自动控制原理 第3版 教学大纲、授课计划

《自动控制原理》课程教学大纲课程名称：自动控制原理课程编码：1学分：4.5总学时：72理论学时：60实验学时：12上机学时：0实践学时：0开设实验项目总数6个；其中：必选（6）个，任选（0）个开课单位：物联网工程学院自动化系适用专业：自动化一、课程的性质、目的1.性质：本课程是自动化专业的专业核心课程和主要课程。2.目的：通过本课程全部教学内容的学习，加深学生对自动化领域基础知识点的理解和掌握，学会利用基本的经典控制理论解决简单控制系统的建模、分析和设计问题，并通过课内教学讨论、模拟电路实验和课外计算机模拟仿真，初步建立学生的自动控制系统综合分析和设计技能，为后续专业课学习，毕业设计以及今后从事各项工程技术工作奠定必要的基础。二、课程教学目标1.理解控制系统的基本概念、基本组成、基本要求和控制方式，对控制系统的工程应用背景、研究目的和解决问题的方法建立基本认识；(支撑毕业要求2.1：能够识别和判断出自动控制系统中所有的被控对象和关键变量，以及工程约束条件。)2.掌握利用牛顿定律、基尔霍夫定律和拉普拉斯变换等方法，对线性系统的积分、微分、惯性和延迟等典型环节进行建模和特性分析，并熟练掌握将多个关键环节综合成信号流图、结构图和传递函数等数学模型的方法，掌握数学模型的等效变换和简化方法；(2.2针对复杂工程项目中的自动控制问题，能够基于科学原理，选择合适的方法建立数学模型，并根据工程环境进行合理的简化)3.掌握利用时域法、复域法、频域法、描述函数法和相平面等方法，对不同的连续和离散线性系统，以及非线性系统模型进行稳定性分析和动态性能计算；(支撑毕业要求1.3：能够针对复杂工程环境下的自动控制问题，在提出解决方案过程中，合理运用工程基础和自动化专业知识)4.理解控制系统的校正设计方法，能针对系统的不同性能指标要求，选择合适的串联、反馈和复合校正设计方案和控制器结构，并能够进行校正设计方案的分析和比较。(支撑毕业要求2.3：能够利用专业知识和文献研究，合理分析自动控制系统模型，获得解决复杂工程问题的有效结论）5.掌握线性系统典型环节和典型非线性环节的模拟电路实现方法，设计实验方案验证各环节的参数变化对其动态特性的影响，并对实验结果进行分析和解释；（支撑毕业要求4.2：能够基于科学原理，采用科学方法对自动控制系统中的测量、控制、执行等单元制定实验方案，并对实验结果进行分析和解释）6.理解实验任务要求，根据基本原理熟练应用相关仿真软件和模拟电路建立线性和非线性系统模型，验证系统的动态和稳态性能，设计综合性控制方案，并对相关实验结果进行归纳与分析。(支撑毕业要求4.3：能够综合运用自动化专业知识，对自动控制系统中的综合性问题设计实验方案，并对实验结果进行整理、归纳和分析)7.能熟练利用Matlab仿真软件，进行控制系统的动态性能、稳态性能分析和控制系统的校正分析，明确与实际控制系统的区别和联系，为实际控制系统设计奠定基础。（支撑毕业要求5.3：能够使用计算机仿真工具，对复杂工程中的自动控制问题进行模拟或预测，并且能够理解计算机仿真与实际工程的联系和区别。）8.通过全班学生分组，讨论自动控制系统的建模、分析和设计问题，能够比较各种控制系统性能和设计方案的优劣，进一步提升团结协作、分析问题和解决问题的能力。（支撑毕业要求9.1：具备良好的身体素质，健康的心理状态,能主动与团队成员沟通合作，高效完成团队分配的任务）课程培养目标达成表课程目标毕业要求教学内容教学手段考核方式考核文档1.理解控制系统的基本概念、基本组成、基本要求和控制方式，对控制系统的工程应用背景、研究目的和问题解决方法建立基本认识；2.1：能够识别和判断出自动控制系统中所有的被控对象和关键变量，以及工程约束条件。