自动控制理论课程教学大纲

自动控制理论课程教学大纲

课程名称：自动控制理论

英文名称：AutomaticControlTheory

课程编号：

学时数；96

其中实验学时数：16课外学时数：0

学分数：6.0

适用专业：测控技术与仪器

一、课程的性质和任务

自动控制理论是测控技术与仪器专业的专业基础课，是该专业的学生进行控制系统分

析和设计最基本的理论基础。本课程主要讲授经典控制理论及现代控制理论基础的主要内

容，它包括经典理论的三种分析方法，即时域法，根轨迹法和频域法，以及现代控制理论

的状态空间法。并在此基础上，进一步讲授控制系统的经典设计方法与状态空间设计方

法，即系统的设计与综合，并简单介绍离散系统和非线性系统的分析设计方法的基本思

想。学习该课程的目的在于培养学生在生产实际中的分析问题与解决问题的能力，培养学

生分析、设计控制系统的能力。该课程为运动控制系统、计算机控制技术、智能控制理论

等多门后继课程打下了必需的理论基础。

二、课程教学内容的基本要求、重点和难点

1.自动控制的一般概念

基本要求：要求理解和掌握下面基本概念：反馈、开环控制、闭环控制、控制器、被控

对象；让学生了解控制系统的基本性能要求。

2.控制系统的数学模型

基本要求：掌握电路系统及力学系统的数学模型一微分方程的建立、典型元部件的传递

函数的求取、结构图的绘制，以及由结构图等效变换求传递函数、由梅逊公式求传递函数的

方法。并要求掌握由微分方程、传递函数及结构图建立控制系统的状态空间描述、画状态变

量图，以及将状态方程化为规范型的方法。

重点：系统传递函数的求取、状态空间模型的求取、以及对角和约当规范型。

难点：结构图等效变换：梅逊公式及其意义：将状态方程化为规范型.

3.线性系统的时域分析法

基本要求：了解时域性能指标的定义，掌握并熟练掌握一阶和二阶系统性能指标的求取

及二阶系统性能改善的方法，了解并理解高阶系统动态性能指标的分析方法、主导极点的概

念。熟练掌握劳斯稳定判据及其应用，稳态误差的分析与计算，减小或消除稳态误差的方法。

重点：二阶系统动态性能估算，稳定性分析方法及稳态误差计算方法。

难点：二阶系统性能改善的方法及扰动作用下减小或消除稳态误差的措施。

4.线性系统的根轨迹法

基本要求：了解并理解根轨迹的概念，根轨迹方程，熟练掌握绘制根轨迹的基本法则（常

规根纨迹、零度根就迹及参数根轨迹），掌握川根轨迹法分析系统的基本方法。

重点：用根轨迹分析系统。

难点：用根轨迹法设计系统参数。

5.线性系统的频域分析法

基本要求：了解频域特性的物理意义，掌握系统频率特性的图文表示方法（开环幅相曲

线、对数频率特性曲线），熟练掌握奈氏判据，稳定裕度，以及用频域特性分析控制系统性

能的方法。

重点：频率特性的物理意义及图文表示方法；奈氏判据应用及稳定裕度的确定。

难点：开环幅相曲线、对数频率特性曲线的概略绘制，对应系统传递函数的确定，及用

频率法分析系统性能。

6.线性控制系统的状态空间分析法

基本要求：掌握线性控制系统的时域分析法，包括线性定常系统的自由运动、矩阵指数

的计算方法、线性定常系统的受控运动：掌握系统稳定性分析方法，包括李雅普诺夫意义卜

的稳定性、李雅普诺夫稳定性定理、线性系统的李雅普诺夫稳定性分析方法；正确理解系统

能控性与能观性的基本概念与判据，熟练掌握能控标准型与能观标准型，对偶原理，规范分

解。

重点：状态转移矩阵和线性定常系统状态方程的求解方法；线性系统的李雅普诺夫稳定

性分析方法；系统能控性与能观性的基本概念与判据；能控标准型与能观标准型。

难点：线性定常系统的受控运动；李雅普诺夫稳定性分析；能控标准型与能观标准型的

转化。

7.线性控制系统的设计方法

基本要求：了解并掌握经典理论的校正方法，包括频率法校正，期望频率特性法校正，

反馈校正，复合控制校正。掌握现代控制理论基本设计方法-一状态反馈系统的极点配置法,

状态重构问题，观测器的极点配置，带观测器的闭环反馈系统设计。

重点：串联超前校正网络的设计与实现，期望频率特性法校正，状态反馈系统的极点配

置法。

难点：串联超前、滞后校正网络的设计，带观测器的闭环反馈系统设计。

8.线性离散系统分析方法

基本要求：理解信号的离散化与保持器作用，掌握Z变换定理，脉冲传递函数的求法，

了解离散系统的稳定性与稳态误差分析方法。

重点：开环、闭环脉冲传递函数的求取。

难点：采样过程的描述，闭环脉冲传递函数的求法。

9.非线性控制系统分析方法

基本要求：了解非线性系统的相平面分析法，掌握描述函数法，会用描述函数法分析非

线性系统的稳定性及自振参数的确定。

重点：用描述函数法分析非线性系统的稳定性及自振参数的确定。

难点：描述函数的确定。

三、教学方式及学时分配

本课程教学方式主要分为理论和实验教学两部分，采用以基础理论的讲授为.主，实验作

为辅助手段，主要帮助学生加深对所讲内容的理解，掌握所学知识的应用。再通过课内习题

课和课内、课外一定数量的辅导与练习，提高学生的分析问题、解决问题的能力，达到理解、

掌握、巩固所学理论知识的目的。

主要教学辅导

主要内容

号学时答疑比例

方式分

配

-1.自动控制的一般概念讲授22:1

讲授及

-2.控制系统的数学模型122:1

练习

讲授及

二3.线性系统时域分析法102:1

练习

实验一二阶系统的阶跃

实验4

响应分析

讲授及

4.线性系统的根轨迹法82:1

-练习

实验二控制系统根轨迹

实验4

的计算机辅助分析

5.线性系统的频域分析讲授及

102:1

法练习

实验三频域法的计算机

)实验4

辅助分析

6.线性控制系统的状态讲授及

)122:1

空间分析法练习

7.线性控制系统的设计讲授及

-142:1

方法练习

实验四线性控制系统的

实验4

―•设计与仿真

8.线性离散系统的分析讲授62:1

9.非线性控制系统分析

讲授62:1

方法简介

合计96

四、课程其他教学环节要求

本课程要求在理论教学方面，重点讲授以三种经典分析方法为基础的线性连续定常单

输入单输出系统的分析和综合的基本理论和以状态空间法为基础的现代控制理论，粗略讲

授采样系统和非线性系统的分析方法。在授课过程中，应有一定的习题课或讨论课，作业

要有一定的量（每次课可留1-2道习题），在课后加强辅导，以使学生更好地掌握所学内

容；实验要求学生认真做，上交实验报告。对于作业及实验未完成者不得参加考试。

五、本课程与其他课程的联系

本课程的先修课程为高等数学、复变函数、线性代数、模拟电子技术、数字电子技术和

电路原理，后续课程有计算机控制技术、运动控制系统,智能控制导论。

六、教学参考书目

1、《自动控制原理》第五版胡寿松主编科学出版社2007.6

2、《自动控制原理》