自动控制原理 教学大纲（专升本）

《自动控制原理》教学大纲一、课程基本信息英文名称：IndustrialrobottechnologyandApplication课程编号：F212230404064s总学时：64 讲课学时：56 实践学时：8总学分：4课程类别：必修考核方式：考试适用对象：电气工程及其自动化专业开课学期：第二学期先修课程：电路、电子技术后续课程：变电站自动化技术、自动检测技术、工业组态控制参考书目：[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2018.[2]谭功全.自动控制原理[M].北京：北京大学出版社，2019.[3]卢京潮.自动控制原理[M].北京：清华大学出版社，2019.二、课程性质及目标本课程是电气工程及其自动化专业的专业基础核心课程，涉及高等数学、电路、电子技术、电机与拖动等相关知识。通过本课程的学习，学生理解自动控制系统几种数学模型建立的方法；熟悉自动控制系统的时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法，熟练应用自动控制系统三种基本校正方法，提高系统性能指标。熟练MATLAB软件在自动控制系统性能分析中的应用。课程目标1：掌握自动控制与自动控制系统的定义及特点，理解开环控制与闭环控制两种基本控制形式；课程目标2：理解非线性数学模型线性化，掌握自动控制系统几种数学模型建立的方法；课程目标3：熟悉自动控制系统的时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法，课程目标4：熟练应用自动控制系统三种基本校正方法，提高系统性能指标。

课程目标5：熟练MATLAB软件在自动控制系统性能分析中的应用。三、课程目标对培养要求的支撑课程目标培养学生能力支撑的专业培养要求课程目标1知识运用能力1.工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。课程目标2设计开发能力3.设计/开发解决方案：能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。课程目标3研究分析能力4.研究：能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。课程目标4研究分析能力4.研究：能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。课程目标5自主学习能力12.终身学习：具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。四、教学内容、教学方法和手段、学时分配知识单元一：自动控制基础知识支撑课程目标1（建议2学时）教与学要求：本知识单元要求学生掌握自动控制与自动控制系统的定义及特点，理解开环控制与闭环控制两种基本控制形式，了解自动控制理论的发展历程。教师通过多媒体讲授自动控制理论的基本知识，阐述相关概念。学生在课后通过查找资料补充和丰富课堂教学内容。★思政元素：结合自动控制发展，着重介绍我国近几年日新月异的技术改造与更新，中国工程技术人员艰苦奋斗不断攻坚克难，智能控制领跑全球，培养学生对专业、课程的热爱和为国家富强民族振兴服务的家国情怀。教与学方法：视频演示、讲授、课堂互动、课后练习知识点1：自动控制的基本原理与方式主要内容：了解自动控制原理的基本概念和发展过程；理解自动控制的基本组成；掌握自动控制系统的工作方式。知识点2：自动控制系统的分类主要内容：了解自动控制系统的分类；理解线性与非线性的区别；掌握闭环控制系统的组成知识点3：自动控制系统的基本要求主要内容：了解常用输入信号；理解稳态和动态的关系；掌握自动控制系统的稳态和动态性能要求。