自动控制理论(一).doc

自动控制理论（一）Automatic Control Theory (1)一、课程说明课程编号：102Z10A学 分 数： 3.5 总学时：68 学时分配：讲课 51 实验 17适用专业：电气工程与自动化先修课程：复变函数与积分变换、线性代数、电路、模拟电子技术、电机与拖动基础二、课程教学的目的与任务本课程是电气工程与自动化专业的一门重要专业技术基础课，学习自动控制系统分析与设计的理论基础。学习自动控制理论（一）以后，应掌握线性控制系统的基本构成，控制系统数学建模、分析和设计的基本方法，掌握离散控制系统的分析与设计，能初步掌握利用MATLAB进行系统分析与设计，掌握系统实验的基本能力和技能。三、课程教学的基本内容及学时分配本课程主要系统学习连续线性定常控制系统分析与设计、线性离散时间定常系统的分析与设计。主要讲授的内容有控制系统数学描述、控制系统的时域分析、控制系统的根轨迹法、控制系统的频域法、线性系统的校正、线性离散系统的分析与校正。1、控制系统的概念（3学时）（1） 主要讲授：自动控制发展简史、开环控制和反馈（闭环）控制、现代控制系统示例、控制系统前瞻、控制系统设计要求和过程、转盘速度控制和磁盘驱动读取系统举例。（2） 要求掌握开环控制与闭环控制的基本概念、反馈控制的基本原理、控制系统的设计要求；理解典型实际控制系统的工作原理；了解现代控制系统的应用。 2、控制系统的数学模型（8学时）（1） 主要讲授：控制系统的输入输出数学模型：时域模型、复域模型, 控制系统的结构图与信号流图，非线性模型的线性化，用MATLAB实现系统的模型的转换与简化。（2） 要求掌握典型物理系统的输入输出数学模型，系统结构图与信号流图及其求解；理解非线性系统的线性化方法。3、 控制系统的时域分析 (8 学时)（1） 主要讲授：输入输出描述的线性系统时间响应；控制系统的性能指标；控制系统的动态特性分析；一阶、二阶系统、高阶系统分析；控制系统的稳定性分析和Routh-Hurwitz稳定判据，控制系统的稳态误差；用MATLAB进行时域分析（研究系统零、极点分布、稳定性、动态与稳态性能指标计算）。（2） 要求掌握输入输出描述的线性系统时间响应；控制系统的性能指标；控制系统的动态特性分析；一阶、二阶系统；控制系统的稳定性分析和Routh-Hurwitz稳定判据，控制系统的稳态误差；用MATLAB进行时域分析（研究系统零、极点分布、稳定性、动态与稳态性能指标计算）。理解高阶系统的分析和基本方法。4、线性系统的根轨迹法 (6 学时)（1） 主要讲授：根轨迹法的基本概念，根轨迹绘制的基本规则，广义根轨迹，用MATLAB绘制系统根轨迹，控制系统性能的分析与估算。（2） 要求掌握概略绘制根轨迹的方法，利用根轨迹对控制系统的性能进行分析与估算，用MATLAB绘制系统根轨迹。理解广义根轨迹及其绘制。5、 线性系统的频域分析法 (10 学时)（1） 主要讲授：频率特性、典型的环节和开环频率特性，奈奎斯特稳定判据，稳定裕度，闭环频率特性，用MATLAB绘制系统的频率特性图，系统时域指标估算，传递函数实验确定法。（2） 要求掌握幅相频率特性图（极坐标图法）和Bode图的绘制方法，运用开环频率特性分析系统的稳定性（奈奎斯特稳定判据），相对稳定性，最小相位系统与非最小相位系统，用MATLAB绘制系统的频率特性图。理解闭环频率特性的求解，时域性能指标的估算和频率特性的实验测定。6、线性系统的校正方法 (10 学时)（1） 主要讲授：系统的设计与校正问题，常用校正装置及其特性，串联校正（超前校正，迟后校正，迟后-超前校正）；控制系统反馈校正、复合校正，用MATLAB的系统设计。（2） 要求掌握运用Bode图法和（或）根轨迹法能对控制系统进行超前校正，迟后校正，迟后-超前校正网络的设计，PID控制器的设计，能初步运用MATLAB进行反馈控制系统分析和设计。理解一般反馈校正的设计方法，复合校正的设计方法。