自动控制原理教学大纲

自动控制原理教学大纲一、课程名称自动控制原理(PrinciplesofAutomaticControl)二、课程代码[此处填写课程代码]三、适用专业[例如：自动化、电气工程及其自动化、机械工程、测控技术与仪器等，根据实际情况填写]四、先修课程高等数学（微积分、微分方程）、线性代数（矩阵理论初步）、复变函数与积分变换、电路原理、理论力学/工程力学（部分专业）五、课程性质与学分专业基础课，必修课，[建议学分：3-4学分，具体根据学时安排确定]六、课程简介自动控制原理是研究自动控制共同规律的技术科学，是自动化类及相关专业的一门重要专业基础课程。本课程旨在阐述自动控制系统的基本概念、数学模型、分析方法和初步设计思路。通过本课程的学习，学生应能系统掌握经典控制理论的核心内容，包括时域分析法、根轨迹法和频域分析法，并能运用这些理论和方法分析控制系统的稳定性、动态性能和稳态性能，初步具备对简单控制系统进行校正设计的能力。同时，培养学生运用工程思维解决实际控制问题的能力，为后续专业课程的学习和未来从事控制领域的工程实践奠定坚实基础。七、课程目标（一）知识目标1.深刻理解自动控制的基本概念，包括系统、反馈、开环与闭环控制、性能指标等。2.熟练掌握线性定常系统的数学模型建立方法，包括微分方程、传递函数、动态结构图及信号流图。3.掌握时域分析法，能分析系统的稳定性、动态性能（超调量、调节时间、峰值时间等）和稳态误差。4.掌握根轨迹法的基本原理和绘制规则，能运用根轨迹分析系统参数变化对闭环极点分布及系统性能的影响。5.掌握频率特性的基本概念，能绘制系统的Nyquist图和Bode图，并运用频域分析法分析系统稳定性（Nyquist稳定判据）和性能（稳定裕度、频域性能指标）。6.理解控制系统校正的基本思想和常用校正装置的特性，初步掌握串联校正（超前、滞后、滞后-超前）的设计方法。7.初步了解离散控制系统的基本概念、数学描述（Z变换、脉冲传递函数）及稳定性分析方法。（二）能力目标1.具备对简单物理系统（如机电、热力、流体等）建立数学模型的能力。2.能够运用时域法、根轨迹法和频域法对线性控制系统的性能进行分析和评估。3.初步具备根据系统性能指标要求，选择合适的校正方案并进行参数设计的能力。4.掌握运用MATLAB/Simulink等仿真工具进行控制系统建模、分析与仿真的基本技能。5.培养分析问题、解决问题的逻辑思维能力和工程实践能力。6.培养查阅文献、自主学习及团队协作的初步能力。（三）素养目标1.培养严谨求实的科学态度和精益求精的工程素养。2.树立系统观念，理解控制理论在工程实践中的广泛应用及其重要性。3.激发对控制科学与技术的学习兴趣和探索精神。八、教学内容与学时分配（总学时：[例如：64学时]，其中理论[例如：56学时]，实验/上机[例如：8学时]）第一章绪论(建议学时：2)1.自动控制的基本概念与发展简史2.自动控制系统的实例分析（如温度控制、位置控制等）3.自动控制系统的基本组成与分类（开环、闭环；线性、非线性；定常、时变等）4.对自动控制系统的基本要求（稳、准、快）5.本课程的主要内容与学习方法第二章控制系统的数学模型(建议学时：8)1.引言：数学模型的概念与作用2.线性定常系统的微分方程：建立方法（机理分析法）、线性化方法（小偏差法）3.传递函数：定义、性质、零极点形式、典型环节的传递函数4.动态结构图：组成单元、绘制规则、等效变换与化简5.信号流图与梅森公式：信号流图的组成、梅森公式及其应用6.系统建模实例与MATLAB辅助建模初步第三章线性系统的时域分析法(建议学时：8)1.典型输入信号与时域性能指标2.一阶系统的时域分析：数学模型、单位阶跃响应、性能指标3.二阶系统的时域分析：数学模型、单位阶跃响应（欠阻尼、临界阻尼、过阻尼、无阻尼）、性能指标计算与影响因素4.高阶系统的时域分析：主导极点的概念、高阶系统响应的近似分析5.线性系统的稳定性分析：稳定性的基本概念、劳斯（Routh）稳定判据（必要条件、充分条件、应用及特殊情况处理）6.系统的稳态误差分析：误差定义、稳态误差计算（静态误差系数法）、影响稳态误差的因素及减小误差的途径第四章线性系统的根轨迹法(建议学时：6)1.根轨迹的基本概念：定义、根轨迹方程、模值条件与相角条件2.绘制根轨迹的基本规则（常规根轨迹，180°根轨迹）3.广义根轨迹（参数根轨迹、零度根轨迹）简介4.