《自动控制原理2》课程教学大纲.docx

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1、自动控制原理2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CTL123611035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56讲授56实聆0上机0|实践0课外学时56适用专业自动彳授课语言中文先修课程高等数学（2T）、高等数学（2-2）、大学物理（2-1）,大学物理实脸（2-1）,电路分析、电路分析实验、大学物理（2-2）、大学物理实验（2-2）、模拟电子技术课程简介 （必修）本课程是自动化专业最重要的专业基础理论课之一,也是本专业的主干课程，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

2、轨迹法、领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、非线性系统的基本概念等知识。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综合方法，奠定其在控制理论与应用方面的专业知识基础，同 时促进学生家国情怀、科学与人文精神的培养，为学习后继学习、科研及工作尊定良好基础。（对应毕业要求：1.2、1.3、2.1、2.2、 2.4）This course is one of the most important professional basic courses of automation major, and it is also the essen

3、tial course of this 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-tim

4、e systems, and the basic concepts for nonlinear systems. By studying this course, the students are expected to master the basic concepts and principles of automatic control systems, be fami1iar wi th the analysis and design methods for the automat ic control systems, and enhance the understanding of

5、 Ihe control problems. Al the same time, i t promotes the culIivat ion of students, nat ional feelings, unci be ready for studying the fol lowing professional courses, scientific research, and practical work. (Corresponding to graduation requirements: 1.2, 1. 3, 2.1, 2. 2, 2.4, 4. 1)负责人大纲执笔人审核人二、课程目

6、标序号代号课程目标OBE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2L是2. 12M2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。是1.23M3目标3；能够将工程问题转换为控制系统数学模型,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2.24Ml目标4 ：能够应用常微分方程求解、拉氏变换等数学知识求解自动控制系统的时域解.掌握自动控制 系统性能指标的计算方法.是1.35M5目标5：掌握经典控制

7、理论中线性定常控制系统的时域、根轨迹、频域分析方法和系统校正与设计技 术。掌握线性定常褐散系统的分析计算方法.了解典型非线性系统的描述函数法的基本原理和计算 方法。能够针对自动控制系统，进行稔定性、稳态误差和暂态特性等控制指标的定At或定性的分 析，并设计校正装置：是2.4三、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、负反馈原理以及控制系统的分类 和性能要求.本至难点：控制系统的基本性能要求。Ml/21. 11. 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

8、，结合代表性人物（瓦特、维纳、钱学森、卡尔曼、何毓埼 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0.5阅读31.2L2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0.5作业41.3L3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0.5作业51.4L4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0.5作业/自学6第2章第2堂动态系统 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。本堂难点：结构图等效变换“M2, M

9、3/72.12.1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0.5作业82.22. 2物理装置的数 学模型机理模型（力学定律、电学定律、热力学定律、化学反应定律 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。M21.5讲授1.5作业/自学92.32. 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0M24讲授/讨论4作业/自学102.42.4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。M32讲授/讨论2作业/自学112.52. 5信

10、号流图信号流图基本概念，梅逊增益公式及其应用。M32讲授/讨论2作业/自学12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。M3/133. 13.1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1作业143.23. 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2作业153.33.3二阶系统的瞬 态响应典型二阶系统的阶跃

11、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3作业/自学163.43.4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2作业/自学173.53.5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183.63.6稳态误差分析稳态误差概念，开环系统的型别（按S因子个数判断），误差M32讲授/讨

12、论2作业/自学系数计算(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。19第4章笫-1 $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,闭环极点与瞠态响应的关系。M1/204. 14.1引言时域分析法的局限性，根轨迹法及其发展，介绍一元高次方程 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

13、重要意义。M10.5讲授1自学214.24. 2根轨迹方程根轨迹方程，幅值条件和相角条件。Ml0.5讲授1作业/自学224.31. 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。M42讲授2作业/自学234.44. 4根轨迹分析闭环系统特征根与瞬态性能的关系.根轨迹上主导极点询定， 开环零极点对系统性能的影响. P【D参数(Kp.Ti.Td)的参 信根轨迹及对系统性能的影响.M42讲授/讨论1作业/自学24第5章第5至线性系统 的频率分析法本章里点：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(3c. Y)与闭环频域指标(Mp.3b

14、),典型二阶系统的频域分析。本至难点：Nyquist稳定判 据，典型二阶系统的频域分析。M4/255. 15.1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。Ml2讲授2作业265.25. 2频率特性的几 种曲线表示法奈奎斯特图、波特图M41讲授1作业275.35. 3典型环节的频 率特性频率特性的定义，频率特性与传递函数的关系。M42讲授,讨论2作业/自学285.45.4 Nyquist 稳定幅角原理，由开环Nyquist曲线、Bode曲线判断闭环稳定性。M43讲授/讨论3作业/自学判据295.55. 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

15、数，开环频率 特性与闭环族率特性之间的关系。M42讲授/讨论2作业/自学305.65.6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.强率特性指标(放大系数、稳定裕 度、穿越撅率、谐振峰值、谐振股率、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。Ml2讲授/讨论2作业/自学31第6章第6至线性系统 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。M4/326. 16.1系统的设计与 校正问题性能指标、系统校正与系统设计M41讲授1作业336.

