自动控制原理课程教案

自动控制原理课程教案一、课程概述课程名称：自动控制原理课程性质：专业基础课适用对象：自动化、电气工程及其自动化、机械工程及其自动化、测控技术与仪器等相关专业本科生先修课程：高等数学、线性代数、复变函数与积分变换、大学物理、电路原理、模拟电子技术基础课程目标：本课程旨在使学生掌握自动控制的基本概念、原理和方法，培养学生分析和设计自动控制系统的基本能力。通过本课程的学习，学生应能理解控制系统的构成与分类，掌握数学模型的建立方法，运用时域分析法、频域分析法对线性定常系统的稳定性、动态性能和稳态性能进行分析，并初步具备设计简单校正装置以改善系统性能的能力。同时，培养学生运用工程思维解决实际控制问题的素养，为后续专业课程学习和工程实践奠定坚实基础。二、课程教学内容与学时分配第一章：绪论(建议学时：3)1.自动控制的基本概念：什么是自动控制，自动控制技术的应用与发展。2.自动控制系统的基本组成：被控对象、控制器、执行机构、测量变送装置。3.自动控制系统的基本控制方式：开环控制、闭环控制（反馈控制）、复合控制。4.对控制系统的基本要求：稳定性、快速性、准确性（稳、快、准）。5.控制系统举例及分类：按控制方式、按元件类型、按系统性能、按输入信号形式等。第二章：控制系统的数学模型(建议学时：6-8)1.引言：数学模型的概念与作用，建立数学模型的方法。2.控制系统的微分方程：线性系统与非线性系统，由系统机理建立微分方程，线性化方法（小偏差法）。3.传递函数：定义与性质，典型环节的传递函数（比例、积分、微分、惯性、振荡环节）。4.控制系统的方框图：方框图的组成与绘制，方框图的等效变换法则，方框图的化简。5.信号流图与梅森公式：信号流图的组成与绘制，梅森增益公式及其应用。第三章：线性系统的时域分析法(建议学时：8-10)1.系统时间响应的性能指标：典型输入信号，动态性能指标（上升时间、峰值时间、调节时间、超调量），稳态性能指标（稳态误差）。2.一阶系统的时域分析：数学模型，单位阶跃响应，性能指标计算。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），性能指标与系统参数的关系，改善二阶系统性能的措施。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.线性系统的稳态误差分析：稳态误差的定义与计算，系统类型与静态误差系数（位置、速度、加速度误差系数），减小稳态误差的方法。第四章：线性系统的根轨迹法(建议学时：6-8)1.根轨迹的基本概念：根轨迹定义，根轨迹与系统性能的关系。2.根轨迹绘制的基本法则：起点、终点、分支数、对称性、渐近线、分离点与汇合点、与虚轴交点、根轨迹的走向（幅值条件与相角条件的应用）。3.广义根轨迹：参数根轨迹，零度根轨迹。4.根轨迹法分析系统性能：稳定性、动态性能、稳态误差的估算。第五章：线性系统的频域分析法(建议学时：8-10)1.频率特性的基本概念：频率特性定义，频率特性的表示方法（幅相频率特性、对数频率特性）。2.典型环节的频率特性：各典型环节的Nyquist图和Bode图。3.控制系统开环频率特性的绘制：Nyquist图绘制，Bode图绘制（渐近线法）。4.频域稳定判据：Nyquist稳定判据（原理、表述及应用），对数频率稳定判据。5.系统性能的频域指标：相位裕度、幅值裕度，频域指标与时域指标的关系。6.闭环频率特性与系统性能：谐振峰值、谐振频率、带宽，闭环频域指标。第六章：控制系统的校正与设计(建议学时：6-8)1.系统校正的基本概念：校正的目的与方式，性能指标的确定。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（传递函数、频率特性、实现）。3.串联校正设计：根轨迹法设计串联校正，频率法设计串联校正（期望开环频率特性法）。4.反馈校正与前馈校正：反馈校正的特点与作用，前馈校正的原理与应用。5.控制系统设计举例。第七章：离散控制系统初步(建议学时：4-6)1.离散控制系统的基本概念：采样过程与采样定理，保持器。2.z变换与z反变换：z变换定义与性质，典型信号的z变换，z反变换方法。3.离散系统的数学模型：脉冲传递函数，离散系统的方框图分析。4.离散系统的稳定性分析：z平面与s平面的映射关系，Jury稳定判据。5.离散系统的动态性能与稳态误差分析。三、教学方法与手段1.课堂讲授：以多媒体课件为主，结合板书推导，清晰阐述基本概念、原理和方法。注重理论联系实际，通过工程实例引入和解释抽象概念。2.互动讨论：适时设置提问环节，鼓励学生思考，组织课堂讨论，激发学习主动性。3.习题与案例分析：通过典型习题演练巩固所学知识，结合综合性案例分析，培养学生运用理论解决实际问题的能力。4.实验教学：结合自动控制原理实验课程，安排典型控制系统的物理实验（如二阶系统阶跃响应、RC电路频率特性测试等）和计算机仿真实验（基于MATLAB/Simulink平台），加深对理论知识的理解和应用能力。5.课程设计/大作业：布置小型控制系统设计或综合分析类大作业，培养学生综合运用知识、查阅资料和独立解决问题的能力。6.课后辅导与答疑：定期安排固定时间进行课后辅导和答疑，及时解决学生学习中遇到的困难。四、考核方式1.平时成绩（30%-40%）：包括作业完成情况、课堂出勤与表现、实验报告、阶段性测验等。2.期末考试（60%-70%）：闭卷笔试，全面考察学生对课程基本概念、基本原理和基本方法的掌握程度，以及综合运用知识分析和解决问题的能力。题型可包括选择题、填空题、简答题、分析计算题、设计题等。五、教学重点与难点1.教学重点：*控制系统数学模型的建立（特别是传递函数和方框图化简）。*线性系统的稳定性分析（劳斯判据、Nyquist判据）。*系统动态性能与稳态性能的分析计算。*根轨迹法与频域分析法的基本原理及应用。*基本校正装置的特性及校正设计思路。2.教学难点：*传递函数的物理意义及方框图化简技巧。*稳定性判据的理解与灵活应用。*根轨迹绘制法则的综合运用及对系统性能的影响分析。*频率特性的物理概念，Nyquist稳定判据的物理本质。*校正装置的设计思路与参数整定，系统性能的综合权衡。六、建议教材与参考资料*建议教材：*《自动控制原理》（第七版），胡寿松主编，科学出版社。*或其他国内主流自动控制原理教材（如程鹏、孙优贤等编著版本）。*参考资料：*《ControlSystemsEngineering》(NormanS.Nise)，国外经典教材，可作为深入理解和拓宽视野之用。*《自动控制原理学习辅导与习题解答》（对应教材配套辅导书）。*相关学术期刊与会议论文，了解自动控制领域的前沿动态。七、课程寄语自动控制原理是一门理论性与实践性均很强的课程，其概念抽象，数学工具应用较多。学习过程中，希望同学们能够：1.勤于思考，理解本质：不仅要记住公式和结论，更要理解其背后的物理意义和数学推演过程。2.注重基础，循序渐进：各章节内容联系紧