《自动控制原理》教学大纲 (一)

《自动控制原理》教学大纲

课程编号：13180312

英文名称:PrinciplesofAutomaticControl

学分：4.5

学时：总学时80学时，其中理论64学时，实践16学时

先修课程：高等数学，复变函数与积分变换，电路原理，模拟电子技术

课程类别：专业基础必修课程

授课对象：自动化专业学生

教学单位：机械与电气工程学院

修读学期：第4学期

一、课程描述和目标

自动控制理论是工科类各相关专业的一门重要的专业基础课，它已经在大多数工科专业

课程中占据了核心地位。学生获得控制理论的基础知识，掌握自动控制系统的分析和校正方

法是自动控制原理教学的主要任务。

本课程是为自动化类专业的二年级学生开设的专业必修课。

通过教学要求学生掌握自动控制的基本原理和概念及分析方法。了解线性定常系统的稳

定性，稳态误差的概念；掌握系统稳定判据；了解控制系统性能指标；掌握控制系统的校正

方法C

学生具备对自动控制系统进行分析•、设计、实验的基本能力，为专业课的学习和参加控

制工程实践提供必要的理论基础。学生具备对自动控制系统进行分析与设计的综合能力。

本课程拟达到的课程目标：

课程目标1:掌握自动控制基本原理，具备对被控系统建立数学模型的能力。

课程目标2：掌握用不同方法分析控制系统性能指标和根据性能指标校正控制系统的能

力，具备分析复杂控制系统的能力,并且根据系统性能要求，设计满足系统指标的控制系统。

课程目标3：根据控制系统的性能要求，具备设计可行控制系统的实验能力。

二、课程目标对毕业要求的支撑关系

毕一业要求指标点课程目标权重对应关系

1.4理解计算机控制和自动化工程的专业知识，能综课程目标10.6

合运用相关知识解决控制系统方案设计、改进、建模M

和算法设计等复杂工程问题。课程目标20.4

2.1能用数学、物理的基本原理和方法对电路的数学

课程目标11M

模型进行求解和分析

课程目标】0.3

2.2能识别电路与电子系统、控制系统的主要环节和

课程目标20.411

参数。

课程目标30.3

4.2能基于专业理论和对象特征，选择研究路线和设课程目标20.4

H

计可行的实验方案。课程目标30.6

5.2能针对自动化工程领域及杂工程问题，分析与选

择恰当的电路与电子、自动控制、计算机软硬件等技课程目标21M

术和工具。

（H—高，M—中,L一低）

三、教学内容、基本要求与学时分配

教学对应课

序号教学内容基本要求学时

方式程目标

学习自动控制的任务、自动控制的基本方式、

对控制系统的性能要求、控制系统的组成、系统

控制系统的基方块图的绘制等。

本概念搞清控制系统的工作原理、组成及其分类，

讨论自动理解对控制系统的基本要求，了解控制工程的发

集中

控制原理课程展概况，了解课程需要运用到的工程工具。

14讲授、1

的学习目标、以具体的自动控制系统例如单阶倒立摆、电

讨论

学习方法、以机控制系统、空调系统等为例具体说明控制系统

及课程的教学的组成、分类、系统框图等问题。

形式、计划。具备根据具体控制系统的组成，绘制控制系

统的框图的能力。具备分析控制系统中各部分功

能的能力。

控制系统的数

了解建立系统数学模型的一般步骤；掌握拉

学模型

氏变换基本定理和常用拉氏变换表；重点掌握典

讨论学习

型环节传递函数和闭环传递函数的求法，梅森增

控制系统的微

益公式的应用；重点掌握控制系统的传递函数，

分方程的建

其中包括开环传递函数、闭环传递函数、误差传

立、传递函数、

递函数的定义和求取方法。

动态结构图、集中

以RLC基本电路、电机系统、机械系统为例

2典型环节的传14讲授、1

