些環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的主要作用有一個(gè)清楚得了解。 學(xué)習(xí)要求： 要求靈活掌握傳函的本質(zhì)，對(duì)于線性定常連續(xù)系統(tǒng)，怎樣求一個(gè)系統(tǒng)的傳函。 第三章 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析 （講課 8學(xué)時(shí)） 了解對(duì)于線性定常連續(xù)

6、系統(tǒng)的在時(shí)域上的分析的一般過(guò)程，典型輸入信號(hào)的拉氏變換。 一階系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程，掌握二階系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和高階系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 分析，以及控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算方法。了解無(wú)差度的概念。掌握消除和減少穩(wěn)態(tài)誤差的 辦法以及了解用復(fù)合控制怎樣可以減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度的原理。 重點(diǎn)：結(jié)合第一章提出的對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求，第三章中重點(diǎn)掌握時(shí)域上描述系 統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的特性指標(biāo) 5 % ts。勞斯判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定誤差計(jì)算以及減少 標(biāo)志誤差，提高控制精度的辦法。 實(shí)驗(yàn)有典型系統(tǒng)得瞬態(tài)響應(yīng)和系統(tǒng)穩(wěn)定性的勞斯判據(jù)分析。 學(xué)習(xí)要求： 通過(guò)第三章的學(xué)習(xí)，結(jié)合對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求，使

7、學(xué)生清楚的掌握對(duì)于自 動(dòng)控制系統(tǒng)的分析應(yīng)從三個(gè)方面著手。并掌握時(shí)域上對(duì)系統(tǒng)分析的方法及思路，加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng) 要求的理解，進(jìn)一步深化時(shí)域上對(duì)系統(tǒng)分析方法，思路以及分析的目的和意義，并清楚一個(gè) 性能好的控制系統(tǒng)的特性指標(biāo)和系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)中哪些特性參數(shù)有關(guān)。應(yīng)用 Matlab 軟件對(duì) 系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析。 第四章 根軌跡法 （講課 6 學(xué)時(shí)） 了解控制系統(tǒng)根軌跡的概念，一般解析畫法過(guò)程。用根軌跡法分析控制系統(tǒng)的思路。 掌握繪制根軌跡的基本規(guī)則，并利用基本規(guī)則概要畫出給定系統(tǒng)的根軌跡。并在此基 礎(chǔ)上用根軌跡法來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)性能的好壞和閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)在 的關(guān)系。并掌握最小相位系統(tǒng)的參數(shù)根軌跡的畫法。最

8、后給出閉環(huán)極點(diǎn)，零點(diǎn)分布和控制系 統(tǒng)性能指標(biāo)之間的關(guān)系。應(yīng)用 Matlab 中根軌跡工具箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。 重點(diǎn)： 根軌跡的畫法，參數(shù)根軌跡的畫法，并學(xué)會(huì)用根軌跡的方法來(lái)分析控制系統(tǒng)， 附加開(kāi)環(huán)零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)根軌跡的改造和對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 難點(diǎn)： 用根軌跡的方法來(lái)分析控制系統(tǒng) 。 第五章 頻率特性法 （講課 8 學(xué)時(shí)） 了解一個(gè)系統(tǒng)和一個(gè)環(huán)節(jié)的頻率特性并得出系統(tǒng)的正弦傳遞函數(shù)。了解頻率特性的表示 方法幅相曲線和波特圖，并學(xué)會(huì)畫一個(gè)典型環(huán)節(jié)的頻率特性（幅相曲線和波特圖）。了解閉 環(huán)頻率特性圖的畫法。 掌握系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的幅相曲線和波特圖，并在此基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)的幅相曲線和波特 圖來(lái)分析系統(tǒng)的

