《自动控制原理》课程教学大纲

《自动控制原理》教学大纲课程名称：自动控制原理（PrincipleofAutomaticControl）课程编码：1501ZY042 课程类别：工程基础-必修学 分：4分总学时：64学时，其中，理论学时：56学时；实验学时：8学时适用专业：电气工程及其自动化先修课程：高等数学、复变函数与积分变换、模拟电子技术、数字电子技术、电路理论一、课程性质《自动控制原理》是自动化、电气工程及其自动化等专业的一门专业基础课，必修课。本课程是以原理为主的理论性课程；主要从数学模型出发，讲述自动控制基本原理和控制系统分析与设计的基本方法。通过本课程的学习，使学生能够正确理解和运用课程的基本概念和理论，掌握一套较完整的分析、设计自动控制系统的方法。为专业课的学习打好基础，而且为以后从事实际工作和科研奠定一定的理论基础。二、课程目标（一）育人目标紧紧围绕坚定学生理想信念，以爱党、爱国、爱社会主义、爱人民、爱集体为主线，将育人要素嵌入到自动控制原理课堂教学中。通过积极培育和践行社会主义核心价值观，运用马克思主义哲学的方法论，引导学生正确做人和做事；注重在课程教学中把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力；注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。让学生成为德才兼备、又红又专、全面发展的人才。（二）知识和能力目标熟练掌握简单过程机理模型的方法；熟练掌握方框图的等效简化、梅森增益公式等求取传递函数的方法；理解动态特性、稳定性、稳态误差等概念。通过数学模型来研究自动控制系统，可以摆脱不同类型系统的外部特征，研究他们内在的、共性的运动规律。（支撑毕业要求1.4）熟练掌握时域分析法；掌握绘制根轨迹的基本规则；理解频率特性的概念、波特图和系统结构参数的关系，能熟练使用频率特性分析系统稳定性和动静态指标；掌握超前、滞后、滞后──超前校正的设计方法和流程。（支撑毕业要求2.1）能够根据自动控制技术解决实际需求，进行团队合作，使用文献检索等现代化工具，拟定解决方案。（支撑毕业要求4.1）课程目标与毕业要求指标点对应关系课程目标毕业要求指标点课程目标11.4能将电气工程领域中的专业知识和建立数学模型的方法，用于解决电气设备与电力系统的设计、开发、制造和维护课程目标22.1能够运用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、描述和分析电气设备与电力系统中的各单元电路组成和主要参数，并能对电气设备与电力系统中的复杂工程问题进行表达和建模。课程目标34.1能够基于电气工程领域中科学原理和文献研究，对电气设备与电力系统中复杂工程问题进行工程建模，拟定解决方案，选择研究路线。三、基本要求本课程详细介绍建立控制系统数学模型的方法、控制系统的时域及频域分析方法、根轨迹法、控制系统的校正与设计方法等。教学过程中要注意与先修课程基础知识的联系，掌握高等数学、复变函数与积分变换的基本知识，具有良好的数学知识储备。学生通过本课程的学习，应熟练掌握简单过程机理模型的建立方法；熟练掌握方框图的等效简化、梅森增益公式等求取传递函数的方法；熟练掌握时域分析法；掌握绘制根轨迹的基本规则；理解频率特性的概念、波特图和系统结构参数的关系，能熟练使用频率特性分析系统特性；掌握超前、滞后、滞后──超前校正的设计方法和流程。使学生能够正确理解和运用课程的基本概念和理论，掌握一套较完整的分析，设计自动控制系统方法。通过课外研习，学生分组进行本课程最新研究进展调研，培养学生的团队协助、文献检索、语言表达陈述、沟通交流等能力。四、教学内容分章节说明教学内容，课时安排，融入思政元素，并说明教学重点与难点、主要教学模式（包括课堂授课、自学、上机实践、课后练习、课堂讨论等）以及对应的知识、能力要求。章节教学内容学时思政元素教学模式对应课程目标1绪论2通过对自动控制理论发展历程中的重要事件和典型人物进行分析解读,引导学生向钱学森等老一辈科学家学习，激发学生科技强国的使命感。