第1章正确理解自动控制系统的一般概念、基本要求、分类方法和闭环控制系统基本组成，掌握负反馈概念，并进行实例分析课堂授课主题讨论课后答疑网络学习随堂提问课后练习讨论表现网络测验期末试卷课后作业2.掌握利用牛顿定律、基尔霍夫定律和拉普拉斯变换等方法对线性系统的积分、微分、惯性和延迟等典型环节，进行建模和特性分析，并熟练掌握将多个关键环节综合成信号流图、结构图和传递函数等数学模型的方法，掌握数学模型的等效变换和简化方法；2.2针对复杂工程项目中的自动控制问题，能够基于科学原理，选择合适的方法建立数学模型，并根据工程环境进行合理的简化第2章掌握控制系统数学模型的建立方法与结构框图、信号流图等表示方式，会对由多个典型环节综合而成的复杂系统进行简化和传递函数求解；课前预习课堂授课主题讨论课后答疑网络学习随堂提问课后练习讨论表现网络测验期末试卷课后作业3.掌握利用时域法、复域法、频域法、描述函数法和相平面等方法，对不同的连续和离散线性系统，以及非线性系统模型进行稳定性分析和动态性能计算；1.3能够针对复杂工程环境下的自动控制问题，在提出解决方案过程中，合理运用工程基础和自动化专业知识第3章掌握连续系统的时域稳定性判据、动态性能和稳态误差计算方法第4章重点掌握连续系统根轨迹绘制方法，系统模型参数变化对稳定性和动态性能的影响第5章重点掌握连续系统奈奎斯特图和Ｂｏｄｅ图的绘制方法和稳定判据，频域性能指标的计算第7章掌握描述函数法和相平面法分析非线性控制系统的稳定性和自激振荡第8章掌握离散采样系统的稳定性判据、动态性能和稳态误差计算方法课前预习课堂授课主题讨论课后答疑网络学习随堂提问讨论表现网络测验期末试卷课后作业4.理解控制系统的校正设计方法，并能针对系统的不同性能指标要求选择合适的串联、反馈和复合校正设计方案和控制器结构，并能够进行校正设计方案分析和比较。2.3能够利用专业知识和文献研究，合理分析自动控制系统模型，获得解决复杂工程问题的有效结论第6章正确理解控制系统校正的基本含义，熟练掌握串联校正、反馈校正和符合校正的原理和基本方法课前预习课堂授课主题讨论课后答疑网络学习随堂提问讨论表现网络测验期末试卷课后作业5.掌握线性系统典型环节和非线性环节的模拟电路实现方法，设计实验方案验证各环节的参数变化对其动态特性的影响，并对实验结果进行分析和解释；4.2能够基于科学原理，采用科学方法对自动控制系统中的测量、控制、执行等单元制定实验方案，并对实验结果进行分析和解释实验1典型环节的电路模拟实验5继电型非线性系统的性能分析模拟电路实验实验操作实验报告6.理解实验任务要求，根据基本原理熟练应用模拟电路建立线性和非线性系统模型，验证系统的动态和稳态性能，设计综合性控制方案，并对相关实验结果进行归纳与分析。4.3能够综合运用自动化专业知识，对自动控制系统中的综合性问题设计实验方案，并对实验结果进行整理、归纳和分析实验2二阶系统和高阶系统的瞬态响应和稳定性分析实验3线性定常系统的几种常用串联校正设计方法实验4控制系统的综合性设计与实现实验6离散采样控制系统分析模拟电路实验实验操作课外仿真实训结果实验报告7.能熟练利用Matlab仿真软件，进行控制系统的动态性能、稳态性能分析和控制系统的校正分析，明确与实际控制系统的区别和联系，为实际控制系统设计奠定基础。5.3能够使用计算机仿真工具，对复杂工程中的自动控制问题进行模拟或预测，并且能够理解计算机仿真与实际工程的联系和区别课外MATLAB仿真实训课外仿真实训仿真技能课外仿真实训结果8.通过全班学生分组，讨论自动控制系统的建模、分析和设计问题，能够比较各种控制系统性能和设计方案的优劣，进一步提升团结协作、分析问题和解决问题的能力。9.1具备良好的身体素质，健康的心理状态,能主动与团队成员沟通合作，高效完成团队分配的任务。