5108008自动控制原理(教学大纲).doc

自动控制原理教学大纲课程名称（中文/英文）：自动控制原理（Automatic Control Princple） 课程编号：5108008学 分：3.5学 时：总学时56 讲授学时48 实验学时8 开设学期：第5学期授课对象：电气工程及其自动化专业课程级别：校级重点建设课程课程负责人：吴燕翔教学团队：电气自动化教研室一、课程性质与目的本课程是自动控制类专业的重要专业基础课，其教学目的是通过本课程的学习，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，为后续课程打下必要的理论基础。二、课程简介本课程主要讲授自动控制系统的数学描述、时域分析法、根轨迹法、频率响应法、控制系统的校正与综合等。通过本课程的学习，使学生了解自动控制系统的组成与基本控制原理；掌握控制系统数学模型及建立方法、线性连续系统的稳定性判断、稳态误差的计算及系统时域与频域分析与设计；为后续课程（现代控制理论，计算机控制系统和运动控制系统等）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、教学内容第一章自动控制的一般概念（2学时）主要内容：介绍自动控制理论发展历程，自动控制的基本概念、术语、自动控制系统的分类，典型输入信号，自动控制系统的性能指标，本课程的主要内容和编排，课程学习的方法学习要求：掌握自动控制系统的组成及工作原理；了解自动控制系统中的有关概念名词及术语。教学重点：通过开环控制与闭环控制的实例分析，使学生掌握经典控制理论的核心“反馈”的概念，反馈的作用； 自动控制系统的构成分析开环控制与闭环控制的优缺点； 教学难点：怎样理解自动控制在日常生活中的作用；分析实际系统实现自动控制的原理，各环节的构成； 从物理概念上理解自动控制系统的性能指标。 第二章自动控制系统的数学模型（8学时）主要内容： 主要讲解自动控制系统的两种数学模型：时域模型微分方程、复数域模型传递函数，数学模型的图形表达结构图和信号流图，结构图变换，Mason增益公式学习要求：掌握线性微分方程和传递函数两种数学模型的建立及其关系，能根据系统工作原理图画出系统的结构图，并由结构图或信号流图求取传递函数。教学重点：阐述自动控制系统的数学模型对研究自动控制系统的意义； 重点分析用解析法建立系统微分方程的步骤、微分方程的标准形式； 传递函数的定义，如何由微分方程求取传递函数； 典型环节的传递函数形式； 开环传递函数、前向通道传递函数、反馈通道传递函数、闭环传递函数、误差传递函数的定义和求取方法；分析结构图绘制的步骤，详细讲解结构图的化简方法； 按照系统的信号流图，由Mason增益公式求系统的传递函数。 教学难点：怎样理解负载效应在微分方程建立过程中的影响； 灵活应用结构图化简的基本法则，结构图化简中比较点和综合点的移动问题； 第三章时域分析法（10学时）主要内容：讲授自动控制系统的时域分析方法，包括3方面的性能：系统稳定性分析、瞬态响应分析和稳态性能分析。学习要求：理解稳定性的定义，掌握判断系统稳定性的劳斯稳定判据，二阶系统性能的分析方法，性能指标计算，稳态误差的求取。 教学重点：二阶系统的阶跃响应，评价系统动态性能指标的定义及计算公式；稳态误差的定义，重点分析典型输入信号作用下的稳态误差的计算方法，扰动信号作用下的稳态误差的计算方法，系统型号、静态误差系数及与稳态误差的关系，利用线性系统的叠加原理求系统误差。系统稳定性的概念、稳定的充要条件；介绍劳斯稳定判据，包括特殊情况下的劳斯判据的应用；利用主导极点的概念近似分析高阶系统性能。 教学难点：怎样理解稳定性只与系统本身的结构和参数有关，与系统输入无关？ 