《建筑设备自动控制》课程教学大纲（本科）.docx

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1、建筑设备自动控制Automatic control of building equipment课程代码:05410112学 分：2.5学 时：40（其中：课堂教学学时：40实验学时：0上机学时：。课程实践学时：0）先修课程：电工电子学适用专业：建筑环境与能源应用教 材：控制工程基础，朱孝勇，傅海军.机械工业出版社，2018年一、课程性质与课程目标（一）课程性质“建筑设备自动控制”是建筑环境与能源应用专业本科生专业基础课之一。课程研究自动控制 技术的基础理论，是以原理为主的理论性课程。主要从数学模型出发，讲述自动控制的基本原理和 控制系统分析与设计的基本方法。通过本课程的学习，使学生能够正确理解

2、和运用课程的基本概念和理论，掌握一套较完整的分 析、设计自动控制系统的方法。为专业课的学习打好基础，而且为以后从事实际工作和科研奠定一 定的理论基础。（二）课程目标“建筑设备自动控制”课程主要介绍经典控制理论的基本概念和基本原理，自动控制系统的分 析方法和设计方法。简单介绍控制系统的传递函数和结构图概念。重点介绍时域分析法、根轨迹分 析法、频域分析法、控制系统校正方法。课程目标分为知识目标和能力目标两个方面，分述如下：1.知识目标课程目标1.1掌握控制系统的基本要求（稳定性、快速性、准确性）及其指标参数；课程目标1.2掌握控制系统的传递函数和结构图概念;课程目标1.3掌握时域分析法的原理及方法

3、;课程目标1.4掌握根轨迹分析法的原理及方法；课程目标1.5掌握频域分析法的原理及方法；课程目标L6掌握控制系统的常用校正装置及其校正方法。2.能力目标课程目标2.1能够针对实际控制系统建立数学模型，并画出系统结构图；课程目标2.2能够熟练运用时域分析、根轨迹分析和频域分析系统的稳定性、快速性和准确性；课程目标2.3能够运用频率法对控制系统进行校正；课程目标2.4能够根据控制系统的基本要求（稳定性、快速性、准确性）分析解决基本工程问题;课程目标2.5逐步培养学生的逻辑思维能力、判断和归纳能力。二、课程内容与教学要求 第一章绪论（一）课程内容.自动控制系统的基本概念、组成与分类1 .控制系统应用

4、实例.自动控制理论的发展2 .自动控制系统的要求：稳定性、快速性、准确性（二）教学要求. 了解本课程的性质、研究对象与基本任务1 .掌握自动控制系统的基本概念、基本原理.掌握自动控制系统的要求：稳定性、快速性、准确性2 . 了解自动控制系统的应用实例、自动控制理论的发展 （三）重点与难点.重点自动控制系统的特点；自动控制系统的要求：稳定性、快速性、准确性；本课程的篇章结 构和它们之间的联系.难点自动控制系统的要求：稳定性、快速性、准确性；本课程的篇章结构和它们之间的联系。 第二章自动控制系统的数学模型（一）课程内容.控制系统的微分方程：线性系统微分方程的建立，非线性系统微分方程的线性化1 .控

5、制系统传递函数：定义，注意点，时间常数表示形式和零极点表示形式2 .典型环节及其传递函数：比例、积分、纯微分、惯性、一阶微分、振荡、二阶微分、延 迟等环节的微分方程及其传递函数3 .控制系统的结构图：组成、建立；结构图的等效变换：原则（变换前后，系统的数学关 系不变），环节的合并（串联、并联、反馈），信号分支点或比较点的移动（左移、右移、互换）4 .信号流图和梅逊公式：信号流图的组成（节点、支路、支路传输），信号流图的常用术语（源 节点、阱节点、混合节点、通路、前向通路、回路、前向通路传输增益、回路传输增益、不接 触回路），梅逊公式，应用梅逊公式求控制系统的传递函数（二）教学要求. 了解控制系

6、统有哪些数学模型1 .熟悉传递函数的概念及其表示形式.熟悉典型环节及其传递函数；具有建立控制系统结构图的能力2 .掌握结构图等效变换方法和利用信号流图求系统闭环传递函数的方法（三）重点与难点.重点控制系统传递函数的概念；建立控制系统结构图；控制系统的结构图及其等效变换；应用 信号流图和梅逊公式求系统的闭环传递函数.难点建立控制系统结构图；控制系统的结构图及其等效变换；应用信号流图和梅逊公式求系统 的闭环传递函数第三章自动控制系统的时域分析法（一）课程内容.典型输入信号：单位阶跃函数、单位斜坡函数、单位抛物线函数1 .系统阶跃响应性能指标：延迟时间、上升时间、峰值时间、最大超调量、调节时间、稳