课堂讨论分组讨论网络讨论学生互评教师点评课堂讨论成绩记录三、课程教学基本内容第1章自动控制系统的一般概念1.1熟练掌握自动控制系统的基本原理和方式1.2掌握自动控制系统的分类1.3理解对自动控制系统的基本要求1.4讨论日常生活和工程项目中自动控制系统实例的简单原理和控制结构；完成网络在线学习：知识点1.自动控制系统的基本原理、知识点2.自动控制系统的分类与基本要求、知识点3.自动控制的历史和发展教学要求：能够描述一个实际控制系统的工作原理，识别控制系统的被控对象、输入量、输出量、反馈量和扰动量；能够识别系统的控制方式，并说明其特点；能够识别系统的特征：线性、非线性，时变、时不变，连续、离散，单输入单输出、多输入多输出，恒值、随动等；明确控制系统性能的基本要求。第2章控制系统的数学模型2.1理解控制系统的时域数学模型2.2熟练掌握控制系统的复域数学模型2.3熟练掌握控制系统的结构图和信号流图2.4讨论控制系统各类模型转换的基本要素和等价性；2.5利用MATLAB工具建立控制系统的各类模型（课外）完成实验项目1：典型环节的电路模拟完成网络在线学习：知识点1.控制系统的数学模型、知识点2.传递函数的基本概念与性质、知识点3.控制系统的结构图与绘制、知识点4.结构图的等效变换和简化、知识点5.控制系统传递函数、知识点6.信号流图和梅森增益公式教学要求：能够对简单的电路系统、机械系统等根据其电路原理和力学原理列写系统的微分方程；熟练利用拉普拉斯变换法求解线性定常系统微分方程；能够利用泰勒级数将非线性系统在平衡点处线性化；能够解释传递函数的定义、明确传递函数的性质和适用范围；能够熟练写出各典型基本环节的传递函数；能够根据系统结构图的等效变换求解系统的传递函数；能够利用信号流图和梅森公式求解系统的传递函数。第3章线性系统的时域分析法3.1理解线性系统时间响应的性能指标3.2掌握一阶系统的时域分析3.3熟练掌握二阶系统的时域分析3.4了解高阶系统的时域分析3.5熟练掌握线性系统的稳定性分析3.6熟练掌握线性系统的稳态误差计算3.7分析讨论控制系统的各种稳态误差定义和计算3.8利用MATLAB工具分析控制系统的动态和稳态时域性能（课外）完成实验项目2：二阶系统和高阶系统的瞬态响应和稳定性分析完成网络在线学习：知识点1.系统的时域响应与性能指标、知识点2.一阶系统的时域响应与性能指标、知识点3.二阶系统的单位阶跃响应、知识点4.二阶系统阶跃响应的性能指标、知识点5.高阶系统的时域响应、知识点6.线性定常系统的稳定性及劳斯判据(1)、知识点7.线性定常系统的稳定性及劳斯判据(2)、知识点8.控制系统的稳态误差-稳态误差的计算、知识点9.控制系统的稳态误差-稳态误差的消除教学要求：能够分析一阶系统在典型输入信号作用下的输出响应，并通过一阶系统的单位阶跃响应分析计算其性能指标；明确不同阻尼比时二阶系统的闭环极点的位置和其单位阶跃响应，并计算欠阻尼时系统的动态性能指标和结构参数；明确线性系统稳定的充要条件，并熟练利用劳斯判据判断系统的稳定性；能够利用静态误差系数法、拉普拉斯变换的终值定理分析、讨论计算和减小或消除稳态误差的方法；第4章线性系统的根轨迹法4.1理解根轨迹方程4.2熟练掌握根轨迹绘制的基本法则4.3理解广义根轨迹4.4掌握控制系统的根轨迹法分析4.5讨论利用根轨迹法分析磁盘驱动读取系统的稳定性和动态性能4.6利用MATLAB工具绘制控制系统的根轨迹并分析根对系统性能的影响（课外）完成网络在线学习：知识点1.根轨迹的基本概念、知识点2.绘制根轨迹的基本规则(1)、知识点3.绘制根轨迹的基本规则(2)、知识点4.广义根轨迹、知识点5.根轨迹法分析系统性能、知识点6.