课堂授课，课后练习2题，课堂讨论1/2/32自动控制系统的数学模型8在教会学生用数学模型描述控制系统的一般方法时，引导学生学习辩证唯物主义的世界观和方法论，学会在工作中抓主要矛盾和矛盾的注意方面。课堂授课，课后练习3题13自动控制系统的时域分析12可通过系统时域响应的分析，引导学生运用好内因和外因的辩证关系。课堂授课，课后练习3题，上机实践14根轨迹分析法10通过主导极点的分析，引导学生建立正确的政治意识、大局意识、核心意识、看齐意识。课堂授课，课后练习3题25频率特性分析法12通过分析对数频率特性与实际系统参数的关系，培养学生理论联系实际的能力。课堂授课，课后练习3题，上机实践26自动控制系统的校正10通过讲述控制系统设计的基本思想，培养学生以人民为中心的理念，坚持实践是检验真理的唯一标准；建立社会主义的道路自信、理论自信、制度课堂授课，课后练习6题，上机实践2/3自信、文化自信。7非线性控制系统的分析方法10非线性控制系统理论目前还很不完善，在课堂讲述中要注意培养学生改革创新的精神、职业责任感和科学精神。课堂授课，课后练习6题，上机实践1/2/3第一章绪论1、控制理论的形式与发展2、自动控制系统的基本概念3、自动控制系统性能的基本要求4、自动控制系统的分类5、教学内容与要求本章重点：理解自动控制、反馈等概念；掌握自动控制系统的基本要求和系统的组成。能力：能够将自动控制系统的基本概念、分类、性能要求用于分析自动控制系统的复杂工程问题。第二章线性控制系统的数学模型1、微分方程描述法2、传递函数描述法3、方框图描述法4、信号流图描述法5、控制系统的经典传递函数本章重点：控制系统微分方程的编写；求取自动控制系统的传递函数；控制系统的结构图及其等效变换。能力：能够将自动控制系统建模的一般方法用于构造及简化实际物理系统的数学模型。第三章控制系统的时域分析1、经典输入信号2、线性定常系统的时域响应与性能指标3、一阶系统的时域响应4、二阶系统的时域响应5、高阶系统的时域响应6、线性定常系统的稳定性7、系统的稳态误差本章重点：理解动态特性、稳定性、稳态误差等概念；掌握劳斯判据、稳态误差计算方法；掌握一、二阶系统阶跃响应计算方法；了解高阶系统的动态性能、基本控制规律的分析。能力：从系统的数学模型出发，用微分方程求解的理论，分析系统的动静态性能指标。第四章根轨迹法1、根轨迹的基本概念2、根轨迹方程3、常规根轨迹绘制规则4、广义根轨迹及其绘制5、控制系统的根轨迹分析本章重点：掌握绘制根轨迹的基本规则；掌握最小相位系统的参数根轨迹的画法；了解闭环极点，零点分布和控制系统性能指标之间的关系。能力：从系统的数学模型出发，根据复变函数理论，通过求取闭环极点的位置，分析系统的动静态性能指标。第五章控制系统的频域分析1、频率特性的基本概念2、典型环节的频率特性3、系统开环频率特性4、控制系统的频域稳定性判据5、控制系统的相对稳定性6、控制系统的闭环频率特性7、频域性能指标与时域性能指标的关系本章的重点：理解频率特性的概念、波特图和系统结构参数的关系；掌握用频率特性的方法来分析系统的稳定性，以及相对稳定性；掌握开环频率特性与控制系统性能指标间的关系。能力：从系统的数学模型出发，根据复变函数理论，通过系统频率特性分析系统的动静态性能指标。第六章控制系统的校正与设计1、控制系统校正的概念2、常用校正装置及其特性3、用频率法进行串联校正4、反馈校正及其参数确定本章重点：了解系统为什么需要校正及校正方法的分类；掌握超前、滞后、滞后──超前校正系统设计的方法和流程；掌握按系统的期望频率特性进行校正的方法；了解并联校正装置的设计。能力：根据控制系统校正的概念、方法，通过求取期望的数学模型，实现控制系统性能指标的优化。第七章非线性控制系统1、非线性系统概述2、描述函数法3、相平面法本章重点：掌握非线性控制系统和线性控制系统的基本区别；对包含有饱和特性、死区特性、间隙特性、继电器特性以及变放大系数特性的非线性控制系统，掌握运用描述函数法和相平面分析法进行分析的基本方法。能力：根据非线性系统数学模型的特点，用描述函数法和相平面分析法分析控制系统的复杂工程问题。