知识单元二：自动控制系统的数学模型支撑课程目标2、3（建议8学时）教与学要求：本知识单元要求学生理解非线性数学模型线性化，掌握线性系统微分方程建立的一般步骤，掌握拉普拉斯变换及应用，掌握传递函数的定义及特征，理解系统动态结构图的建立及系统传递函数和结构图的变换，了解信号流图的相关概念及应用。教师通过多媒体讲授数学模型的基本知识，阐述相关概念。学生在课后通过查找资料，完成作业，补充和丰富课堂教学内容，巩固所学知识。★思政元素：通过梅逊公式的讲解，经典控制理论由国外科学家创造，激励学生在现代控制领域努力学习，为祖国积极贡献力量，培养学生对专业、课程的热爱和为国家富强民族振兴服务的家国情怀。教与学方法：视频演示、讲授、课堂互动、课后练习知识点1：自动控制系统的微分方程的建立和拉普拉斯变换主要内容：了解典型元件微分方程的建立方法；理解控制系统时域数学模型的建立方法；掌握拉氏变换的定义和性质。知识点2：自动控制系统的传递函数主要内容：了解传递函数的定义；理解掌握传递函数的性质；掌握几种传递函数的意义和求取方法；掌握典型环节的传递函数。知识点3：自动控制系统的结构图与信号流图主要内容：了解结构图和信号流图的使用场合；理解结构图和信号流图的组成和区别；掌握利用梅逊增益公式求取控制系统传递函数。知识点4：自动控制系统建模实例主要内容：了解典型系统建模过程；理解典型系统的建模方法。重点：自动控制系统的微分方程，自动控制系统的传递函数难点：自动控制系统的传递函数知识单元三：自动控制系统的时域分析法支撑课程目标2、3（建议10学时）教与学要求：本知识单元要求学生掌握时域分析的一般方法；掌握一阶系统、二阶系统的阶跃响应，理解高阶系统的阶跃响应；会应用自动控制系统的代数稳定判据判断系统的稳定性；了解稳态误差的基本概念。教师通过多媒体讲授时域分析法的基本知识，阐述相关概念。学生在课后通过查找资料，完成作业，补充和丰富课堂教学内容，巩固所学知识。★思政元素：通过新闻报道，文献数据对比，介绍中国智能控制巨大发展，相关工程技术人员缺口很大，激发学生学好自动控制理论，学习新技术，紧跟新产业，树立良好的择业观。教与学方法：视频演示、讲授、课堂互动、课后练习知识点1：自动控制系统时间响应的性能指标主要内容：了解时域分析法的基本概念；理解由图形分析系统的性能指标；掌握动态性能与稳态性能指标。知识点2：一阶系统的时域分析主要内容：了解一阶系统的建立方法；理解一阶系统的特点；掌握一阶系统的单位阶跃、单位斜坡、单位脉冲和单位加速度相应的稳态和动态性能指标。知识点3：二阶系统的时域分析主要内容：了解二阶系统的建立方法；理解阻尼对二阶系统的影响；掌握二阶系统的单位阶跃相应性能指标。知识点4：高阶系统的时域分析主要内容：了解高阶系统的数学模型特点；理解高阶系统特性根与系统性能关系；掌握利用闭环主导极点分析系统。知识点5：线性系统的稳定性分析和稳态误差计算主要内容：了解系统稳定性的意义；理解稳定性和闭环特征根关系；掌握线性系统稳定性充分必要条件、劳斯稳定判据的应用、稳态误差和动态误差的计算。重点：一阶系统的时域分析，二阶系统的时域分析难点：二阶系统的时域分析知识单元四：自动控制系统的根轨迹法支撑课程目标2、3（建议8学时）教与学要求：本知识单元要求学生理解根轨迹的定义，了解根轨迹分析法的基本条件，掌握绘制根轨迹的基本法则，能通过根轨迹分析自动控制系统的性能。教师通过多媒体讲授根轨迹法的基本知识，阐述相关概念。学生在课后通过查找资料，完成作业，补充和丰富课堂教学内容，巩固所学知识。★思政元素：采用案例法介绍利用仿真软件进行自动控制系统根轨迹分析法，激励学生的实践动手能力，激发学生自主创新精神，培养学生对本专业、本课程的热爱和为中国制造2025贡献力量的家国情怀。教与学方法：视频演示、讲授、课堂互动、课后练习知识点1：根轨迹的基本概念主要内容：了解根轨迹方程和闭环零、极点关系；理解控制系统根轨迹的意义；掌握根轨迹方程的含义。知识点2：根轨迹绘制的基本法则主要内容：理解根轨迹与系统稳态和动态性能关系；掌握根轨迹绘制原则和利用根轨迹分析系统性能。