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教学大纲
 
 
自动控制原理 ( 88学时64学时56学时 )  现代控制理论 ( 32学时 )
The Principle of Automatic Control ( 886456 ) Mordern Control Theory ( 32 )
 
《自动控制原理》(88学时)
 
一、课程基本信息
1、课程代码:0920010
2、课程名称(中文):自动控制原理
     课程名称(英文):The Principle of Automatic Control
3、学时/学分:88学时/12学分
4、先修课程:高等数学(1110011)、大学物理(2/1110051)、复变函数与积分变换(2/1120680)、电路分析基础(0820021)、电子技术基础(模拟)(2/0820031)、
控制系统元件(2/0930130)、微机原理及应用(2/1010010)
5、面向对象:全校四年制控制类专业本科生(航空学院,航海学院,自动化学院等)
6、开课学院(系):自动化学院
7、教材、教学参考书:
[1] 《自动控制原理》、卢京潮主编、清华大学出版社、2013.3。
[2] 《自动控制原理》(第五版)、胡寿松主编、科学出版社、2007.6。
[3] 《现代控制系统》(第10版) R.C Dorf, R.H.Bshop 著、赵千川,冯梅 译、科学出版社、2008.6。
[4] 《现代控制工程》(第4版)、Katsuhiko Ogata(绪方胜彦)著、清华大学出版社、2006.12。

二、 课程的性质和任务
      本课程是自动控制类专业的重要专业基础课,其教学任务是使学生掌握自动控制系统的基本概念和自动控制系统分析、设计(校正)的基本方法,初步掌握系统实验技能,学会运用Matlab进行控制系统辅助分析设计的方法,为后续课程(现代控制理论,计算机控制系统,工业过程控制等)的学习提供所应用的系统分析、设计的基本理论和基本方法,掌握必要的基本技能,为进一步深造打下必要的理论基础。

