自动控制原理（第3版）教学大纲

PAGE5PAGE7《自动控制原理》本科课程教学参考大纲课程信息课程代码课程名称自动控制原理开课单位开课学年学期建议第2学年下学期（少学时）和第3学年上学期（多学时）开课年级开课专业自动化类、电气工程类课程学分3-5课程学时48-80课程性质¨公共必修公共选修成长教育专业必修专业选修工程实践先修课程要求电路基础、高等数学、MATLAB编程等其他信息无教师信息授课教师答疑地点答疑时间电子邮件联系电话课程负责人：审核人：专业负责人：主审：教务处（公章）：一、课程性质及课程目标（一）课程性质自动控制原理为自动化类、电气类专业的专业必修课程，建议对少学时专业总学时为48学时，对自动化类多学时专业建议总学时不少于80学时，该课程是一门理论性和实践性都比较强的课程，本课程的授课目标主要侧重学生对基础理论的掌握，同时兼顾提高学生的理论联系实践和综合分析与解决问题的能力。（二）课程目标课程目标1：掌握自控原理的基本概念，对自控系统的基本组成、功能和性能指标有较深刻的理解。课程目标2：能够对典型的自控系统进行建模和性能分析，从而判断系统是否稳定，评判系统性能的优劣。并能够综合运用所学自控原理的基本知识，设计简单的自控系统。课程目标3：在理论课程学习中，培养自主学习的意识、掌握自主学习方法，能通过完成作业、考试和课堂提问等形式，对所学知识与技能进行理解、表达、总结和归纳。（三）课程思政1、课程思政育人目标在授课过程中聚焦“终身学习、责任与担当”的人才培养素质目标，在课程思政建设中强化价值引领、知识传授和能力培养的有机统一。2、课程思政教学设计本课程采用“线下教学为主，理论与实践相结合，课堂内与课堂外相结合”的思政教学设计，将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体。3、课程思政元素在授课过程中注意对学生的家国情怀、工匠精神和创新能力的培养。二、课程内容及教学要求少学时专业（48学时）（一）第1章绪论主要知识点引言自动控制的定义和历史回顾（部分自学）自动控制系统举例及术语定义自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的分类自动控制系统的基本要求自动控制系统的性质和内容教学要求：通过本章的学习，使学生掌握自控系统原理的基本概念、用途和基本的学习方法及要求。重点：自控系统的基本概念、控制的基本方式、分类和性能指标。难点：性能指标之间的联系。采用的教学方法：课堂讲授、自学与习题。讲授学时：3学时（二）第2章自动控制系统的数学模型主要知识点引言控制系统的时域数学模型控制系统的复数域数学模型控制系统的方块图与信号流图输入/输出数学模型与状态变量数学模型之间的关系数学模型的实验测定法MATLAB软件用于控制系统数学模型的建立与仿真（自学）教学要求：通过本章的学习，使学生掌握自控系统数学模型（包括时域模型和复数域模型）的建立方法，熟悉控制系统的方框图的画法和简化方法，了解系统流图的画法和与方框图的关系。掌握利用方框图等效变换和梅逊公式求系统传递函数的方法。重点：控制系统时域和复数域模型的建立方法以及两种模型之间的关系，系统方框图的化简方法。难点：系统模型的建立。采用的教学方法：课堂讲授、自学与习题。参考案例：matlab的应用（由学生自学完成）。讲授学时：7学时课后自学与习题：3学时。（三）第3章控制系统时域分析主要知识点3.1引言3.2几种控制系统的时域分析3.3线性定常系统的稳定性分析3.4控制系统的稳态误差分析教学要求：通过本章的学习，使学生掌握系统时域性能指标的分类、系统稳定性分析及稳态误差分析。重点：典型输入信号的种类、时域性能指标概念、一阶和二阶系统的时域分析、劳斯稳定判据与稳态误差分析。难点：二阶系统时域分析、劳斯稳定判据及稳态误差的计算。采用的教学方法：课堂讲授、讨论与习题。讲授学时：7学时。讲解习题：1学时。（四）第4章根轨迹法技术主要知识点4.1引言4.2根轨迹绘制的基本法则4.3广义根轨迹*4.4时滞系统的根轨迹（自学）4.5根轨迹法在控制系统中的应用教学要求：通过本章的学习，使学生了解绘制基本根轨迹的方法和其在系统分析中的应用。重点：根轨迹的基本概念和其在系统性能分析中的应用。难点：根轨迹的绘制。采用的教学方法：课堂讲授与自学。