五、实验内容与学时分配序号实验项目学时实验性质支撑课程目标支撑毕业要求指标点演示验证综合设计1典型系统瞬态响应和稳定性2√11.4/2.12控制系统的频率特性研究2√22.13系统校正2√1/21.4/2.14非线性系统2√1/2/31.4/2.1/4.1实验项目与类型实验一典型系统瞬态响应和稳定性目的要求掌握典型系统瞬态性能指标的测试技巧，了解参数对系统瞬态性能及稳定性的影响。主要实验仪器及材料自动控制原理实验教学箱、电脑各一台。掌握要点各种典型环节的运放电路模拟方法。实验内容用比例、积分、比例积分、惯性环节等构成典型的二阶和三阶系统，观测系统的阶跃响应曲线；对结果进行分析；完成实验报告。实验二控制系统的频率特性研究目的要求掌握控制系统频率特性测试方法；对系统的频率特性进行实验验证。主要实验仪器及材料自动控制原理实验教学箱、电脑各一台。掌握要点系统开环和闭环频率特性的定义及测试方法。实验内容利用ACS+系统中的DAC单元提供频率和幅值均可调的基准正弦信号源，作为被测对象的输入信号，而ACS+系统中测量单元的CH1通道用来观测被测环节的输出，选择不同角频率及幅值的正弦信号源作为对象的输入，测得相应的系统输出，并在PC机屏幕上显示，根据所测得的数据正确描述对象的幅频和相频特性图。对结果进行分析；完成实验报告。实验三系统校正目的要求设计校正电路，将校正系统加到二阶系统中，观测校正前、后系统的稳定性及性能指标，分析校正对系统有何影响。主要实验仪器及材料自动控制原理实验教学箱、电脑各一台。掌握要点典型串联校正装置数学模型的设计、校正装置的模拟电路设计方法。实验内容观察系统校正前后阶跃响应曲线，并测出超调量Mp和调节时间ts，将曲线及参数记录下来；对结果进行分析；完成实验报告。实验四非线性系统目的要求学习实现典型非线性环节的方法，掌握非线性环节特性的测量方法；学习绘制非线性二阶系统的相轨迹。主要实验仪器及材料自动控制原理实验教学箱、电脑各一台。掌握要点各种典型非线性环节的运放电路模拟方法。实验内容以运算放大器为基本元件，在输入端和反馈网络中设置相应元件（稳压管、二极管、电阻和电容）构成典型非线性系统的模拟电路；测试继电型非线性系统的相轨迹。对结果进行分析；完成实验报告。六、教学方法本课程理论性较强、内容广泛且抽象，讲述过程中应注意多举例。为了提高教学质量，增强学生分析问题和解决问题的能力，本课程的教学采用课堂教学、课后作业、上机实践等相结合的教学方式方法，使学生能够灵活的运用知识点。主要教学环节包括课堂教学、习题练习以及课后自学。课堂教学与互动讨论课堂教学以“互动式”方法为主导，在这一教学环节，学生以听课为主，并参与讨论，采用多媒体和板书相结合的教学手段，并辅以程序实例演示和教学，以此提高课堂效率。课后作业和自学课堂上，教师应有针对性的提出作业要求。学生通过完成作业加深对控制原理和方法的理解，增强运用基本理论分析实际系统的能力。适时进行作业分析，精选精讲作业的重点难点。关于用Matlab进行控制系统辅助分析设计的方法，可安排学生课后自学。给学生推荐网络教学资源:国家级精品课程、国内/国际名校视频公开课、编程论坛，让学生开阔眼界，共享优质教学资源，培养学生自主学习的意识和能力。实验教学自动控制原理是一门重要专业基础课。为了使学生加深对理论教学内容的理解，帮助学生更加直观地认识自动控制系统，训练学生的分析解决实际问题能力，本课程配合理论学习，安排有8学时的实验。实验要求学生在教师的指导下，能独立完成所要求的设计和测试工作。七、考核与评价方式及标准考核标准与成绩评定课程考核包括平时成绩、期末考试两个部分。平时成绩（百分制），包括作业及实验等。平时成绩评价标准基本要求评价标准优秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）熟练掌握简单过程机理建模的方法；熟练掌握方框图的等效简化、用梅森增益公式等求取传递函数的方法；理解动态特性、稳定性、稳态误差等概念。