《自动控制原理》.doc

自动控制原理教学大纲一、课程基本信息：1、课程英文名称：Principles of Automatic Control2、课程类别：技术基础课程3、课程学时：总学时64，实验学时84、学 分：45、先修课程：电路原理、信号与系统、复变函数与积分变换等6、适用专业：测控技术与仪器7、大纲执笔：自动化教研室罗敏8、大纲审批：电子信息工程学院学术委员会9、制定(修订)时间：2007年10月二、课程的目的与任务：随着生产和科学技术的发展，自动控制技术在国民经济和国防建设中所起的作用越来越大。自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大的提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，并且在人类探索新能源，发展空间技术和改善人民物质生活都起着极为重要的作用。自动控制原理是电子信息类专业的技术基础课（专业基础平台课），是必修课，是以原理为主的理论性课程；主要讲述自动控制原理与控制系统设计、实验等内容。根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制原来可分为古典控制理论和现代控制理论两大部分。本课程主要介绍古典控制理论，其主要内容是以传递函数为基础，研究单输入单输出自动控制系统的分析和设计问题。这些理论研究较早，现在已经比较成熟，并且在工程实践中得到了广泛的应用。主要目的是培养学生掌握经典控制论中线性定常连续、单输入单输出闭环控制系统的工作原理、分析和综合，掌握反馈控制原理的应用以及分析和设计的一般规律，使其具有分析和设计自动控制系统的初步能力，使学生对系统的认识上升到更高的层次。三、课程的基本要求：本课程是电子信息类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的思路和方法，基本明确三种方法各自的特点及其内在联系。基本掌握运用频率法进行串联校正设计的能力。通过对离散系统的学习，掌握离散控制系统的特点，理解脉冲传递函数和系统稳定性分析等知识。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；理解运用描述函数法分析非线性系统自振的方法；理解分析非线性系统的相平面法。 通过课程学习，能基本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的测量方法，常用实验仪器设备的正确使用方法。了解运用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。四、教学内容、要求及学时分配：(一)理论教学：（64学时）第一章 自动控制的一般概念（讲课2学时）了解课程的内容、性质和任务，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。主要内容：自动控制的分类，基本控制方式：开环、闭环（反馈）控制，自动控制的性能要求稳、快、准。重点：弄清楚自动控制的基本方式和要求。难点：对实际系统建立原理方块图的方法。 第二章 控制系统的数学模型（讲课6学时）传递函数的概念、结构图的建立与等效变换是本章的重点。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求系统传递函数的方法。主要内容：动态方程建立及线性化，传递函数及动态结构图，结构图的等效变换，典型环节。重点：传递函数和动态结构图的概念，结构图等效变换的法则，利用复阻抗直接建立电路结构图的方法，典型环节的概念。难点：结构图等效变换。第三章 线性系统的时域分析法(讲课10学时)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。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。正确理解主导极点的概念。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。明确误差和稳态误差的定义；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；了解减小、消除稳态误差的措施。主要内容：典型响应及性能指标，一、二阶系统的分析与计算，系统稳定性的分析与计算，稳态误差的计算及一般规律。重点：典型响应（以阶跃响应为主），性能指标诸概念及计算指标的方法，劳斯判据，稳态误差的计算。难点：计算指标的方法，劳斯判据。第四章 线性系统的根轨迹法（讲课6学时）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。了解参数根轨迹和零度根轨迹的有关概念，了解广义根轨迹的绘制方法。主要内容：根轨迹的概念与根轨迹方程，根轨迹的绘制法则，用根轨迹法分析控制系统。重点：根轨迹的概念，根轨迹的绘制，用根轨迹法分析控制系统。难点：根轨迹的绘制，用根轨迹法分析控制系统。