利用根轨迹分析系统性能：稳定性、动态性能、稳态性能与闭环极点位置的关系5.基于根轨迹的参数调整与MATLAB辅助绘制根轨迹第五章线性系统的频域分析法(建议学时：10)1.频率特性的基本概念：定义、物理意义、表示方法（幅相频率特性、对数频率特性）2.典型环节的频率特性及Bode图绘制3.系统开环频率特性曲线（Nyquist图、Bode图）的绘制方法4.Nyquist稳定判据：幅角原理、Nyquist判据的表述与应用5.系统的相对稳定性：相位裕度与幅值裕度的定义、计算及在Bode图上的表示6.频域性能指标与时域性能指标的关系7.利用Bode图分析系统性能及MATLAB辅助频域分析第六章控制系统的校正(建议学时：8)1.校正的基本概念：性能指标、校正方式（串联校正、反馈校正、前馈校正等）、校正装置的作用2.常用校正装置及其特性：超前校正、滞后校正、滞后-超前校正装置的传递函数、频率特性及特点3.串联校正设计：基于根轨迹法的串联校正、基于频域法（Bode图）的串联校正（超前、滞后、滞后-超前校正的设计步骤）4.反馈校正简介：反馈校正的特点与作用5.校正设计实例与MATLAB辅助校正设计第七章离散控制系统初步(建议学时：6)1.离散控制系统的基本概念：采样过程、采样定理、保持器2.Z变换：定义、性质、典型信号的Z变换、Z反变换3.离散系统的数学模型：差分方程、脉冲传递函数4.离散系统的时域分析：单位阶跃响应、性能指标5.离散系统的稳定性分析：Z域稳定条件、朱利（Jury）稳定判据第八章非线性控制系统简介(建议学时：4，可选，根据专业需求调整)1.非线性系统的基本概念与常见非线性特性2.描述函数法：描述函数的定义、典型非线性特性的描述函数、利用描述函数分析非线性系统的稳定性（自持振荡的判断）3.相平面法：相轨迹的概念、绘制方法（等倾线法）、奇点分析、利用相平面分析简单非线性系统实验/上机环节(建议学时：8，可分散或集中安排)1.MATLAB/Simulink环境熟悉与基本操作2.控制系统数学模型的建立与仿真（传递函数、结构图）3.时域响应分析与性能指标测定4.根轨迹绘制与分析5.Bode图绘制与稳定性分析（稳定裕度）6.控制系统校正设计与仿真验证7.（可选）简单物理控制系统实验（如温度控制、位置伺服系统）九、教学方法与手段1.课堂讲授：以教师讲解为主，结合多媒体课件、板书推导，突出重点、难点。注重理论与实际的结合，引入工程实例。2.课堂讨论与互动：针对关键概念和问题，组织学生进行思考与讨论，激发学习主动性。3.案例分析：选取典型控制系统实例，引导学生运用所学理论进行分析，培养工程应用能力。4.实践教学：通过上机实验，使学生掌握MATLAB/Simulink等工具的使用，加深对理论知识的理解和应用。5.作业布置与批改：定期布置课后作业，及时批改与讲解，强化学生对知识点的掌握。6.习题课/答疑：针对学生学习中普遍存在的问题进行集中辅导和答疑。7.网络资源利用：推荐相关在线课程、文献资料，引导学生拓展学习。十、考核方式与成绩评定1.平时成绩（30%-40%）：包括课后作业完成情况、课堂出勤与表现、实验/上机操作及报告等。2.期末考试（60%-70%）：采用闭卷笔试形式，主要考查学生对基本概念、基本理论的理解和综合应用能力。题型可包括选择题、填空题、简答题、分析计算题、综合设计题等。3.成绩评定标准：平时成绩与期末考试成绩按比例加权求和，作为课程总评成绩。具体比例及评分细则可根据学校或院系要求调整。十一、推荐教材与参考资料1.推荐教材：*[胡寿松.自动控制原理（第七版）.科学出版社,2019.](或其他国内经典教材)*[RobertH.Bishop,RichardC.Dorf.ModernControlSystems(13thEdition).Pearson,2019.](或其他国外经典教材的影印版或译本)2.主要参考资料：*[其他经典自动控制原理教材，如：程鹏等.自动控制原理.高等教育出版社.]*[相关学术期刊与会议论文，了解控制理论前沿与应用。]*[MATLAB/Simulink官方文档及相关教程。]*[控制系统设计与分析的在线开放课程资源。]十二、课程说明与建议1.本课程理论性较强，数学推导较多，要求学生具备扎实的数学和物理基础。教学过程中应注重基本概念的阐释和数学工具的应用。2.强调理论联系实际，鼓励学生关注生活和工程中的控制现象，培养应用所学知识解决实际问题的能力。3.