《自动控制原理3》课程教学大纲.docx

自动控制原理3教学大纲一、课程基本信息课程名称自动控制原理Automatic Control Principle课程编码CTL123811035开课院部控制科学与工程学院课程团队自动控制原理教学团队学分3.5课内学时60讲授48实验12上机0实践0课外学时56适用专业电气工程及其自动化授课语言中文先修课程课程简介 （必修）本课程是电气工程及其自动化专业的专业基础理论课之一，重点介绍动态系统的数学模型建立、线性系统的时域分析法、根轨迹法、 频域分析法及其校正和设计、线性离散系统的基础理论与分析方法等知识。通过本课程的学习，使学生掌握自动控制系统的基本思想，熟 悉自动控制系统的分析方法和设计方法，加深对控制问题本身的理解，奠定学生在控制理论与应用方面的扎实基础，为学习后继的专业课 程、进行科研以及实际工作等都打下良好的理论基础。This course is one of the professional basic courses of electrical engineering and automation major. This course focuses on the mathematical model of the control system, the time domain analysis method, the root locus method and the frequency domain analysis and design method for linear continuous-time systems, the basic theory and analysis method for linear discrete-time systems. By studying this course, the students are expected to master the basic concepts and principles of automatic control systems, be familiar with the analysis and design methods for the automatic control systems, and enhance the understanding of the control problems. Through the study of this course, the students could lay a solid foundation for the control theory and application, and be ready for studying the following professional courses, scientific research and practical work.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标0BE毕业要求指标点任务自选1Ml目标1 :理解与掌握自动控制系统的基本原理、组成、分类以及性能要求，能够从控制系统角度出发 进行分析，绘制符合控制系统基本组成的方框图，提炼出具体的控制问题。是1.22M2目标2 ：能够运用高等数学、复变函数与积分变换和大学物理等知识建立自动控制系统的数学模型， 将工程问题转换为数学问题，并能够进行多种模型的简化或转换，了解各模型的特点和适用场合是1.23M3目标3 ：掌握经典控制理论中线性定常控制系统的时域、根轨迹和频域分析方法。掌握线性定常离散 系统的分析计算方法。能够针对自动控制系统，进行稳定性、稳态误差和暂态特性等控制指标的定 量或定性的分析。是1.2三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课 程目标课内 学时教学方式课外 学时课外环节1第1章自动控制系统的一 般概念本章重点：控制系统的组成、负反馈原理和控制系统的分类、 基本要求等。本章难点：控制系统的基本性能要求。Ml/21. 1自动控制技术的发 展概况介绍控制论的核心思想及其在社会、经济、工程等领域的应 用，结合代表性人物（瓦特、维纳、钱学森、卡尔曼、何毓琦 等）介绍控制理论的发展，结合反馈原理使学生理解控制论的 思想及其在诸多方面的应用。Ml0.5讲授/讨论 /翻转课堂0.5阅读31.2自动控制系统的基 本组成自动控制实例、原理方框图Ml0.5讲授/讨论 /翻转课堂0. 5作业41. 3自动控制系统的分 类开环与闭环系统；反馈控制原理；其他分类方法Ml0.5讲授/讨论 /翻转课堂0.5作业51.4自动控制系统的基 本性能要求稳定性、快速性、准确性、时域指标、频域指标Ml0.5讲授/讨论 /翻转课堂0.5作业/自学61.5实验一：认识实际 的控制系统认识实际的控制系统Ml2实验1撰写实验 报告7第2章第章动态系统的 数学模型本章重点：建立机理模型的思路和方法，传递函数的概念，结 构图等效变换。本章难点：结构图等效变换。M2/82. 1引言数学模型与系统分析和系统设计的关系，静态模型，动态模 型，各种建模方法。M20.5讲授/讨论 /翻转课堂0.5作业92.2物理装置的数学模机理模型（力学定律、电学定律、热力学定律、化学反应定律M21.5讲授/讨论1. 