7、态误差. 一阶系统的动态性能指标及其求法：调节时间2 .二阶系统的动态性能指标及其求法：按阻尼比四种情况求系统的最大超调量、调节时间3 .高阶系统的动态性能分析：由系统的闭环零极点位置和参数大小决定，满足一定条件可 降阶成二阶系统，用闭环主导极点来求解高阶系统的动态性能4 .线性系统稳定的充要条件：所有的闭环极点都位于s平面的右半平面。应用劳斯稳定判 据分3种情况（劳斯表第一列元素没有0、劳斯表第一列元素为0但该行不全为0、劳斯表第一 列元素全为0）判断系统是否稳定、临界稳定.稳态误差的定义；给定稳态误差和扰动稳态误差的求法；降低稳态误差的方法5 . PID基本控制规律的分析：P控制、PD控制

8、、PI控制、PID控制（二）教学要求.掌握控制系统阶跃响应性能指标的定义及其含义1 .掌握二阶系统的动态性能指标及其求法，理解动态性能指标与特征参数的关系，能够构 建实验系统，并进行实验验证，具有分析实验结果得出结论的能力. 了解高阶系统的动态性能分析，理解高阶系统的动态性能与系统闭环零极点间的关系2 .掌握应用劳斯稳定判据判断系统稳定性的方法.掌握求解系统稳态误差的方法，具有降低系统稳态误差的分析能力3 .能够理解PID基本控制规律（三）重点与难点.重点控制系统阶跃响应性能指标定义及含义；二阶系统的动态性能指标及其求法；应用劳斯稳定判据判断系统稳定性；求解系统稳态误差的方法；系统性能指标与系

9、统特征参数之间的关系.难点系统性能指标与系统特征参数之间的关系第四章根轨迹分析法（一）课程内容1 .根轨迹的概念；根轨迹与系统稳定性、快速性和准确性的对应关系；幅值条件方程和相 角条件方程.绘制常规根轨迹的基本法则2 .应用根轨迹法分析系统的性能：稳定性、动态性能和静态性能（二）教学要求.理解根轨迹与系统稳定性、快速性和准确性的对应关系1 .掌握绘制常规根轨迹的基本法则，能够绘制系统常规根轨迹草图. 了解其它几种根轨迹的概念及其特点2 .具有应用根轨迹法分析系统性能（稳定性、动态性能和静态性能）的能力，并能区分根轨 迹分析法与时域分析法在分析系统性能时的异同（三）重点与难点.重点幅值条件方程和

10、相角条件方程；绘制根轨迹基本法则中的：根轨迹的分离点、会合点、出 射角、入射角、与虚轴的交点、根轨迹的变化趋势；应用根轨迹法分析系统的动态性能；开环 偶极子的概念与作用.难点绘制根轨迹基本法则中的：根轨迹的分离点、会合点、出射角、入射角、与虚轴的交点、 根轨迹的变化趋势；应用根轨迹法分析系统的动态性能第五章频率特性分析法（一）课程内容.频率特性的基本概念：频率特性的定义，幅频特性，相频特性，实频特性，虚频特性1 .频率特性的常用图示方法：幅相频率特性（奈奎斯特图），对数频率特性（伯德图）2 .典型环节的频率特性（奈奎斯特图、伯德图）：比例、积分、纯微分、惯性、一阶微分、 振荡、二阶微分、延迟等

11、环节）3 .系统的开环频率特性图的绘制：奈奎斯特图（起点、终点、交点、变化趋势），伯德图（低 频段、转折频率、斜率、对数相频特性的起点、终点和变化趋势）.最小相位系统、非最小相位系统、开环不稳定系统的定义和特点4 .奈奎斯特稳定判据，奈氏判据在奈奎斯特图和伯德图的应用.稳定裕度：（奈奎斯特图和伯德图）上的相角裕度和幅值裕度5 .利用开环频率特性分析系统的性能：动态性能和静态性能（二）教学要求.掌握频率特性的基本概念及其常用图示方法1 .掌握典型环节的频率特性及其特点2 .掌握控制系统开环频率特性图的绘制方法，能够构建实验系统，并进行实验验证，具有 分析实验结果得出结论的能力. 了解最小相位系统