9、穩(wěn)定性奈氏判據(jù)，用幅數(shù)曲線和波特圖來(lái)分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能控制 系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。掌握開(kāi)環(huán)頻率特性與控制系統(tǒng)性能的關(guān)系。 重點(diǎn)： 用頻率特性的方法來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及相對(duì)穩(wěn)定性以及開(kāi)環(huán)頻率特性與 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)間的關(guān)系。 難點(diǎn)：用奈氏判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性中幅相曲線包圍（ -1 , J0）點(diǎn)圈數(shù)情況，以及負(fù) 數(shù)軸上（-1 , J0）點(diǎn)以左正、負(fù)穿越的定義?？刂葡到y(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性的含意。幅數(shù)曲線變化 情況和開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系。應(yīng)用 Matlab 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析。 S平面上分布 3 第六章 控制系統(tǒng)的綜合與校正（講課 6 學(xué)時(shí)）（習(xí)題課 2學(xué)時(shí)）4 了解系統(tǒng)為什么需要校正，采用校正方式和方法的分類

10、。并結(jié)合前面第三章、四章、 五章對(duì)系統(tǒng)的分析的情況來(lái)分析控制系統(tǒng)的基本控制規(guī)律。 掌握串聯(lián)校正中的超前校正的綜合過(guò)程，滯后校正的綜合過(guò)程以及滯后一一超前校正 的綜合過(guò)程，以及按系統(tǒng)的期望頻率特性進(jìn)行校正的綜合過(guò)程，采用反饋校正參數(shù)的確定。 Simulink 在控制系統(tǒng)綜合與校正的應(yīng)用。 重點(diǎn)： 超前校正，滯后校正，滯后一一超前校正的校正網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)中零極點(diǎn)在 面上分布情況以及參數(shù)結(jié)構(gòu)是怎樣對(duì)校正起作用的，串聯(lián)校正和并聯(lián)校正間的關(guān)系。 難點(diǎn)： 采用超前、滯后、滯后一一超前校正對(duì)系統(tǒng)校正的方法和流程。 三、課程教學(xué)的基本要求 本課課程的教學(xué)環(huán)節(jié)包括：課堂講授、習(xí)題課、課外作業(yè)、實(shí)驗(yàn)。通過(guò)本課程各個(gè)

11、教學(xué) 環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)經(jīng)典控制論，自動(dòng)控制理論系統(tǒng)的掌握。學(xué)生的自學(xué)能力、動(dòng) 手能力、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)計(jì)算以及利用已掌握的知識(shí)分析問(wèn)題的 能力。 （一）課堂講授 1教學(xué)方法 采用啟發(fā)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，自動(dòng)控制原理內(nèi)容較多且繁，教學(xué)中力求把每 章節(jié)的內(nèi)容在結(jié)構(gòu)上聯(lián)系起來(lái)，系統(tǒng)起來(lái)。課堂上增加討論，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以及學(xué) 習(xí)的主觀能動(dòng)性。 2教學(xué)手段 采用課堂講授和發(fā)揮多媒體教學(xué)的直觀性，并開(kāi)展電子教案， 應(yīng)用，并研制多媒體教學(xué)系統(tǒng)。 3計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)知識(shí)和應(yīng)用是培養(yǎng)學(xué)生能力的重要方面，本課程要適當(dāng)安排學(xué)生采用計(jì)算機(jī)仿 真（數(shù)字仿真）來(lái)模擬各種類

12、型系統(tǒng)的工作，用 MATLA菇言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，以及不同參 數(shù)上的 PID 調(diào)節(jié)和對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，靜態(tài)特性的影響。 4外語(yǔ)要求 給出各章節(jié)主要專業(yè)名詞的英語(yǔ)單詞以方便學(xué)生閱讀英文同等程度的參考資料。 Linear Control System（ 線性系統(tǒng) ）, Single Input Single Output（ 單輸入單輸出 ）, Laplace Transform（ 拉普拉斯變換 ）, Differential Equations（ 微分方程 ）, Transfer Functions（ 傳遞函數(shù) ）, Models of System（ 系統(tǒng)模型 ）, Block Diagrams（

