哈工大教学设计

1、教学设计一、基本描述 课程名称：                        自动控制原理 课程英文译名：                     

2、   Automatic Control Theory 课程学时：                        70h 讲课：               &

3、#160;        60h，实验：10h 开课教研室：                        控制科学与工程系 课程类型：            

4、            技术基础课 授课对象：                        通信工程系01051010105105班，共142人 授课时间：       

5、;                 2003年秋季（01级大学第五学期） 先修课程： 积分变换、大学物理、电路、模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统 教材及参考书：梅晓榕主编自动控制原理科学出版社2002年出版 鄢景华主编自动控制原理哈工大出版社2000年出版 李友善主编自动控制原理国防工业出版社1990年出版 王彤主编自动控制原理试题精选与答题技巧哈工大出版社2000年出版   二、

6、课程的性质，研究对象及任务     “自动控制原理”是一门工科专业学生的技术基础课，主要介绍自动控制的基本理论、自动控制系统的分析和设计方法。目前，自动化技术在工业、农业、国防和科学技技各领域得到广泛应用，所以工科各专业的技术人员都应掌握这门技术基础课的基本理论。     课程主要研究： 1自动控制系统的组成和要求 2控制系统教学模型的建立 3线性系统的时域分析方法 4线性系统的频域分析方法 5用根轨迹分析控制系统的方法 6控制系统的综合与校正 7现代控制理论基础     本课程的主要任务是培养学生 1掌

7、握自动控制系统的构成原理，各元部件的作用 2掌握分析自动控制系统的基本方法和基本理论 3对本学科本领域的自动控制系统能够进行维护、调整，提出改进的方案 4掌握对自动控制系统进行测试和评价的方法 5在“机电仪一体化”的设备开发研制过程中，能用总体的、系统的观念与其他专业技术人员进行交流与协作。   三、教材的选择与分析     目前各高等工科院校自动控制原理课程所使用的教材很多，主要可分为自动控制专业使用教材和非自动控制专业使用教材两大类。     自动控制专业所使用的教材中，胡寿松主编科学出版社出版的自动

8、控制原理第四版和李友善主编国防工业出版社的自动控制原理第2版上、下册比较受欢迎。     胡寿松主编，科学出版社于2001年出版的自动控制原理第四版，是在前三版的基础上经过多年教学实践和多次修订而形成的，曾多次获奖。该书原是航空类院校自动控制专业的教材，现得到许多各类院的选用。该书内容丰富全面，有大量具有实际工程背景的例题，其配套的习题集也由科学出版社出版。这是目前国内比较经典的教材。包括经典控制理论，现代控制理论，连续系统和离散系统，线性系统和非线性系统。     李友善老师主编，国防工业出版社出版的自动控制原理第2版分上、下两册，

9、上册主要是经典控制理论部分，包括线性连续控制系统，线性离散控制系统，非线性控制系统等内容；下册主要是现代控制理论部分，包括状态空间分析与综合，李亚普诺夫稳定性分析，最优控制与系统辨识等内容。该书理论分析推导严谨、内容广泛，适于自学。与之配套的自动控制原理200题由工大出版社出版，今年又发展成自动控制原理470题，该书是我校自动控制专业的教材。该书于2005年重新修订，出版了第三版。 非控制类专业的自动控制原理课程教材很多，篇幅相对较少，现在提倡培养“机电一体化”人才，所以教材通常包括机械类专业和电类专业两方面的内容。     鄢景华主编，哈工大出版社出版的自动控制

10、原理曾多年作为我校非控制专业使用的教材。该书内容较丰富，时域分析，频域分析，根轨迹分析，连续系统，离散系统，非线性系统，现代控制理论等内容都包括，字数较多。于2000年修订时删减了一部分内容，但作为4060学时的教材内容仍显得多一些。该书被许多其它院校使用，台湾地区也购买了该书的版权。     梅晓榕主编，科学出版社2002年出版的自动控制原理现作为我校非控制专业的教材。内容包括控制系统的数学模型，时域分析，频域分析，根轨迹分析，计算机控制系统，非线性对系统的影响，现代控制理论等传统内容，例题和习题比较丰富。该书新增加了基于MATLAB的系统分析、设计与仿真，加强

11、了用计算机分析设计控制系统的训练，对于以前教材中较繁琐和相对陈旧的内容进行了删改。该书字数较少，适合非控制专业课时较少的“自动控制原理”课使用。     该书不足之处是有些章节字数压缩了，但内容没减少，自学不太容易，讲课时需展开。    四、本次授课对象分析      授课前应了解授课对象的情况，包括所属院、系及专业，先行课程与后续课程等，作到“知彼知己”。    本学期授课对象是通信工程专业01级01051010105105班，共五个班，142名学生，属

