《自动控制原理》课程教学大纲

《自动控制原理》课程教学大纲

一、课程基本信息

二、课程目标

（一）总体目标：

《自动控制原理》课程的理论性和工程应用性都很强，是数学思维在工程实践中的应用拓展，旨在使学生了解控制系统的基本组成、结构、分类和基本要求；掌握控制系统建模方法；掌握线性定常系统的分析方法，并采用分析方法分析系统的动态性能和稳态性能；掌握线性定常系统的各种校正方法。

（二）课程目标：

通过学习本课程，使学生获得控制理论与工程应用相关的基本知识和基本技能，培养严谨的科学作风，为学习后续课程及从事本专业的工程技术工作和科学研究打下基础。

课程目标1：通过学习控制理论的发展历程、基本概念、数学模型，能够利用控制理论的基础知识，理解控制系统常用概念，推演、分析控制系统的数学模型等工程问题。

1.1 熟练掌握自动控制系统的方式、组成、类型和基本要求。

1.2 熟练掌握自动控制系统静态特性和动态特性的数学建模，掌握求取系统动态特性的传递函数和输出响应的方法。

课程目标2：通过学习控制理论的时域分析法、根轨迹分析法、频率特性分析法，能够运用分析方法，借助文献研究，分析控制系统性能，并获得有效结论，培养学生的问题分析能力。