掌握时域分析法；掌握绘制根轨迹的基本规则；理解频率特性的概念、波特图和系统结构参数的关系，使用频率特性分析系统稳定性和动静态指标；掌握超前、滞后、滞后──超前校正的设计方法和流程；能够使用文献检索等现代化工具，拟定解能够熟练掌握简单过程机理建模的方法；自动控制原理的基本知识点非常清晰。能够使用文献检索等现代化工具，拟定解决方案。进行团队合作，熟练运用自动控制技术解决工程实际需求。能够较为熟练地掌握简单过程机理建模的方法；自动控制原理的基本知识点较为清晰。能够使用文献检索等现代化工具，拟定解决方案。进行团队合作，能较为熟练地运用自动控制技术解决工程实际需求。基本掌握简单过程机理建模的方法；基本理解自动控制原理的基本知识点。能够使用文献检索等现代化工具，拟定解决方案。进行团队合作，基本能运用自动控制技术解决工程实际需求。没有掌握简单过程机理建模的方法；自动控制原理的基本知识点理解错误。进行团队合作，使用文献检索等现代化工具拟定解决方案的能力差。不具备运用自动控制技术解决实际工程需求的能力，决方案。进行团队合作，用自动控制技术解决实际工程需求。实验成绩评价标准基本要求评价标准优秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）目标能够根据实验项目1~4能够根据《自动能够根据《自动基本上能够根据基本上能够1/2/3的内容开展实验，观察控制原理》课程控制原理》课程《自动控制原根据《自动控实验现象，分析实验结的基本原理开展的基本原理开展理》课程的基本制原理》课程果。实验，实验结果实验，实验结果原理开展实验，的基本原理正确，结果分析较正确，有结果实验结果基本正开展实验，实全面；设计性实分析；设计性实确，部分结果分验结果不正验的方案正确。验的方案较正析；设计性实验确，无结果分报告书写工整、确。报告书写清的方案基本正析；设计性实清晰，符号、单晰，主要符号、确。报告极小部验的方案不位等符合规范。单位等符合规分抄袭，符号、正确。报告抄范。单位等基本规袭。范。期末考试（百分制）闭卷，题型包括：选择题、填空题、分析计算题。课程期末考试考核内容与要求基本要求评价标准比例（%）优秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）目标1熟练掌握简单过程机理建模的方法；熟练掌握方框图的等效简化、掌握用梅森增益公式等求取传递函数的方法。能够熟练掌握简单过程机理建模的方法。能够较为熟练掌握简单过程机理建模的方法。基本掌握简单过程机理建模的方法。没有掌握简单过程机理建模的方法。15目标2理解动态特性、稳定性、稳态误差等概念；掌握时域分析、根轨迹分析、频率特性分析方法；掌握波特图和系统结构参数的关系；掌握超前、滞后、滞后 超前校正的设计方法和流程。自动控制原理的基本知识点非常清晰。自动控制原理的基本知识点较为清晰。自动控制原理的基本知识点掌握一般。自动控制原理的基本知识点理解错误。70目标3进行团队合作，使用文献检索等现代化工具，拟定解决方案。运用自动控制技术解决工程实际需求。进行团队合作，使用文献检索等现代化工具拟定解决方案的能力强。能熟练运用自动控制技术解决工程实际需求。能进行团队合作，使用文献检索等现代化工具，拟定解决方案。能较为熟练地运用自动控制技术解决工程实际需求。具备一定的进行团队合作，使用文献检索等现代化工具拟定解决方案的能力。能运用自动控制技术解决工程实际需求。不具备进行团队合作，使用文献检索等现代化工具拟定解决方案的能力。运用自动控制技术解决工程实际需求的能力差。15注：该表格中的比例为期末考试试卷成绩比例。成绩评定为：考试成绩*70%+平均平时成绩*30%。课程目标达成评价《自动控制原理》课程目标达成评价分析报告一、课程基本信息课程名称自动控制原理课程性质工程基础，必修学时学分64/4开课学期第五个学期专业班级电气工程及其自动化考核方式考试，闭卷任课教师：评价人员：课程组长，命题教师，阅卷教师二、课程目标达成评估课程目标支撑指标点课程目标目标1：熟练掌握简单过程机理模型的建立方法；熟练掌握方框图的等效简化、梅森增益公式等求取传递函数的方法；通过数学模型来研究自动控制系统，可以摆脱不同类型系统的外部特征，研究他们内在的、