《自动控制原理》2020版教学大纲

1、自动控制原理课程教学大纲执笔人：XXX审核人：XXX一、基本信息中文名称：自动控制原理英文名称：Automatic Control Theory课程代码：课程性质：专业必修课学 分：4总学时：64 （其中理论：58实践：6 ）适用专业：交先修课程：大学物理、电路理论、模拟电子技术、数字电子技术开课单位：开课学期：二、课程地位与作用本课程是本科生必修的重要学科基础课，它是自动控制技术的基础理论，具有很强的理论性。 课程设置的目的是让学生通过学习，掌握自动控制的基本原理、自动控制系统的各种经典分析方法、线 性系统的各种校正方法、线性离散系统的分析设计方法以及非线性控制系统的分析方法等；同时，通过

2、实验，将理论与实践有机结合，培养学生的实际动手能力。本课程是后续各学科基础课和专业课，如现 代控制理论，计算机控制技术，运动控制系统，过程控制系统，智能控制，最优控制，系统辩识及自适 应控制等课程的理论基础，掌握好本课程的理论对学生顺利开展后续各专业课程的学习、建立起完整的 专业知识体系具有重要意义。三、课程教学目标知识目标：（1） 了解自动控制理论的开展历史，掌握自动控制系统的基本概念。（2）掌握自动控制系统的数学建模方法。（3）掌握线性系统经典的时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法。（4）掌握线性系统各种常用的校正方法和校正装置的设计原那么。（5）掌握线性离散系统的分析与设计方法。（6）掌

3、握非线性控制系统的分析方法。能力目标：（1）培养学生的辩证思维能力、抽象化能力、实操能力和自学能力。（2）培养严谨细致、认真负责的工作态度。（3）通过理论学习和实验，培养创新意识。素质目标：（1）培养学生学习的兴趣和热情、良好的思维习惯、自主学习的积极性。（2）培养学生勇于表达自己的观点。（3）培养学生勤于思考的好习惯和严谨、务实、细致的学习态度。（4）激励学生汲取中华民族不懈努力的精髓，刻苦钻研，脚踏实地，勇于担当，开拓进取。铁路站场课程思政教学内容课程思政兀素教学方法素质目标第一章自动控制的一般概念爱国主义介绍建设成就激发爱国主义情感第二章控制系统的数学模型创新精神典型工程案例激发创新意识

4、第三章线性系统的时域分析法工匠精神典型工程案例培养精益求精精神第四章线性系统的根轨迹法敬业奉献典型工程案例培养职也责任、奉献精神四、教学方式及学时分配序号主要内容主要教学方式学时数1第一章自动控制的一般概念理论授课42第二章控制系统的数学模型理论授课83第三章线性系统的时域分析法理论授课84第三章线性系统的时域分析法实践授课45第四章线性系统的根轨迹法理论授课66第四章线性系统的根轨迹法实践授课27第五章线性系统的频域分析法理论授课88第五章线性系统的频域分析法实践授课29第六章线性系统的校正方法理论授课610第六章线性系统的校正方法实践授课211第七章线性离散系统的分析方法理论授课8-2五、

5、主要教学内容12第七章线性离散系统的分析方法实践授课213第八章非线性控制系统分析理论授课4第一章自动控制的一般概念（4学时）.教学目标了解：基本的自动控制方式。理解：反应控制系统的构成。掌握：如何将控制系统原理图转换为方框图、如何对控制系统的设计提出要求。.教学内容（1）自动控制的基本原理与方式。（2）反应控制原理和反应控制系统的构成。（3）自动控制系统的分类。（4）对自动控制系统的基本要求。.教学重点自动控制理论开展简史；反应控制原理和反应控制系统的构成；自动控制系统基本控制方式； 自动控制系统例如；对自动控制系统的基本要求；典型输入信号。.教学难点反应控制原理和反应控制系统的构成；控制系

6、统原理图转换为控制系统方框图；对控制系统的基 本要求。第二章识图控制系统的数学模型（8学时）.教学目标了解：开环、闭环传递函数概念。理解：方框图绘制方法、对方框图等效变换的目的、等效变换规那么。掌握：如何应用规那么对系统的方框图进行简化、系统的信号流图，它与方框图的区别，如何利用 梅森增益公式计算控制系统的闭环传递函数、如何通过实验方法获取控制系统的数学模型。.教学内容（1）控制系统的时域数学模型。（2）控制系统的复数域数学模型。（3）控制系统的方框图及其等效变换规那么。-3（4）控制系统的信号流图及梅森增益公式。（5）数学模型的实验测定法。.教学重点数学模型的概念及其重要性；控制系统的时域数

