1、自动控制理论课程教学大纲执笔人：王艳 编写日期：2012 年 12 月一、课程基本信息1课程编号：94L119Q2课程体系/类别：专业类/专业基础课，专业主干课3学时/学分：64/44先修课程：微积分、复变函数与积分变换、电路、模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统。5适用专业：电气工程及其自动化二、课程教学目标及学生应达到的能力本课程是为电气工程及其自动化专业本科生开设的一门专业基础课，也是专业主干课。学生学习完本课程后应该在自动控制系统的基本概念基础上，能够建立控制系统数学模型，掌握并灵活运用时域法、根轨迹法和频率法进行系统分析和系统综合与校正，掌握三种方法各自的特点及其内在联系；掌握线性
2、离散系统的分析与校正方法及非线性控制系统的分析。本课程分理论与实践教学两部分，并融合一体，突出基于控制理论的模拟电路仿真实验和综合知识应用，对学生实施动手实践能力训练与综合解决控制类问题的素质培养。（一）通过理论教学应掌握的知识与方法1了解自动控制与系统的基本概念、基本要求；建立控制问题的系统观，学会用控制系统的思想理解工程问题；2掌握控制系统建模与传递函数求取的基本方法；3掌握系统时域分析与设计方法；4掌握系统根轨迹分析与设计方法；5掌握系统频域分析与设计方法；6掌握线性离散系统的分析与校正方法；7掌握非线性控制系统的分析与系统改善方法。（二）通过实验教学进行动手实践能力培养1通过数字仿真软
3、件解算实际控制问题，学会掌握控制系统的计算机仿真分析通过对 MATLAB 软件的学习，掌握基本的模型变换、典型系统的响应分析等语言，提高解决控制问题的计算与分析能力。2通过模拟电路仿真实验，提高学生控制电路调试与实现的能力通过控制理论实验装置，学生根据自行设计的控制理论教学实验电路进行模拟电路仿真实验，提高学生的动手实践和理论联系实际的能力。（三）通过整个课程教学设计进行综合素质培养1根据教学内容，在课堂开展研究性教学，本课程共设计了五个研讨性教学环节，培养学生与人合作和善于交流与表达的能力与探索知识的精神。2针对重点内容分别设计了综合知识测验和综合知识应用大作业，来培养学生综合应用知识的能力
4、。通过本课程的理论、实践和研究性教学，学生基本具备运用自动控制理论解决实际问题的能力，并能够初步完成今后生产和科研中遇到的基本控制任务。三、课程教学内容和要求序号 知识单元（章节） 知识点 要求 推荐学时自动控制系统的概念 了解自动控制的基本方式 了解1 自动控制理论概论对自动控制系统的基本要求 了解2微分方程、传递函数、Matlab软件进行模型变换 掌握 2动态结构图与变换 掌握 22 控制系统的数学模型梅森公式 理解 2典型输入信号、时域性能指标、一阶系统分析 掌握 2二阶系统分析及动态性能指标和改善 掌握 2高阶系统分析、Matlab 软件对系统动态性能分析 了解 2劳斯判据与应用 掌握
5、 23 控制系统的时域分析稳态误差计算与减小方法 掌握 4根轨迹及其方程、绘制根轨迹的基本原则 掌握 2用根轨迹法分析系统、Matlab中根轨迹工具箱 掌握 2根轨迹法串联校正 掌握 24 控制系统的根轨迹分析与设计参量（广义）根轨迹；根轨迹法并联校正； Matlab 中根轨迹工具箱对系统进行辅助分析和计算理解 2频率特性及其表示方法、典型环节的频率特性 掌握 2开环频率特性绘制、奈氏判据 掌握 2相角裕度和幅值裕度、Matlab软件求取系统的频率特性 掌握 2开环频域性能指标与时域性能的关系以及频率分析法的系统校正了解 25 控制系统的频率特性分析 与设计系统频率特性法串联校正 掌握 26
6、非线性控制系统的分析相轨迹、平衡点（奇点）和极限环（奇线） 、等倾线法绘制相轨迹；二阶非线性系统相轨迹的绘制方法了解 2序号 知识单元（章节） 知识点 要求 推荐学时相平面法分析法 掌握 2描述函数法分析法、MATLAB软件对非线性系统进行辅助分析和设计掌握 2非线性控制系统的设计与改善 了解 2采样定理与应用、零阶保持器和一阶保持器、Z 变换理论、脉冲传递函数了解 4修正的劳斯判据及其应用、离散系统的动态性能和稳态误差分析掌握 47 线性离散系统分析与设计数字控制器的模拟化和数字化的设计方法 理解 2四、课程教学安排教学方法设计，各个教学环节（主要包括：课堂讲授、网上教学，实验、习题课，作业
7、、课程设计、专题训练等）的安排建议及要求。其中，课堂讲授包括教学方法和手段设计；实验主要包括实验的内容及要求；作业方面主要写明布置习题达到的目的与要求，题量、题型要求等，提倡按照教学的层次设计作业，加大专题研究和研究性、综合性大作业的比例，可限定比例要求。（一）教学方法设计1教学手段采用多媒体，主要是课堂讲授，发挥多媒体教学的直观性；设计研究性教学环节，引导学生对知识进行应用和探索，提高学生的表达能力和探索知识精神。电气工程学院自动控制理论学习网站,http:/ 教学要求 课时分配实验 1、典型系统动态性能和稳定性分析学习典型线性环节的模拟方法；研究阻、容参数对典型线性环节阶跃响应和系统稳定性
