1、自动控制原理教学大纲编写：任琦梅 审核：王整风 一、课程性质与任务本课程是电气工程及其自动化专业必修的专业技术基础课程，通过本课程的学习使学生能够掌握闭环控制系统的基本概念及基本的系统分析和校正方法，能运用自动控制理论知识来分析和设计自动控制系统，为后续课程及进一步学习自动控制理论打好基础。二、教学基本要求本课程要求学生理解自动控制系统的基本概念，掌握简单系统的建模方法，掌握对线性定常系统的稳定性、快速性和控制精度的基本分析方法以及设计和校正方法，能熟练使用根轨迹法和频率特性法分析与设计控制系统和控制器，对非线性系统也能进行初步的分析。通过本课程的学习，学生应能熟练使用MATLAB 软件包进行
2、编程，并将其应用于各类控制系统的分析与设计中。三、课程的主要内容及教学要求第一章 引论第一节 开环控制和闭环控制第二节 自动控制系统的类型第三节 自动控制理论概要第四节 自动控制系统中的术语和定义要求：使学生对古典反馈控制的基本理论和方法有一全面、整体的了解；了解自动控制理论发展简况及反馈控制理论的研究对象和方法；掌握自动控制系统的基本概念、术语，了解自动控制系统的组成和分类，及对自动控制系统稳、准、快三方面的基本要求。第二章 线性系统的数学模型第一节 线性系统的输入一输出时间函数描述第二节 线性系统的输入一输出传递函数描述第三节 非线性数学模型的线性化第四节 典型环节的数学模型第五节 建立数
3、学模型的实验方法简介第六节 框图及其化简方法第七节 信号流程图要求：一般了解数学模型的概念、表达方式，建模的方法；能够列写一般物理系统的微分方程；熟悉拉氏变换的定义、性质，记住常见的简单时间函数的拉氏变换式，能根据拉氏变换的性质求解较复杂时间函数的拉氏变换式，会求拉氏反变换；掌握传递函数的概念及典型环节的传递函数；重点掌握控制系统的方框图及方框图的化简方法；重点掌握用梅逊公式求取系统传递函数的方法。第三章 线性系统的时域分析第一节 典型输入信号第二节 线性定常系统的时域响应第三节 控制系统时域响应的性能指标课程编码 1214215 课程名称 自动控制原理适用专业 电气工程及其自动化 学分 4考
4、核形式 考试 学时（含实验学时） 76（8）先修课程 高等数学、复变函数与积分变换、电路、模拟电子技术 开课学期 第五学期第四节 一阶系统的暂态响应第五节 二阶系统的暂态响应第六节 高阶系统的暂态响应第七节 根据时域响应建立数学模型第八节 线性系统的稳定性第九节 劳斯-赫尔维茨稳定判据第十节 小参量对闭环控制系统性能的影响第十一节 控制系统的稳态误差第十二节 给定稳态误差和扰动稳态误差第十三节 线性系统时域响应的计算机辅助分析要求：了解控制系统的典型输入信号；了解线性定常系统的时域响应组成，熟悉控制系统暂态响应性能指标的定义；掌握一阶系统的暂态响应及性能指标；掌握二阶系统的暂态响应分析及其与极
5、点之间的关系，重点掌握二阶系统的暂态响应性能指标公式及计算；一般了解高阶系统的暂态响应，掌握闭环主导极点的概念；了解稳定的概念，掌握线性定常系统稳定的充要条件；重点掌握判断稳定性的 Routh 代数判据及应用，对 Hurwitz 判据有一般了解；了解稳态误差的概念、定义、产生原因、类型；重点掌握给定稳态误差终值的计算，掌握扰动稳态误差终值的计算及减小稳态误差的方法，一般了解稳态误差级数的计算。第四章 线性系统的根轨迹分析第一节 根轨迹的基本概念第二节 绘制根轨迹的基本条件和基本规则第三节 广义根轨迹第四节 滞后系统的根轨迹第五节 利用根轨迹分析系统的性能第六节 用 MATLAB 绘制系统的根轨
6、迹要求：了解根轨迹的概念、意义；重点掌握绘制常规负反馈系统根轨迹的基本条件和基本规则；掌握参量根轨迹的绘制和正反馈根轨迹的绘制；了解多回路控制系统的根轨迹和迟后系统根轨迹；掌握增加开环零极点对根轨迹的影响；了解利用根轨迹分析系统的暂态响应。第五章 线性系统的频域分析第一节 频率特性第二节 典型环节的频率特性第三节 系统开环频率特性的绘制第四节 乃奎斯特定判据和系统的相对稳定性第五节 系统的频率特性及频域性能指标第六节 频率特性的实验确实方法第七节 用 MATLAB 进行系统的频域分析要求：掌握频率特性的基本概念，幅相频率特性图与对数频率特性图的建立；熟悉典型环节的频率特性及其 Nyquist
7、图与 Bode 图；掌握系统开环频率特性（ Nyquist 图和 Bode 图）的绘制；了解最小相位系统的概念；重点掌握利用实测开环幅频特性确定最小相位系统的开环传递函数的方法；重点掌握判断系统稳定性的几何判据：乃奎斯特稳定判据（包括利用幅相频率特性曲线和对数频率特性曲线进行判断） ；熟悉控制系统相角裕度、幅值裕度的基本定义和概念及计算方法；一般了解闭环幅频特性（等 M 圆）的求解方法，掌握频域性能指标及频域指标与时域指标的关系。第六章 线性系统的校正第一节 线性系统校正的概念第二节 线性系统的基本控制规律第三节 常用校正装置及其特性第四节 校正装置设计的方法和依据第五节 串联校正的设计第六节