讲授学时：5学时。讲解习题：1学时。（五）期中考试（建议不占学时）期中考试2学时。（六）第5章线性定常系统的频率法主要知识点5.1引言5.2典型环节频率特性曲线的绘制5.3系统的开环频率特性5.4线性定常系统频域稳定判据5.5稳定裕度5.6闭环系统的频率响应5.7Matlab软件在系统频域分析中的应用（自学）教学要求：通过本章的学习，使学生掌握系统频域分析的基本概念和基本方法，能够绘制系统的开环和闭环频率特性曲线。重点：频率特性的基本概念，特性曲线的绘制方法，奈奎斯特稳定判据的本质与应用，时域指标和频域指标的对应关系。难点：奈斯曲线的绘制方法和稳定判据的应用。采用的教学方法：课堂讲授、讨论与习题。参考案例：matlab的应用，案例见教材（由学生自学完成）。讲授学时：8学时。习题讲解：2学时。（七）第6章控制系统的校正设计主要知识点6.1引言6.1引言6.2控制（校正）器的基本控制规律6.3常用校正装置及特性6.4根轨迹法在控制系统校正设计中的应用6.5伯德图频域法在控制系统校正设计中的应用6.6工业过程控制中PID调节器参数的工程整定（自学部分）6.7复合校正控制系统设计*6.8实用的PID控制器结构与鲁棒控制问题6.9MATLAB在控制系统设计中的应用（自学部分）教学要求：通过本章的学习，使学生全面了解校正的概念及校正方式、熟悉基于根轨迹的校正方法或基于频域bode图的校正方法，熟悉复合校正控制系统设计，学习PID控制系统的工程整定方法。重点：串联超前、串联滞后校正网络的设计。难点：控制系统设计方法的应用，以及反馈校正方法及应用。采用的教学方法：课堂讲授与案例分析。讲授学时：11学时。讲解习题：2学时。自动化专业或多学时专业+32学时：（八）第7章控制系统的状态变量分析与设计主要知识点7.1引言7.2线性定常连续系统的时域响应7.3连续系统的李雅普诺夫稳定性分析7.4控制系统的能控性和能观测性7.5线性定常系统的极点配置设计*7.6最优控制系统（自学部分）教学要求：通过本章的学习，使学生掌握基于状态变量法的线性定常系统状态转移矩阵的定义及系统的求解方法，李雅普诺夫稳定性概念及基本理论、以及稳定性分析的基本方法。牢固掌握控制系统可控性与可观性的概念、定义、判据，了解控制系统的结构分解。掌握线性定常系统极点配置设计方法，了解最优控制的数学描述与性能指标、以及线性系统的LQR设计方法。重点：线性定常系统的时域分析、线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析、线性定常系统的可控性与可观性判断、线性定常系统的极点配置设计方法。难点：状态转移矩阵、李雅普诺夫稳定性的基本理论及非线性系统的稳定性分析、控制系统的结构分解。采用的教学方法：课堂讲授与案例分析。讲授学时：11学时。习题讲解：2学时。（九）第8章非线性系统8.1引言8.2典型非线性特征及对系统运动的影响8.3相平面法8.4描述函数法8.5利用非线性特性进行控制系统设计8.6MATLAB在非线性系统分析中的应用（自学部分）教学要求：通过本章的学习，使学生熟悉非线性系统的特征、一般研究方法，典型非线性特征及对系统运动的影响，掌握非线性系统的相平面与描述函数的一般分析方法，了解如何利用非线性特性进行控制系统设计方法。重点：非线性系统的特征、一般研究方法，典型非线性特征及对系统运动的影响，掌握典型非线性控制系统相平面分析、以及如何利用描述函数分析系统的稳定性。难点：相轨迹做图、描述函数的计算。采用的教学方法：课堂讲授与案例分析。讲授学时：11学时。习题讲解：2学时。（十）第9章数字控制系统9.1引言9.2信号的采样与保持9.3变换理论9.4离散系统的数学模型9.5线性定常离散控制系统的稳定性9.6离散系统的稳态误差9.7离散系统的动态性能分析9.8常用数字控制器的实现9.9MATLAB在数字控制系统中的应用（自学）教学要求：通过本章的学习，使学生熟悉数字系统信号的采样与保持、z变换理论、离散系统的数学模型，以及线性定常离散控制系统的稳定性、稳态误差、动态性能分析，掌握模拟PID控制器的离散化方法及模型。重点：数字系统信号的采样与保持、z变换理论、离散系统的数学模型，以及线性定常离散控制系统的稳定性、稳态误差、动态性能分析，掌握模拟PID控制器的离散化方法及模型。。