8、的影响；学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法； 研究二阶系统的两个重要参数对阶跃瞬态响应指标的影响；学习三阶系统稳定性分析。2实验 2、模拟调节器控制的直流电机速度闭环系统校正与分析学习研究被控对象的建模，针对被控对象设计串联校正装置，用模拟电路实现控制器；学习 PI 调节器的设计与实现；对比分析两种2调节器的性能。实验 3、非线性系统相平面法分析学习用相平面法分析高阶非线性系统； 掌握用描述函数法分析非线性系统 2实验 4、采样控制系统串联校正的混合仿真研究培养学生模拟研究采样系统的技能； 验证和加深理解采样系统的基本理论；设计数字控制器的能力。2（三）作业1目的：巩固讲授过的基本理论知识
9、；学会对系统的分析；明了结构参数和系统的稳定性，动、静态性能之间的关系，训练理论上对系统的综合能力。2习题内容：第一章 在叙述系统的工作原理和系统的组成方面布置六道作业题和一道综述题。第二章 在怎样求系统的传递函数方面，系统方框图化简，梅森公式的应用方面布置十一道作业题。第三章 熟悉一阶、二阶典型系统的开环、闭环传递函数的结构参数和系统的动态性能之间的联系，闭环主导极点的概念，劳斯判据的应用，熟悉典型系统在典型信号输入下的误差计算以及减小稳态误差的措施和办法。使学生建立对控制系统在时域上分析的比较完整的概念。布置十五道作业题左右和综合知识应用自我测验。第四章 根据绘制根轨迹基本规则会绘制系统的
10、根轨迹，并确定系统的闭环极点和零点并分析系统的闭环主导极点。会画参量根轨迹，弄清楚闭环零极点分布和系统的性能指标之间的关系。应用根轨迹校正法设计系统的控制器，包括串联超前、滞后和超前滞后校正。布置十道作业题左右和综合知识应用大作业。第五章 频率特性的基本概念、典型环节的波特图、奈奎斯特图，奈奎斯特稳定判据，控制系统的相对稳定性，以及开环频率特性和系统的性能指标之间的关系。应用频率特性校正法设计系统的控制器，包括串联超前、滞后和超前滞后校正。共应布置十道作业题左右和综合知识应用大作业。第六章 针对非线性系统奇点的概念布置三道作业；针对相平面分析法布置四道题；针对描述函数法布置三道题；针对非线性系
11、统改善布置一道题和一道大作业。共计十一道题。第七章 针对 Z 变换与反变换布置四道题；针对脉冲函数的求取布置两道题；针对离散控制系统的稳定性分析和动态性能分析布置六道习题；针对离散控制系统的数字控制器的设计布置三道习题。共计十五道题。（三）综合设计大作业教师根据知识点掌握的情况设计，也可结合实验内容设计大作业，数目为 45 个。（四）研究性教学环节（不限于所列，教师根据知识点掌握的情况设计）研究性教学内容的实施安排在每章结束后，占每章学时的 10%。1控制系统数学模型研究性教学环节2控制系统时域分析研究性教学环节3控制系统频率特性分析校正研究性教学环节4非线性控制系统分析研究性教学环节5离散控
12、制系统数字控制器的设计方法研究性教学环节（五）习题课本课程安排两次习题课，一次在期中考试前，第 8 周左右，一次在期末考试之前第 17 周左右。五、课程的考核15% 作业、出勤、课堂提问,设计能力等。评分标准：以课堂签到统计出勤，旷课 1 次扣 1分；作业不交 1 次扣一分，晚交扣 0.5 分；在研究性教学中表现积极，动脑筋提问 1 次加 1 分，封顶加分不超过 5 分；215%大作业 4-5 个，研究性教学 4-5 个。评分标准：每个 10 分，测评主要从两个角度进行：对讨论引导问题的回答和学生与教师针对报告内容随机问题的回答。对所列写问题的准确把握和解答能力（2 分）；能否恰当地运用控制理
13、论相关知识（2 分）；能否准确地引用相关的文献和数据（2 分）；能否回答其他学生的提出的问题（2 分）；口头陈述能否面对听众并具有交流互动感；PowerPoint 制作的技巧（2 分）。理论计算与分析能力（2 分）；恰当地运用控制理论相关知识的能力（2 分）；能否准确地引用相关的文献和数据（2 分）；总结提炼结论的能力（2 分）。310% 实验 4 次评分标准：在自动控制理论实验报告中，实验预习报告及方案设计情况（3 分；实验考勤情况（1.5 分）；实验操作情况（3 分）：实验总结报告、结论与答辩情况（2.5分）。410% 期中考试 1 次，按照考题的评分标准评定。560% 期末考试 1 次，
14、按照考题的评分标准评定。六、本课程与其它课程的联系与分工先修课程：微积分、复变函数与积分变换、电路、模拟电子技术、数字电子技术、电机学后续课程：现代控制理论、电机拖动与自动控制系统、电力系统分析、计算机仿真技术七、建议教材及教学参考书1.教材1 Modern Control Engineering, Katsuhiko Ogata 著.北京.电子工业出版社.2011.2 卢伯英等译.现代控制工程(第五版). 北京.电子工业出版社. 2011.2.教学参考书1 胡寿松主编.自动控制原理.北京.科学出版社. 2008.2 邱瑞昌.自动控制理论实验指导书. 北京.北京交通大学出版社.2005.3 Charles L. Phillips, Royce D. Harbor, FEED BACK CONTROL SYSTEMS，New Jersey, USA , Prentice Hall; 4th edition , August 19, 1999. 4 Stanley M.Shiners, MORDERN CONTROL SYSTEM THEORY and DESIGN, New York, USA, Wiley-Interscience; 2nd edition .May 6, 1998.5 王艳.自动控制理论研究性教学参考材料. 2009.