增加开环零、极点对控制系统性能的影响教学要求：能够熟练掌握并灵活利用根轨迹方程的幅值条件和相角条件、根轨迹绘制的基本规则绘制一般根轨迹、参数根轨迹和零度根轨迹；能够利用根轨迹方程以及闭环主导极点分析系统的动态性能和稳定性。第5章线性系统的频域分析法5.1理解频率特性5.2理解典型环节和开环频率特性5.3熟练掌握奈奎斯特稳定判据5.4掌握稳定裕量5.5理解闭环频率特性5.6了解系统时域指标估算5.7讨论奈氏判据和系统的相对稳定性指标5.8利用MATLAB工具绘制控制系统的Bode图（课外）完成网络在线学习：知识点1：频率特性的基本概念、知识点2：频率特性的计算与图示、知识点3：典型环节的频率特性、知识点4：奈奎斯特(Nyquist)图的绘制、知识点5：伯德(Bode)图的绘制、知识点6：最小相位系统与非最小相位系统、知识点7：传递函数的实验法、知识点8：奈奎斯特稳定判据、知识点9：稳定裕量的定义、表示与计算、知识点10：频率特性与系统性能的关系教学要求：能够熟练画出典型环节的奈氏图和Bode图；能够利用三点法和分段叠加法绘制控制系统的开环奈氏图和开环Bode图；能够根据系统的频率特性确定系统传递函数；能够利用奈氏稳定判据判断系统的稳定性；能够分析并计算系统的稳定裕量；能够分析闭环频率特性和系统动态性能之间的关系。第6章线性系统的校正方法6.1理解校正的基本概念和方法6.2熟练掌握串联校正6.2理解基本PID控制器参数调节和实现方法6.3掌握期望频率特性法校正6.4理解反馈校正和复合校正6.5讨论串联滞后校正和串联超前校正方法的联系和区别6.6利用MATLAB工具对控制系统进行串联校正设计（课外）完成实验项目3：线性定常系统的几种常用串联校正设计方法完成实验项目4：控制系统的综合性设计与实现完成网络在线学习：知识点1.校正的基本概念和方法、知识点2.串联超前校正、知识点3.串联超前校正设计及实例分析、知识点4.串联滞后校正及实例分析、知识点5.串联滞后超前校正及实例分析、知识点6.期望特性校正及实例分析、知识点7.PID控制器及设计分析、知识点8.反馈校正的基本原理、知识点9.复合校正及实例分析教学要求：能够比较各种校正方法的特点和设计原则的区别，针对控制系统具体特征、稳态和动态性能要求能够选择和设计合适的校正方案，并求出校正环节的传递函数形式及其控制器实现。第7章非线性系统分析7.1理解非线性控制系统的特征7.2熟练掌握描述函数法7.3掌握相平面法7.4讨论描述函数法和相平面法分析系统的稳定性和自激振荡7.5利用MATLAB工具绘制非线性系统的相平面图，分析自激振荡现象（课外）完成实验项目5：继电型非线性系统的性能分析完成网络在线学习：知识点1.非线性系统定义与特征、知识点2.典型非线性特性分析、知识点3.描述函数的定义与求法、知识点4.组合非线性特性的描述函数计算、知识点5.描述函数法分析非线性系统稳定性、知识点6.相平面法的基本概念和绘制方法、知识点7.奇点和奇线、知识点8.相平面法分析非线性系统示例教学要求：能够分析饱和、死区、继电等几类常见非线性特征；能够绘制非线性系统描述函数的负倒特性曲线，并分析非线性系统的稳定性和自激振荡；能够确定二阶非线性系统的奇点并确定奇点的类型；能够利用等倾线法绘制非线性系统的相轨迹。第8章线性离散系统的分析8.1理解离散系统的基本概念8.2掌握Z变换理论8.3掌握离散系统的数学模型8.4熟练掌握离散系统的稳定性和稳态误差8.5理解离散系统的动态性能分析8.6讨论磁盘驱动读取数字控制系统的分析和设计8.7利用MATLAB工具建立离散系统的模型并分析其稳态和动态性能（课外）完成实验项目6：离散采样控制系统分析完成网络在线学习：知识点1.信号采样与采样控制系统、知识点2.Z变换及其性质、知识点3.常系数差分方程求解、知识点4.脉冲传递函数、知识点5.离散系统稳定性分析、知识点6.离散系统的稳态误差、知识点7.