1、自动控制原理课程教学大纲课程编号：课程名称：自动控制原理英文名称：Automatic Control Theory课程类型:专业必修课总学时：63讲课学时：45 上机学时：18学分：2.5（0.5）适用对象：能源动力及其自动化专业先修课程：高等数学、大学物理、积分变换、电路、数字电子技术、模拟电子技术一、课程性质、目的和任务本课程为能源动力及其自动化专业的主要专业基础课程之一，目的是使学生掌握负反馈控制原理、控制系统数学模型的建立和系统性能分析、设计的基本方法，培养学生分析和设计自动控制系统性能的基本能力并能满足其它后续专业课程对自动控制理论知识的需要。二、教学基本要求本课程采用时域法、根轨迹
2、法和频率特性法对自动控制系统的性能进行分析和设计，学完本课程应达到以下基本要求。1掌握负反馈控制原理掌握负反馈控制原理，能够分析负反馈控制系统的调节过程并画出相应的控制系统方框图。了解控制系统的基本构成和分类。2熟悉建立控制系统数学模型的方法熟悉用拉氏变换法求解线性系统微分方程的基本方法。掌握控制系统传递函数、动态结构图建立和简化方法。3熟悉运用时域分析法分析系统性能的方法掌握典型二阶系统的单位阶跃响应以及性能指标的求取。掌握用劳斯代数稳定判据判断系统的稳定性的方法。掌握求系统的稳态误差及误差系数的方法。4熟悉用根轨迹分析法分析控制系统性能的方法掌握根据系统开环传递函数的零、极点分布绘制闭环系
3、统根轨迹图的基本方法。根据根轨迹图分析控制系统的性能。了解开环零、极点对系统性能的影响。5熟悉频率分析法分析控制系统性能的方法熟悉典型环节频率特性的求取以及频率特性曲线，掌握系统开环对数频率特性曲线、极坐标曲线绘制的基本方法。了解根据开环对数频率特性曲线分析闭环系统性能的方法。熟悉用奈奎斯特稳定判据判断系统稳定性的方法。掌握稳定裕度的计算方法。6熟悉非线性控制系统的分析方法了解非线性控制系统的特点和常见非线性特性。熟悉非线性控制系统的描述函数法。三、基本内容与重点章节 基本内容 重点第一章绪论自动控制的基本概念；自动控制系统的组成；自动控制系统的分类；自动控制系统的实例；对自动控制系统的基本要
4、求及课程的研究内容研究对象，研究方法2.1 控制系统微分方程的编写1线性元件的微分方程2微分方程的增量化3非线性微分方程4线性系统微分方程的编写线性元件的微分方程线性系统微分方程的编写2.2 传递函数 1传递函数的定义2复数法求传递函数3传递函数的几点说明4典型环节的传递函数传递函数的定义典型环节的传递函数2.3 控制系统的结构图及其等效变换1结构图的基本概念2结构图的组成和建立3结构图的等效变换结构图的基本概念结构图的组成和建立结构图的等效变换2.4 控制系统的传递函数1系统的开环传递函数2系统的闭环传递函数3闭环系统的偏差传递函数系统的开环传递函数系统的闭环传递函数2.5 信号流图 1 信
5、号流图的基本概念2 信号流图的等效变换信号流图的等效变换第二章数学模型2.6 脉冲响应函数脉冲响应函数3.1 稳定性和代数稳定性判据1稳定性的基本概念与充要条件2Routh 判据3Routh 判据的应用稳定性的基本概念与充要条件Routh 判据Routh 判据的应用3.2 典型输入信号和阶跃响应性能指标1典型输入信号2阶跃响应性能指标典型输入信号阶跃响应性能指标3.3 一阶系统的性能指标1一阶系统的瞬态响应2一阶系统的动态性能指标一阶系统的瞬态响应一阶系统的动态性能指标3.4 二阶系统的性能指标1二阶系统的瞬态响应2二阶系统的动态性能指标3二阶系统的动态性能指标与系统参数的关系二阶系统的瞬态响
6、应二阶系统的动态性能指标3.5 高阶系统的性能指标1高阶系统的瞬态响应2闭环主导极点闭环主导极点3.6 稳态误差分析1稳态误差定义2控制系统的型别3给定输入信号作用下的系统稳态误差4扰动输入信号作用下的系统稳态误差5提高稳态精度的措施稳态误差定义控制系统的型别给定输入信号作用下的系统稳态误差扰动输入信号作用下的系统稳态误差提高稳态精度的措施第三章时域分析3.7 基本控制规律的分析1比例控制2比例微分控制3比例积分控制4比例积分微分控制比例控制比例微分控制比例积分控制比例积分微分控制4.1 根轨迹的基本概念1根轨迹图的基本概念2根轨迹方程3幅值条件方程和相角条件方程4幅值条件和相角条件的应用根轨
7、迹图的基本概念根轨迹方程幅值条件方程和相角条件方程幅值条件和相角条件的应用4.2 绘制根轨迹的基本规则1根轨迹的连续性2根轨迹的对称性3.根轨迹的分支数4.根轨迹的起点和终点5.实轴上的根轨迹6.根轨迹的渐近线7.根轨迹的分离点和会合点8.根轨迹的出射角和入射角9.根轨迹与虚轴的交点10.闭环极点的和与积根轨迹的连续性根轨迹的对称性根轨迹的分支数根轨迹的起点和终点实轴上的根轨迹根轨迹的渐近线根轨迹的分离点和会合点根轨迹的出射角和入射角根轨迹与虚轴的交点4.3 控制系统根轨迹的绘制1.单回路系统的根轨迹2.参量根轨迹3.多回路系统的根轨迹4.正反馈回路的根轨迹5.延迟系统的根轨迹单回路系统的根轨