16、26.2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。Ml1讲授/讨论1作业/自学346.36. 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0Ml2讲授/讨论2作业/自学35第7章线性祸散控制系统 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。M4/!/367. 17.1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。M21讲授1自学377.27. 2 Z变换理论Z变换的基本概念.常用的z变换M21讲授1作业/自学387.3?. 3离散系统的数 学模型

17、差分方程，脉冲传递函数.M31讲授/讨论1作业/自学397.47r离散系统的分析离散系统的稳定性、稳态误差及性能分析.M12讲授/讨论2作业/自学407.57. 5离散系统的动了解相关概念、方法，后续课程计算机控制深入学习。M40课外自学1作业/自学态性能分析及数字 校正41第8章第8章非线性控 制系统分析本章重点：描述函数概念及其分析系统稳定性的方法。本至难 点：描述函数概念及其分析系统稳定性的方法，相平面的概念 及其分析控制系统的方法。M4/428. 18引言实际控制系统中的非线性因素,典型非线性特性，非线性系统 的特点，分析非线性系统的方法。M41讲授1作业438.28. 2描述函数法描

18、述函数的概念及其计算.描述函数分析非线性系统稳定性的 方法。M44讲授/讨论2作业/自学448.38. 3相平面法相平面的概念.相轨迹性质，二阶线性控制系统的相轨迹.绘 制相轨迹的方法.相平面与时域的关系.典型非线性控制系统 相平面分析。M41讲授/讨论3作业/自学四、转核方式序号考核环节操作细节总评占比1线下表现1 .完成布置的作业。2 .参加课堂活动.如随堂测试、提问、课堂讨论等。20%2在线学习1 .完成在线课堂的各章节知识点学习。2 .完成在线课堂的各堂测试。3 .完成在线综合测试。15%3大作业1 .结合社会、经济、工业生产等实际背景中的具体问题，应用自动控制原理知识进行分析，提出该

19、过程包含的控制问 题。2 .完成时域分析的大作业。3 .完成频域分析与校正的大作业。1学生查阅资料，使用适当的计算软件完成计算与设计，撰写报告。15%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、线性高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。50%3.试题类型主要包括计算、绘图、分析、设计等。五、河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50%根据在线学习任务完成情况及测试结果评定成绩“2Ml大作业50%A-控制问题描述准确，语言简练，控制系统方框图能够准确表示实际控制系统，

20、绘图清晰规范。B-控制问 题描述蛟为准确，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.控制系统结构图不转体现控制 系统的组成及控制方式。3M2线下表现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, B-能够根据微分方程模型建立控制系统的传递 函数模型。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。D-不能建立控制系统的传递 函数模型。4M2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.5M2期末考试50%依据试卷评分标准6M3线下表现30%A能够通准确地完成

21、控制系统结构图和信号流图的表达与化简。B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-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-不能利用控制系统 结构图和信号流图表达控制系统。7M3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.，8M3期末考试50%依据试卷评分标准9M4线下表现30%A-能够准确计算一阶、二阶系统的时域响应和性能指标,并根据性能指标求系统参数。在计算时能够准确 运用拉氏变换及线性系统性质.简化计算过程. B-能够准确计算一阶、二阶系统的时域响应和性能指标， 并根据性能指标求系统参数。拉氏变换性质和线性系统的性质的使用基本正瑞，C-通过拉

22、氏变换求解系统 时域响应的方法和时域性能指标的计算步骤和结果基本正确.D不能掌握求解线性系统的时域响应和系统 性能指标的计算方法.10M4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。11M4期末考试50%依据试卷评分标准12M5线下表现10%A-能够根据系统模型的形式,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-能够准弱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-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，D-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

23、。13M5在线学习10%根据在线学习任务完成情况及测试结果评定成绩，14M5大作业20%，卜能够根据被控对象特性及性能指标要求，通过比较与分析选择合理的校正方案，并设计出校正装置，满 足性能指标要求。B-能够掌握不同校正装置的特性和设计方法，设计校正装置基本满足性能指标要求。C- 能够识别不同校正装置，理解校正装置对系统性能的影响，在设计校正装造参数时存在部分错误。D-不能 正确辨别校正装置，没有掌握校正装置的设计方法.15M5期末考试60%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=80 100,0-79J六、教材与参考资料序号教学参考资料明细1图书自动控制原理（第六版）,胡寿松,科学出版社，2013. （*主教材）2图书自动控制原理（第四版），高国桀，华南理工大学出版社，2013.3图书自动控制原理（第二版），吴旭，清华大学出版社，2010.4图书化工过程控制原理（第二版）.周春辉,化学工业出版社，1998.5图书现代控制工程（第四版），绪方胜彦，科学出版社，2006.