《自动控制原理 第2版》王雪松 教学大纲

课程编号：M04119《自动控制原理B》课程教学质量标准48学时（课内学时）3学分16学时(课外学时)《自动控制原理B》是一门专业主干课程，采用线下上线混合式教学模式开展教学；其先修课程是《电路》、《模拟电子技术》、《工程数学》；适用于自动化专业。该课程主要讲述闭环控制系统的基本要求，数学模型的建立，方块图及其变换，掌握线性系统分析的时域法、根轨迹法和频域法，非线性系统分析的描述函数法和相平面法，并用频率特性法设计控制系统等。通过该课程的学习，使学生系统地掌握自动控制的基本理论及其在工程、经济、社会领域中的应用；通过对自动控制系统进行定性分析、定量计算和动态仿真，培养学生理论联系实际的能力，使学生能独立设计控制系统的实验方案；具备一定的工程实验能力和分析实验数据的能力；能够利用图书资料和信息技术查询并获取自动控制原理相关信息，并具备对相关知识自学的能力。一、课程目标本课程的目标是让学生掌握自动控制系统分析与设计的基本概念、基本原理、分析与设计方法；以温度控制系统、直流电机调速等为例培养学生对控制系统进行建模、分析和设计的能力，使学生初步具备运用所学控制理论和技术对复杂工程问题进行理论分析、实验研究和工程设计的能力。具体课程目标和毕业要求对应关系如下：教学目标1.能够结合数学、物理和电子电路理论等知识描述自动控制系统的基本构成和工作原理,建立控制系统的数学模型。[对应毕业要求1.1（工程知识），2.1（问题分析）]教学目标2.掌握经典控制理论中的时域、复数域和频域分析方法，能够对控制系统的性能进行分析设计与优化改进。[对应毕业要求2.2（问题分析）]教学目标3.能够通过文献研究、计算对复杂控制工程问题进行分析，获得待解决问题的性质、关键环节（或参数）以及合理的解决方法。[对应毕业要求2.3（问题分析）教学目标4.能够安全地开展实验、正确采集数据、综合分析实验结果，以分析报告形式呈现有效的实验结论；[对应毕业要求4.3（研究）]教学目标5.能够利用MATLAB工具软件实现对复杂控制工程问题进行仿真计算，得到有效的结论。[对应毕业要求5.1（使用现代工具）]教学目标6.课程思政以都江堰水利工程、探月工程、高速列车工程等古今重大工程案例培养学生民族自豪感和自信心，以钱学森、梁思礼等老一辈控制科学家事迹塑造学生的爱国情怀。在具体知识点的教学中，挖掘课程思政元素。比如：通过分析控制系统稳定的重要性，引导认识社会稳定的重要意义及自身责任。二、课程内容、要求及学时分配1．主要教学内容序号章节内容及要求（教学方式）学时对应课程目标与课程思政备注1第一章绪论1.掌握自动控制系统的基本概念；（课堂讲授+录像）2.掌握自动控制系统的工作原理；（课堂讲授）3.熟悉自动控制系统的分类；（课堂讲授）4.了解自动控制技术在工程、生物与经济社会领域中的应用及其对社会、健康、安全、法律以及文化的影响的影响。（课外研讨，提交研讨报告）2课程目标4、5、6培养学生系统性思维、民族自豪感和为国奉献的精神。2第二章控制系统的数学模型1.熟悉控制理论所涉及的数学基础；（课外复习+课堂讨论）2.掌握控制系统微分方程的建立；（课堂讲授）3.掌握传递函数的概念与性质；（课堂讲授）4.了解控制系统建模示例；（课堂讲授）5.掌握控制系统方框图及其等效化简方法；（课堂讲授）6.掌握信号流图及梅森公式。（课堂讲授）6课程目标1、6培养学生的变通性思维，灵活解决看似复杂的问题。3第三章线性系统的时域分析法1.熟悉时域性能指标的定义；（课堂讲授）2.熟悉一阶系统的时域分析方法；（课堂讲授）3.掌握二阶系统的时域分析方法与性能指标计算；（课堂讲授）4.了解高阶系统的时域分析，掌握近似降阶的方法；（课堂讲授）5.掌握线性系统的稳定性定义与判断方法；（课堂讲授）6.掌握稳态误差的计算方法。（课堂讲授）8课程目标2、6引导学生认识社会稳定的重要意义及自身的责任。4第四章线性系统的根轨迹法1.根轨迹的基本概念；（课堂讲授）2.绘制根轨迹的基本法则；(课堂讲授)3.控制系统的根轨迹分析（课堂研讨）4课程目标2、6培养学生科学精神与执着信念5第五章线性系统的频率响应法1.掌握频率特性的含义；（课堂讲授）2.掌握典型环节的频率特性；（课堂讲授）3.掌握典型环节的对数频率特性；（课堂讲授）4.掌握基于频率特性的稳定性判据；（课堂讲授）5.掌握稳定裕度的概念与计算方法；（课堂讲授）6.