《自動控制原理綜合實驗》教學(xué)大綱

《自動控制原理綜合實驗》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：05146012課程性質(zhì)：專業(yè)必修課學(xué)分：1學(xué)分學(xué)時：16學(xué)時（實驗16學(xué)時）先修課程：大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)與積分變換、電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)等后續(xù)課程：現(xiàn)代控制理論、智能控制等適用專業(yè)：自動化開課單位：電氣工程與自動化學(xué)院一、課程說明《自動控制原理綜合實驗》是自動化專業(yè)本科學(xué)生的專業(yè)必修課，課程結(jié)合自動控制原理理論課開設(shè)了一系列相應(yīng)的實驗，使學(xué)生理論與實踐結(jié)合，更好的掌握控制理論。通過實驗，學(xué)生可以掌握控制系統(tǒng)搭建，控制系統(tǒng)時域與頻域特性分析的方法，以線性定常系統(tǒng)和線性離散系統(tǒng)為對象，研究自動控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立，系統(tǒng)綜合分析，包括串聯(lián)校正和最小拍校正等控制器設(shè)計方法，以及系統(tǒng)調(diào)試的方法。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：掌握控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)的測量與分析方法，掌握控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與頻率特性分析方法，會進行正確的數(shù)據(jù)處理與分析，具備初步的科學(xué)精神和創(chuàng)新意識；掌握控制系統(tǒng)實驗建模的方法，掌握線性系統(tǒng)串聯(lián)校正和調(diào)試的方法，具有初步的系統(tǒng)設(shè)計的能力。課程目標(biāo)2：形成預(yù)習(xí)和提前了解儀器使用規(guī)程的習(xí)慣，掌握實驗儀器的基本性能，能夠完成實驗操作過程，具備基本動手能力、較強的綜合應(yīng)用能力。培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新、解決問題的能力及良好的職業(yè)道德、社會公德、社會責(zé)任感。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《自動控制原理綜合實驗》課程教學(xué)目標(biāo)對理工類本科專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)支撐強度4.研究4.3能夠根據(jù)實驗方案構(gòu)建并開展實驗，能夠?qū)嶒灲Y(jié)果進行分析和解釋，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。課程目標(biāo)1：掌握控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)的測量與分析方法，掌握控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與頻率特性測量的方法，會進行正確的數(shù)據(jù)處理與分析，具備初步的科學(xué)精神和創(chuàng)新意識；掌握控制系統(tǒng)實驗建模的方法，掌握線性系統(tǒng)綜合校正和調(diào)試的方法，具有初步的系統(tǒng)設(shè)計的能力。H5.使用現(xiàn)代工具5.2能夠選擇和使用恰當(dāng)?shù)默F(xiàn)代儀器、系統(tǒng)仿真與設(shè)計軟件、信息技術(shù)工具對自動控制領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進行分析、計算和設(shè)計。課程目標(biāo)2：形成預(yù)習(xí)和提前了解儀器使用規(guī)程的習(xí)慣，掌握實驗儀器的基本性能，能夠完成實驗操作過程，具備基本動手能力、較強的綜合應(yīng)用能力及一定的綜合創(chuàng)新能力。H注：表中“H（高）、M（中）、L（弱）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配實驗部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表2。表2實驗項目、實驗內(nèi)容與學(xué)時序號實驗項目實驗內(nèi)容和要求實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)實驗要求1控制系統(tǒng)時域與頻域特性分析實驗內(nèi)容：線性定常系統(tǒng)時域和頻域性能分析。實驗要求：構(gòu)建典型環(huán)節(jié)，測量階躍響應(yīng)曲線，分析參數(shù)對環(huán)節(jié)時域特性的影響；利用典型環(huán)節(jié)設(shè)計二階系統(tǒng)，改變二階系統(tǒng)的阻尼比和無阻尼振蕩頻率，分析它們對二階系統(tǒng)時域特性的影響；分析開環(huán)增益和某環(huán)節(jié)時間常數(shù)與閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系，并與理論計算對比分析；設(shè)計慣性環(huán)節(jié)、二階系統(tǒng)的頻率特性測試實驗，繪制它們的幅頻和相頻特性曲線，并與漸進頻率特性曲線對比分析。61、2必做2線性定常系統(tǒng)模型建立及控制算法設(shè)計實驗內(nèi)容：線性定常系統(tǒng)建模與控制器設(shè)計。實驗要求：以線性定常系統(tǒng)為研究對象，研究組成和工作原理，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計PID控制器（或進行串聯(lián)校正）；利用Simulink搭建系統(tǒng)并進行仿真；最后進行實際系統(tǒng)調(diào)試，校核所得控制器，總結(jié)調(diào)試規(guī)律。41、2必做3非線性控制系統(tǒng)Matlab分析實驗內(nèi)容：非線性控制系統(tǒng)性能分析。實驗要求：利用Matlab軟件分析典型非線性環(huán)節(jié)的特性。利用相平面法和描述函數(shù)法對含有典型非線性環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)進行分析，分析非線性因素對系統(tǒng)性能的影響。21、2必做4線性離散系統(tǒng)模型建立及控制算法設(shè)計實驗內(nèi)容：線性離散系統(tǒng)建模與控制設(shè)計。