《自動控制理論》教學大綱

1、自動控制理論教學大綱課程名稱：自動控制理論課程代號: 022201 學時數(shù)：80（實驗10學時）學分數(shù)： 5 適用專業(yè): 自動化等一、本課程的地位、任務和作用本課程是自動化等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過本課程的學習使學生掌握自動控制的基本原理和概念，并具備對自動控制系統(tǒng)進行分析、設計、實驗的初步能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學習和參加控制工程實踐提供必要的理論基礎(chǔ)，也為學生進一步學習和研究控制理論提供條件。二、本課程的相關(guān)課程先修課程有：高等數(shù)學、積分變換、復變函數(shù)、普通物理、電路分析、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、電機與電力拖動基礎(chǔ)等。要求數(shù)學系列課程介紹微分方程、拉氏變換、傅里葉變換等的基本內(nèi)容。

2、要求電路分析及電子技術(shù)基礎(chǔ)課程介紹無源網(wǎng)絡及模擬運算電路等的基本計算方法。要求電機與電力拖動課程介紹自動控制系統(tǒng)中常用的機電檢測、執(zhí)行元件的基本原理、特性和基本方程。后續(xù)課程主要有：現(xiàn)代控制理論、最優(yōu)控制、電力拖動自動控制系統(tǒng)、計算機控制技術(shù)、過程控制系統(tǒng)等。三、本課程的基本內(nèi)容及要求（一）基本內(nèi)容根據(jù)專業(yè)教學計劃規(guī)定的學時和對專業(yè)基礎(chǔ)課的要求以及當前控制理論的發(fā)展現(xiàn)狀，確定以精選內(nèi)容、保證基礎(chǔ)(概念、方法、規(guī)律)、適當保持學科的系統(tǒng)性和先進、注重對學生分析、計算、實驗能力的培養(yǎng)為目標確定教學內(nèi)容。采用先進的教學手段和計算機輔助分析與設計以保證理論和實驗教學內(nèi)容順利完成。第一章 緒論 1引言。

3、介紹自動控制理論的發(fā)展概況及自動控制的一般概念。2自動控制的基本控制方式。開環(huán)控制、閉環(huán)（反饋）控制、復合控制的特點與作用；反饋的概念及其物理本質(zhì)、重要性；自動控制系統(tǒng)的基本組成、術(shù)語及定性分析方法。3自動控制系統(tǒng)的分類。4對自動控制系統(tǒng)的基本要求。5本課程的任務及性質(zhì)、學習特點。第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型1引言。數(shù)學模型的意義、建立數(shù)學模型的主要方法、數(shù)學模型的主要類型。2控制系統(tǒng)的微分方程式描述。3非本質(zhì)非線性數(shù)學模型的線性化。4傳遞函數(shù)的定義、性質(zhì)、求法及典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。5方框圖的建立、基本聯(lián)接、等效變換和簡化；控制系統(tǒng)的開環(huán)、閉環(huán)、誤差傳遞函數(shù)。6信號流程圖的基本概念、術(shù)語與定義。

4、梅遜公式的應用。第三章 線性系統(tǒng)的時域分析1典型輸入信號和自動控制系統(tǒng)的時域性能指標。2一階系統(tǒng)的時域分析。數(shù)學模型，極點位置，典型響應、性能指標及與特征參數(shù)的關(guān)系。3二階系統(tǒng)的時域分析。數(shù)學模型，極點位置，按阻尼比分類，典型響應、性能指標及與特征參數(shù)的關(guān)系。4高階系統(tǒng)的時域分析。系統(tǒng)主導極點與偶極子的概念；近似分析高階系統(tǒng)的性能。5線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念與定義；線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件；勞斯判據(jù)的應用。6穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差的定義；穩(wěn)態(tài)誤差的計算；系統(tǒng)的型別、誤差系數(shù)、誤差級數(shù)；系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)系；減小穩(wěn)態(tài)誤差的方法。第四章 根軌跡法 1根軌跡的基本概念。根軌跡的定義；根軌跡方程。

5、2繪制1800根軌跡的基本規(guī)則。3繪制00根軌跡的基本規(guī)則。4參數(shù)根軌跡與遲后系統(tǒng)根軌跡。5用根軌跡法分析控制系統(tǒng)的性能。第五章 頻率特性法1頻率特性。頻率特性的物理概念、定義及求法；頻率特性的幾種圖示方法。2典型環(huán)節(jié)的頻率特性。最小相位與非最小相位環(huán)節(jié)。3控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性。研究系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的意義；系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的求取與繪制（Nyquist圖、Bode圖）方法。4Nyquist穩(wěn)定判據(jù)。5系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度（相角裕度與增益裕度）及其工程意義。6控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性。7頻域性能指標與時域性能指標的關(guān)系及三頻段的概念。第六章 線性反饋系統(tǒng)的校正1控制系統(tǒng)校正的基本概念。校正的定義；校正的