三、 教学内容和要求
      自动控制原理课程教学内容分为七章,对不同章节的教学要求分别叙述如下(数字表示相应章节供参考的学时数)。
第一章 自动控制的一般概念(4)
      1.自动控制系统及其任务、控制的基本方式(开/闭环控制)、负反馈控制原理 (2)
      2.自动控制系统的基本组成及分类、对控制系统的基本要求 (2)
要求:
      明确控制系统的任务、组成及自动控制的基本概念(被控对象,被控量,给定量,干扰量等)。
      侧重讲述开环控制和闭环控制的基本原理和特点,闭环(反馈)控制是本章的重要概念。
      通过示例,建立起系统的基本概念,初步掌握由系统工作原理图画出系统方块图的方法。
      正确理解对控制系统稳、准、快的要求。
第二章 控制系统的数学模型(12)
      1.动态(微分)方程的建立及线性化、复习拉普拉斯变换 (2)
      2.复习拉普拉斯反变换、线性系统的传递函数、 (2)
      3.元部件的传递函数、典型环节 (2)
      4.结构图的建立及等效变换 (2)
      5.信号流图,梅逊增益公式 (2)
      6.自动控制系统的传递函数 (2)
要求:
      传递函数的概念、结构图的建立与等效变换、梅逊公式是本章的重点。
      一般掌握微分方程建立和非线性方程线性化的方法。
      熟练掌握传递函数的概念、定义、性质及局限性。
      明确零初始条件的物理含义;明确传递函数与微分方程之间的关系。
      掌握典型环节的概念;熟悉常用元部件的传递函数,明确系统常用的传递函数形式。
      学会由系统微分方程建立系统结构图。
      熟练掌握用拉氏变换方法求解线性常微分方程的方法;熟练掌握利用结构图等效变换和梅逊公式求系统传递函数的方法。
第三章 线性系统的时域分析与校正(12)
      1.时域分析与校正的基本概念;典型外作用下的响应及性能指标
      2.一阶系统的时间响应及动态性能 (2)
      3.二阶系统的时间响应及动态性能、改善系统性能的措施 (4)
      4.高阶系统的时间响应及动态性能
      5.线性系统的稳定性分析 (2)
      6.线性系统的稳态误差 (3)
      7.线性系统的反馈校正和复合校正 (1)
要求:
      稳定性、稳态误差、一、二阶系统阶跃响应的特点及动态性能与系统参数间的关系等有关概念,有关的计算方法以及时域校正有关的概念、方法是本章的重点。
      熟悉系统阶跃响应性能指标,了解典型外作用与典型外作用下系统输出之间的关系。
      明确一阶、二阶系统阶跃响应的特点及一阶、二阶系统动态性能与系统特征参数之间的关系;明确闭环零点、极点分布与系统性能之间的联系:明确附加闭环零点、附加闭环极点对系统性能的影响。
      正确理解主导极点的概念;了解估算高阶系统动态性能的零点极点法。
明确稳定性概念及稳定的充要条件,熟练掌握劳斯稳定判据及其应用方法;理解结构不稳定概念。
      明确误差和稳态误差的定义;明确利用终值定理进行计算的限制条件;熟练掌握用终值定理求稳态误差的方法:熟练掌握静态误差系数法及适用的条件、掌握动态误差系数法;明确影响稳态误差的因素,了解减小、消除稳态误差的措施。
      理解校正的概念;明确反馈校正和复合校正的作用,并掌握利用这些手段提高系统性能的方法。
第四章 根轨迹法(8)
      1.根轨迹的概念;根轨迹方程及相角条件、模(幅)值条件 (1)
      2.绘制常规根轨迹的基本法则 (3)
      3.广义根轨迹(参数根轨迹和零度根轨迹) (2)
      4.利用根轨迹定性分析系统性能 (2)
要求:
      根轨迹的概念、根轨迹方程、常规根轨迹的绘制及系统性能分析是本章的重点。
      明确根轨迹、根轨迹方程的有关概念。
      熟练掌握绘制根轨迹的方法,能够利用根轨迹定性分析系统性能随参数变化的趋势。
      明确参数根轨迹和零度根轨迹的有关概念,掌握其判别、解决问题的要点。
第五章 线性系统的频域分析与校正(24)
      1.频率响应及频率特性 (1)
      2.典型环节和系统开环频率特性(幅相频率特性) (3)
      3.典型环节和系统开环频率特性(对数频率特性) (6)
      4.奈奎斯特稳定判据、对数频率稳定判据及其应用 (2)
      5.稳定裕度(量)的概念及计算 (2)
      6.三频段的概念;开环对数频率特性与系统稳态性能、动态性能的关系 (2)
      7.闭环频率特性的特征量与时域指标之间的关系 (2)
      8. 频率法串联(超前/迟后/迟后-超前和PID)校正的作用及方法 (6)
要求:
      正确理解频率响应、频率特性的概念及特点,明确频率特性的物理意义,这是本章重点之一。
      熟悉典型环节频率特性的特点,熟练掌握绘制开环幅相特性、开环对数频率特性的方法;熟练掌握由最小相位系统的开环对数幅频特性确定开环传递函数的方法;
      理解奈奎斯特稳定判据的原理,熟练掌握运用奈奎斯特稳定判据和对数频率判据判定系统稳定性的方法,这也是本章要求的重点。
      正确理解稳定裕度的概念及意义,熟练掌握计算稳定裕度的方法。
      掌握开环对数幅频特性与系统稳态性能、动态性能之间的关系,正确理解三频段的概念。
      明确开环频域指标(稳定裕度)、闭环频率特性的特征量与时域性能指标之间的关系。
      串联校正(超前校正/迟后校正/迟后-超前校正)也是本章重点掌握的内容。
      熟悉超前、迟后网络的特性:理解串联(超前/迟后/迟后-超前)校正设计的原理,能根据具体情况确定合适的串联校正形式;掌握频率法串联校正的步骤和方法。
第六章 线性离散系统的分析与校正(12)
      1.离散系统、信号的采样与保持 (2)
      2.z变换理论 (2)
      3.离散系统的数学模型 (2)
      4.离散系统的稳定性分析 (2)
      5.离散系统的稳态误差计算
      6.计算离散系统动态性能的一般方法 (2)
      7.离散系统的模拟化设计、最少拍系统设计 (2)
要求:
      信号的采样、复现及其数学描述,z变换与z反变换,求系统脉冲传递函数,采样系统的稳定性判定及稳态误差计算是本章的重点。
      了解离散系统的特点,明确信号采样、复现的原理及数学描述方法;理解香农采样定理。
      明确z变换定义及有关概念,熟悉z变换的计算方法,了解z变换的应用及局限性:
      了解差分方程的特点及求解方法;熟练掌握系统脉冲传递函数的有关计算方法;
      明确s域、z域、w域间的映射关系;熟练掌握离散系统稳定性的判定方法。
      熟练掌握计算离散系统稳态误差的步骤和方法。
      明确z平面上闭环极点分布与系统动态响应之间的关系;了解采样系统动态性能估算的一般方法;了解采样周期等因素对系统性能的影响;
      了解采样系统模拟化校正和数字校正的思路和方法。
第七章 非线性控制系统分析(8)
      1.非线性控制系统概述 (1)
      2.相平面法 (3)
      3.描述函数法 (3)
      4.改善非线性系统性能的措施及非线性特性的利用 (1)
要求:
      用描述函数法分析非线性控制系统的稳定性、分析自振、计算自振参数是本章要求的重点。
      通过典型非线性特性对系统影响的机理分析,较深刻地认识非线性系统运动过程的特点,特别是非线性自振特性。
      了解相平面的有关概念,了解绘制相轨迹、用相平面法分析非线性系统的一般方法。
      明确描述函数的定义及有关概念,会求典型非线性环节的描述函数,掌握用描述函数法分析非线性控制系统的稳定性和分析自振、计算自振参数的方法。
      了解改造非线性特性的和利用非线性特性改善系统性能的方法。

