课程介绍

自动控制理论教学大纲

课程编号⌛️：2050012　　　　　"开课九游会J9：九游会娱乐控制科学与工程系系

课程类别：专业基础课必修课　适用专业：四年制控制类专业本科生

课内总学时：80　　　　　　　学时学分🩺：5

实验学时🕵🏼‍♀️：8　　　　　　　　"课内上机学时👨‍👨‍👧：0

先修课：大学物理✤、复变函数与积分变换🥪、电路分析、电子技术、微机原理及应用

执笔：付冬梅　　　　　　　　审阅🚵🏿：刘冀伟

　一、课程教学目的

　　本课程是自动控制类专业的重要专业基础课🫖。其教学任务是使学生掌握自动控制系统的基本概念和自动控制系统分析、设计(校正)的基本方法，初步掌握系统实验技能💁🏽，学会运用Matlab进行控制系统辅助分析设计的方法，为后续课程（现代控制理论，计算机控制系统🧛🏻，工业过程控制等）的学习提供所需要的系统分析👩‍🔬🤙🏼、设计的基本理论和基本方法↕️，掌握必要的基本技能，为进一步深造打下必要的理论基础。

　二🧎‍♀️、课程教学基本要求

1．课程重点：

　　负反馈调节的机理和分析⛹🏽；控制系统的数学模型🆖，包括时域模型、频域模型🌑、离散模型及其之间的转换👮🏽‍♀️；连续控制系统的性能指标（主要指稳定性、稳态误差、暂态性能指标）及其分析与计算方法，包括时域指标、复数域指标、频域指标以及各域之间性能指标之间的关系；根轨迹的绘制🍾；极坐标图和Bode图的绘制；离散控制系统的性能指标及其分析与计算方法；PID控制器的特性及其参数校正方法；非线性系统的描述函数分析和相平面分析；改善控制系统品质的一般方法。

2．课程难点：

　　负反馈的工作过程🧘🏻‍♂️；控制系统模型的获得过程和方法；梅森公式的应用；有关控制系统各种性能指标的计算🤾🏿‍♀️，包括时域、复数域、频域、离散系统中的稳定性的分析与计算🐦‍⬛、稳态误差的分析与计算👦🏻、过渡过程性能指标的分析与计算🤽🏿；连续控制系统模型到离散控制系统模型之间的转换；控制形同品质改善的方法和具体计算技术；根轨迹的绘制；极坐标图和Bode图的绘制；频率特性的概念和物理意义🧙🏼‍♀️；控制系统校正的计算🌉；描述函数和相平面的概念👩‍👩‍👧‍👦。

3．能力培养要求🚊：

　　通过该门课程的学习，使学生深化控制系统、控制原理和基本控制方法的认识和理解🤹，掌握相关的理论知识和基本技能。从方法上和技能上量方面对单输入单输出线性定常控制系统和典型的♣️、简单的非线性控制系统进行分析。培养学生从物理意义及工程应用角度，对反馈控制进行深刻理解的能力🈶，培养学生从工程实际到数学模型👩🏻‍🦯‍➡️，再从数学模型到工程应用的转换能力。提升学生对工程控制问题的理解能力，提高学生综合运用所学到的控制理论和控制方法的能力，培养学生的空间思维能力和抽象思维能力。为后继的现代控制理论🔦、计算机控制、自适应控制🅰️、系统辨识等一系列与系统控制和自动化相关课程的学习打下坚实的基础。

三、课程教学内容与学时

课堂教学（72学时）

1.自动控制的一般概念（4学时）

　　控制系统的发展历程（2）

　　自动控制系统及其任务、控制基本方式（开/闭环控制）、负反馈控制原理（1）

　　自动控制系统的基本组成及分类🤷🏿‍♂️、对控制系统的基本要求（1）

2.控制系统的数学模型（9学时)