当劳斯表出现特殊情况时的处理方法； 主导极点的概念； 二阶欠阻尼系统在单位阶跃信号作用下的瞬态性能指标及其物理意义； 减小和消除稳态误差的方法。 第四章 根轨迹法（8学时）主要内容：根轨迹法是求解闭环系统特征方程根的一种图解方法，本章主要讲解线性系统根轨迹的定义、绘制根轨迹的依据和规则、根据根轨迹对系统性能进行分析。根轨迹的基本概念； 学习要求：掌握根轨迹的定义，分析根轨迹与系统性能指标之间的关系，掌握1800根轨迹和零度根轨迹的绘制方法，掌握由根轨迹图求得闭环极点的方法；如何利用幅值条件求根轨迹图上的K* 值；如何由轨迹增益K*值求得系统的开环放大系数K。 教学重点: 根轨迹的概念、根轨迹方程；根轨迹的画法规则； 开环零、极点变化的对根轨迹的影响； 讲解根轨迹绘制的方法，尤其是分离点的画法；参数根轨迹的绘制方法，等效开环传递函数概念；零度根轨迹的绘制方法，分析其与1800根轨迹画法的不同； 教学难点：怎样理解根轨迹的含义？开环零极点对根轨迹形状的影响，通过增加开环零极点改善系统性能的方法 ；参数根轨迹和零度根轨迹的异同点是什么？ 第五章频率响应法（12学时）主要内容：频率特性的基本概念；开环系统频率特性两种图形绘制方法；频域分析系统稳定性的方法奈奎斯特稳定性判据；控制系统相对稳定性的概念及稳定裕度的求取方法；闭环系统频域指标及其与系统时域指标的关系。学习要求：掌握控制系统频率特性的定义，重点突出开环幅相曲线和对数频率特性曲线的定义、以及画法的讲解，理解这两种曲线在分析控制系统性能中的作用。特别需要讲解奈奎斯特判据在分析控制系统稳定性中的应用，掌握控制系统采用相角裕度和幅值裕度来表征其相对稳定性。 教学重点：分析线性系统的频率响应的定义，推导线性系统的频率响应形式，理解频率特性的物理意义；线性系统的幅相频率特性曲线的定义，典型环节的幅相频率特性曲线画法，开环系统的幅相曲线的大致画法，并总结一般规律； 线性系统对数频率特性曲线的定义，叙述典型环节的对数频率特性曲线画法，详细讲解开环系统的幅相曲线的大致画法，并总结规律； 讲解奈奎斯特稳定判据的数学基础-幅角原理，说明引入辅助函数的作用； 推导开环传递函数的自变量s沿s平面的封闭曲线顺时针绕行一周，所得的奈氏曲线性质，讲述奈奎斯特稳定判据并举例说明其应用； 讲述控制系统的相对稳定性的定义，分析相角裕度和幅值裕度在相对稳定性度量中的作用，并介绍其计算方法。 教学难点：频率特性的物理意义，线性系统在正弦函数作用下的稳态响应；理解奈奎斯特判据推导的思路；正确理解当开环系统含有积分环节时的奈奎斯特曲线的形状；非最小相位系统幅相曲线与最小相位系统的不同主要在相频特性上。 第六章控制系统的校正与综合（8学时）主要内容：主要介绍用频率法对系统进行校正。包括校正和综合的概念；常用校正装置及其特性；串联校正设计思想和校正步骤；反馈校正的设计思想和校正步骤；采用期望频率特性对系统进行校正的方法。 学习要求：了解系统设计和校正的基本过程，掌握频率法对系统进行串联、反馈校正的方法和步骤，能根据时域性能指标或频域性能指标的要求选择合适的校正装置对系统进行校正。教学重点: 分析系统设计的过程、系统校正的过程；掌握超前校正和滞后校正参数选取的方法；根据期望特性选择校正参数的方法；校正装置的特性及其和原系统适当链接后对系统性能改善的作用；确定校正装置的形式和参数选取的方法； 教学难点：如何根据系统要求合适的选择校正装置及其参数；各种校正方法选择的灵活性及参数？ 理解选择校正装置的非唯一性和不宜采用某些校正装置的情况。 实验教学内容概况通过实验，要求学生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；掌握常用实验仪器设备的正确使用方法；通过实验使学生巩固和加深对课程基本内容的理解，培养学生控制系统的调试和实验研究能力。