了解闭环频率特性与时域指标；（课堂讲授）10课程目标2、6引导学生认识到“力不可使尽”、“进退有度”的哲理，不论工程设计还是社会生活，凡事都留有一定余地。6第六章线性系统的校正1.熟悉校正的概念；（课堂讲授）2.掌握三种常用的串联校正方法；（课堂讲授）3.了解局部反馈校正和复合控制。（课堂讲授）4.掌握PID控制的实现与基本原理5.总结复习（课堂研讨）10课程目标2、3、6学会折中处理问题的方法论。了解学科前沿，培养自主创新意识7第七章非线性控制系统分析1.掌握典型非线性环节及非线性特性；（课外自学）2.掌握描述函数法；（课外课外自学）3.掌握相平面法；（课外自学）4.了解非线性控制的应用与研究进展。（课外自学）0课程目标2、3、6学会辩证地看待问题合计402．课外学时教学安排序号章节内容及要求学时指导形式备注1第1章1.熟悉自动控制的应用（MOOC）2.了解自动控制理论的发展历程(MOOC)3.扩展阅读：钱学森、梁思礼的事迹2MOOC讨论区+QQ群2第2章1.掌握典型环节的传递函数（MOOC）2.掌握非线性系统的线性化（MOOC）2MOOC讨论区+QQ群复习拉普拉斯变换知识3第3章1.熟练利用劳斯判据分析控制系统的稳定性（MOOC）2MOOC讨论区+QQ群4第4章1.广义根轨迹（MOOC）2MOOC讨论区+QQ群5第5章1.理解奈奎斯特稳定判据的由来（MOOC）2.评价频域指标与时域指标的关系（MOOC）2MOOC讨论区+QQ群6第7章1.掌握典型非线性环节及非线性特性；（MOOC）2.掌握描述函数法；（MOOC）3.掌握相平面法；（MOOC）4.了解非线性控制的应用与研究进展。（MOOC）6MOOC讨论区+QQ群合计163．实验安排内容序号实验名称内容及要求学时对应课程目标1二阶系统的动态性能分析（必做）实验内容：1.利用元器件，构造二阶系统，写出传递函数，计算理论值；2.测量超调量和调节时间。实验要求：1．通过实验了解参数(阻尼比)、(阻尼自然频率)的变化对二阶系统动态性能的影响；2．掌握二阶系统动态性能的测试方法。2课程目标1，2，42基于MATLAB的控制系统性能分析（必做）实验内容：1.零极点对系统性能的影响；2.控制系统的频域分析；实验要求：1.学习使用MATLAB软件分析控制系统的动态性能；2.能够使用MATLAB语言编写简单的程序。2课程目标2，53基于MATLAB的控制系统设计（必做）实验内容：1.应用频率法设计串联校正装置;实验要求：1.使用MATLAB工具箱中的sisotool工具设计校正环节；2.研究串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响2课程目标3，54典型环节和系统频率特性的测量（选做）实验内容：1．惯性环节的频率特性测试；2．二阶系统频率特性测试；3．由实验测得的频率特性曲线，求取相应的传递函数；4．用软件仿真的方法，求取惯性环节和二阶系统的频率特性。实验要求：1.了解典型环节和系统的频率特性曲线的测试方法；2．根据实验求得的频率特性曲线求取传递函数。2课程目标1，45非线性系统的描述函数法（选做）实验内容：1．用描述函数法分析继电器型非线性三阶系统的稳定性，并由实验测量自持振荡的振幅和频率；2．用描述函数法分析饱和型非线性三阶系统的稳定性，并由实验测量自持振荡的振幅和频率；3．掌握饱和型非线性系统消除自持振荡的方法。实验要求：1．掌握用描述函数法分析非线性控制系统；2．通过实验进一步了解非线性系统产生自持振荡的条件和非线性参数对系统性能的影响。2课程目标1，2，4合计8三、师资队伍本课程设课程负责人1名，要求课程负责人为具有博士学位或副教授以上职称，具有丰富的教学经验和组织管理能力。本课程师资队伍数量应能满足教学需要，且结构合理。主讲教师应具备讲师及其以上职称，具备研究生学位，具有足够的教学能力、专业水平，能开展工程实践问题研究，参与学术交流。并且能有足够时间和精力投入到教学和学生指导中，积极参与教学研究与改革。四、教材及教学参考1.主体教材王雪松常俊林杨春雨，自动控制原理[M]，机械工业出版社，2021年2.线上课程课程名：自动控制原理；课程负责人：常俊林；线上教学平台：中国大学MOOC(爱课程)/spoc/course/CUMT-12067078093.教学参考[1]常俊林郭西进等，自动控制原理[M]，中国矿业大学出版社，2012年[2]胡寿松，自动控制原理(第七版)[M]，科学出版社，2019年[3]王永骥，自动控制原理(华中科技大学)，中国大学MOOC./course/HUST-1001531001五、教学组织1.