7、学模型-微分方程；控制系统的复数域数学模型 -传递函数；控制系统的方框图及其等效变换规那么；控制系统的信号流图及梅森增益公式；数学模 型的实验测定法。.教学难点采用微分方程和传递函数建立控制系统数学模型的基本方法；控制系统的开环、闭环传递函数； 控制系统方框图的绘制及其等效变换规那么；利用信号流图和梅森增益公式计算控制系统的闭环传递 函数。第三章线性系统的时域分析法（12学时）.教学目标了解：动态过程和稳态过程定义与计算方法。理解：一阶系统、二阶系统、高阶系统的时域分析方法、二阶系统单位阶跃响应的性能指标与系 统参数的关系以及改进二阶系统性能的基本方法（比例-微分控制，测速反应控制）。掌握：闭

8、环主导极点的概念；系统稳定的充分必要条件，劳斯-赫尔维茨稳定判据和劳斯稳定 判据以及它们的应用方法；静态误差系数和动态误差系数的定义、典型系统稳态误差的分析与计算 方法、减小或消除系统稳态误差的方法。.教学内容（1）系统典型输入信号；系统时间响应的性能指标。（2） 一阶系统的时域分析；二阶系统的时域分析.（3）改进二阶系统性能的基本方法；高阶系统的时域分析；高阶系统闭环主导极点的作用。（4）线性系统稳定性的定义；线性系统稳定的充分必要条件以及稳定性代数判据。（5）稳态误差定义及分析；减小或消除稳态误差的措施。.教学重点动态过程与稳态过程，动态性能与稳态性能，性能指标定义及计算；一阶系统的时域分

9、析；二阶 系统的时域分析；改进二阶系统性能的基本方法；高阶系统的时域分析；闭环主导极点的定义和作 用；线性系统稳定性的定义，系统稳定的充要条件，代数稳定判据；稳态误差定义及计算，减小 或消除稳态误差的措施。.教学难点二阶系统的单位阶跃响应以及性能指标与系统参数的关系；改进二阶系统性能的基本方法；高 阶系统闭环主导极点的概念及应用；劳思稳定性判据及应用；静态误差系数和动态误差系数的定义；典 型系统的稳态误差分析；减小或消除稳态误差的方法。第四章线性系统的根轨迹法(8学时).教学目标了解：根轨迹概念。理解：闭环零、极点与开环零、极点之间的关系。掌握：根轨迹绘制的基本法那么；附加开环零点对系统根轨迹

10、走势的影响，以及如何利用这种方法 改善控制系统的性能；闭环零、极点与时间响应之间的关系，主导极点和偶极子的概念；根轨迹法 对系统稳定性和动态性能进行定性分析的方法。.教学内容(1)根轨迹法的基本概念。(2)根轨迹的基本特性及绘制法那么。(3)参数根轨迹的绘制方法。(4)利用根轨迹法分析系统的性能。.教学重点根轨迹法的基本概念；根轨迹的基本特性及绘制法那么；参数根轨迹的绘制方法；利用根轨迹法分 析系统的性能；引入开环零点对根轨迹及系统性能的影响。4教学难点正确运用法那么，根据系统的开环传递函数绘制闭环系统的根轨迹，并据此分析系统的动态性能和 稳态性能。第五章线性系统的频域分析法(6学时).教学目

11、标了解：频率特性的概念，频率特性的三种典型表示方法-幅相频率特性曲线，对数频率特性曲线 和对数幅相曲线。理解：最小相位和非最小相位典型环节的定义方法以及它们的频率特性。掌握：典型环节对数幅频渐进特性曲线的绘制方法；开环系统频率特性曲线的绘制方法；两种常 用的频率域稳定判据-奈奎斯特稳定判据和对数频率稳定判据；相角裕度和幅值裕度的概念，并 介 绍它们的计算方法；定义系统的带宽，分析带宽对系统性能的影响；闭环系统频域指标和时域指 标 的转换关系；如何根据开环频率特性研究闭环系统的性能。-5.教学内容（1）频率特性基本概念。（2）典型环节的定义方法及其频率特性。（3）开环系统频率特性曲线绘制方法。（

12、4）传递函数频域实验测定法。（5）频域稳定判据（奈奎斯特稳定判据和对数频率稳定判据）及应用。（6）控制系统的稳定裕度。（7）闭环系统频域性能指标。（8）从开环频率特性研究闭环系统的性能。.教学重点频率特性基本概念；频率特性几何表示法；典型环节及其频率特性；开环系统频率特性曲线绘开环系统频率特性曲线的绘制方法-幅相曲线、伯德图和尼科尔斯图；奈奎斯特稳定判据和对数 频率稳定判据及其应用；相角裕度和幅值裕度的概念、作用及计算方法；系统带宽的定义及对系 统性能的影响。.教学难点第六章线性系统的校正方法（8学时）.教学目标了解：校正的目的和意义，系统的带宽选取原那么，常用的几种校正方式及其适应场合。理解