12、、非最小相位系统、开环不稳定系统的定义和特点3 .掌握奈氏判据，能够运用奈氏判据在奈奎斯特图和伯德图上准确判断系统的稳定性.掌握稳定裕度的概念，能够在奈奎斯特图和伯德图上求解出相角裕度和幅值裕度4 .掌握系统频域参数与时域参数、性能指标的关系，具有利用开环频率特性分析系统性能 （动态性能和静态性能）的能力；并能区分频率特性分析法与根轨迹分析法、时域分析法在分析系 统性能时的异同（三）重点与难点.重点典型环节的频率特性；系统的开环频率特性图的绘制；奈奎斯特稳定判据；稳定裕度；利 用开环频率特性分析系统的动态性能和静态性能.难点系统的开环频率特性图的绘制；奈奎斯特稳定判据；稳定裕度；利用开环频率特

13、性分析系 统的动态性能和静态性能第六章自动控制系统的校正（一）课程内容1 .控制系统校正的定义，校正方式（串联校正，反馈校正，复合校正），系统性能指标及其 相互关系.常用校正装置及其特性（超前校正、滞后校正和滞后-超前校正）2 .串联校正的频率法设计：超前校正、滞后校正和滞后-超前校正3 .串联校正的期望对数频率特性设计法：典型的期望对数频率特性（二阶期望特性、三阶 期望特性、四阶期望特性），控制系统的期望对数频率特性设计 （二）教学要求.掌握控制系统校正的定义、校正方式和常用校正装置及其特性1 .掌握串联校正的频率法设计方法，能够进行超前校正、滞后校正和滞后-超前校正的设 计，能够构建实验系

14、统，并进行实验验证，具有分析实验结果得出结论的能力.掌握串联校正的期望对数频率特性设计法（三）重点与难点.重点常用校正装置（超前校正、滞后校正和滞后-超前校正）及其特性；超前校正、滞后校正和滞 后-超前校正的设计步骤及注意点.难点超前校正、滞后校正和滞后-超前校正的设计步骤及注意点三、学时分配及教学方法章教学形式及学时分配主要教学方法课堂 教学实验上机课程 实践小计第一章绪论22讲授、案例、讨论第二章控制系统的数学模型77讲授、自学、练习第三章控制系统的时域分析99讲授、案例、自学、第四章根轨迹分析法66讲授、自学、对比第五章频率特性分析法1111讲授、探究、对比第六章自动控制系统的校正55讲

15、授、探究、对比合计4040五、课程考核序号考核方式或途径考核要求考核权重备注1平时作业课后完成习题，主要考核学生对每章中知识 点的复习、理解和掌握度，计算全部作业的 平均成绩再按20%计入总成绩；可让学生查 阅资料，了解本课程相关技术发展情况，并 根据自身发展需要，自主学习。20%2期末考试试卷题型包括填空题、计算题、计算分析题 等,以卷面成绩的80%计入课程总成绩。其 中考核自动控制理论基础知识及应用能力的 题占90%；考核能针对个人或职业发展的需 求，采用合适的方法，自主学习，适应发展 占比10%o80%六、参考书目及学习资料.自动控制原理，刘国海.北京：机械工业出版社，20161 .自动

16、控制原理及应用（第2版），陈祥光.北京：清华大学出版社，2016.工程控制基础（第2版），翁正新.北京：清华大学出版社，20162 .自动控制理论（第2版），刘丁.北京：机械工业出版社，2016七、大纲说明（内容可包括课程基本要求、习题要求及其它一些必要的说明）1 .本大纲中所要求的40学时是建筑环境与能源应用专业“建筑设备自动控制”课程的最 低要求，如果特殊需要，可在此基础上，根据情况加深，加宽。2 .本大纲将课程教学内容的要求分为四个档次，即熟练掌握、掌握、理解和了解。熟练掌 握是指对教学内容理解正确、透彻、清楚，并具有应用所学知识解决实际问题的能力；掌握是 指对教学内容正确理解，能够应用所学知识解决问题；理解是指对教学内容基本理解，能基本 应用知识解决问题；了解是指对教学内容具有基本认识，能为今后进一步学习打下基础。3 .可采用多媒体与板书相结合的基本教学方式，以及讨论式、演示或案例教学法，或采用 基于雨课堂的智慧教学模式。2019年9月1日