讲解数学模型的建立以及不同的表示形式，并且

递函数；通过讨论

运用MATLAB仿真软件验证对应数学模型的响应输

具体实例讨论

出。

控制系统模型

具备运用基础理论分析建立系统的数学模型

在控制理论中

的能力。具备对于复杂控制系统流程图，化简为

的作用及意

控制系统传递函数的能力。具备运用现代科学工

义；讨论不同

具分析控制系统的数学模型的能力，

的传递函数之

教学对应课

序号教学内容基本要求学时

方式程目标

间的关系以及

特点。

掌握一阶、二阶系统在典型输入信号作用下

时域分析法

的时域响应和时域性能指标；了解高阶系统时域

讲授时域

响应的特点；掌握系统稳定的概念和分析、判别

分析基础、一

系统稳定的方法；掌握改善控制系统性能指标的

阶系统分析与

方法；掌握系统误差的概念和计算稳态误差的方

计算、二阶系

法。集中

统分析与计

3以单阶倒立摆、直流电机系统等为例讲解时4讲授、2,3

算、系统稳定

域分析和校正方法的稳、准、快特性。讨论

性分析、稳态

具备运用现代科学工具分析控制系统动态性

误差分析及计

能、稳定性、准确性等基本指标的能力。具备控

算。讨论时域

制系统的实验能力。具备改善控制系统性能指标

分析的基本特

的方法。具备运用控制理论知识分析具体控制系

点。

统的性能指标的能力。

根轨迹法

讨论根轨

迹与根轨迹方

程、绘制根轨

掌握根轨迹绘制方法及根轨迹在控制系统中

迹的基本法集中

的应用。

4则、系统闭环8讲授、2

具备运用现代科学工具绘制控制系统的根轨

零、极点分布讨论

迹的能力。

与阶跃响应的

关系、系统阶

跃响应的根轨

迹分析。

频率域方法

掌握频率特性的基本概念；掌握典型环节和

讲授频率

控制系统频率特性图的绘制方法；掌握系统稳定

特性、典型环

性的频率域分析方法；了解频域性能指标与时域

节的频率特

性能指标之间的关系；掌握用系统开环频率特性

性、系统的开

分析闭环系统性能的方法：了解超前、滞后校正集中

坏频率特性、

5网络的特点、频率特性及其作用。24讲授、2,3

系统闭环频率

以RLC电路为例分析不同拓扑结构的不同频讨论

特性与阶跃响

率响应。

应的关系、开

具备运用频率响应理论分析密制系统的能

环频率特性与

力。具备运用PID控制算法改善控制系统性能的

系统阶跃响应

能力。

的关系。

合计64

对应课

序号实验项目实验内容与要求学时类型

程目标

典型环节及其阶掌握电路参数对环节特性的影响

12验证1,3

跃响应实验要求：必修。

二阶系统阶跃响掌握控制系统阶跃响应曲线确定传递函数

22验证2,3

应实验要求：必修。

系统频率特性测掌握控制系统及元件频率特性的测量方法

32验证2,3

量实验要求：必修。

连续系统串联校掌握控制系统过渡过程的测量方法

44验证2,3

正实验要求：必修。

调速系统的控制掌握电机调速系统的控制实现方法

56设计2,3

设计要求：必修。

合计16

四、课程教学方法

1.总体设计

采用课堂讲授和讨论、课外自学等方式，系统地学习自动控制系统基本概念，基本

分析与校正方法，结合具体工程案例进行系统分析、计算、设计，培养学生在自动控制系统

设计方面的能力，为后续工程实践打下理论基础，并为就业储备发展空间。

课堂教学方法：讲授、互动提问讨论。

实验教学方法：自主练习、个别答疑、集中指导、现场个别答疑。

课外学习方法：预习和复习相关章节，中国大学MOOC、YOUKU等网站上的教学视频。集

中答疑，线上辅导相结合，

2.课堂教学

课堂讲授：结合相关工程实例和实验系统讲解自动控制理论相关知识点。涉及自动控制

