《能源与动力工程控制基础》课程教学大纲（本科）.docx

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1、能源与动力工程控制基础Fundamental Control of Energy and Power Engineering课程代码：02410037学分：2学时：32 （其中：课堂教学学时：32 实验学时：0上机学时：0 课程实践学时：0 ）先修课程：高等数学、工程数学、工程力学、电工电子学适用专业：能源与动力工程（流体机械及其自动控制）、能源与动力工程教材：自动控制原理；孙炳达；机械工业出版社、第4版一、课程性质与课程目标（一）课程性质（需说明课程对人才培养方面的贡献）专业基础课。为本专业学生掌握能源动力设备及系统的自动控制设计方法和技能提供理论基础。 （二）课程目标（根据课程特点和对毕业

2、要求的贡献，确定课程目标。应包括知识目标和能力 目标。）课程目标1 （知识）：了解自动控制在能源与动力工程专业领域的地位和重要性，掌握自动控制 系统有关的基本概念；课程目标2 （知识）：掌握自动控制系统的类型及基本组成；课程目标3 （知识）：熟悉自动控制系统的微分方程、传递函数、频率特性等数学模型，自动控 制的基本原理和时域、频域性能评价指标；课程目标4 （知识）：了解自动控制系统的频率法校正方式和种类。课程目标5（能力）：能够针对能源与动力工程专业领域的实际控制系统分析自动控制原理，确 定被控对象、输入量、输出量、反馈量等，并绘制系统结构图；课程目标6 （能力）：具备应用先修课程所学理论建立

3、自动控制系统微分方程、传递函数、频率 特性等数学模型的能力；课程目标7 （能力）：具备应用时域法和频率法分析自动控制系统的稳定性和动态性能的能力；课程目标8 （能力）：初步能够利用PID调节器对自动控制系统进行校正。注：工程类专业通识课程的课程目标应覆盖相应的工程教育认证毕业要求通用标准；（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系（认证专业专业必修课程填写）二、课程内容与教学要求（按章撰写）第一章绪论（-）教学内容介绍自动控制技术、原理的发展概况及其在能源动力等各领域的重要作用；讲解自动控制系统的基本概念及分类、闭环控制系统的基本组成；介绍对自动控制系统的基本要求。（二）教学要求知识要求：了

4、解自动控制技术、理论的发展概况及其在能源动力等各领域的作用和地位；正确理解自动控制、自动控制系统、被控对象、被控量和控制装置等概念，以及系统的基本控 制方式，特别是闭环控制及其基本组成环节；了解常用的系统分类方式及各自的含义、特征，正确理解对自动控制系统三大性能指标要求的 含义。能力和素质要求：能够分析自动控制系统的工作原理和各组成元件的功能，能够正确找出实际控制系统的被控对 象、输入量、输出量、反馈量等；初步掌握由系统工作原理图绘出方框图的方法，并能正确判别系 统的控制方式。（三）重点与难点1 .重点掌握自动控制系统有关的基本概念和工作原理，以及闭环控制系统的基本组成。2 .难点准确理解自动

5、控制系统有关的基本概念。第二章自动控制系统的数学描述（一）教学内容简要介绍拉普拉斯变换及其在自动控制中的作用；讲解线性定常系统动态微分方程的基本形式及其建立系统动态微分方程的一般方法，介绍模型 的相似性、简化性和准确性概念；讲解运用拉普拉斯变换解微分方程的方法，传递函数的定义、性质、表达方式及求取开环传递 函数、闭环传递函数、典型环节传递函数的基本方法，传递函数的零点、极点、传递系数等基本概 念，两种数学模型的关系；讲解系统动态结构图的构成要素、表示方法及其等效变换方法；讲解信号流程图的构成要素、表示方法、简化方法及梅逊公式的应用，及其与结构图的关系。（二）教学要求知识要求：正确理解线性定常系