5作业/自学型等机理；物料平衡、能量平衡等方法），非线性环节的线性化， 无量纲增量的微分方程。/翻转课堂102.3控制系统的数学模 型建模举例，负载效应与信号的单向性，拉普拉斯变换及其应 用。M22讲授/讨论 /翻转课堂3作业/自学112.4传递函数与动态结 构图传递函数与动态结构图的概念；典型环节传递函数，动态结构 图的变换与简化。M22讲授/讨论 /翻转课堂2作业/自学122.5信号流图信号流图基本概念，梅逊增益公式及其应用。M22讲授/讨论 /翻转课堂2作业/自学13第3章线性系统的时域分 析法本章重点：稳定性、稳态误差和瞬态性能的概念，二阶系统阶 跃响应的性能指标与特征参数之间的关系，调节规律及参数对 系统性能的影响等。本章难点：稳态误差，调节规律及参数对 系统性能的影响。M3/143. 1引言时域分析法的特点，典型输入信号和时域性能指标。M31讲授/讨论 /翻转课堂1作业153.2一阶系统的瞬态响 应阶跃响应分析，系统参数与瞬态性能的关系，其他典型输入信 号响应，线性系统的特性（叠加原理、积分性质、微分性质）。M32讲授/讨论 /翻转课堂2作业163.3二阶系统的瞬态响 应典型二阶系统的阶跃响应，特征根与特征参数的关系。动态性 能指标的计算，零极点的影响，二阶系统瞬态性能的改善。M33讲授/讨论 /翻转课堂3作业/自学173.4高阶系统的瞬态响 应三阶系统的阶跃响应，高阶系统的阶跃响应分析（各种响应分 量与特征根分布的关系），主导极点的概念。M32讲授/讨论 /翻转课堂2作业/自学183.5稳定性分析稳定性定义，稳定的充要条件，稳定判据及其应用，相对稳定 性的概念。引导学生通过动态系统的观点，理解稳定性对动态 系统的重要意义，以及影响稳定性的因素和分析方法。M32讲授/讨论 /翻转课堂2作业/自学193.6稳态误差分析稳态误差概念，开环系统的型别（按1/s因子个数判断），误差 系数计算（Kp, Kv, Ka）,扰动作用下的稳态误差，参数变化时 引起的稳态误差及反馈系统的特点，动态误差系数，PID参数 及规律对系统性能的影响。M32讲授/讨论 /翻转课堂2作业/自学203.7实验一：典型环吊 瞬态响应典型坏节瞬态响应M33实验1撰写实验 报告21第4章第章线性系统的 根轨迹法本章重点：负反馈控制系统根轨迹的绘制方法，闭环极点与瞬 态响应的关系，PID参数对系统性能的影响等。本章难点：根 轨迹的绘制方法，闭环极点与瞬态响应的关系。M3/224. 1引言时域分析法的局限性，根轨迹法及其发展。介绍一兀局次方程 求根问题的发展历史及代表性人物，并指导学生阅读方程求根 与数域的扩展、群论的诞生等拓展资料，引导学生探索问题的 本质并理解方程求根问题对现代数学理论发展的重要意义。M30.5讲授/讨论 /翻转课堂1自学234.2根轨迹方程根轨迹方程，幅值条件和相角条件。M30.5讲授/讨论 /翻转课堂1作业/自学244.3根轨迹绘制根轨迹的绘制法则与举例，正反馈根轨迹绘制法则，参量根轨 迹的绘制。M32讲授/讨论 /翻转课堂3作业/自学254.4根轨迹分析闭环系统特征根与瞬态性能的关系，根轨迹上主导极点确定， 开环零极点对系统性能的影响，PID参数(Kp, Ti, Td)的参 量根轨迹及对系统性能的影响。M31讲授/讨论1作业/自学264.5实验三：控制系统 的根轨迹控制系统的根轨迹M32实验1撰写实验 报告27第5章第章线性系统的 频率分析法本章重点：频率特性的概念，典型环节的频率特性，Nyquist 稳定判据，开环频域指标(sc, y)与闭环频域指标(Mp.3b),典型二阶系统的频域分析。本章难点：Nyquist稳定判 据，典型二阶系统的频域分析。M3/285. 1频率特性的概念频率特性的定义，频率特性与传递函数的关系。M32讲授/讨论 /翻转课堂2作业295.2频率特性的几种曲 线表示法奈奎斯特图、波特图M31讲授/讨论 /翻转课堂1作业305.3典型环节的频率特频率特性的定义，频率特性与传递函数的关系。M32讲授/讨论2作业/自学性/翻转课堂315.4Nyquist稳定判据幅角原理，由开坏Nyquist曲线、Bode曲线判断闭环稳定性。M33讲授/讨论 /翻转课堂3作业/自学325.5最小相位系统与稳 定裕度的概念由开环Bode曲线确定最小相位系统的开环传递函数，开环频率 特性与闭环频率特性之间的关系。M32讲授/讨论 /翻转课堂2作业/自学335.6系统性能分析由开环频率特性确定误差系数(Kp, Kv, Ka),频率特性的一些 重要性质，闭环频率特性，频率特性指标(放大系数、稳定裕 度、穿越频率、谐振峰值、谐振频率、频带宽度等)，典型一阶 系统、二阶系统的频率特性与时域性能指标的关系，高阶系统 性能估计。M32讲授/讨论 /翻转课堂2作业/自学345.7实验四：控制系统 频率特性测试控制系统频率特性测试M33实验1撰写实验 报告35第6章第章线性系统的 校正方法本章重点：超前校正与滞后校正，PID参数对系统性能的影 响。本章难点：超前校正与滞后校正。M3/366. 1系统的设计与校正 问题性能指标、系统校正与系统设计M31讲授/讨论 /翻转课堂1作业376.2校正装置串联超前校正，串联滞后校正，串联超前一滞后校正，期望频 率特性校正法。M31讲授/讨论 /翻转课堂1作业/自学386.3频率特性校正法介绍校正方法的思想，校正步骤结合案例课外自学。