6、形式；基本控制規(guī)律。2超前、遲后、遲后-超前校正裝置的作用、對應的校正網(wǎng)絡、傳遞函數(shù)及其特性。3根軌跡法在系統(tǒng)校正中應用。4頻率特性法在系統(tǒng)校正中的應用。5反饋校正和復合校正。第七章 非線性控制系統(tǒng)分析 1非線性系統(tǒng)的基本概念。非線性系統(tǒng)的定義、特點；本質(zhì)非線性和非本質(zhì)非線性；典型非線性特性的數(shù)學描述、實例及對控制系統(tǒng)性能的影響。2用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)。諧波線性化及描述函數(shù)的定義、求取方法；典型非線性特性的描述函數(shù)；非線性系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)；判別非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3用相平面法分析非線性系統(tǒng)。繪制相軌跡的方法；奇點和極限環(huán)定義；由相軌跡分析系統(tǒng)的暫態(tài)響應、運動特性。第八章 采樣控制系統(tǒng)的分析

7、與校正1采樣過程與采樣定理。采樣系統(tǒng)的定義；采樣信號的形成；采樣定理；零階和一階保持器。2采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。差分方程；Z變換及Z反變換；開環(huán)、閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。3采樣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定的概念與定義；雙線性變換；勞斯穩(wěn)定判據(jù)；根軌跡法及頻率特性法的應用。4采樣控制系統(tǒng)的動、穩(wěn)態(tài)性能分析。5采樣控制系統(tǒng)的校正。（二）基本要求1、緒論 掌握自動控制系統(tǒng)的基本概念、術(shù)語，了解自動控制系統(tǒng)的組成和分類。 掌握自動控制系統(tǒng)的基本控制方式（開環(huán)、閉環(huán)（反饋）控制、復合控制）及特點。 了解對自動控制系統(tǒng)的基本要求。 了解自動控制系統(tǒng)的定性分析方法。 了解本門課程的意義與作用。2、控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

8、一般了解數(shù)學模型的概念、表達方式，建模的方法。 掌握一般物理系統(tǒng)的微分方程式建立。 熟練掌握傳遞函數(shù)的概念、求法及典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。 熟練掌握控制系統(tǒng)方框圖的化簡方法、用梅遜公式求取系統(tǒng)等效傳遞函數(shù)。3、線性系統(tǒng)的時域分析 了解線性定常系統(tǒng)的時域響應的組成，熟悉控制系統(tǒng)暫態(tài)響應性能指標的定義。 重點掌握一、二階系統(tǒng)的階躍響應分析、性能指標及其與系統(tǒng)極點、系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系。 一般了解高階系統(tǒng)的暫態(tài)響應和閉環(huán)主導極點的概念。 掌握線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念、穩(wěn)定的充要條件。重點掌握Routh判據(jù)的應用。 掌握穩(wěn)態(tài)誤差的概念、系統(tǒng)的型別、誤差級數(shù)的計算。重點掌握穩(wěn)態(tài)誤差終值的計算及減小穩(wěn)態(tài)誤差的方

9、法。4、根軌跡法 了解根軌跡的概念。熟練掌握根軌跡方程。 重點掌握繪制1800根軌跡的基本條件和基本規(guī)則。 熟練掌握參數(shù)根軌跡與00根軌跡的繪制。了解遲后系統(tǒng)根軌跡。 重點掌握根軌跡與系統(tǒng)各項性能指標的關(guān)系。5、頻率特性法 熟練掌握頻率特性的概念。 重點掌握系統(tǒng)開環(huán)頻率特性（Nyquist圖和Bode圖）的繪制。 重點掌握乃奎斯特穩(wěn)定判據(jù)。 了解最小相位系統(tǒng)的概念。 重點掌握利用實測開環(huán)對數(shù)幅頻特性確定最小相位系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的方法。 重點掌握控制系統(tǒng)相角裕度、幅值裕度的基本定義、概念及計算方法。 了解閉環(huán)幅頻特性的概念及其頻域性能指標。 一般了解頻域指標與時域指標間的關(guān)系。6線性反饋系統(tǒng)的校