7、 线性离散控制系统分析 （6 学时）（1） 主要讲授：离散控制系统的基本概念，信号的采样与保持，Z变换方法，离散系统的数学模型（差分方程，脉冲传递函数）。（2） 要求掌握离散系统的数学模型（差分方程，脉冲传递函数），Z变换方法。四、教学方法1、 理论课采用课堂教学，使用多媒体辅助教学手段，在理论教学中引入基于MATLAB语言的控制系统辅助分析和设计方法。2、 适当安排一定的习题课时间。3、 要求运用MATLAB语言求解部分练习题。4、 要求同学在课外查阅关于自动化的普及性期刊。5、 实验教学布置一个课外综合分析和设计题，以提高能处理实际问题的基本能力。五、考核及成绩评定方式本课程安排期中考试和期末考试，成绩按平时成绩（包括期中考核）、实验、考试成绩三部分组成。六、教材及参考书目推荐教材 胡寿松 编著自动控制原理第4版. 北京: 科学出版社, 2001年R.C. Dorf, R. H. Bishop著，谢红卫等译,现代控制系统第八版. 高等教育出版社，2001年6月参考教材 邹伯敏编.自动控制理论. 北京：机械工业出版社1999年 张汉全等编著.自动控制理论新编教程. 成都：西南交通大学出版社1999年 黄家英 编著自动控制原理第4版. 北京: 电子工业出版社, 2001年 R.C. Dorf, R. H. Bishop. Modern Control Systems (Tenth Edition). Prentice Hall, NJ, 2004.John J. Dazzo, Constantine H. Houpis. Linear Control Analysis and Design ,fourth Edition.胡寿松 主编.自动控制原理习题集第2版. 北京: 科学出版社, 2003年刘慧英 主编. 自动控制原理（第四版）：导教、导学、导考.西北工业大学出版社, 2003年七、实验教学大纲1、实验教学目标与基本要求本实验通过模拟机、计算机、A/D与D/A接口卡构成的控制理论基础实验和以直流调速系统开环控制、单闭环控制、位置随动系统、球杆控制系统、单摆控制、过程控制等典型控制系统，使得学生通过实验课程了解自动控制系统基本组成，计算机模拟实验手段和计算机分析与设计，典型控制系统设计等实验环节，进一步理解和掌握自动控制理论的基本概念和分析方法。要求掌握模拟系统设计与构造，模拟系统测试与分析的技术手段，典型控制系统的分析，并掌握实验装置的操作技能。对于优秀学生提供先进运动控制系列实验平台，例如直线二级倒立摆实验装置、平面一级倒立摆实验装置、四自由度工业机械臂、两自由度冗余并联机构、球杆控制系统等，鼓励结合本课程开展研究性实验。2、实验项目内容与学时分配序号实验项目名称实验类型实验类别实验要求实验项目内容简介学时分配1控制系统的物理实现操作技术基础必修直流调速系统开环控制、单闭环控制、位置随动系统、球杆控制系统、单摆控制、过程控制22典型环节及其阶跃响应验证同上必修典型环节的模拟、计算机数据采集与分析原理23控制系统的动态响应分析验证同上必修性能指标的测试方法、二阶系统的性能指标与参数之间的关系 24控制系统频率特性测量与建模验证必修频率特性测定，建立环节传递函数25连续系统串联校正实验综合必修串联校正设计，模拟有源校正装置实现26状态反馈与极点配置综合必修极点配置、状态反馈设计27 数字PID控制实验综合必修数字PID控制器设计28倒立摆控制分析与设计设计必修PID控制、状态空间设计39* 球杆控制系统设计必修PID控制33、实验教材与参考书自动控制原理实验（自编），宁波大学信息科学与工程学院本大纲使用说明：1、理论课教学自动控制理论（一）（3.5学分，理论51学时，实验17学时）和自动控制理论（二）（2学分，理论34学时），按上述大纲讲授1-6的全部内容。线性离散系统的部分内容安排在自动控制理论（二）内完成。2、实验教学（1） 实验8、9两个实验只要求选做一个。