大学《自动控制原理》本科教学大纲

1、反馈控制理论（A）教学大纲学 时：81学时 学 分：4.5学分开课学期：第五学期课程类别：院系级必修课课程性质：专业基础课先修课程：高等数学、工程数学、普通物理学、电路原理、模拟电子技术、电机及其拖动基础。教 材：自动控制原理，吴忠强 、张秀玲 主编 国防工业出版社一、课程的性质、目的与任务：本课程是工业自动化专业的重要专业基础课程。通过本课程学习将为自动化类后继课程的学习打下理论基础。为自动控制系统的分析和综合提供理论的工程计算方法。二、课程的基本内容：1、绪论概述：自动控制、自动控制系统的概念，自动控制系统的两种基本形式（开环控制与闭环控制）。自动控制系统的组成和分类。自动控制理论发展简况

2、：反馈控制理论的研究对象和方法。自动控制理论的研究内容：系统分析和系统设计，对自动控制系统的基本要求。2、线性系统的数学模型概述：数学模型的基本概念、表达方式，建模方法。线性系统输入输出时间函数描述：线性系统微分方程的列写，微分方程线性化的基本思想。线性系统输入输出传递函数描述：数学基础拉氏变换，传递函数的概念。典型环节的传递函数。控制系统的方框图及梅逊增益公式：方框图的概念，方框图的化简，信号流图的基本概念，方框图与信号流图的关系，梅逊增益公式。3、控制系统的时域分析控制系统的典型输入信号。线性定常系统的时域响应及暂态响应的性能指标。一阶系统的暂态响应。二阶系统的暂态响应：暂态响应与极点之间

3、的关系，暂态响应性能指标公式及计算，应用举例。高阶系统的暂态响应：闭环主导极点、偶极子的概念。线性系统的稳定性：稳定的概念，线性系统稳定的充要条件，RouthHurwitz稳定判据（代数判据）及应用。控制系统的稳态性能分析：稳态误差定义、产生原因、分类，给定稳态误差和扰动稳态误差的求取（误差终值和误差级数的计算），减小稳态误差的基本方法。4、根轨迹法根轨迹的基本概念：根轨迹的概念，意义，举例。绘制常规负反馈系统根轨迹的基本条件和基本规则。参量根轨迹与多回路系统的根轨迹。正反馈根轨迹的绘制。迟后系统根轨迹。增加开环零极点对根轨迹的影响。利用根轨迹分析系统的暂态响应。5、控制系统的频域分析频率特性

4、：频域响应、频率特性的概念，频率特性的两种主要描述方式幅相频率特性图（Nyquist图）和对数频率特性图（Bode图）。典型环节的频率特性（包括典型环节的Nyquist图和Bode图）。系统开环频率特性：Nyquist图和Bode图的绘制，最小相位系统的概念，利用实测开环幅频特性确定最小相位系统的开环传递函数。线性系统稳定性的Nyquist稳定判据（几何判据）：包括利用幅相频率特性曲线和对数频率特性曲线进行判断。控制系统的相对稳定性：相角裕度、幅值裕度的概念及计算。闭环频率特性及频域性能指标：闭环频率特性，频域性能指标。频域指标与时域指标的关系。6、控制系统的综合与校正校正的基本概念：校正概念

5、，校正实质，校正方法，校正方式。校正装置及特性：相位超前校正、相位滞后校正、相位滞后-超前装置。利用根轨迹法确定串联校正装置。利用频率特性法确定串联校正装置。反馈校正：反馈校正的作用，反馈校正装置的设计复合控制：含给定量顺馈校正的复合控制，含扰动量前馈校正的复合控制，复合控制举例。7、采样控制系统采样控制系统的基本概念。信号的采样和保持：采样过程，采样定理，保持器。Z变换和Z反变换。采样控制系统的数学模型：差分方程及脉冲传递函数。采样系统的性能分析：稳定性分析、稳态误差分析及暂态性能分析。最小拍采样控制系统的设计及应用举例。三、课程的教学要求：1、绪论使学生对古典反馈控制的基本理论和方法有一全

6、面、整体的了解。了解自动控制理论发展简况及反馈控制理论的研究对象和方法。掌握自动控制系统的基本概念、术语，了解自动控制系统的组成和分类，及对自动控制系统稳、准、快三方面的基本要求。2、控制系统的数学模型一般了解数学模型的概念、表达方式，建模的方法。能够列写一般物理系统的微分方程。熟悉拉氏变换的定义、性质，记住常见的简单时间函数的拉氏变换式，能根据拉氏变换的性质求解较复杂时间函数的拉氏变换式，会求拉氏反变换。掌握传递函数的概念及典型环节的传递函数。重点掌握控制系统的方框图及方框图的化简方法。重点掌握用梅逊公式求取系统传递函数。3、控制系统的时域分析了解控制系统的典型输入信号。了解线性定常系统的时