M33讲授/讨论 /翻转课堂3作业/自学396.4实验五：控制系统 校正控制系统校正M32实验1撰写实验 报告40第7章线性离散控制系统 的分析与校正本章重点难点：离散时间系统的特点，采样系统的数学描述及 分析设计方法。本章难点：采样系统的数学描述及分析设计方 法。M3/417. 1离散系统的基本概 念采样信号特点，连续信号采样，采样定理。M30.5讲授/讨论 /翻转课堂0.5自学427.2Z变换理论介绍Z变换、Z变换的性质、Z反变换M30.5讲授/讨论 /翻转课堂0.5作业/自学437.3离散系统的数学模 型差分方程，脉冲传递函数。M32讲授/讨论 /翻转课堂2作业/自学447.4离散系统的分析离散系统的稳定性、稳态误差及性能分析。M32讲授/讨论 /翻转课堂2作业/自学四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时表现1 .完成每个知识点布置的作业。2 .参加课堂活动，如随堂测试、提问、课堂讨论等。25%2在线学习1 .完成在线课堂的各章节知识点学习。2 .完成在线课堂的各章测试。3 .完成在线综合测试。15%3实验1 .本课程共5个实验，12学时。2 .成绩采用百分制，根据实验完成情况评分。3 .考核学生对自动控制的理解、对自动控制系统的分析和设计的能力。10%4期末考试1 .闭卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分10。分。2 .针对控制系统建模、时域分析、频域分析等方面考查学生对线性定常系统、线性离散系统以及非线性系统的分析能力 和数学知识的应用能力。3 .试题类型主要包括计算、绘图、分析、设计等。50%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1Ml在线学习40%根据在线学习任务完成情况及测试结果评定成绩。2Ml平时表现40%A-控制问题描述准确，语后简练，控制系统方框图能够准确表示实际控制系统，绘图清晰规范。B-控制问 题描述较为准确，控制系统方框图表示较为规范与准确。C-控制问题描述与控制系统结构图表示基本正 确，控制系统结构图基本能够表示实际控制系统。D-控制问题描述不清晰，控制系统结构图不能体现控制 系统的组成及控制方式。3Ml实验20%根据实验完成情况评分。4M2平时表现30%A-能够根据系统的运行机理准确建立控制系统的数学模型，并能够通准确地通过控制系统结构图和信号流 图进行表达与化简。B-能够根据微分方程模型建立控制系统的传递函数模型，在利用结构图等效变换和信 号修图求传递函数时结果基本正确。c-基本掌握控制系统的传递函数、脉冲传递函数模型的建立方法，在 使用结构图等效变换及信号流图化简时存在少量错误。D-不能建立控制系统的传递函数模型，不能利用控 制系统结构图和信号流图表达控制系统。5M2在线学习20%根据在线学习任务完成情况及测试结果评定成绩。6M2期末考试50%依据试卷评分标准。7M3平时表现20%A-能够根据系统的运行机理准确建立控制系统的数学模型，并能够通准确地通过控制系统结构图和信号流 图进行表达与化简，能够选择恰当的方法准确分析系统的稳定性与动态特性，能够准确分析参数变化对系 统性能的影响。B-能够根据微分方程模型建立控制系统的传递函数模型，在利用结构图等效变换和信号修 图求传递函数时结果基本正确，能够准确分析系统动态特性与稳定性分析，能够较为准确地分析系统参数 变化对系统性能的影响。C-基本掌握控制系统的传递函数、脉冲传递函数模型的建立方法，在使用结构图 等效变换及信号流图化简时存在少量错误，系统动态特性和稳定性分析的基本正确，理解系统参数变化对 系统性能的影响。1）-不能建立控制系统的传递函数模型，不能利用控制系统结构图和信号流图表达控制系 统，不能采用合适的方法分析系统的动态特性和稳定性，或得到错误结论。8M3在线学习20%根据在线学习任务完成情况及测试结果评定成绩。9M3实验10%根据实验完成情况评分。10M3期末考试50%依据试卷评分标准。评分等级说明：A, B, C, D, E = 90-100, 80-89, 70-79, 60-69, 0-59; A, B, C, D = 90-100, 75-89, 60-74, 0-59; A, B, C=90-100, 75-89,60-74, 0-59; M, N=80-100, 0-79六、教材与参考资料序号教学参考资料明细1图书1自动控制原理（第六版），胡寿松，科学出版社，2013, ISBN:978-7-03-037056-3. （*主教材）2图书1自动控制原理（第四版），高国樊，华南理工大学出版社，2013.3图书1自动控制原理（第二版），吴麒，清华大学出版社，2010.4图书1化工过程控制原理（第二版），周春晖，化学工业出版社，1998.5 |图书I I现代控制工程（第四版），绪方胜彦，绪方胜彦，2006. 七、实验项目信息序号项目名称实验室名称门牌号组人数学时实验类别要求实验类型上机1实验一：认识实际的控制系统信息与控制工程学院实 验中心5309302专业基础必做演示性否2实验一：典型坏书瞬态响应信息与控制工程学院实 验中心5303303专业基础必做设计性否3实验三：控制系统的根轨迹信息与控制工程学院实 验中心5303302专业基础必做设计性否4实验四：控制系统频率特性测试信息与控制工程学院实 验中心5303303专业基础必做设计性是5实验五：控制系统校正信息与控制工程学院实验中心5303302专业基础必做综合性是