12、大学三年级第一学期，大学第五学期。      通信工程专业学生入学分数较高，通常数学、外语基础较好，理解力较强。通信工程属电类专业，学过与“控制原理”课有关的先行课 “积分变换”，“代数与几何”，“电路”，“模拟电子技术”，“信号与系统”等。这个专业学生的力学和机械方面知识相对薄弱，但在“大学物理”课程中学过一些力学方面的知识。该专业没学过“电机学”和“控制电机”等课程。在讲课“控制系统数学模型”一章推导交直流电机教学模型时，需加强介绍一些相关的知识。他们在“大学物理”课程中学过电磁感应方面的内容，在高中也学过电磁感应及与电机有关的内容。他们每

13、个人也都在使用电机，例如，收录机中的电机，应该对电机的基本原理和使用方法有所了解。      关于时域分析的内容，他们在“电路”“信号与系统”等课程中接触过，对典型输入信号，一、二阶系统的响应有所了解。因此在讲授时域分析时应把重点放在典型二阶系统，系统的动态和稳态性能指标，稳定性等关键问题上。      关于频率特性的概念，他们在“模拟电子技术”“信号与系统”课程中已经建立了，讲课时不要进行低水平的重复，可以进行深入一些的探讨和对比。比较一下在不同课程中概念提出的方法和工程应用的背景，对同一个问题、同一个概念在不同

14、学科中的不同名称，不同的习惯表示方法。要注意联系学生学过的课程，熟悉的例子，这样有利于理解新的概念，有利于巩固学过的知识，有利于将不同课程中的知识融会贯通。  关于零极点的概念、传递函数的概念，学生在“信号与系统”课程中已经建立。在本课程中要强调零极点对系统性能的影响，讲清怎样对系统进行综合，改变系统的零极点，使之满足对系统性能指标的要求。    五、本课程各章的基本要求，学时分配      第一章  自动控制概述      

15、  2h      基本要求：1掌握该课程研究的对象和内容，本课程的性质和任务；2了解自动控制系统的概念，控制系统的分类方法；3了解控制系统组成及对控制系统的基本要求。      重点与难点：介绍自动控制系统在学生所在专业领域中应用的现状和前景，举一些相关的例子，以引起学生的兴趣，调动学生学习这门课程的积极性。例如通信专业可介绍雷达天线伺服系统，航天专业可介绍飞行器控制，机械专业可介绍机器人控制等。对于控制类专业要强调这门课的基础作用，对于非控制类专业，特别是学时较少，作为考查课的专业要指出掌握

16、跨学科的知识，对于增强择业能和不同学科间的工作协调能力的重要性。      第二章  系统的数学模型    8h      基本要求：  1微分方程的建立是最基本的方法  2传递函数概念和定义  3控制系统的方框图和传递函数  4方框图变换和化简方法      重点与难点：方框图变换的规则要熟练掌握，一条基本的原则是“变换前后输入及输出量不变，而中间量，中间的结构可以变化。&#

17、160;     第三章  控制系统的时域分析法  12h      基本内容  1一阶系统的时域分析  2二阶系统的时域分析  3控制系统的稳定性  4劳思稳定判据  5控制系统的稳态误差  6复合控制      难点与重点：  1二阶系统的时域分析是该章的一个重点，在高等数学中，二阶微分方程是微分方程部分的重点，在“物理学”、“电路”、“信号与系统”、“机械振动”等课程中都

18、把二阶系统作为一个重点。一方面是因为在工程中，许多系统的数学模型是二阶的或可以简化成二阶，另一方面，从二阶系统分析中得到的一些概念和结论可以推广到高阶系统中去。      二阶系统极点的性质不同，其响应也不相同。极点的实部决定系统稳定还是不稳定。若极点都具有负实部，系统是稳定的，其响应收敛，实部绝对值的大小决定了收敛的速度。而极点虚部决定了响应的振荡频率。  2劳思稳定判据要熟练掌握，包括两种特殊情况的处理。若出现某行全为零，或某行第一个元素为零，系统就不可能是稳定的。特殊情况经处理后，若劳思阵列第一列都为正，则属于临界稳定，决不能认为是稳定。

19、  3系统的稳态精度由稳态误差来描述，要熟练掌握0型、1型、2型系统在典型输入信号作用下稳态误差的终值。掌握用终值定理，稳态误差系数、动态误差系数计算稳态误差的方法。  要掌握根据闭环误差传递函数所含s=0的零点个数确定系统无差度的方法。这种方法不但适用于参考输入信号引起的稳态误差，也适用于由扰动信号引起的稳态误差。      第四章  根轨迹法  8h      基本内容：  1绘制根轨迹的原则，相角条件和幅值条件  2绘制根轨迹的十