难点：数字系统动态性能分析及PID控制器的离散化方法及模型。采用的教学方法：课堂讲授与案例分析。讲授学时：6学时。习题讲解：2学时（课外自学）。（十一）第10章自动控制系统的设计案例（课外自我学习部分）10.1引言10.2温度控制器的设计与实现*10.3倒立摆控制系统设计与实现学习建议：利用课外或假期时间分组完成一个实际控制案例的学习与实践。三、课程要求（一）出勤学生应积极参与课堂教学并完成相关的作业、讨论和考试内容。（二）阅读资料学生应认真进行课前预习，阅读教材和指定参考书及重要的参考文献。（三）课堂展示根据时间及课堂班人数，在可能的情况下安排小组讨论和答疑。（四）课外实践本课程是理论和实践结合的课程，鼓励学生自主完成课外控制系统实训项目。（五）小考与期末考课堂中随机提问，视进度情况安排期中测验，期末闭卷考试。（六）课程论文以平时作业为主，学生可自主选择是否做课外实践项目。（七）学术诚信按照相关学校的规定执行。（八）剽窃的定义以及相应的惩罚剽窃是严重违反学校规章制度的行为。一经发现，将上报相关部门，并受到包括开除学籍在内的严厉处罚。四、课程资料（一）教科书-必读杨智、范正平、曾君.自动控制原理（第3版）.清华大学出版社，2025年06月。（二）参考书1、王建辉，顾树生.自动控制原理（第2版）.清华大学出版社，2018年7月第11次印刷。2、胡寿松.自动控制原理（第四版）.科学出版社，2001年。3、R.C.DorfandR.H.Bishop.MordenControlSystem(第九版).科学出版社（英文影印版）。4、吴麒.自动控制原理.清华大学出版社，1997年。五、评估的程序和方法（一）评分体系评分体系考核要求分值平时成绩课堂参入度（15%）1）全勤10%2）课堂讨论、回答问题积极或最后考试成绩优异者（5%）15平时作业或课后小测（15%）课后作业和小测总计5~8次，每次占3%~5%，主要考核学生对每节课知识点的理解与掌握；课后查阅资料，自主预习、了解本课程相关技术发展。15期中考试（10%）考核学生半个学期所学知识的掌握度。10期末成绩期末考试（60%）试卷题型包括选择题、填空题、计算与分析综合题，重点考核学生对基础知识的掌握、以及能用所学基础知识直接解决问题的能力。60（二）课程目标的评分标准课程目标评分标准90-10080-8970-7960-690-59优良中及格不及格课程目标1能够很好地掌握自控原理的基本概念，对自控系统的基本组成、功能和性能指标有的深刻的理解。能够较好掌握自控原理的基本概念，对自控系统的基本组成、功能和性能指标有的较深刻的理解。能够掌握自控原理的基本概念，对自控系统的基本组成、功能和性能指标有一定的理解。能够基本掌握自控原理的基本概念，对自控系统的基本组成、功能和性能指标有基本的理解。无法正确掌握自控原理的基本概念，对自控系统的基本组成、功能和性能指标无法正确理解课程目标2能够熟练地对典型的自控系统进行建模和性能分析，正确判断系统是否稳定，评判系统性能的优劣。并能够综合运用所学自控原理的基本知识，设计复杂自控系统。能够较熟练地对典型的自控系统进行建模和性能分析，正确判断系统是否稳定，评判系统性能的优劣。并能够综合运用所学自控原理的基本知识，设计较复杂的自控系统。能够对典型的自控系统进行建模和性能分析，正确判断系统是否稳定，评判系统性能的优劣。并能够综合运用所学自控原理的基本知识，设计一般的自控系统。能够对典型的自控系统进行建模和性能分析，正确判断系统是否稳定，评判系统性能的优劣。并能够综合运用所学自控原理的基本知识，设计简单的自控系统。无法正确地对典型的自控系统进行建模和性能分析，正确判断系统是否稳定，评判系统性能的优劣。不能够综合运用所学自控原理的基本知识，设计自控系统。课程目标3能够通过自主学习、查阅资料，完成课后作业，并能进行总结归纳能够较好地通过自主学习、查阅资料，完成课后作业，并能进行总结归纳基本能够通过自主学习、查阅资料，完成课后作业，并能进行总结归纳基本能完成课后作业不能完成课后作业七、教学进度与学时分配表（少学时专业）周次课程要点理论学时实验学时习题学时1第1章：引言32第2章：微分方程的编写，非线性数学模型的线性化23传递函数，系统方框图，系统传递函数和方框图的等效变换34系统传递函数和方框图的等效变换，信号流图225第3章：自动控制系统的时域指标，一阶系统的阶跃响