10、正 熟練掌握控制系統(tǒng)校正的概念、校正的實質(zhì)、校正的形式。 熟練掌握串聯(lián)相位超前校正、相位滯后校正、相位滯后-超前校正裝置及特性。 了解用根軌跡法確定串聯(lián)校正裝置參數(shù)的方法。掌握用頻率特性法確定串聯(lián)校正裝置參數(shù)的方法。 掌握反饋校正、前饋校正及復合控制的基本思想。7. 非線性控制系統(tǒng)分析 掌握非線性系統(tǒng)的基本概念、非線性系統(tǒng)與線性系統(tǒng)的差別及實質(zhì)。了解非線性的數(shù)學描述、分類、特點、研究方法。 掌握描述函數(shù)的概念、幾種典型非線性特性的描述函數(shù)。 重點掌握用描述函數(shù)分析非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法、判別自激振蕩存在的條件。 掌握相平面的基本概念：相平面、相軌跡，平衡點、奇點、極限環(huán)。熟練掌握繪制相軌跡的方

11、法，用相軌跡分析非線性系統(tǒng)的運動及極限環(huán)判斷。8. 采樣控制系統(tǒng)的分析與校正 掌握采樣控制系統(tǒng)的基本概念、采樣過程，熟練掌握采樣定理的內(nèi)容和零階保持器的概念及傳遞函數(shù)。 重點掌握Z變換和Z反變換的計算方法。 重點掌握求取脈沖傳遞函數(shù)的方法。掌握采樣控制系統(tǒng)的動、穩(wěn)態(tài)性能分析、求解的方法。 重點掌握采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析（利用雙線性變換及勞斯判據(jù)）。 掌握采樣控制系統(tǒng)的最少拍設計方法。四、實驗實驗以學習控制系統(tǒng)的基本實驗方法和培養(yǎng)測試、分析、設計能力為主，驗證性的內(nèi)容為輔。實驗教學時數(shù)為10學時。1典型環(huán)節(jié)的模擬研究（2學時），必做。重點了解典型一、二階系統(tǒng)的電網(wǎng)絡構(gòu)成、時域響應特征。線性系統(tǒng)的校

12、正（2學時），必做。對于給定的數(shù)學模型設計超前、遲后、遲后超前校正網(wǎng)絡。非線性系統(tǒng)的研究（2學時），必做。研究具有典型非線性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的時域響應特征。采樣系統(tǒng)的研究（2學時），必做。研究采樣控制系統(tǒng)的時域響應特征?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)字仿真（學時），選做。五、習題和習題課的要求為幫助學生理解和鞏固本課程的基本概念、理論與基本分析、設計方法，從鞏固基礎(chǔ)和提高能力方面安排習題，除第一章外每章習題數(shù)不少于10題，總習題量不少于80題。 六、教學方式與考核方式本門課程以理論教學為主，輔之以實驗教學。實行教考分離，以筆試成績?yōu)橹?，適當考慮實驗及作業(yè)情況。七、學時分配章次一二三四五六七八理論教學時數(shù)學時391081

13、28101070 八、幾點說明1、教學建議與教學方法自動控制的理論和技術(shù)已應用于工業(yè)、經(jīng)濟、武備等各領(lǐng)域。本課程的學習不僅直接影響到續(xù)專業(yè)課程的學習，而且對學生將來的工作和進一步深造產(chǎn)生重要影響。·在教學中采用啟發(fā)式教學方法，注重培養(yǎng)學生的思維能力、學習能力。根據(jù)本課程的主線（系統(tǒng)的穩(wěn)定性），講透重點內(nèi)容，其余內(nèi)容引導學生自學。由于本課程所涉及到的數(shù)學知識幾乎包括了先修的全部數(shù)學內(nèi)容（如微積分、積分變換、復變函數(shù)、矩陣和線性代數(shù)等）以及先修的物理學、多門電學專業(yè)基礎(chǔ)課的內(nèi)容，因此培養(yǎng)學生的自學能力尤為重要。·每次提前布置12個典型習題讓同學課前預習、思考，使之帶著

14、問題聽課。·本課程總體來說較為抽象、枯燥，教學中結(jié)合一些簡單的實際物理模型、工程實例和典型例題，幫助學生增加感性認識，以加深對基本理論的理解。·必須保證有足夠的習題量，以幫助學生提高分析問題、解決問題的能力。·實驗教學中要求學生根據(jù)實驗內(nèi)容完成預習報告。在實驗的安排次序上由簡單到復雜，由驗證性實驗到設計性實驗，最后進行綜合性實驗，加強學生解決實際問題和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。部分實驗內(nèi)容采用控制系統(tǒng)輔助分析和設計軟件MATLAB完成。·為引導學生全面發(fā)展，科學評價學生的學習效果，使學習成績的評定真正起到教育激勵、反饋調(diào)控、培養(yǎng)督導等作用，考核形式包括平時作業(yè)完成