8、迹参量根轨迹4.4 求取闭环系统零、极点的方法1.求取闭环系统极点的方法2.求取闭环系统零点的方法3.闭环零.极点分布与阶跃响应的定性关系求取闭环系统极点的方法求取闭环系统零点的方法闭环零.极点分布与阶跃响应的定性关系4.5 增加开环零、极点对根轨迹的影响1.增加开环零点对根轨迹的影响2.增加开环极点对根轨迹的影响3.增加开偶极子对根轨迹的影响第四章根轨迹法4.6 控制系统的根轨迹分析举例5.1 频率特性的基本概念1.频率特性的定义2.频率特性和传递函数的关系频率特性的定义频率特性和传递函数关系5.2 频率特性的几种图示方法1.幅相频率特性曲线2.对数频率特性曲线3.对数幅相特性曲线幅相频率特
9、性曲线对数频率特性曲线对数幅相特性曲线第五章频率特性分析法5.3 典型环节的频率特性1.比例环节2.惯性环节3.积分环节4.微分环节5.振荡环节比例环节惯性环节积分环节微分环节振荡环节5.4 系统的开环频率特性1.系统开环幅相频率特性2.系统开环对数频率特性的绘制3.最小相位系统.非最小相位系统和开环不稳定系统系统开环幅相频率特性系统开环对数频率特性的绘制最小相位系统.非最小相位系统和开环不稳定系统5.5 奈奎斯特稳定判据1.幅角定理和奈奎斯特稳定判据2.奈氏判据在型和型系统中的应用3.在伯德图上判别闭环系统的稳定性4.多回路系统的稳定性分析幅角定理和奈奎斯特稳定判据奈氏判据在型和型系统中的应
10、用在伯德图上判别闭环系统的稳定性5.6 稳定裕度 1.相角裕度2.幅值裕度相角裕度幅值裕度5.7 闭环系统频率特性曲线的绘制1. 低频渐近线与系统稳态误差的关系2. 中频段的斜率与系统稳定性的关系3.开环频率特性和系统动态性能的关系4. 的高频段对系统性能的影响低频渐近线与系统稳态误差的关系中频段的斜率与系统稳定性的关系5.8 利用开环频率特性分析系统的性能1用向量法求闭环频率特性2等 M 圆图和等 N 圆图3尼柯尔斯图线4非单位反馈系统闭环频率特性5闭环频率特性的几个特征值6闭环频域指标与时域指标关系5.9 利用闭环频率特性分析系统性能1绘制对数频率特性曲线图2绘制幅相频率特性曲线图绘制对数
11、频率特性绘制幅相频率特性8.1 线性离散（时间）控制系统的基本概念1离散控制系统2离散控制系统的研究方法离散控制系统的研究方法8.2 采样过程和采样定理1采样过程和理想脉冲序列2采样定理3零阶保持器采样定理8.3Z 变换 1采样信号的拉氏变换2Z 变换的定义3Z 变换的求法4Z 变换的基本定理5Z 反变换Z 变换的定义变换的基本定理第八章离散系统分析8.4 离散（时间）控制系统的数学模型1差分方程2用 Z 变换法解差分方程3脉冲传递函数4差分方程与脉冲传递函数差分方程用 Z 变换法解差分方程脉冲传递函数差分方程与脉冲传递函数8.5 离散（时间）控制系统的稳定性分析1离散控制系统稳定的充要条件2
12、离散控制系统的劳斯判据3Jury 稳定判据离散控制系统稳定的充要条件离散控制系统的劳斯判据四、所含实践环节通过对MATLAB仿真软件的学习，掌握 MATLAB软件的基本应用方法，能够学会运用MATLAB软件分析控制系统的性能和基本设计方法。自动控制理论的实验安排在课程内计算机上完成，开设4个实验：1熟悉MATLAB软件的基本使用方法，并利用 MATLAB程序实现控制系统典型环节的性能仿真。（验证性实验）2学时2利用MATLAB程序绘制控制系统阶跃响应曲线、计算性能指标，讨论开环放大倍数对闭环系统响应速度、稳定性和稳态误差的影响。（验证性实验）2学时3利用MATLAB程序绘制控制系统的 Nyqu
13、ist曲线、Bode图，计算控制系统的幅值裕度和相位裕度。（验证性实验）2学时4利用MATLAB软件设计控制系统（设计性实验） 2学时五、课外习题及课程讨论为达到本课程的教学基本要求，课外习题一般不应少于50题。六、教学方法与手段本课程采用以课堂板书为主适当结合多媒体课件并辅以上机实验的方式进行教学。七、各教学环节学时分配章节（或内容） 讲课 习题课 讨论课 上机 其它自动控制系统的基本概念 4控制系统的数学模型 8 4线性系统的时域分析法 10 5根轨迹分析法 10 5线性系统的频域分析法 10 4离散系统 3合计 45 18八、考核方式课程考试与平时成绩相结合，比例为 7：3，平时成绩包括作业 10、课堂测验或讨论10、实验、科技活动 10。九、推荐教材和教学参考书1.教材高国燊，余文烋等.自动控制原理.广州:华南理工大学出版社，2005（1999）2.参考书谢麟阁.自动控制原理.北京:电力工业出版社， 1999吴麒主编.自动控制原理.北京:国防工业出版社,1979美本杰明.郭.自动控制系统.2003Fracis H. Raven. Automatic Control Systems. U.S.A:Prentice-Hall ,Inc2002