8、 反馈校正的设计第七节 反馈和前馈复合控制第八节 MATLAB 在线性系统校正中的应用要求：了解控制系统校正的概念、校正的实质、校正的方法、校正方式；熟悉串联相位超前校正、相位滞后校正、相位滞后-超前校正装置及特性；重点掌握利用频率特性法确定串联校正装置参数的方法；简单了解反馈校正、前馈校正及复合控制。第七章 非线性系统的分析第一节 非线性系统的基本概念第二节 二阶线性和非线性系统的相平面分析第三节 非线性系统的相平面分析第四节 非线性特性的一种线性近似表示描述函数第五节 典型非线性特性的描述函数第六节 分析非线性系统的谐波平衡法第七节 非线性环节的串、并联及系统的变换第八节 用对数幅相频率特
9、性分析非线性系统第九节 利用非线性特性改善线性系统的性能第十节 非线性系统的计算机仿真要求：明确描述函数的定义及有关概念；掌握用描述函数法分析非线性系统稳定性和分析自振、计算自振参数的方法。第八章 采样控制系统第一节 采样过程及采样定理第二节 保持器第三节 差分方程第四节 z 变换第五节 脉冲传递函数第六节 线性采样系统的稳定性分析第七节 采样系统的稳态误差分析第八节 采样系统的暂态响应与脉冲传递函数极点、零点分布的关系第九节 采样控制系统的校正第十节 用 MATLAB 分析采样控制系统要求：了解采样控制系统的基本概念、采样过程，掌握采样定理的内容和零阶保持器；熟悉 Z 变换和Z 反变换的计算
10、方法；掌握求解采样控制系统数学模型：差分方程及 Z 脉冲传递函数的方法；掌握采样系统的稳定性分析和稳态误差分析，了解其暂态性能分析；重点掌握采样控制系统的最小拍设计方法（包括广义被控对象在单位圆上、圆外无零极点和有零极点） 。四、课程重点与难点重点：（1）自动控制系统的基本概念与分类；（2）传递函数、动态结构图；（3）一阶系统、二阶系统时域分析，控制系统的稳态分析；（4）根轨迹方程，绘制根轨迹的一般规则；（5）频率分析法的基本概念,奈奎斯特稳定判据；（6）控制系统的设计与校正的基本概念，串联、反馈校正；（7）非线性控制系统的基本概念，基本特性，相平面分析法；（8）采样控制系统的基本概念，采样定
11、理及信号保持器。难点：（1）结构图的等效变换，梅森公式的应用；（2）高阶系统分析，控制系统的稳态分析；（3）奈奎斯特稳定判据；（4）串联校正与反馈校正；（5）描述函数与相平面分析法；（6）信号保持器，采样控制系统的分析。五、课时分配表学时序号 教学内容讲授 实验 作业 备注1 自动控制系统的基本概念 22 线性系统的数学模型描述 23 典型环节的数学模型、建立数学模型的实验方法 24 系统框图及其化简方法 25 信号流程图 26 典型输入信号、时域性能指标、一阶系统的暂态响应 27 二阶系统的暂态响应、高阶系统暂态响应 28 典型环节的阶跃响应 29 根据时域响应建立数学模型、线性系统的稳定性
12、 210 劳斯赫尔维茨稳定判据 211 控制系统的稳态误差 212 二阶系统的阶跃响应及稳定性分析 213 根轨迹法的基本概念 114 绘制根轨迹的基本条件和基本规则 315 广义根轨迹 216 滞后系统的根轨迹 217 利用根轨迹分析系统的性能 218 典型环节的频率特性 219 系统开环频率特性的绘制 220 乃奎斯特稳定判据和系统的相对稳定性 421 系统的频率特性及频域性能指标 222 频率特性实验确定方法、用 MATLAB 进行频域分析 223 线性系统频率特性的测试 224 校正的概念、线性系统的基本控制规律 225 常用校正装置及其特性 226 校正装置设计的方法和依据 227
13、串联校正的设计 228 反馈校正和复合校正 229 线性控制系统的校正 230 非线性系统的基本概念、二阶系统相平面分析 231 非线性系统的相平面分析 232 描述函数、谐波平衡法 233 用对数幅相频率特性分析非线性系统 234 采样定理、保持器、差分方程 235 Z 变换、脉冲传递函数 236 采样系统的性能分析 237 采样控制系统的校正 2合计 68 8六、教学中注意的问题本课程的理论性较强，在教学方法上要注意课堂教学与实践教学的密切结合，注意物理意义的阐述，培养学生既具有灵活的思维能力又具有解决实际问题的综合设计能力。七、课内实验1、典型环节的阶跃响应（2 学时）2、二阶系统的阶跃响应及稳定性分析（2 学时）3、线性系统频率特性的测试（2 学时）4、线性控制系统的校正（2 学时）八、教材与参考书教材：夏德钤主编 . 自动控制理论（第 2 版）. 机械工业出版社，2004参考书：1、胡寿松 自动控制原理（第四版） 科学出版社，20012、戴忠达 自动控制理论基础 清华大学出版社，19913、吴 麒 自动控制原理 清华大学出版社，19904、黄家英 自动控制原理 东南大学出版社，1991【本文由大学生电脑主页 大学生的百事通收集整理】