第五章 线性系统的频域分析法（讲课10学时）正确理解频率响应、频率特性的概念及特点。 熟悉典型环节频率特性的特点，了解绘制开环幅相特性曲线的方法，熟练掌握开环对数频率特性曲线的方法；理解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，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。了解环频域指标（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。主要内容：频率特性的基本概念，典型环节的频率特性，系统开环频率特性曲线的绘制，奈奎斯特稳定判据，系统的相对稳定性。重点：频率特性的基本概念，典型环节的频率特性，系统开环频率特性曲线的绘制，奈奎斯特稳定判据，系统的相对稳定性。难点：典型环节的频率特性，系统开环频率特性曲线的绘制，奈奎斯特稳定判据。第六章 线性系统的校正方法（讲课6学时）串联校正是本章重点掌握的内容。理解校正的概念；了解反馈校正和复合校正的作用。熟悉超前、滞后网络的特性：理解线性系统的基本控制规律。理解串联(超前/滞后/滞后-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(超前校正)的步骤和方法。主要内容：校正的概念，线性系统的基本控制规律，常用校正装置及其特性，串联校正。重点：校正的概念，线性系统的基本控制规律，常用校正装置及其特性，串联校正(超前校正)。难点：常用校正装置及其特性，串联校正(超前校正)。第七章 线性离散系统的分析与校正（讲课8学时）了解采样过程及采样定理，保持器，差分方程，Z变换和脉冲传递函数；学习线性离散系统的稳定性分析，离散系统的稳态误差分析；了解离散系统的暂态响应与脉冲传递函数极点、零点分布的关系，离散控制系统的校正。主要内容：离散系统的基本概念；信号的采样及保持；脉冲传递函数的定义；Z变换理论；离散系统的稳定性分析及稳态误差计算。重点：信号的采样及保持；脉冲传递函数；离散系统的稳定性及稳态误差。难点：信号的采样及保持；离散系统的稳定性及稳态误差。第八章 非线性控制系统分析（讲课8学时）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，认识非线性系统运动过程的特点，特别是非线性自振特性。掌握相平面的有关概念，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。主要内容：非线性系统的基本概念：描述函数法和相平面法；描述函数法分析非线性系统的稳定及振荡情况；相轨迹的绘制方法；运用相平面法分析非线性系统。重点：相平面法，描述函数法。难点：相平面法，描述函数法。 (二)实验教学：（8学时）（在以下实验项目中选开8学时实验）1、典型环节与典型系统的模拟 2学时 验证型目的：熟悉控制系统学习机的使用方法，掌握构成典型环节的模拟电路；观察典型环节阶跃响应曲线，了解参数变化对典型环节特性的影响；观察不同阶数控制系统阶跃响应曲线，了解参数变化对系统特性的影响。仪器：自动控制原理实验装置。2、二阶系统阶跃响应特性 2学时 验证型 目的：进一步学习控制系统学习机的使用方法；研究二阶系统特征参数对系统特性的影响；掌握二阶系统性能指标的实验求取方法。仪器：自动控制原理实验装置。3、控制系统稳定性研究 2学时 验证型 目的：设计实验方案，以观察线性系统稳定和不稳定的运动状态，验证理论稳定判据的正确性；研究系统开环放大系数K对稳定性的影响；了解系统时间常数Ti对稳定性的影响。仪器：自动控制原理实验装置。4、控制系统的时域分析研究 2学时 综合型 目的：学习MATLAB在自控时域分析中的简单应用。5、控制系统的根轨迹和频域分析研究 2学时 综合型 目的：学习MATLAB在自控根轨迹分析和频域分析中的简单应用。6、控制系统稳态误差研究 2学时 验证型目的：分析0型、型、型系统在三种不同典型输入下的稳态误差，验证理论上的结论。仪器：自动控制原理实验装置。7、控制系统串联校正装置的应用 2学时 综合型目的：研究串联校正装置对系统稳定性及动态特性的影响。仪器：自动控制原理实验装置。8、控制系统频率特性的测试与研究 2学时 综合型目的：掌握频率特性的测试方法；通过二阶和三阶系统的频率特性测试将实验结果与理论计算比较，验证用频率法分析系统的正确性。仪器：自动控制原理实验装置。9、非线性系统特性的研究 2学时 综合型目的：了解非线性环节对控制系统的影响；观察非线性系统的自激振荡；学习和理解非线性系统的描述函数分析法。仪器：自动控制原理实验装置。10、倒立摆系统的PID控制器设计 2学时 综合型 目的：学习PID控制原理、倒立摆的PID控制器设计、一级倒立摆的数学建模和SIMULINK仿真及分析。仪器：固高一级倒立摆；计算机。五、考试考核办法：笔试，闭卷，考试时间：120分钟。总成绩的分值分配比例为：平时成绩占10，实验操作与报告占10，阶段测验成绩占20，结业理论考试占60。六、教