15、情況、實驗完成情況、期中考試、期末考試等?？荚噧?nèi)容包括課程的基礎(chǔ)理論、基本知識、基本技能以及在融會貫通基礎(chǔ)上分析問題、解決問題的能力及綜合素質(zhì)。2、推薦教材和主要參考書（1）胡壽松主編，自動控制原理（第四版）北京：科學出版社，2002。（2）夏德鈐，自動控制理論北京：機械工程出版社，1993。（3）李友善，自動控制原理（修訂版）北京：國防工業(yè)出版社，1989。（4）緒方勝彥著，盧伯英譯現(xiàn)代控制工程北京：科學出版社，1979。（5）蔡尚峰，自動控制原理北京：機械工業(yè)出版社，1980。（6）吳 麒，自動控制原理北京：清華大學出版社，1990。（7）Morris Driels 主編，Linear C

16、ontrol System Engineering，McGraw-Hill和清華大學出版社聯(lián)合出版。（8）楊自厚主編，自動控制原理冶金工業(yè)出版社。（9）Richard C. Dorf, Robert H. Bishop ，Modern Control Systems (Ninth Edition)，科學出版社，培生教育出版集團，2002。（網(wǎng)址：（10）Katsuhiko Ogata，Modern Control Engineering，PrenticeHall,Inc.Englewood Cliffs,N.J.，現(xiàn)代控制理論教學大綱課程代號：022403 學時數(shù)：40學時學分數(shù)： 4 適用專

17、業(yè)：自動化等 一、本課程的地位、任務和作用本課程為自動化等專業(yè)的專業(yè)選修課。現(xiàn)代控制理論是現(xiàn)代網(wǎng)絡分析和線性系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)。通過本課程的學習，使學生掌握現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)知識，初步具備應用狀態(tài)空間法分析和設計控制系統(tǒng)的能力，并為今后進一步深入學習、研究現(xiàn)代控制理論打下扎實的基礎(chǔ)。二、本課程的相關(guān)課程先修課程為：高等數(shù)學、線性代數(shù)、積分變換、自動控制理論等。三、本課程的基本內(nèi)容及要求（一）基本要求熟練掌握控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述法。熟練掌握線性定常系統(tǒng)的運動分析。了解線性時變系統(tǒng)狀態(tài)方程的求解過程。重點掌握線性定常系統(tǒng)的能控性、能觀測性判別定理。了解運用李雅普諾夫方法分析系統(tǒng)平衡狀態(tài)的穩(wěn)

18、定性的方法及系統(tǒng)BIBO穩(wěn)定性的判別。重點掌握極點配置、全維狀態(tài)觀測器的設計方法。了解降維狀態(tài)觀測器的設計方法、狀態(tài)反饋解耦問題。（二）基本內(nèi)容第一章 緒論 控制理論的發(fā)展簡歷史?，F(xiàn)代控制理論的主要研究內(nèi)容、研究方法?，F(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的比較。第二章 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式 狀態(tài)空間的基本概念。狀態(tài)變量的選取、狀態(tài)向量、狀態(tài)空間以及空間表達式的定義。狀態(tài)空間表達式的建立。從系統(tǒng)工作機理、系統(tǒng)方框圖和描述系統(tǒng)的微分方程出發(fā)，建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式。線性變換。等價方程，線性變換的基本特性，對角線、約當、模態(tài)規(guī)范型。傳遞函數(shù)矩陣。由狀態(tài)空間表達式求系統(tǒng)傳遞函數(shù)距陣。離散時間系統(tǒng)的狀態(tài)空間

19、表達式。第三章 控制系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式的解 線性定常系統(tǒng)方程的解。狀態(tài)轉(zhuǎn)移距陣的定義、性質(zhì)及求法。線性定常系統(tǒng)狀態(tài)方程的解。線性時變系統(tǒng)的運動分析。離散時間系統(tǒng)狀態(tài)方程的解。連續(xù)時間系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式離散化。第四章 線性控制系統(tǒng)的能控性和能觀性能控性及判據(jù)。能觀測性及判據(jù)。離散時間系統(tǒng)的能控性和能觀測性。對偶原理。狀態(tài)空間表達式的能控標準型與能觀測標準型。能控標準、型與能觀測標準、型的定義、求法和相互關(guān)系。線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解。將線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)按能控性、能觀測性分解。傳遞函數(shù)矩陣的實現(xiàn)。能控標準型與能觀測標準型的實現(xiàn)及最小實現(xiàn)。傳遞函數(shù)與狀態(tài)能控性和能觀測性之間的關(guān)系。第五章 穩(wěn)定性與李雅普諾夫方法 穩(wěn)定性的定義。平衡狀態(tài)，李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定、漸進穩(wěn)定、大范圍漸進穩(wěn)定的定義。李雅普諾夫方法。李雅普諾夫第一法和李雅普諾夫第二法。李雅普諾夫方法在線性系統(tǒng)中的應用。李雅普諾夫方法在非線性系統(tǒng)