7、域响应组成，熟悉控制系统暂态响应性能指标的定义。掌握一阶系统的暂态响应及性能指标。掌握二阶系统的暂态响应分析及其与极点之间的关系，重点掌握二阶系统的暂态响应性能指标公式及计算。一般了解高阶系统的暂态响应，掌握闭环主导极点的概念。了解稳定的概念，掌握线性定常系统稳定的充要条件。重点掌握判断稳定性的Routh代数判据及应用，对Hurwitz判据有一般了解。了解稳态误差的概念、定义、产生原因、类型。重点掌握给定稳态误差终值的计算，掌握扰动稳态误差终值的计算及减小稳态误差的方法，一般了解稳态误差级数的计算。4、根轨迹法了解根轨迹的概念、意义。重点掌握绘制常规负反馈系统根轨迹的基本条件和基本规则。掌握参

8、量根轨迹的绘制和正反馈根轨迹的绘制。了解多回路控制系统的根轨迹和迟后系统根轨迹。掌握增加开环零极点对根轨迹的影响。了解利用根轨迹分析系统的暂态响应。5、控制系统的频域分析掌握频率特性的基本概念，幅相频率特性图与对数频率特性图的建立。熟悉典型环节的频率特性及其Nyquist图与Bode图。掌握系统开环频率特性（Nyquist图和Bode图）的绘制。了解最小相位系统的概念。重点掌握利用实测开环幅频特性确定最小相位系统的开环传递函数的方法。重点掌握判断系统稳定性的几何判据：乃奎斯特稳定判据（包括利用幅相频率特性曲线和对数频率特性曲线进行判断）。熟悉控制系统相角裕度、幅值裕度的基本定义和概念及计算方法

9、。一般了解闭环幅频特性（等M圆）的求解方法，掌握频域性能指标及频域指标与时域指标的关系。6、控制系统的综合与校正了解控制系统校正的概念、校正的实质、校正的方法、校正方式。熟悉串联相位超前校正、相位滞后校正、相位滞后-超前校正装置及特性。重点掌握利用频率特性法确定串联校正装置参数的方法。简单了解反馈校正、前馈校正及复合控制。7、采样控制系统了解采样控制系统的基本概念、采样过程，掌握采样定理的内容和零阶保持器。熟悉Z变换和Z反变换的计算方法。掌握求解采样控制系统数学模型：差分方程及Z脉冲传递函数的方法。掌握采样系统的稳定性分析和稳态误差分析，了解其暂态性能分析。重点掌握采样控制系统的最小拍设计方法

10、（包括广义被控对象在单位圆上、圆外无零极点和有零极点）。四、课程学时分配：讲 课 内 容学 时1、绪论32、线性系统的数学模型83、控制系统的时域分析104、根轨迹法105、控制系统的频域分析146、控制系统的综合与校正87、采样控制系统128、实验109、习题课6合 计81注：习题课安排在每章结束做作业总结时，从第二章至第七章每章1学时的习题课，学时分配里单列出习题课是为了强调此课必须有习题讲解的学时安排。五、课程习题要求：习题的基本要求是：巩固和加深理解课堂所学内容，提高计算能力，运用所学的知识分析和计算从工程实际中简化出来的控制理论问题、培养学生分析问题、解决问题的能力。设有3学时的习题

11、课，目的是将一些解题思路和技巧介绍给学生，引导和培养他们的解题技能。六、实验内容与要求：1、典型环节的模拟实验（2学时）。2、典型系统的时域响应和性能（2学时）。3、计算机绘制根轨迹和Nyquist图、Bode图及与阶跃响应的关系（2学时）。4、控制系统的综合与校正（2学时）。5、采样控制系统（2学时）。实验为重要的辅助教学环节。实验的基本要求是：（1）通过自己动手组装各种电路模拟控制系统的典型环节与系统。（2）利用计算机软件，将抽象的根轨迹图和Nyquist图、Bode图与形象的响应曲线图联系起来。这些均为了验证所学内容，巩固所学知识，使学生初步掌握实验方法和操作技能，训练学生的动手能力和整理资料、编写实验报告的能力，培养严格的科学作风。七、课程主要参考书：1、李友善，自动控制理论，国防工业出版社，1990年2、蔡尚峰，自动控制理论，机械工业出版社，1981年3、戴忠达，自动控制理论基础，清