13、：常用的校正装置及其特性。掌握：PID控制器设计方法；串联校正系统的频域设计方法（包括串联超前校正，串联滞后校 正，串联滞后-超前校正）、反应校正系统的频域设计方法以及复合校正系统的设计方法；综合法 串联校正和反应校正的设计方法。.教学内容（1）系统的设计与校正问题。（2）频域性能指标与时域性能指标之间的关系。（3）控制系统经典的校正方法。（4）常用校正装置及其特性。（5）开环系统期望频率特性的设计原那么。-6（6）串联校正方法；反应校正方法；复合校正方法（含前馈校正）。PID控制器设计方法。.教学重点系统的设计与校正问题；系统带宽的选取原那么；控制系统经典的校正方法；常用校正装置及其频 率特

14、性；开环系统期望频率特性的设计原那么；串联校正方法；反应校正方法；复合校正方法；基 本 控制规律和PID控制器设计方法。.教学难点开环系统期望频率特性的设计原那么；用频率法对系统进行各种串联校正（串联超前校正，串联 滞后校正，串联滞后-超前校正），校正装置参数的计算方法；反应校正方法；复合校正方法。第七章线性离散系统的分析方法（10学时）.教学目标理解：离散系统的稳定性概念以及S域和Z域的映射关系、信号采样与信号保持的概念、香农 采样定理以及根据该定理选取采样周期的方法；Z变换理论；离散系统的数学模型-差分方程和脉 冲传递函数，以及利用这两种模型求解系统响应的方法。掌握：A/D转换器和D/A转

15、换器；w变换并基于劳斯稳定判据，离散系统的稳定性判据；离散系 统稳态误差的概念及计算方法；采样器和保持器对系统动态性能的影响，分析讨论系统的闭环极点与 其动态性能之间的关系，离散控制系统的设计原那么。.教学内容（1）线性离散系统的基本概念。（2）信号的采样与保持。（3）香农采样定理。z变换理论，用z变换法求解差分方程。（5）离散系统的数学模型（差分方程和脉冲传递函数）。（6）开环系统与闭环系统的脉冲传递函数。（7）离散系统的稳定性定义及稳定性判据；离散系统的稳态误差；离散系统的动态性能分析。.教学重点信号的采样与保持，香农采样定理；z变换理论；离散系统的数学模型（差分方程和脉冲传递 函数）；用

16、Z变换法求解差分方程；开环系统与闭环系统的脉冲传递函数；离散系统的稳定性定义 及稳定性判据；离散系统的稳态误差；离散系统的动态性能分析。.教学难点-7信号的采样与保持，香农采样定理；Z变换理论；系统脉冲传递函数的求取方法；采用z反变换 法求取离散系统的时域响应；离散系统的稳定性定义及稳定性判据；离散系统的动态性能分析。第八章法非线性控制系统分析（4学时）.教学目标了解：非线性控制理论的意义。理解：各种常见的非线性特性及其对系统运动的影响、非线性系统常用的分析与设计方法，描述 函数法。掌握：电各种典型非线性特性的描述函数；非线性控制系统稳定性分析的描述函数法，包括自激 振荡（周期运动）振幅和周期

17、的计算方法。.教学内容（1）非线性控制系统概述。（2）常见非线性特性及其对系统运动的影响。（3）非线性系统的分析与设计方法。（4）描述函数的基本概念。（5）典型非线性特性的描述函数。（6）非线性控制系统稳定性分析的描述函数法。.教学重点常见非线性特性及其对系统运动的影响；描述函数的基本概念，典型非线性特性的描述函数；.教学难点运用描述函数法分析非线性控制系统的稳定性和自激振荡。六、教学方法.教学方法方面，表达以学生为本、因材施教、个性开展、素质教育等现代教育理念而采取的讲 授方法和教学活动。如翻转课堂式、讲授法、启发式、讨论式、案例式、探究式、互动式、学导 式 、自学辅导式、网上助学式和合作式

18、学习方式。.教学手段方面，扩大小班化教学覆盖面，如多媒体、CAI课件、网络等。特别是应用计算机处 理文字、图像、声音、图表等新技术，也包括使用现代化的教具、图表和现场教学等，推行移动课堂 、翻转课堂、MOOC示范工程等优质课程资源的网络教学手段。（1）充分利用已学过的知识，适当提高起点。（2）教师应在课程实施过程中，以形象思维与抽象思维相互补充，以发散思维与收敛思维相 互促进，增强学生对高速铁路线路及车站一般性理论和方法的理解，进而培养学生分析问题和解决 问题的能力。（3）课程授课采用PPT文件，并适当补充一定的影音资料。（4）关键点要讲准确、讲清楚，课堂作业要按时按量完成，有错误要随时指正。七、课程考核和成绩评定方式本课程采