　　动态(微分)方程的建立及线性化（2）

　　复习拉普拉斯反变换🦸🏽‍♂️、线性系统的传递函数（2）

　　元部件的传递函数🍴、典型环节（1）

　　结构图的建立及等效变换（2）

　　信号流图🩸，梅逊增益公式（1）

　　自动控制系统的传递函数（1）

3.线性系统的时域分析与校正（11学时）

　　时域分析与校正的基本概念；典型外作用下的响应及性能指标（1）

　　一阶系统的时间响应及动态性能（2） 二阶系统的时间响应及动态性能（2）

　　高阶系统的时间响应及动态性能（1）

　　线性系统的稳定性分析（1）

　　线性系统的稳态误差（2）

　　改善系统性能的措施（2）

4.根轨迹法（5学时）

　　根轨迹的概念🙋🏽‍♀️；根轨迹方程及相角条件、模(幅)值条件（1）

　　绘制常规根轨迹的基本法则（2）

　　广义根轨迹（参数根轨迹和零度根轨迹）（1）

　　利用根轨迹定性分析系统性能（1）

5.线性系统的频域分析与校正（13学时）

　　频率响应及频率特性（1）

　　典型环节和系统开环频率特性（幅相频率特性）（3）

　　典型环节和系统开环频率特性（对数频率特性）（3）

　　奈奎斯特稳定判据、对数频率稳定判据及其应用（2）

　　稳定裕度(量)的概念及计算（1）

　　三频段的概念；开环对数频率特性与系统稳态性能、动态性能的关系（2））

　　闭环频率特性的特征量与时域指标之间的关系（2）

6.线性系统的频域和PID校正（9学时）

　　频率法串联校正的一般概念（1）

　　频率法超前/迟后校正（3）

　　PID模型、PID校正作用及其改良方法（5）

7.线性离散系统的分析与校正（12学时）

　　离散系统、信号的采样与保持（2）

　　z变换理论（2）

　　离散系统的数学模型及其求解（3）

　　离散系统的稳定性分析（2）

　　离散系统的稳态误差计算（1）

　　计算离散系统动态性能的一般方法（2）

8.非线性控制系统分析（9学时）

　　非线性控制系统概述（1）

　　相平面法（3）

　　描述函数法（3）

　　改善非线性系统性能的措施及非线性特性的利用（2）

　　实验教学（8学时）

　　通过实验，巩固和加深对课程基本内容的理解🦗，培养学生控制系统调试和实验研究的能力。要求初步掌握控制系统数学模拟的方法👩🏻‍🌾🧹，实际系统和模拟系统过渡过程及频率特性的测量方法，常用实验仪器设备的正确使用方法。要求掌握运用Matlab进行控制系统辅助分析设计的基本技能🆘🩰。

　　实验一：线性定常控制系统的稳定分析（1学时）

　　实验二🦍：线性定常控制系统的时域响应分析（2学时）

　　实验三↙️：线性定常控制系统稳态误差分析（1学时）

　　实验四：根轨迹的绘制与分析（1学时）

　　实验五：频率特性绘制及频率法校正实验（实验五👨🏼‍🌾、实验六，二选一4️⃣，2学时） 　　实验六：PID调节器的设计与分析（实验五🚵‍♀️、实验六，二选一💽♨️，，2学时）

　　实验七🌃🚵：离散系统的分析与综合（2学时）

四💒、课程设计

　　本课程设计历时1周，占2学分👨🏻‍🦱✳️。

自动控制原理课程设计的教学目的就是：要学生通过一个较为具体的被控对象模型的建立、对被控对象控制的实现，系统地、综合地运用和理解自动控制原理中所学过的方法和理论，通过MATLAB仿真，进一步体会控制器参数的选择对控制系统性能的影响，为后续课程的学习打下更为坚实的基础。

　　本课程设计的基本要求:

　　1、 能够根据给定的被控对象🤽🏿‍♀️💒，运用在自动控制原理、物理等课程学过的理论，采用机理方法建立其传递函数模型🔯。

　　2𓀌、 能够根据设计要求选择正确的控制器🥳，并设计出合理的控制器模型🚣🏼。

　　3👨🏿‍🔬🥕、 能够对所设计出的控制系统运用在自动控制原理中学过的方法进行分析🧩🧙🏼‍♂️；并能够运用MATLAB进行仿真。

　　4、 写出符合规范要求的设计报告。

五🥚、教材参考书

教材

　　胡寿松主编. 自动控制原理(第五版). 科学出版社. 2009

参考书

　　1.卢京潮主编. 自动控制原理. 西北工业大学出版社. 2004.9

　　2.Katsuhiko Ogata著,卢伯英,于海勋等译. 现代控制工程》(第三版). 电子工业出版社. 2000.5

　　3.自编. 自动控制原理学习指导与考研复习手册. 2012

　　4.Gene F.Franklin 等著。自动控制原理与设计. 人民邮电出版社. 2007.11