13、方框圖 ）, Mason s Gain Formula（ 梅森公式 ）, First-order System（ 一階系統(tǒng) ）, Second-order System（ 二階系 統(tǒng) ）, Higher-order System（ 高階系統(tǒng) ）, Close-loop Control System（ 閉環(huán)控制系統(tǒng) ）, Stability（ 穩(wěn)定性 ）, Transient Response（ 瞬態(tài)響應(yīng) ）, Routh-Hurwitz Stability Criterion（ 勞斯判據(jù) ）, Steady-state Accuracy（ 穩(wěn)態(tài)精度 ）, Root-locus（ 根軌跡 ）,

14、Rootlocus Principles（ 根軌跡基本規(guī)則 ）, Frequency Responses（ 頻率響應(yīng) ）, Bode Diagrams（ 波特圖 ）, Nyquist Criterion（ 奈氏判據(jù) ）, Relative Stability（ 相對(duì)穩(wěn)定性 ）. （二）教學(xué)輔助資料 自動(dòng)控制原理習(xí)題集，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)和自學(xué)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，以及 動(dòng)控制原理試題庫(kù)。 （三）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié) 四個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，由于硬件和軟件設(shè)備的限制，先后擬增設(shè)至少兩個(gè)模擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目， 和同量的仿真軟件，并著手準(zhǔn)備本課程的綜合性實(shí)驗(yàn)。 （四）作業(yè)方面CAI 課件的研制，引進(jìn)和 MATLAB仿真軟件。自 5 1）目

15、的： 鞏固講授過(guò)的基本理論知識(shí)；培養(yǎng)解題能力和技巧；學(xué)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的分析；明了 結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，動(dòng)、靜態(tài)性能之間的關(guān)系；培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。 2）課外習(xí)題內(nèi)容： 第一章 第二章 五道作業(yè)題。 第三章 能之間的聯(lián)系， 誤差計(jì)算以及減小穩(wěn)態(tài)誤差的措施和辦法。使學(xué)生建立對(duì)控制系統(tǒng)在時(shí)域上分析的比較完整 的概念。應(yīng)布置十五道作業(yè)題左右。 第四章 根據(jù)繪制根軌跡基本規(guī)則會(huì)繪制系統(tǒng)的根軌跡，并確定系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)和 零點(diǎn)并分析系統(tǒng)的閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)。會(huì)畫參量根軌跡，弄清楚閉環(huán)零極點(diǎn)分布和系統(tǒng)的性能指 標(biāo)之間的關(guān)系。布置六道作業(yè)題左右。 第五章 頻率特性的基本概念、典型環(huán)節(jié)的波特圖、奈奎斯特圖，乃奎斯特穩(wěn)

16、定判 據(jù)，控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，以及開(kāi)環(huán)頻率特性和系統(tǒng)的性能指標(biāo)之間的關(guān)系。共應(yīng)布置十 道作業(yè)題左右。 第六章 熟悉基本控制規(guī)律，超前、滯后，超前 - 滯后校正參數(shù)的確定， 按系統(tǒng)的期望 頻率特性確定系統(tǒng)的校正參數(shù)，共應(yīng)布置八道作業(yè)題左右。 （五）考試環(huán)節(jié) 考試形式采用筆試，題型有：填空、選擇題、問(wèn)答題、計(jì)算題 四、本課程與其它課程的聯(lián)系與分工 高等數(shù)學(xué)、電子電路、 電路原理、信號(hào)與系統(tǒng)等。在這些課程中應(yīng)該注意 四端網(wǎng)絡(luò)列寫電壓方程時(shí)的前提條 Z互變換等。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。 五、建議教材及教學(xué)參考書 1 吳麒主編 , 自動(dòng)控制原理 , 自動(dòng)控制原理 , 自動(dòng)控制理論基礎(chǔ) , 自動(dòng)控制原理習(xí)題集 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 清華大學(xué)出版社 國(guó)防工業(yè)出版社 清華大學(xué)出版社 國(guó)防工業(yè)出版社 2李友善主編 2戴忠達(dá)主編 3胡壽松主編 4自編教材 , 六、對(duì)教師的基本要求 1、 熟練掌握線性時(shí)不變系統(tǒng)的分析方法，了解古典控制論的發(fā)展方向。講課過(guò)程中， 選擇一些典型的控