离散系统动态性能分析教学要求：能够利用z变换法求解闭环系统的脉冲传递函数；能够判断离散系统的稳定性；能够分析并计算离散系统的稳态误差。四、课程考核方式1.《自动控制原理》课程（江南大学卓越课程）是考试课，期末考试方式采用闭卷考试。2.考核形式及评分标准除期末考试以外，本课程还有实验、仿真实训、平时作业、课程讨论、网络学习等考核形式，评分标准如下。表格4-1作业评分标准A90-100B80-89C70-79D60-69E0作业严格按要求并及时完成，逻辑性强，正确率至少90%，没有抄袭情况。（依据作业书写工整清晰程度、正确率大小酌情给分）作业严格按要求并及时完成，正确率80%至89%，没有抄袭情况。（依据作业书写工整清晰程度、正确率大小酌情给分）作业按要求并及时完成，正确率70%至79%，没有抄袭情况。（依据作业书写工整清晰程度、正确率大小酌情给分）作业迟交，或正确率60%至69%，或完成率60%至69%，老师指出后改正态度端正并补充完成。没有抄袭情况。（依据作业完成态度、正确率大小酌情给分）作业有抄袭或部分抄袭、或正确率60%以下、或完成率60%以下表格4-2实验和仿真实训评分标准90-10080-8970-7960-6950-59技能娴熟、结果正确结果正确、速度有待提高按时完成，结果不完全正确没有按时完成，结果不正确缺席或结果完全不正确表格4-3课堂讨论评分标准90-10080-8970-7960-6950-59思路清晰、条理分明，能够清晰描述问题或陈述观点；能够提出一种或多种解决方案；能够正确、合理地和听众进行沟通，交流。能够正确阐述问题或陈述观点，能够提出一种正确的解决方案，但缺乏条理。和听众沟通顺利。能够提出一种正确的解决方案，但阐述问题或陈述观点不够清楚，缺乏条理，表述有缺陷。阐述问题或陈述观点缺乏条理，提出的方案不完全可行，通过交流和沟通能够得到纠正。不能提出正确的解决方案，不能有逻辑性地表达个人观点。表格4-4网络学习评分标准100分70分0分获得中国大学MOOC网站颁发的江南大学《自动控制原理》课程学习优秀证书。获得中国大学MOOC网站颁发的江南大学《自动控制原理》课程学习合格证书。未完成网络学习，未获得中国大学MOOC网站颁发的江南大学《自动控制原理》课程学习合格证书。3.课程总评成绩采用百分制，成绩的具体计算方式为：平时成绩40%（课堂讨论10%，课外仿真实训10%，课外作业10%，网络课外在线学习10%），模拟电路平台实验成绩10%，期末考试50%。中国大学MOOC学习网站《自动控制原理课程》共有58个知识点视频，一学期内安排8次单元测验（每次20题，每题5分），4次作业（每次5题，每题20分），期末测验考试1次（每次20题，每题5分），网络讨论（每章至少回复2个讨论题，回复内容至少被5个人点赞，一学期至少发起2个讨论），最后网络学习总评成绩具体计算方式为：8次单元测验40%，4次作业20%，讨论回复10%，考试30%。五、学时分配表教学内容讲课时数实验时数实践学时上机时数自学时数习题课讨论时数第一章自动控制系统的一般概念22第二章控制系统的数学模型622第三章线性系统的时域分析法424第四章线性系统的根轨迹法42第五章线性系统的频域分析法62第六章线性系统的校正方法644第七章非线性系统分析622第八章线性离散系统的分析622合计401220总计72六、参考教材主教材：1.潘丰,徐颖秦主编.自动控制原理(第2版)[M]，北京:机械工业出版社，2015.2.潘丰,徐颖秦主编.自动控制原理学习辅导与习题解答(第2版)[M]，北京:机械工业出版社，2015.参考教材：1.胡寿松.自动控制原理（第五版）[M].北京:科学出版社，2007.2.胡寿松.自动控制原理简明教程[M].北京:科学出版社，2005.3.