2.1掌握自动控制系统的时域分析、根轨迹分析、频域分析方法。

2.2掌握自动控制系统的参数整定方法。

课程目标3：能够针对能源与动力工程领域中复杂控制问题，选择与使用恰当的技术、现代工程工具和信息技术工具，对复杂控制问题进行预测与模拟。

3.1 针对不同被控对象，可以选择合适的被调量、调节作用量，设计控制系统进行自动控制。

3.2 掌握使用matlab设计控制系统并进行仿真模拟和分析。

（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系

表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表

三、教学内容

第一章 概述

1.教学目标

（1）了解掌握自动控制系统的方式、组成、分类；

（2）掌握自动控制系统的性能指标。

2.教学重难点

（1）重点：理解自动控制系统的方式、组成、分类；

（2）难点：掌握自动控制系统的性能要求。

3.教学内容

第一节 自动控制系统的方式

第二节 闭环控制系统的组成

第三节 自动控制系统的分类

第四节 对自动控制系统的基本要求

4.教学方法

（1）自主学习：预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：讲授相关概念和原理；

5.教学评价

回答以下问题：

1. 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。

2. 在下列过程中，试问哪些是开环控制系统，哪些是闭环控制系统，并指出各控制系统的输入量和输出量。a空调制冷。b人的体温控制系统。c微波炉做饭。d机器人踢足球。

3. 有人认为“如果开环控制系统不稳定，可以利用反馈提高其稳定性”，你认为这种说法正确吗？为什么？

第二章 线性系统的数学模型

1.教学目标

（1）了解控制系统微分方程的建立方法。

（2）理解传递函数的概念，熟悉各典型环节的传递函数。

（3）掌握动态结构图，并利用等效变换和Mason公式求等效传递函数。

（4）掌握闭环控制系统在给定信号下和扰动信号下的闭环传递函数和误差传递函数

（5）掌握MATLAB在数学模型中的应用。

2.教学重难点

（1）重点：控制系统数学模型；传递函数

（2）难点：方框图的等效变换；Mason公式的应用

3.教学内容

第一节 线性系统的微分方程描述

第二节 线性系统的传递函数描述

第三节 典型环节的数学模型及特性

第四节 动态结构图

第五节 闭环控制系统的几种传递函数

第六节 用MATLAB处理数学模型

4.教学方法

（1）自主学习：预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：讲授相关概念和数学推导；

（3）实验法：Matlab建立系统传递函数等演示和学生动手操作。

5.教学评价

回答以下问题：

（1）什么是对象的数学模型？

（2）为什么要研究对象的数学模型？

（3）什么是传递函数的零点、极点？

（4）方框图的等效变换遵循哪些基本原则？

完成课后习题：2-1、2-5、2-8、2-9、2-11，利用Matlab建立系统传递函数，求基本连接的等效传递函数。

第三章 时域分析法

1.教学目标

（1）了解时域分析法、高阶系统基本概念。

（2）理解控制系统的时域性能指标。

（3）掌握一阶系统和二阶系统动态结构图、数学模型及阶跃响应。

（4）掌握控制系统稳定性及劳斯判据。

（5）掌握稳态误差及计算方法。

（6）掌握MATLAB在时域分析法中的应用。

2.教学重难点

（1）重点：二阶系统的时域分析；稳定性判据；稳态误差计算。

（2）难点：稳定性判断；高阶系统的时域分析

3.教学内容

第一节 时域分析基础

第二节 一、二阶系统的时域分析

第三节 系统稳定性分析

第四节 稳态误差分析与计算

第五节 MATLAB在时域分析中的应用

4.教学方法

（1）自主学习：预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：讲授相关概念和数学推导。

（3）实验法：利用Matlab对系统进行时域动态性能分析和稳定性分析的演示和学生动手操作。

5.教学评价

回答以下问题：

（1）时域分析中常用输入信号有哪些？

（2）如何理解二阶系统阶跃响应过渡过程分析中的欠阻尼、临界阻尼以及过阻尼意义？

（3）线性系统稳定性的物理意义是什么？

（4）如何运用劳斯判据和古尔维茨判据判断控制系统的稳定性？

完成课后习题：3-2，3-4，3-7，3-8，3-10，3-12，使用matlab的simulink对一个二阶系统求解其阶跃响应曲线。

第四章 根轨迹法

1.教学目标

（1）了解零度根轨迹及广义根轨迹的基本概念。

（2）理解根轨迹方程、幅值方程、相角方程的基本概念。

（3）掌握根轨迹绘制的基本法则。

（4）掌握利用根轨迹分析系统的性能。

（5）掌握MATLAB在根轨迹分析中的应用。

2.教学重难点

（1）重点：根轨迹的绘制法则；利用根轨迹对系统性能进行分析

（2）难点：广义根轨迹的绘制。

3.教学内容

第一节 根轨迹法的基本内容

第二节 绘制根轨迹的基本法则

第三节 广义根轨迹

第四节 系统性能分析

第五节 线性系统根轨迹分析的MATLAB方法

4.教学方法

（1）自主学习：预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：讲授相关概念和数学推导。

（3）实验法：利用Matlab绘制系统根轨迹图的演示和学生动手操作。

5.教学评价

完成课后习题：4-2、4-4、4-5、4-6，使用matlab绘制一个控制系统的根轨迹图。

第五章 频域分析法

1.教学目标

（1）了解频率特性的物理意义、基本概念。

（2）理解典型环节频率特性的求取方法。

（3）掌握幅相频率特性曲线、对数频率特性曲线的绘制方法。

（4）掌握频率特性稳定性分析方法。

（5）掌握MATLAB在频域分析法中的应用。

2.教学重难点

（1）重点：频率特性基本概念；对数频率特性曲线的绘制；奈奎斯特稳定判据。

（2）难点：幅相频率特性曲线的绘制；奈奎斯特稳定性判据

3.教学内容

第一节 频率特性

第二节 典型环节的频率特性

第三节 控制系统的开环频率特性

第四节 频域稳定判据

第五节 用频域分析法分析系统性能

第六节 线性系统频域分析的MATLAB方法

4.教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关概念和数学推导。

（3）实验法：利用Matlab绘制对数频率特性曲线和奈奎斯特曲线的演示和学生动手操作。

5.教学评价

回答以下问题：

1. 频率特性的基本概念？

2. 典型环节的频率特性有哪些？

3. 线性系统的频率响应和频率特性是什么？

4. 如何应用奎斯特判据对系统进行分析？

完成课后习题：5-3、5-4、5-11，使用matlab绘制一个控制系统的对数频率特性曲线和奈奎斯特曲线。

第六章 线性系统的校正

1.教学目标

（1）了解自动调节系统整定的基本概念

（2）了解常用校正装置。

（3）掌握PID控制器及其设计方法。

（4）掌握反馈校正和复合校正。

（5）掌握MATLAB在系统校正中的应用。

2.教学重难点

（1）重点：PID校正

（2）难点：反馈校正

3.教学内容

第一节 线性系统校正的概念

第二节 常用校正装置

第三节 串联校正

第四节 PID控制器及其设计方法

第五节 反馈校正

第六节 复合校正

第七节 MATLAB在线性系统校正中的应用

4.教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关概念和数学推导。

（3）实验法：利用MATLAB对一些实例进行校正和分析的演示和学生动手操作。

5.教学评价

完成课后习题：6-3、6-7，使用MATLAB的simulink模块对实例进行校正。

四、学时分配

表2：各章节的具体内容和学时分配表

五、教学进度

表3：教学进度表

六、教材及参考书目

 1．胡寿松.《自动控制原理》，北京：国防工业出版社，1994。

 2．杨庚辰.《自动控制原理》，西安：西安电子科技大学出版社，2001。

 3．孟庆明.《自动控制原理》，北京：高等教育出版社，2003。   

七、教学方法

 1. 讲授法：围绕课程的核心概念，如“线性系统的数学模型”、“时域分析法”、“频域分析法”等进行讲解。

 2. 案例教学法：选择真实的案例，围绕案例进行控制系统讲解，组织学生主动分析。

 3. 实验法：通过学习matlab及其simulink模块的基本操作，形成使用其进行自动调节系统设计和分析的实践能力。

八、考核方式及评定方法

（一）课程考核与课程目标的对应关系

表4：课程考核与课程目标的对应关系表

（二）评定方法

1．评定方法

平时成绩：20%（考勤、平时作业）

仿真实验：20%（Matlab仿真实验）

期中考试：20%（闭卷考试）

期末考试：40%（闭卷考试）

2．课程目标的考核占比与达成度分析

表5：课程目标的考核占比与达成度分析表

（三）评分标准