《自动控制原理》课程教学大纲

1、自动控制原理课程教学大纲课程编码：课程名称：自动控制原理课程英文名称：Automatic Control Theory先修课程：电路原理适用专业：电气工程及其自动化总学时：84讲课学时：72实验学时：12上机学时：总学分：5制订单位山东科技大学(泰安校区)电气工程系制订时间：2009年2月一、课程的性质和目的本课程是自动化专业应用本科专业的一门专业基础课，也是该专业的主干必修课之一。本课程研究控制系统分析与设计的基础知识，包括线性控制系统的建模，时域分析法（主要研究系统的稳定性、稳态特性和动态特性），根轨迹分析法，频率分析法三大分析法，以及系统的校正与计算机辅助分析；非线性控制系统的分析法；现

2、代控制理论中的状态空间描述，时域分析以及系统可控可观性判断。通过对本课程的学习，使学生了解并掌握分析、设计自动控制系统的基本理论和基本方法，为相关后续课程和今后的工作奠定坚实的基础。二、课程的基本要求通过本课程的学习，要求学生掌握反馈控制系统的构成、控制系统数学模型的建立方法及系统时域、复域、频域分析和校正方法；熟悉非线性系统和离散控制系统的分析和设计方法；掌握现代控制理论中系统的分析法，能初步具备理论联系实际，应用控制理论初步解决实际问题的能力，为以后的工作打下良好的基础，同时能积极主动地参加前沿讲座，了解本课程的发展动态。三、课程内容与要求第一章 自动控制的一般概念（4学时）1、学习目的和

3、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)。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。2、课程内容（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）3、考核知识点和考核要求（1）重点：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。（2）难点：对于实例建立系统的基本概念和由系统工作原理图画出系统方块图的方法。（3）一般掌握：自动控制的基本概念(被控对象，被控量，给定量

4、，干扰量等)；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（8学时）1、学习目的和要求通过本章学习，掌握系统建模的方法，以及复杂系统传递函数的求法。2、课程内容（1）动态(微分)方程的建立及线性化、复习拉普拉斯变换（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（1）（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）用MATLAB建立自动控制系统的传递函数（1）3、考核知识点和考核要求（1）重点：传递函数的概念、结构图的建立与等效变换、梅逊公式；（2）难点：结构图的等效变换，梅逊公式的应用，由系统微分方程建立系统结构

5、图；（3）一般掌握：微分方程建立；零初始条件的物理含义；传递函数与微分方程之间的关系；常用元部件的传递函数；（4）熟练掌握：传递函数的概念、定义、性质及局限性；典型环节的概念；明确系统常用的传递函数形式；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。（5）综合应用：用MATLAB进行系统建模。 第三章 线形系统的时域分析法（10学时）1、学习目的和要求通过本章学习，掌握一、二阶系统的时间响应，动态性能指标，对于高阶系统了解主导极点，偶极子的概念，以及系统的等效。稳定性概念，劳思判据，稳态误差及终值定理。2、课程内容（1）时域分析与校正的基本概

6、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（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）。3、考核知识点和考核要求（1）重点：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；（2）难点：典型二阶系统的分析，劳斯稳定判据中特殊情况的处理，零极点位置对系统性能的影响，提高系统性能的方法；（3）一般掌握：典型外作用与典型外作用下系统输出之间的关系。

7、估算高阶系统动态性能的零点极点法。结构不稳定概念。了解影响稳态误差的因素，了解减小、消除稳态误差的措施。（4）熟练掌握：熟悉系统阶跃响应性能指标； 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。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；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；明确影响稳态误差的因素。（5）综合应用：用MATLAB进行系统动态性能和稳态性

8、能的分析。 第四章 线形系统的根轨迹法（8学时）1、学习目的和要求通过本章学习，了解根轨迹的概念、原理、绘制法则，掌握利用根轨迹对系统性能的分析，偶极子和主导极点的概念，添加零极点对系统性能的影响。2、课程内容（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）3、考核知识点和考核要求（1）重点：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；（2）难点：根轨迹中入射角和出射角的绘制，添加零极点对系统性能的影响；（3）一般掌握：根轨迹、根轨迹方程的有关概

9、念。（4）熟练掌握：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。（5）综合应用：用MATLAB进行系统根轨迹的绘制以及特殊点的标注。 第五章 线形系统的频域分析法与校正 （20学时）1、学习目的和要求通过本章学习，了解频率特性的概念，掌握开环频率特性Nyquist图和Bode图的绘制，以及串联校正及其方法及步骤。2、课程内容（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）（4）（4）奈奎斯特稳定判据、对数频率稳定判据

10、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（4）3、考核知识点和考核要求（1）重点：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；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；串联校正(超前校正/迟后校正/迟后-超前校正)。（2）难点：频率特性绘制中特殊情况下中补线段的方法；系统校正中根据给定指标进行方案的选取。（3）一般掌握：频率特

11、性的有关概念超前、迟后网络的特性。（4）熟练掌握：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；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）、掌握闭环频率特性的特征量与时域性能指标之间的关系；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。（5）综合应用：用MATLAB进行系统Nyquist图和Bode图的绘制

12、以及校正前后系统性能分析比较。第六章 线性离散系统的分析与校正 (10学时)1、学习目的和要求通过本章学习，掌握线性离散系统的分析与校正方法。2、课程内容（1）离散系统、信号的采样与保持（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）最少拍系统设计（2）3、考核知识点和考核要求（1）重点：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。（2）难点：采样系统数字校正的思路和方法； 最少拍系统设计理论。（3）一般掌握：了解离散系统的

13、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，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；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；（4）熟练掌握：明确z变换定义及有关概念，熟悉z变换的计算方法，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。（5）综合应用：用MATLAB进行系统采样系统的数学建模合稳定性分析。第七章 非线性控制系统分析（6学时）1、学习目的和要求通过本章学习，了解非

14、线性控制系统分析的意义及相平面和描述函数分析法。2、课程内容（1）非线性控制系统概述（2）相平面法（3）（3）描述函数法（4）改善非线性系统性能的措施及非线性特性的利用（3）3、考核知识点和考核要求（1）重点：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；（2）难点：典型非线性特性对系统影响的机理分析，非线性自振特性。（3）一般掌握：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。（4）熟练掌握：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。第八章 线性系统的状态

15、空间分析与综合（6学时）1、学习目的和要求通过本章学习，初步了解现代控制理论的基本概念，掌握状态空间与微分方程，系统结构图之间的转换，掌握系统常用分析方法。2、课程内容（1）线性系统的状态空间描述（2）；（2）线性系统的可控和可观性（2）；（3）李雅普诺夫稳定性分析（2）。3、考核知识点和考核要求（1）重点：状态空间描述与微分方程，系统结构图的相互转换；系统可控可观性判定。（2）难点：稳定性分析中方程的构建。（3）一般掌握：现代控制理论与经典控制理论分析方法的不同，了解现代控制理论中的分析法。（4）重点掌握：状态空间描述和微分方程，系统结构图的相互转换，可控可观性的判断。（5）综合应用：会用MATLAB多输入多数出系统的建模，以及系统仿真分析。四、 理论教学学时分配章讲 课 内 容学时一自动控制的一般概念4二控制系统的数学模型8三线性系统的时域分析法10四线性系统的根轨迹法8五线性系统的频域分析法与校正20六线性离