知识点3：广义根轨迹主要内容：了解广义根轨迹的含义；理解零度根轨迹和参数根轨迹的与常规根轨迹的联系与区别；掌握广义根轨迹的绘制与系统性能分析。知识点4：系统性能分析实例主要内容：通过实例，掌握利用根轨迹分析系统性能的方法。重点：根轨迹绘制的基本法则难点：根轨迹绘制的基本法则知识单元五：自动控制系统的频域分析法支撑课程目标2、3（建议14学时）教与学要求：本知识单元要求学生了解频率特性的基本概念，掌握奈奎斯特图的一般绘制方法，利用奈奎斯特图分析系统的稳定性，掌握伯德图的绘制方法，利用伯德图分析系统的稳定性以及通过伯德图求出最小相位系统所对应的传递函数和稳定裕度。教师通过多媒体讲授频域分析法的基本知识，阐述相关概念。学生在课后通过查找资料，完成作业，补充和丰富课堂教学内容，巩固所学知识。★思政元素：通过对比不同的分析方法,阐述频域分析的优越性和突出创新点，激励学生的爱国主义情怀，引导学生从国内外自动控制领域找差距，激发学生自主创新精神。教与学方法：视频演示、讲授、课堂互动、课后练习知识点1：频率特性的基本概念主要内容：了解频率特性的定义和物理意义；理解频率特性的数学表达方式。知识点2：典型环节的频率特性的绘制主要内容：掌握比例、积分、理想微分、惯性、一阶微分、振荡、延迟环节的极坐标图和伯德图的绘制方法。知识点3：频率特性稳定判据主要内容：理解频域和时域稳定性能关系；掌握奈氏稳定性判据及其应用、奈氏稳定判据的原理和应用、利用BODE图分析系统稳定性。知识点4：自动控制系统的稳定裕度主要内容：理解稳定裕度的概念；掌握自动控制系统稳定性的分析和稳定裕度计算方法。知识点5：闭环系统的频域性能指标主要内容：了解开环频率特性与闭环频率特性关系；理解闭环频域性能指标与时域性能指标相互之间定性、定量关系；掌握利用频域分析系统性能的方法。重点：典型环节的频率特性的绘制，频率特性稳定判据，自动控制系统的稳定裕度难点：频率特性稳定判据，自动控制系统的稳定裕度★讲解《综合训练项目一》的任务要求与完成要点。知识单元六：自动控制系统系统的校正支撑课程目标3、4（建议10学时）教与学要求：本知识单元要求学生了解校正的基本概念及三种基本校正方法，掌握几种典型的有源和无源校正装置，理解反馈校正和复合校正的特点和作用。教师通过多媒体讲授自动控制系统系统校正的基本知识，阐述相关概念。学生在课后通过查找资料，完成作业，补充和丰富课堂教学内容，巩固所学知识。★思政元素：激发学生加强自控绘制系统性能研究与校正方法的学习，设计研制出经济实用的校正装置，早日实现技术创新和突破，为祖国贡献力量。教与学方法：视频演示、讲授、课堂互动、课后练习知识点1：系统设计与校正问题主要内容：了解校正的作用；理解系统时域和频域性能指标的关系；掌握常用控制规律。知识点2：常用校正装置及其特性主要内容：了解常用校正装置的组成；理解常用校正装置及其特性；掌握校正装置对性能指标改进的作用。知识点3：串联校正主要内容：了解串联校正的特点；理解超前校正、滞后校正和串联超前-滞后校正对系统性能的影响；掌握一级串联校正的设计原则和步骤。知识点4：反馈校正主要内容：了解反馈校正的特点；理解反馈校正对系统性能的影响；掌握反馈校正的设计原则和步骤。知识点5：复合校正主要内容：理解复合校正的特性和使用场合；掌握复合校正的设计原则和步骤。重点：串联校正、反馈校正和复合校正的设计步骤难点：复合校正的设计步骤★讲解《综合训练项目二》的任务要求与完成要点。知识单元七：Matlab仿真软件在自动控制系统中的应用支撑课程目标4、5（建议4学时）教与学要求：本知识单元要求学生了解SIMULINK功能模块的使用方法，熟练掌握step()函数和impulse()函数的使用方法以及MATLAB用于控制系统中的一些基本编程语句和格式，掌握用MATLAB语句绘制各种频域曲线的方法。教师通过多媒体讲授Matlab仿真软件的基本知识，演示典型应用实例。学生在课后通过查找资料，补充和丰富课堂教学内容。★思政元素：介绍Matlab仿真软件的发展现状，中国经济发展瓶颈是没有拥有自主产权的开发软件，激发学生加强相关领域学习，早日实现技术创新和突破，为祖国经济腾飞贡献力量。