20、条规则  3按根轨迹分析控制系统      重点与难点：  画出根轨迹不是目的，目的是根据根轨迹图分析系统参数变化时闭环极点变化的趋势，系统动态响应和稳定性变化的趋势。      第五章  频率特性法  18h      基本要求：  1频率特性的概念  2典型环节频率特性的极坐标图  3典型环节对数频率特性图  4奈氏稳定判据  5控制系统的相对稳定性 

21、6开环频率特性与闭环系统性能指标的关系  7PID控制的基本原理  8相位超前补偿的原理与方法  9相位滞后补偿的原理与方法  10按期望频率特性设计补偿      难点与重点  1要学会使用单对数坐标纸，画出对数频率特性图  掌握对数幅频特性渐近直线段的斜率公式   在没有单对数坐标纸的条件下，在白纸上通过计算也能准确地画出对数幅频特性。  2奈氏稳定判据要掌握全频、正频的判断方法，对于在原点处有开环极点的系统要掌握将频率特性图补全的方法。  3熟练掌握

22、剪切频率 及相角裕度r的定义和计算方法。  4掌握超前补偿和滞后补偿的原理和方法。掌握这两种补偿方法的适用范围及相同和不同之处。  第八章  现代控制理论基础  12h      基本内容：  1状态空间的基本概念  2状态空间表达式的建立  3由状态空间表式求传递函数  4线性状态方程的解  5线性系统的可控性  6线性系统的可观测性  7状态反馈配置系统的极点  8状态观测的设计   

23、;   重点与难点：  1熟练掌握建立控制系统状态空间表达式的各种方法，了解其相同与不同之处，各种方法的优点和缺点。  2可控性与可观测性是现代控制理论的两个重要概念，要通过实际系统的例子深入理解，熟练掌握可控性与可观测性判断的方法  3用状态反馈配置系统的极点是现代控制理论对系统进行综合的最常见的方法，应重点掌握。  4状态观测器设计的思想有独到之处，要掌握观测器设计的思想方法。这种思想方法值得借鉴，可应用到其它工作和生活中去。    六、教学环节  （一）课堂讲授  1认

24、真备课，熟练掌握该课程的基本内容，要了解学生的情况和先行课的情况。  2课堂教学注意采用启发式，加强课堂上的问答对话、创造条件进行讨论，调动学生积极参与教学过程，增强学习的主动性和积极性。在讲授一种分析方法时，可介绍这种方法产生的背景，发展的过程，现在存在的问题及学术界不同的观点等，启发学生作进一步的探讨。  3注意课堂上学生的反映，随时根据具体情况调整讲授内容，速度和方法。这就要求教师有驾驶教学过程的能力和应变的能力，应事先考虑到各种可能发生情况。  4要注意联系学生已经学过的先行课的知识和熟悉的例子，这样有利于理解新的知识，巩固原有的知识，将不同学科中的知识融

25、会贯通。  5注意教书育人，注意培养学生实事求是，追求真理的科学态度。在讲课过程中适当介绍我国科技人员和我校毕业生在工业、国防和科技战线取得的成果。激发学生努力学习，将来报效祖国的爱国热情。  6要告诉学生下一节课将讲授什么内容，建议学生预习，这相当于在教学系统中加入了一个前馈环节。  7及时收作业、批改作业，作业的批改周期太长对学生学习不利。    （二）实验      实验是教学过程中的一个重要部分，是将知识转化为能力的一个重要手段，特别是非控制专业少学时的“自动控制原理”课，由于

26、没有系统设计等后续课程，实验的作用更为重要。  1二阶系统的模拟机仿真  2h  掌握用模拟计算机进行控制系统仿真的方法，掌握示波器的使用方法及从示波器的波形上读出控制系统时域性能指标的方法。分析 变化及阻尼比 变化对二阶系统性能指标的影响。  2自动调速系统实验  4h  了解自动调速系统的组成及工作原理。搞清实验系统中哪个是测量元件、比较元件、放大元件、执行元件、被控对象。      了解负载力矩变化对电机转速的影响，了解闭环负反馈抑制干扰的原理。掌握

27、测试系统频率特性的方法和原理，了解PID校正的作用。学会实验数据处理方法，学会通过实测确定系统数学模型的方法。  3小功率随动系统  4h      了解随动系统的工作原理和特点，掌握对系统各环节进行静态、动态测试的方法，学会通过测试建立系统模型的方法，了解超前校正，滞后校反的工作原理和反馈校正的方法和用。了解开环放大倍数对跟踪精度的影响。  （三）作业与设计  1习题  第一章   11   12   &

28、#160;13    第二章   21   22(a)  25   26(a)   28   210   211   第三章   35   37   310   314   315 

29、0; 316   320                321   324   325   326   328   331  第四章   43    46   48   49  第五章   52   53   55   56   57   58