四、 实验(上机)内容和基本要求
1、实验的目的与要求
      自动控制原理课程实验由实验中心独立设课。通过实验,巩固和加深对课程基本内容的理解,培养学生控制系统调试和实验研究的能力。
      要求初步掌握控制系统数学模拟的方法,实际系统和模拟系统过渡过程及频率特性的测量方法,调整系统参数和校正的方法,常用实验仪器设备的正确使用方法。要求掌握运用Matlab进行控制系统辅助分析设计的基本技能。
2、实验内容
      实验一:典型环节的模拟研究 2学时
      实验二:二阶系统特征参数对系统性能的影响 2学时
      实验三:典型系统的动态特性与稳定性测试 2学时
      实验四:开环增益与零极点对系统性能的影响 2学时
      实验五:典型系统的频率特性测试 2学时
      实验六:线性系统的校正 2学时
      实验七:A/D 与D/A转换器及零阶保持器 2学时
      实验八:离散控制系统动态性能和稳定性的混合仿真研究 2学时
      实验九:非线性系统的相平面法分析 2学时
      实验十:非线性系统的描述函数法分析 2学时

五、 各教学环节学时分配

讲课 习题课 讨论课 实验课(独立课程) 实验内容 备注
第一章 4          
第二章 12     2  
第三章 12 2   6 二/三/四  
第四章 8          
第五章 24 2   4 五/六  
第六章 12     4 七/八  
第七章 8     4 九/十  
课程总结 2 2        
总计 82 6   20    


六、 对学生能力培养的要求
      本课程是控制专业重要的技术基础课。要求在理解有关自动控制系统的基本概念,建立控制系统数学模型的基础上,掌握并灵活运用时域法、根轨迹法和频率法进行系统分析,系统校正的思路和方法,明确三种方法各自的特点及其内在联系;
      学习离散系统特点,掌握离散系统分析、校正的思路和方法,为日后计算机控制系统的分析设计打下基础。
      通过对非线性系统的学习,认识非线性控制系统运动的特殊性;掌握运用描述函数法分析非线性系统自振的方法;了解分析非线性系统的相平面法。
      通过课程学习,做到各章概念能够融会贯通,解题方法能够灵活运用,实际问题能够分析解决。从宏观角度把握课程的体系结构,建立起经典控制理论的基本框架。
      通过课程实验,初步掌握控制系统数学模拟的方法,实际系统和模拟系统过渡过程及频率特性的测量方法,调整系统参数和校正的方法,常用实验仪器设备的正确使用方法。掌握运用Matlab进行控制系统辅助分析设计的基本技能。为日后解决实际工程问题奠定基础。

七、 其他说明
      实验课共10个实验(20学时),由实验中心独立设课,配合理论教学,随课程进程安排。
      Matlab课程与本课程同步开设。
      教学资源:自动控制原理精品课程教学网站

八、 考核方法:
      1. 闭卷考试(统一命题,统一考试,统一阅卷)。
      2. 考试成绩除笔试外,还包括平时作业和测验成绩。

撰写人:卢京潮 制定日期:2006年3月20日
修订人:卢京潮    制定日期:2014年2月20日
审定人: 审定日期:      年    月    日
学院审查意见:    主管院长:
 
 
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