教与学方法：视频演示、讲授、课堂互动、课后练习知识点1：Matlab仿真软件简介主要内容：Matlab仿真软件的基本功能和语言特点知识点2：Matlab仿真软件在自动控制系统中的应用主要内容：Matlab仿真软件对自动控制系统的时域分析、根轨迹分析和频域分析五、实验环节1．综合训练综合训练项目一：典型Ⅰ型系统的单位反馈设计支撑课程目标3、4训练目的：通过典型Ⅰ型系统的单位反馈设计使学生掌握晶闸管直流调速系统的工程设计方法和步骤。训练任务：(1)根据系统的结构和参数，确定系统固有部分的数学模型（系统方框图）；(2)对系统固有部分的方框图进行近似处理与简化，并在此基础上，求得系统固有部分的频率特性；(3)根据生产机械和工艺要求确定系统的静态和动态性能指标；再根据性能指标的要求，确定系统的预期频率特性（即典型系统）；(4)将系统固有部分的频率特性和预期频率特性进行比较；确定调节器的结构与参数。成果形式：项目报告考核形式：报告审核，答辩或研讨。综合训练项目二：典型Ⅱ型系统的单位反馈设计支撑课程目标3、4训练目的：通过典型Ⅱ型系统的单位反馈设计使学生掌握晶闸管直流调速系统的工程设计方法和步骤。训练任务：(1)根据系统的结构和参数，确定系统固有部分的数学模型（系统方框图）；(2)对系统固有部分的方框图进行近似处理与简化，并在此基础上，求得系统固有部分的频率特性；(3)根据生产机械和工艺要求确定系统的静态和动态性能指标；再根据性能指标的要求，确定系统的预期频率特性（即典型系统）；(4)将系统固有部分的频率特性和预期频率特性进行比较；确定调节器的结构与参数。成果形式：项目报告考核形式：报告审核，答辩或研讨。实验环节序号实验名称实验目的实验内容支撑课程目标实验学时实验类型实验要求1Matlab软件基本应用熟悉Matlab软件基本应用Matlab软件建立传递函数等基本应用1.52综合必做2自动控制系统时域分析法熟悉Matlab软件对自动控制系统时域分析Matlab软件对自动控制系统时域分析3.42综合必做3自动控制系统根轨迹分析法熟悉Matlab软件对自动控制系统的根轨迹分析法Matlab软件对自动控制系统的根轨迹分析法3.42综合必做4自动控制系统频域分析法熟悉Matlab软件对自动控制系统的频域分析法Matlab软件对自动控制系统的频域分析法3.42综合必做六、成绩构成和评价标准课程总评成绩满分100分，由期末考试（满分60分）、过程考核（满分10分）、实验（满分10分）和综合训练（满分20分）四部分构成，具体考核方式和评价标准如下：1．成绩构成课程目标支撑培养要求考核要点分项成绩比例（%）成绩比例（%）课程考试过程考核综合训练实验11（1）期末考试①自动控制与自动控制系统的定义及特点②开环控制与闭环控制两种基本控制形式、③Matlab软件的基本功能和语言特点④Matlab软件在自动控制系统中的应用510（2）作业、慕课学习、调研报告等资料。523（1）期末考试①非线性数学模型线性化②线性系统微分方程建立的一般步骤③拉普拉斯变换及应用④传递函数的定义及特征⑤系统动态结构图的建立⑥系统传递函数和结构图的变换⑦信号流图的相关概念及应用1530（2）作业、慕课学习、调研报告等资料。5（3）综合训练中设计、计算、制作、答辩及说明书质量。1034（1）期末考试①时域分析自动控制系统的性能②根轨迹分析自动控制系统的性能③频率特性分析自动控制系统的性能3035（2）实验报告质量及实验过程表现。544（1）期末考试①三种基本校正方法②反馈校正和复合校正的特点和作用1010（2）实验报告质量及实验过程表现。512（1）实验报告质量及实验过程表现。515（2）综合训练中设计、计算、仿真、答辩及报告质量。10合计601020101002.评价标准 （1）实验考核标准课程目标成绩比例（%）考核依据考核标准100-90分89-80分79-70分69-60分<60分3、45实验报告能够根据实验系统准确的设计、描述实验项目的接线方案。