實驗要求：以數(shù)字控制系統(tǒng)為研究對象，研究組成和工作原理，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對模型進行離散化，得到數(shù)字隨動系統(tǒng)離散數(shù)學(xué)模型；根據(jù)所得數(shù)學(xué)模型，利用Matlab搭建系統(tǒng)并進行仿真以及實驗臺進行電路設(shè)計仿真；最后進行實際系統(tǒng)調(diào)試，總結(jié)調(diào)試規(guī)律。41、2必做合計16五、教學(xué)方法及手段本課程采用教師講授和學(xué)生動手操作的方法；在實驗前學(xué)生應(yīng)預(yù)習(xí)和掌握與本實驗有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容、認真閱讀實驗指導(dǎo)書，并填寫預(yù)習(xí)報告；老師講授過實驗內(nèi)容以及實驗儀器設(shè)備和軟件的操作規(guī)程后，要求學(xué)生嚴格遵守實驗紀(jì)律，以學(xué)生現(xiàn)場的實驗操作為主，教師巡視指導(dǎo)，及課堂教學(xué)后期的實驗注意事項總結(jié)等。實驗做完后，組織學(xué)生對實驗結(jié)果、方法等進行討論，教師適當(dāng)總結(jié)引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生對實驗結(jié)果的分析能力。課后要求學(xué)生認真撰寫實驗報告，回答課后思考題。教師通過QQ、微信、釘釘?shù)裙ぞ撸S時在線為學(xué)生輔導(dǎo)答疑，加強和學(xué)生之間的交流和溝通。六、課程資源1.推薦教材：（1）潘豐,徐穎秦.自動控制原理（第2版）[M].北京:機械工業(yè)出版社,2020.2.參考書：（1）胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2019.（2）劉勝主.自動控制原理(第二版)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2015.（3）張志涌，楊祖櫻.MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.（4）薛定宇.控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計—MATLAB語言與應(yīng)用(第3版)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.（5）熊曉君.自動控制原理實驗教程(硬件模擬與MATLAB仿真)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017.3.期刊文章：（1）郭亞琴.基于軟硬件相結(jié)合的自動控制原理課程實驗教學(xué)改革[J].農(nóng)業(yè)工程與裝備,2023,50(01):61-64.（2）郭海林.“新工科”背景下自動控制原理課程實驗教學(xué)模式改革[J].造紙裝備及材料,2022,51(08):219-221.（3）田思慶,侯強,王越男.基于LabVIEW的“自動控制原理”實驗教學(xué)平臺[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2019,41(02):135-138+151.（4）趙久強,馮毅萍.Labview在自動控制原理仿真實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室科學(xué),2018,21(01):85-88.（5）劉惠敏.基于MATLAB的自動控制原理虛擬實驗教學(xué)平臺設(shè)計[J].實驗室科學(xué),2016,19(03):48-52.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）華中科技大學(xué).王永驥.國家級精品課程《自動控制原理》./course/HUST-1001531001?tid=1001614004.（2）中國工控網(wǎng)./.七、課程考核對課程目標(biāo)的支撐本課程成績由多個實驗報告成績的平均分評定。每份實驗報告成績分為實驗預(yù)習(xí)、操作過程、結(jié)果分析三個階段，具體考核/評價細則及對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表3。表3課程考核對課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標(biāo)12課程成績實驗預(yù)習(xí)30（1）根據(jù)課堂出勤情況和實驗預(yù)習(xí)情況進行考核。（2）在報告模板中，依據(jù)完成程度不同在不同階段打勾，批報告時給定總分?！獭?515操作過程40（1）對每位學(xué)生的實驗操作情況、小組協(xié)作情況進行評定。（2）對每位學(xué)生的實驗操作結(jié)果和數(shù)據(jù)記錄情況進行評定。（3）根據(jù)評定結(jié)果，在操作成績欄對應(yīng)的等級處打勾，批報告時給定總分?！獭?020結(jié)果分析30（1）對每位學(xué)生的數(shù)據(jù)處理情況進行評定，包括數(shù)據(jù)表格整理、公式、圖表、計算過程等。（2）對每位學(xué)生的結(jié)果表示和分析，及問題回答情況進行評定。（3）根據(jù)評定結(jié)果，在結(jié)果分析欄對應(yīng)的等級處打勾，并給定報告總分。√√1515合計：100分5050八、考核與成績評定1.考核方式考核方式：本課程主要以實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、結(jié)果分析等方式對學(xué)生進行考核評價。自動控制原理綜合實驗最終總成績由4個實驗成績的平均分評定。單次實驗成績主要由實驗預(yù)習(xí)成績、實驗操作成績和實驗結(jié)果分析成績來評定，其比例為實驗預(yù)習(xí)成績占實驗成績的30%，實驗操作成績占實驗成績的40%，實驗結(jié)果分析成績占實驗成績的30%?？己嘶疽螅好课粚W(xué)生必須按規(guī)定完成實驗課，因故不能參加實驗者，應(yīng)課前向指導(dǎo)教師請假（必須經(jīng)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)批準(zhǔn)），對所缺實驗要在期末課程考試時間之前補齊。每次實驗課前，要求學(xué)生必須進行預(yù)習(xí)。每位學(xué)生必須按實驗指導(dǎo)書的要求，獨立編寫實驗報告，不得抄襲或借用他人的實驗數(shù)據(jù)。實驗報告要數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、條理清晰，抄襲別人的實驗報告或不交實驗報告的以本次實驗0分計入總成績。單次實驗成績低于50分者，該份實驗報告成績不計入期末總評中，即該份報告成績等同于0分。2.考核成績的標(biāo)準(zhǔn)考核方式重點考核內(nèi)容、評價標(biāo)準(zhǔn)、所占比重見表4。表4過程性考核方式評價標(biāo)準(zhǔn)考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥7