《自动控制原理》课程教学大纲 (二)

《自动控制原理》课程教学大纲

课程编号：21311104

总学时数：72（理论60,实验12）

总学分数：4.5

课程性质：专业必修课

适用专业：电气工程及其自动化

一、课程的任务和基本要求：

本课程的主要任务是培养学生掌握自动控制系统的构成、工作原理和各件的作用;掌握

建立控制系统数学模型的方法.掌握分析与综合线性控制系统的三种方法：时域法、根轨迹

法和频率法。掌握计算机控制系统的工作原理以及分析和综合的方法。了解非线性控机系统

的分析和综合方法。建立起以系统的概念、数学模型的概念、动态过程的概念。

通过课程的学习使学生掌握分析、测试和设计自动控制系统的基本方法。结合各种实

践环节，进行自动控制领域工程技术人员所需的基本工程实践能力的训练。从理论和实践两

方面为学生进一步学习自动控制专业的其他专业课如:过程控制、数字控制、智能控制、控

制系统设计等打下必要的专业技术基础。自动控制原理课程是自动控制专业学生培养计划中

承上启下的一个关键环节，因此该课程在自动控制专业的教学计划中占有重要的位置。

二、基本内容和要求：

1.基础知识

（1）人工控制和自动控制

（2）开环控制系统

（3）闭环控制系统

（4）反馈控制系统的组成、分类和性能指标

要求：了解控制理论的发展史、开环控制系统与闭环控制系统、反馈控制系统的组成、

分类和性能指标。

2.单变量线性定常系统的数学描述

（1）系统的动态特性

（2）单变量线性定常系统的数学描述

（3）典型环节及其传递函数

（4）控制系统方块图

（5）信号流图

（6）非线性微分方程线性化

要求：控制系统微分方程的建立，传递函数的基本概念和定义，传递函数的性质，基

本环节及传递函数，控制系统方框图及其绘制，方框图的变换规则，典型系统的方框

图与传递函数，方框图的化简，用梅森增益公式化简信号流图。

3.单变量线性定常系统的性能指标

（1）单变量线性定常系统的输出响应

（2）单变量线性定常系统的稳定性

（3）劳斯稳定判据

（4）控制系统的瞬态特性

（5）控制系统的稳态特性

（6）动态误差系数

要求：掌握线性定常系统的瞬态特性和稳态特性，掌握劳斯判据。

4.控制系统中的反馈（可选讲）

（1）反馈可减小系统参数的变化

（2）反馈可改善系统的瞬态特性

（3）反馈可减弱干扰信号的影响

（4）例题

要求：了解控制系统中的反馈的相关知识。

5.时域分析

（1）典型输入信号

（2）脉冲响应函数

（3）一阶系统

（4）二阶系统

（5）二阶系统的校正

（6）高阶系统

（7）复平面上稳定性分析

要求：典型输入信号，一阶系统的瞬态响应，线性定常系统的重要性质，二阶系统的

标准型及其特点，二阶系统的单位阶跃响应，二阶系统的性能指标，二阶系统的脉冲

响应，二阶系统的单位速度响应，初始条件不为零时二阶系统的过渡过程。闭环主导

极点的概念，高阶系统性能指标的近似计算。稳定的基本概念和定义，线性系统的稳

定条件，劳斯稳定判据。控制系统的稳态误差，稳态误差的计算：泰勒级数法和长除

法，控制系统的无静差度，用终值定理计算稳态误差，减小稔态误差的方法。

6.根轨迹法

（1）根轨迹的基本原理

（2）绘制根轨迹图的规则

（3）非最小相位系统根轨迹图

（4）参数根轨迹

（5）二阶系统的根轨迹校正

要求：控制系统的根轨迹，绘制根轨迹的基本规则，控制系统的根轨迹分析，参数根

轨迹，闭环系统的零极点分布域性能指标，了解非最小相位系统的根轨迹图和参数根

轨迹。

7.频域分析

（1）频率特性

（2）幅相特性

（3）对数频率特性

（4）对数幅相特性

（5）奈魁斯特稳定判据

（6）控制系统的相对稳定性

（7）闭环频率特性

（8）频域性能指标与时域性能指标间的关系

要求：频率特性的概念，典型环节频率特性的极坐标图表示，典型环节频率特性的对

数坐标图表示，开环系统的对数频率特性，最小相位系统。v=0、1、2时开环系统的

极坐标图，Nyquist稳定判据，用开环系统的Bode图判定闭环系统的稳定性，控制系

统的相对稳定性。控制系统的性能指标，二阶系统性能指标间的关系，高阶系统性能

指标间的关系，开环对数频率特性和性能指标的关系。

8.工业对象的动态特性及测试方法（选讲）

（1）工业加热炉的动态特性

（2）控制对象动态特性的测试方法

（3）由测试的数据或曲线求对象的数学模型

要求：了解控制对象动态特性的测试方法，理解巾测试的数据或曲线求对象的数学模

型。

9.控制系统设计与校正

（1）校正方法和校正装置

（2）用根轨迹法对系统进行串联校正

（3）用频率响应法对系统进行串联校正

（4）反馈校正

（4）其它控制方式

要求：控制系统校正的基本方法，基本控制规律。相位超前校正网络，用频率特法确

定相位超前校正参数，按根轨迹法确定相位超前校正参数。相位滞后网络，用频率特

性法确定相位滞后校正参数，按根轨迹法确定相位滞后校正参数。相位滞后-超前校正

网络，控制系统的期望频率特性，控制系统的固有频率特性，根据期望频率特性确

定串联校正参数。

10.时滞系统分析与设计（选讲）

（1）时滞系统的频域分析

（2）时滞系统的根轨迹分析

（3）时滞系统的分析与设计方法

（4）采用Smith预估时滞系统的稳定性

要求：了解时滞系统分析与设计方法。

11.非线性系统

（1）常见的非线性因素及对系统特性的影响

（2）非线性系统的描述函数方法

（3）非线性系统相平面分析方法

（4）利用非线性特性改善系统性能

要求：非线性控制系统引言，相平面法，描述函数法，利用非线性特性改善控制系统

性能。

12.线性离散系统的分析与校正（补充相关内容）

（1）离散系统的基本概念

（2）信号的采样与保持

（3）Z变换理论

（4）离散系统的数学模型

（5）离散系统的稳定性与稳态误差

（6）离散系统的动态性能分析

（7）离散系统的数字校正

要求：采样过程，采样周期的选取，信号保持，Z变换，脉冲传递函数，稳定性分析。

线性数字控制系统的时域分析，线性离散系统的数字校正，连续校正环节的离散化，数

字校正的实现。

三、实践环节和要求：

实验一典型环节的模拟研究

要求：掌握典型环节模拟电路的构成方法，了解各环节的阶跃响应曲线和参数变化对

典型环节的动态特性的影响。

实验二典型系统瞬态响应和稳定性

要求：通过测定典限系统阶跃响应曲线分析系统的稳定性，性能指标。

实验三采样控制系统分析

要求：通过实验进一步理解香农采样定理和零阶保持器ZOH的原理及其实现方法；利

用组件LF398组成一个采样控制系统，并研究采样周期T的大小对该系统性能的影响.

实验四线性系统的时域响应分析

要求：研究线性系统在单位阶跃、单位脉冲及单位斜坡函数作用下的响应；熟练掌握系

统的稳定性的判断方法。

实验五控制系统的频率特性研究

要求：学会控制系统频率特性测试方法。

实验六线性系统的串联校正

要求：掌握控制系统频域范围内的分析校正方法。

四、教学时数分配;

理论：60实验：12上机：无其它：无

教学内容学时分配教学内容学时分配

1绪论2

2单变量线性定常系统的

6

数学描述

3单变量线性定常系统的

6

性能指标

4控制系统中的反馈2

5时域分析8实验2

6根轨迹法8实验2

7频域分析8实验2

8工业对象的动态特性及

2实验4

测试方法

9控制系统设计与校正10实验2

10时滞系统分析与设计2

11非线性系统2

12线性离散系统的分析与

4

校正

合计72

五、其它项目（含课外学时内容）：无

六、有关说明：

1、教学和考核方式：

本课程属考试课，考试方式为闭卷。由平时（30%）、考试（70%）两部分综合评定。

2、习题：

每次上完课后，布置2-3道习题。对于比较难的知识点，安排习题课。

3、能力培养要求：

（1）掌握分析、测试和设计自动控制系统的基木方法：

（2）结合各种实践环节，进行自动控制领域工程技术人员所需的基本工程实践能力的

训练；

（3）从理论和实践两方面为学生进一步学习自动控制专业的其他专业课如:过程控制、

数字控制、智能控制、控制系统设计等打下必要的专业技术基础。

4、与其它课程和教学环节的联系：

先修课程和教学环节：普通物理、电路、电子技术、电机及拖动基础、电力电子技术、

复变函数等。

后续课程和教学环节；检测技术与控