实验步骤和分析过程逻辑完整、准确；实验结果正确。能够根据实验系统正确的描述实验项目的接线方案。实验步骤和分析过程逻辑完整；实验结果正确。能够根据实验系统较的描述实验项目的接线方案。实验步骤和分析过程逻辑较完整；实验结果正确。能够根据实验系统基本正确的描述实验项目的接线方案。实验步骤和分析过程逻辑基本正确；实验结果正确。无法根据实验系统正确的描述实验项目的接线方案。实验步骤和分析过程逻辑不完整；实验结果不完整。3、45实验过程能够正确使用MATLAB软件，很准确分析自动控制系统的性能，通过实验取得相关数据用于理论计算，实验期间能够与同学很好的沟通、配合进行系统的搭建与调试工作，完整快速的完成实验项目的既定目标。能够熟练使用MATLAB软件，较准确分析自动控制系统的性能，通过实验取得相关数据用于理论计算，实验期间能够与同学进行沟通、配合进行系统的搭建与调试工作，完整完成实验项目的既定目标。能够使用MATLAB软件，较准确分析自动控制系统的性能，通过实验取得相关数据略有出入，实验期间能够与同学沟通配合完成工作，较完整的完成实验项目的既定目标。能够基本正确使用MATLAB软件，基本能够分析自动控制系统的性能，通过实验取得相关数据略有出入，实验期间能够与同学配合完成工作，基本能完成实验项目的基本目标。不能正确使用MATLAB软件，分析自动控制系统的性能有错误，没有根据要求设计实验步骤，未能通过与同学的沟通、配合完成工作，不能完成实验项目的基本目标。（2）综合训练考核标准课程目标成绩比例（%）考核依据考核标准100-90分89-80分79-70分69-60分<60分3.410项目报告答辩环节能与同学规划出典型Ⅰ型自动控制系统单位反馈设计设计思路，按步骤完成既定的全部仿真过程，结果准确，图形正确、整洁、清晰，在训练过程中能正确查阅相关资料、图标和公式。并按照准确分析出自动控制系统性能指标，结果符合要求。项目报告1份；严格参照格式要求（包括标题、主体部分、总结、参考文献等）撰写；列出3篇以上参考文献（可以是期刊文献、专利、网页等）；字数在1500字以上。答辩环节：能够快速、准确、清晰回答老师提出的全部问题。能与同学规划出典型Ⅰ型自动控制系统单位反馈设计思路，按步骤完成既定的全部仿真过程，结果准确，图形正确、整洁、清晰，在训练过程中能正确查阅相关资料、图标和公式。并按照准确分析出自动控制系统性能指标，结果基本符合要求。能按报告格式要求撰写，仿真过程较完整；列出2~3篇参考文献；说明书字数在1500字以下。报告较规范、标注较正确。能够准确、清晰回答老师提出的全部问题。能与同学规划出典型Ⅰ型自动控制系统单位反馈设计思路，按步骤基本完成既定的仿真过程，结果略有出入，在训练过程中能正确查阅相关资料、图标和公式。结果基本符合要求。列出2~3篇参考文献；报告字数在1000字以上，格式较规范、标注有少量错误能够正确回答老师提出的全部问题。能与同学规划出典型Ⅰ型自动控制系统单位反馈设计思路，按步骤完成部分仿真过程，结果略有出入，在训练过程中能正确查阅相关资料、图标和公式。并按照准确分析出自动控制系统性能指标，结果符合要求。列出1~2篇参考文献；报告字数在1000字以下。格式基本规范、标注有少量错误。能够回答老师提出的问题。不能按照报告要求与同学按步骤完成仿真过程，图形错误较多，在训练过程中不能有效查阅相关资料、图标和公式。报告不按格式撰写，仿真过程不完整；无参考文献；说明书字数在500字以下。报告不规范、标注有大量错误。3.410项目报告答辩环节能与同学规划出典型Ⅱ型自动控制系统单位反馈设计设计思路，按步骤完成既定的全部仿真过程，结果准确，图形正确、整洁、清晰，在训练过程中能正确查阅相关资料、图标和公式。并按照准确分析出自动控制系统性能指标，结果符合要求。项目报告1份；严格参照格式要求（包括标题、主体部分、总结、参考文献等）撰写；列出3篇以上参考文献（可以是期刊文献、专利、网页等）；字数在1500字以上。答辩环节：能够快速