教学构思本课程是自动化专业的专业专业主干课程，主要内容是自动控制系统的基本原理、基本分析与设计方法。在本课程教学中，一方面要重点传授自动控制的基础理论知识，同时要兼顾对学生工程实践、组织沟通，以及正确认识工程与社会环境的关系等综合能力的训练，为学生后续专业课程学习以及进一步培养其解决复杂工程问题的能力奠定基础。2.教学策略本课程采用理论教学和实践训练相结合、课内传授与课外自学相结合的教学策略。为了持续提升教学质量，需要根据教学反馈、新技术发展和教师的研究成果，定期改进教学内容，更新教案、多媒体课件等授课资料。同时对教学活动进行优化设计，不仅要对学生进行知识传授，而且还要培养其解决复杂工程问题具备的基本能力。3.教学方法与手段本课程采取讨论式、启发式、自学研讨等多种教学手段激发学生的学习兴趣、培养学生的创新能力。4.教学服务本课程每章均布置课外作业，每周安排答疑时间，采用网上答疑和面对面答疑相结合的方法进行，教师对每章作业至少批改1/3，并在适当时间对作业情况做出总结。六、课程考核课程采用过程型考核与结果性考核相结合的方式。本课程以实验、平时（包括线上MOOC课程学习、作业、专题报告、课堂反馈、出勤等）、期末闭卷考试成绩等多方面综合进行评定成绩，成绩评定采用百分制，其中实验成绩占15%，平时成绩占25%，期末考试占60%。具体课程目标评价要求如下：课程目标1(问题分析）2(问题分析）3（问题分析）4(研究)5（使用现代工具）考核比例约20%约40%约15%约10%约15%评价方式考试+平时作业+课堂表现（传递函数、方框图的绘制与化简、频率特性）考试+平时作业+课堂表现（线性系统的时域分析、根轨迹分析、频率分析）考试+平时作业+课堂表现（线性系统的校正，非线性系统的分析）课外研讨+实验（控制技术的发展及对社会的影响，二阶系统的性能分析）实验（基于MATLAB的控制系统分析、设计）评价材料试卷，作业试卷，作业试卷，作业实验报告、研讨报告实验报告达成度分析1.计算基于考试的课程目标达成度：与课程目标对应试题的平均成绩/对应试题总分；2.计算平时成绩和实验成绩的百分值；3.课程目标达成度≈0.6×基于考试的课程目标达成度+0.25×平时成绩+0.15×实验成绩的百分值。持续改进要求1.根据课程目标达成度情况，结合学生平时反馈信息，分析达成较差目标的原因；2.写出课程小结，提出相应改进措施，为下次课程教学的持续改进做好准备。实验（15%）实验成绩由预习情况、实验过程表现和实验报告三部分内容综合评定。过程性考核（25%）过程性考核，即平时成绩以百分制计分，其中作业占30%；出勤占20%；课堂综合表现（测验、讨论发言、听课的精神状态等）占20%；在线学习成绩占30%，由视频点播情况、在线测验情况、和讨论区发帖情况综合评定。作业：以百分制计分；布置7次课后作业，1-2次研讨报告；课后作业根据作业质量和是否独立、按时完成情况评定成绩，为鼓励学生独立思考，不去想办法找答案或抄袭其他同学作业，不单方面从作业的对错来衡量作业成绩；研讨报告根据撰写规范程度、内容丰富程度和个人体会的深刻程度评定成绩。出勤：以百分制计分；无故缺席一次扣出勤成绩的20%，迟到一次扣出勤成绩的10%。课堂综合表现：以百分制积分，基准分为85分；表现出色酌情加分，表现不好酌情扣分。结果性考核（60%）结果性考核，即期末考试，要求如下：采用闭卷笔试考试方式；卷面100分，以60%占比计入期末总评成绩；2）试卷考核内容需要覆盖本课程的基本要求；3）试卷采用一考一备份及AB试卷方式，AB试卷不能重复。参考答案及评分标准应准确详实；4）根据学生答题质量，规范严谨地给出每题相应的得分和扣分。具体考核内容和成绩评价标准如下：序号课程目标考查点分值占比备注1课程目标1控制系统的基本概念、方框图的表示与化简，传递函数和频率特性的定义及输入输出关系30%题型：填空题或选择题、原理分析与框图化简题难度：难度：较易、中等、较难占比为2:2:12课程目标2动态性能指标的计算、稳态误差、根轨迹图、奈奎斯特曲线、稳定性分析、非线性系统分析50%题型：计算分析题、绘图分析题难度：较易、中等、较难占比为1:2:13课程目标3伯德图的分段近似计算、串联校正、稳定裕度的计算20%题型：综合设计题难度：中等偏难4.平时成绩评定依据根据出勤、研讨表现、作业报告提交及时性