6、统微分方程和传递函数的概念、形式及特点；正确理解典型环节的微分方程、传递函数及其基本特性；掌握系统结构图和信号流程图的构成要素、功能；熟练掌握系统结构图的等效变换方法和应用梅逊公式求解系统总增益方法；正确理解两种数学模型之间的对应关系，两种数学图形之间的对应关系，以及模型与图形之间 的对应关系。能力和素质要求：能够根据系统及构成元件的特点和元件的连接关系，应用先修课程相关的物理规律，编写系统 动态微分方程表达式；能够根据传递函数的定义熟练求取系统的传递函数，并能辨别不同的典型环节；能够熟练应用串联、并联、反馈、相加点移动、分支点移动等方法对系统结构图进行等效变换 和化简，获得系统总传递函数；能

7、够熟练绘制系统的信号流程图，正确分析前向通路、回环和互不接触回环，应用梅逊公式求 取系统的总增益；能够进行模型、图形之间的对应转换。（三）重点与难点1 .重点掌握建立线性定常系统微分方程和求取系统传递函数的方法；正确理解微分方程、传递函数、结构图和信号流程图的关系和特点；掌握正确应用系统结构图、信号流程图求取系统总传递函数、总增益的方法。2 .难点综合应用相关物理基本规律建立自动控制系统数学模型；数学模型、图形之间的对应转换关系。第三章控制系统的时域分析法（-）教学内容介绍阶跃函数、斜坡函数、加速度函数等典型输入信号及系统上升时间、峰值时间、超调量、 调节时间、稳态误差等时域性能指标的定义；讲

8、解依据系统单位阶跃响应及其性能指标分析低阶、高阶系统特性的基本方法，以典型二阶系 统为主要对象分析系统动态性能，着重讲解欠阻尼典型二阶系统的单位阶跃响应及其性能指标的计 算方法；通过高阶系统分析获得系统稳定的充要条件和系统主导极点概念；讲解应用劳斯稳定判据判断系统稳定性的方法；介绍系统的稳态误差概念，讲解系统稳态误差系数和稳态误差的计算方法。（二）教学要求知识要求：熟悉控制系统的典型输入信号、系统性能分析方法和时域响应基本概念，正确理解系统上升时 间、峰值时间、超调量、调节时间、稳态误差等时域性能指标和系统稳定性、型别、稳态误差系数 等概念；掌握一阶、二阶系统的阶跃响应特点和性能指标、结构参数

9、计算方法，熟练掌握典型二阶系统 特别是欠阻尼典型二阶系统的性能特点及性能指标计算方法；正确理解线性定常系统稳定的条件，掌握劳斯稳定判据；正确理解系统稳态误差的物理意义，掌握稳态误差的计算方法。能力和素质要求：能够应用一阶、二阶系统单位阶跃响应及其性能指标分析系统动态性能；针对线性定常系统，能够熟练应用劳斯稳定判据判断系统的稳定性、求解待定参数、分析系统 稳定裕度；能够熟练计算在阶跃函数、斜坡函数、加速度函数输入下不同型别系统的稳态误差系数及稳态 误差。（三）重点与难点1 .重点熟练掌握以欠阻尼典型二阶系统为主要代表的系统动态性能时域分析方法和线性定常系统的稳 定性判断及稳态误差计算方法。2 .

10、难点控制系统单位阶跃响应的求取，对系统性能指标物理意义的正确理解。第四章控制系统的频率响应法（一）教学内容讲解频率特性的物理意义、数学本质及定义；讲解频率特性的三种求取方法和极坐标图、伯德图表示方法，以及典型环节频率特性的规律及 特征点；讲解系统开环频率特性的极坐标图和伯德图绘制方法，介绍最小相位系统概念和伯德定理；讲解奈奎斯特稳定判据的原理和判别条件，极坐标图和伯德图的关系，以及用奈奎斯特稳定判 据判断闭环系统稳定性的方法（包括带有积分环节系统的稳定性判别方法）；讲解转折频率（交接频率）、截止频率、相位裕度、增益裕度、中频宽度等频域性能指标和三频 段等概念及物理意义，并利用频率特性分析系统性

11、能；简介时域性能指标与频域性能指标的关系。（二）教学要求知识要求：正确理解频率特性的物理意义、数学本质和定义；熟记典型环节频率特性的规律及其特征点；熟练掌握频率特性的求取方法及极坐标图、伯德图表示方法，了解最小相位系统概念及伯德定 理；掌握奈奎斯特稳定判据的原理和判别条件，以及转折频率（交接频率）、截止频率、相位裕度、 增益裕度、中频宽度和三频段等概念及物理意义；了解时域性能指标与频域性能指标的关系。能力和素质要求：能正确运用频率特性定义分析和计算元件或系统在正弦输入下的稳态响应；能够熟练求取并绘制开环频率特性的极坐标图和伯德图；能够熟练运用奈奎斯特稳定判据判断闭环系统的稳定性；能够熟练进行频