王划一等.自动控制原理[M].北京:国防工业出版社,2001.4.[美]KatsuhikoOgata著，杨艳娟缩编.ModernControlEngineering(FourthEdition)[M].北京：电子工业出版社,2007.5.胡寿松.自动控制原理习题解析[M].北京:科学出版社，2007.6.邹伯敏.自动控制理论(第3版)[M].北京:机械工业出版社，2008.七、有关说明先修课程：数学（含高等数学、线性代数、复变函数与积分变换等）、电路理论（无源网络计算方法等）、电子技术基础（含模拟电子技术和数字电子技术等）、大学物理等。后续课程：运动控制系统，过程控制系统，计算机控制系统，为其提供所应用的分析、设计的基本理论和方法。学生自学部分的内容与要求：通过自控原理的学习，培养学生的辩证思维能力，树立理论联系实际的科学观点和提高综合与分析问题的能力，使学生在定性分析能力、定量估算能力、综合运用能力以及初步联系工程实际能力等方面有所提高。本课程的特点是理论性强，数学要求高，密切联系工程实际。为了巩固和加深所学知识，培养学生分析和解决实际问题的能力，以课内外问题研讨和计算机编程模拟实训等形式，训练学生必要的计算和编程技能具有一定的必要性。是否双语教学：否双语教学的要求与比例：10%MOOC在线学习网址：/course/JIANGNAN-1001754300其他需要说明的事项：本课程根据学生的作业、课堂讨论、课外实践与辅导和实验成绩等，以及学生、教学督导的反馈情况，及时更新每年的课后作业要求或课外辅导内容，并对教学中不足之处进行改进，并在下一轮课程教学中持续改进提高，确保相应毕业要求指标点达成。时数总时数讲课讨论课实验实践设计考试考查教学计划上时数7242228实给时数7242228√教学日历学年第1学期课程_自动控制原理_院、系__物联网学院_专业__自动化_年级班号周次教学进程安排讲课时数实验时数讨论时数教学内容(分章、题目名称和大型作业)名称22讨论1：2第2章线性系统的数学模型§2-1时域模型；2§2-2复域模型；2§2-3结构图；§2-4信号流图和梅逊公式2讨论2：不同类型系统数学模型的相似性，习题分析。2控制系统的时域分析法§3-1时域响应及性能指标；§3-2一阶系统性能分析；2§3-3二阶及高阶系统分析；2讨论3：参数变化对系统动态性能的影响。2§3-3稳定性分析；§3-4稳态误差分析2讨论4：参数变化对系统稳定性及稳态性能的影响；习题分析。2实验一、典型环节模拟研究2第4章线性系统的根轨迹法§4-1基本概念；§4-2绘制法则；2实验二、典型系统动态性能分析2§4-3根轨迹分析法2讨论5：增加零极点对系统根轨迹图及系统性能的影响，习题讨论。2第5章控制系统的频域分析法§5-1频率特性；§5-2乃氏图；2§5-3Bode图；2讨论6：分析讨论Bode图与系统性能的关系。2§5-4乃氏稳定判据；§5-5相对稳定性；§5-6传递函数的实验确定2讨论7：系统相对稳定性的影响因素；习题讨论。2第6章控制系统的校正§6-1概述；§6-2校正装置及其特性；2§6-3频率法串联校正2讨论8：三种串联校正的特点、作用及应用，习题讨论。2§6-4工程法串联校正；2讨论9：工程法校正的应用实例分析。2实验三、系统校正研究；2第7章非线性系统分析§7-1非线性系统概述；2§7-2描述函数法；2讨论10：典型非线性特性及其应用。习题讨论。2§7-3相平面法。2实验四、典型非线性环节研究2第8章线性离散系统的分析§8-1离散系统概述；§8-2信号的采样与复现；2§8-3离散系统的数学模型2§8-4线性离散系统的性能分析2讨论11：脉冲传递函数和离散系统的性能分析，习题讨论。考试4282272注：1.每次课堂讨论的内容仅作参考，可根据上课情况及学生