理论基本知识，如数学模型建立，时域分析法，根轨迹法，频域法等。

重点支持毕业要求指标点：1.4,2.1,2.2,4.2,5.2o

课内讨论：围绕预习内容、讲授案例、作业问题，通过互问互答等讨论形式，引导深入

理解控制系统的本质及应用。

重点支持毕业要求指标点：1.4,2.1,2.2,4.2,5.2。

3.实验教学

在课外学习和作业实施的基础上，通过集中实验，理解有关知识点，掌握自动控制原理

基本分析和设计方法。

重点支持毕业要求指标点：1.4,2.1,2.2,4.2,52

4.课外学习

课前预习：要求学生在课前按预习计划完成自主学习内容，即自学教材相关章节，观看

相关网站上教学视频。

重点支持毕业要求指标点：1.4,2.1,2.2,4.2,52

课后作业：包含每次课程后均有对应的课后作业和课程内容相关的仿真作业，要求学生

按时完成相应作业。成绩计入平时考核成绩。

重点支持毕业要求指标点：L4,2.1,2.2,4.2,5.2。

五、学业评价和课程考核

1.考核方式

考试（J）

考查（）

2.成绩记载

百分制（J）

五级分制（）

3.考核原则

强化实践一一强化课内外实验

突出平时一一注重平时作业，测试等过程考核

提前关联一一提前与专业学习关联，提高学习的兴趣

注重分析一一理论分析为主，对应具体的实践应用

4.成绩总评

考核评价构成：课堂表现（课内提问、讨论、纪律）10%,平时作业10%,实验成绩15%,

课堂测试15%,期末闭卷考试50%

5.考核方案

（1）课堂表现考核方案

包括课内提问、讨论和课堂纪律。

每位学生至少一次提诃交流机会，提问•次答出正确答案，得5分，两次答出正确答案

得4分，以此类推，扣完为止。

课堂纪律主要考察到课率，学习态度，自主学习能力。每次按A、B、C、D四等予以记

我，总评时最终折算成A（15分）、B（13分）、C（10分）、1）（7分）。旷课一次扣1分；不

遵守课堂纪律，一次扣1分；扣完为止。

表5-1课堂表现的考核方案

序号考察点占比%得分对应课程目标

1控制系统数学模型建立讨论20课程目标1

控制系统时域、根轨迹、频域分

250

析方法讨论课程目标2

3控制系统校正方案讨论30

（2）平时作业考核方案

平时作业占10%,每次按优、良+、良、中+,中，中-，及格七个等级予以记载，缺交一次

扣1分，总评时最终折算成百分制优（95分）、良+（9（）分）、良（85分）、中+（80分）、中

（75分）、中-（70）、及格（65分），并根据按该项总得分X占比10%的方式计算得到实验

成绩。

表5-2平时作业的考核方案

序号考察点占比与得分对应课程目标

1控制系统基本概念，数学模型建立20课程目标1

2控制系统性能分析方法60课程目标2

3控制系统校正设计20课程目标2

（3）课堂测试考核方案

课堂测试占15%,根据课程将相关内容结束后，在课堂上当堂测试。

表5-3课堂测试的考核方案

序号考察点占比％得分对应课程目标

1控制系统基本概念，数学模型建立33.33课程目标1

2时域分析方法33.33

课程目标2

3根轨迹及频域分析法33.33

（4）实验成绩考核方案

实验成绩占15%,共5个实验。总评时，根据总体表现给定优秀、良好、中等、及格、

不及格，期末总评时最终折算成优秀（95分）、良好（85分）、中等（75分）、及格（65分），

不及格（50分），并根据按该项总得分X占比15%的方式计算得到实验成绩。

表5-4实验的考核方案

序号考察点占比％得分对应课程目标

1根据实验测量数据建立数学模型20课程目标：

根据实验数据，分析控制系统性能指标；运

2