12、域性能指标的计算，并运用性能指标、三频段概念分析系统性能。（三）重点与难点L重点熟练掌握奈奎斯特稳定判据和频域性能指标，并应用其对系统性能进行分析判断。3 .难点对奈奎斯特稳定判据的原理的理解；频率特性和极坐标图、伯德图的对应关系及相互转换。第五章控制系统的校正（一）教学内容介绍系统校正的目的、常用方法和校正的实质；讲解典型的无源超前校正、滞后校正、滞后-超前校正和期望串联校正的数学模型、伯德图及与 设计相关的特征量，分析串联校正的作用、优缺点、适应范围及特征量设计要点；讲解PD、PI和PID三种常用调节器的校正作用及校正时调节器参数的确定方法。（二）教学要求知识要求：了解系统校正的作用及常用

13、方法；掌握典型的无源超前校正、滞后校正、滞后-超前校正和期望串联校正的作用、优缺点及适应范 围；掌握PD、PI和PID三种常用调节器的校正作用。能力和素质要求：了解串联校正的基本设计方法；能够根据系统特点选择PD、PI或PID调节器作为校正装置，并确定调节器相关参数。（三）重点与难点4 .重点熟悉控制系统校正的常用方法及校正装置设计的基本方法。5 .难点校正装置的选择及参数确定。三、本课程开设的实验项目（如课程不含实验，该项可不填）四、学时分配及教学方法章（按序填写）教学形式及学时分配主要教学方法支撑的课程目标课堂 教学实 验上 机课程 实践小 计第一章2讲授法课程目标1、2、5第二章8讲授法

14、、案例课程目标3、6给一辽 第二早6讲授法课程目标3、6、7第四章11讲授法课程目标3、6、7第五章5讲授法课程目标4、8合计32注：1.课程实践学时按相关专业培养计划列入表格;2 .主要教学方法包括讲授法、讨论法、演示法、研究型教学方法（基于问题、项目、案例 等教学方法）等。五、课程考核考核形式考核要求考核权重备注平时作业作业次数20%期末考试闭卷考试80%注：1 .分学期设置和考核的课程应按学期分别填写上表。3 .考核形式主要包括课堂表现、平时作业、阶段测试、期中考试、期末考试、大作业、小论文、项目设计和作品等。4 .考核要求包括作业次数、考试方式（开卷、闭卷）、项目设计要求等。5 .考核

15、权重指该考核方式或途径在总成绩中所占比重。六 参考书目及学习资料（书名，主编，出版社，出版时间及版次）1、自动控制原理,文友先，华中科技大学出版社,2012年出版JSBN号为978-7-5609-7743-0；978-7-5640-6501-0；2、自动控制原理，刘 胜，国防工业出版社3、自动控制原理及应用，廉振芳、苏 挺，,2012 年出版,ISBN 号为 978-7-118-08294-4；北京理工大学出版社，2012年出版，ISBN号为4、自动控制原理学习辅导与习题解答，徐颖秦、潘丰，机械工业出版社，2012年出版， ISBN 号为 978-7-111-37371-1；5、自动控制原理，

16、李红星，电子工业出版社，2011年出版，ISBN号为978-7-111-37371-1。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）本课程属于专业基础理论课，主要采用课堂教学和课后练习的方式达到教学要求。通过教学实 施，使学生了解自动控制在能源与动力工程专业领域的地位和重要性，掌握自动控制系统有关的基 本概念、类型及基本组成，熟悉自动控制系统的微分方程、传递函数、频率特性等数学模型，自动 控制的基本原理和时域、频域性能评价指标，了解自动控制系统的频率法校正方式和种类。除课堂 教学外，利用课间或课外答疑、交流，课后作业覆盖全部教学内容，每周交一次，按学号的单、双 号交替批改50%,对存在的共性问题在课堂上集中订正。2017 年 9 月 16 H