实验报告要求实验报告是实验工作的全面总结，是教师考核学生实验成绩的重要依据。实验报告是学生分析、归纳、总结实验数据、讨论实验结果的书面记录。实验报告要用规定的实验报告纸书写，其内容包括：实验名称、学生姓名、学号、班级和实验日期、实验目的和要求、实验仪器、设备与材料、实验原理、实验步骤、实验原始记录、实验数据、计算结果、实验结果分析、讨论与心得体会。主要仪器设备自动控制原理实验箱1套、示波器1台，电脑1台，万用表1块，导线若干。实验指导书名称自动控制原理实验指导书自编实验项目一览表序号实验项目名称内容提要学时实验类型实验要求每组人数1实验1典型环节及其阶跃响应1验证性22实验2二阶系统阶跃响应2验证性23实验3控制系统的稳定性分析2验证性24实验4系统频率特性测量2验证性25实验5*连续系统串联校正2综合性四、教学基本要求教师在课堂上应对自动控制的基本概念、分析方法和设计方法进行必要的讲授，并详细讲授每章的重点、难点内容；讲授中应注意理论联系实际，通过必要的典型例题进行讨论，启迪学生的思维，加深学生对有关概念、分析方法和设计方法的理解，采用多媒体辅助教学，加大课堂授课的信息量。重要术语用英文单词标注。习题讨论课的次数应不少4次，主要安排在时域分析法、根轨迹法、频率响应法和控制系统的校正与综合章节；教师应把握计算习题思路，进行必要的提示，引导学生运用所学控制理论知识，分析、解决实际问题；习题讨论后，教师应及时进行总结。学生必须自学一些数学推导，应用性、设计性例子及拓展内容。对于一题多方案、多解答的命题，或有趣的应用方向，引导学生展开讨论，以拓宽思路，博采众长。在主要章节讲授完之后，要布置一定量习题和讨论问题等，旨在加深学生对所学知识的理解、运用，拓宽学生的知识面。五、教学方法采用启发式教学，首先进行问题的提出，然后引导、启发学生思考，让学生带着问题听课，使学生的学习变被动为主动。本课程采用的教学媒体主要有：文字教材（包括主教材和学习指导书）、电子教案、电子课件，和现代网络通讯手段，采用E-mail、QQ等交流工具，加强和学生之间的交流和沟通。考试主要采用闭卷方式，考试范围应涵盖所有讲授及自学的内容，考试内容应能客观反映出学生对本门课程主要概念的理解，对有关理论和分析方法的掌握及综合运用能力。在主要章节讲授完之后，要布置一定量的习题和思考题。要求学生全部按时完成，批改量不得低于30%。总评成绩：平时作业占10%、课堂讨论和出勤占20%、闭卷考试占70%。六、参考教材和阅读书目参考教材：自动控制原理，程鹏主编，高等教育出版社，2003.8（自动控制原理），王万良主编，高等教育出版社自动控制原理，王永骥、王金城、王敏主编，化学工业出版社，2007年9月第二版 自动控制原理，卢京潮主编，西北工业大学出版社，20049 阅读书目：1 Automatic Contrul Systems，Benjamin C.Kuo, Farid Gulnarghi,第8版，影印版，高等教育出版社2003 2 Modern Contrul Systems, Richard C.Dorf, Robert H.Bishop,第9版，影印版，科学出版社，2002 3 自动控制原理，胡寿松主编（第四版），国防工业出版社 4 自动控制原理试题精选题解，王敏主编，华中科技大学出版社，2002年 5 自动控制原理学习指导与题解，吕汉兴主编，华中科技大学出版社，2003年 七、本课程与其它课程的联系与分工本课程的先修课程是高等数学、线性代数、复变函数与积分变换、普通物理、电路原理和模拟电子技术。在电路原理中，学生已具备了一些简单的网络函数的概念，因此起点可高一些。一