《自動控制原理D》課程教學大綱（本科）

1、自動控制原理D(Principles of Automatic Control ： D)課程代碼：05410051學分：2學時：32 （其中：課題教學學時：32實驗學時：0上機學時：0課程實踐學時:0 ）先修課程：高等數(shù)學、電路原理A（I）、信號與系統(tǒng)A、復(fù)變函數(shù)與積分變換適用專業(yè)：電子信息工程專業(yè)教材：自動控制原理，劉國海、楊年法主編，機械工業(yè)出版社，第1版一、課程性質(zhì)與課程目標（-）課程性質(zhì)本課程是電子信息工程專業(yè)的一門較為重要的專業(yè)選修課。它是自動控制技術(shù)的基 礎(chǔ)理論，是一門理論性較強的工程科學。通過本課程的學習，使學生掌握自動控制系統(tǒng) 的基本概念、自動控制理論的開展歷史，學會建立和簡化

2、自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，著 重掌握自動控制系統(tǒng)的時域分析法和頻率特性分析法，并學習自動控制系統(tǒng)綜合與校正 的一般方法。（二）課程目標課程目標1：自動控制原理D是一門研究自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是以原理為 主的理論性課程。主要從數(shù)學模型出發(fā)，講述自動控制的基本原理和控制系統(tǒng)分析與設(shè) 計的基本方法。課程目標2：通過本課程的學習，使學生能夠正確理解和運用課程的基本概念和理論， 掌握一套較完整的分析、設(shè)計自動控制系統(tǒng)的方法。為專業(yè)課的學習打好基礎(chǔ)，而且為 以后從事實際工作和科研奠定一定的理論基礎(chǔ)。課程的具體目標如下：1、知識目標自動控制原理D課程主要介紹經(jīng)典控制理論的基本概念和基本原理，自動控制 系統(tǒng)

3、的分析和設(shè)計方法。簡單介紹控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖概念。重點介紹時域分 析法、頻域分析法、控制系統(tǒng)校正方法、離散控制系統(tǒng)的分析方法等，包括：掌握控制系統(tǒng)的基本要求（穩(wěn)定性、快速性、準確性）及其指標參數(shù)；掌握控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖概念；掌握一階、二階系統(tǒng)的時域分析方法；掌握基本的頻率特性分析法；掌握控制系統(tǒng)的常用校正裝置及其校正方法；掌握離散控制系統(tǒng)的分析方法。2、能力與素質(zhì)方面能夠針對實際控制系統(tǒng)建立數(shù)學模型，并畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。能夠熟練運用時域分析法和頻率特性分析法分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和 準確性。能夠運用頻率法對控制系統(tǒng)進行校正。能夠構(gòu)建離散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，求解系統(tǒng)的脈沖傳遞函

4、數(shù)，并分析離散控制 系統(tǒng)的性能。能夠根據(jù)自動控制系統(tǒng)的基本要求（穩(wěn)定性、快速性、準確性）分析解決基本 工程問題。逐步培養(yǎng)學生的邏輯思維能力、判斷和歸納能力。注：工程類專業(yè)通識課程的課程目標應(yīng)覆蓋相應(yīng)的工程教育認證畢業(yè)要求通用標準；二、課程內(nèi)容與教學要求第一章緒論（一）課程內(nèi)容.自動控制系統(tǒng)的基本概念、組成與分類。.控制系統(tǒng)應(yīng)用實例。.自動控制理論的開展。.自動控制系統(tǒng)的要求:穩(wěn)定性、快速性、準確性。（二）教學要求.了解本課程的性質(zhì)、研究對象與基本任務(wù)。.掌握自動控制系統(tǒng)的基本概念、基本原理。.掌握自動控制系統(tǒng)的要求:穩(wěn)定性、快速性、準確性。. 了解自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例、自動控制理論的開展。（

5、三）重點與難點（假設(shè)不單獨列出，需在教學要求中適當注明）.重點自動控制系統(tǒng)的特點；自動控制系統(tǒng)的要求:穩(wěn)定性、快速性、準確性；本課程的 篇章結(jié)構(gòu)和它們之間的聯(lián)系。.難點自動控制系統(tǒng)的要求:穩(wěn)定性、快速性、準確性；本課程的篇章結(jié)構(gòu)和它們之間的 聯(lián)系。第二章自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型（-）課程內(nèi)容.控制系統(tǒng)的微分方程：線性系統(tǒng)微分方程的建立。.控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)：定義，時間常數(shù)表示形式和零極點表示形式。.典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)：比例、積分、微分、慣性、振蕩等環(huán)節(jié)的微分方程及 其傳遞函數(shù)。.控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖：組成、建立；結(jié)構(gòu)圖的等效變換：原那么（變換前后，系統(tǒng) 的數(shù)學關(guān)系不變），環(huán)節(jié)的合并（串聯(lián)、并聯(lián)、反應(yīng)

6、），信號分支點或比擬點的移動（左 移、右移、互換）。.信號流圖和梅遜公式：信號流圖的組成（節(jié)點、支路、支路傳輸），信號流圖的 常用術(shù)語（源節(jié)點、阱節(jié)點、混合節(jié)點、通路、前向通路、回路、前向通路傳輸增益、 回路傳輸增益、不接觸回路），梅遜公式，應(yīng)用梅遜公式求控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。（二）教學要求. 了解控制系統(tǒng)有哪些數(shù)學模型.熟悉傳遞函數(shù)的概念及其表示形式；.熟悉典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)；具有建立控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的能力；.掌握結(jié)構(gòu)圖等效變換方法和利用信號流圖求系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的方法。（三）重點與難點（假設(shè)不單獨列出，需在教學要求中適當注明）.重點控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的概念；建立控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

7、及其等效變換; 應(yīng)用信號流圖和梅遜公式求系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。.難點建立控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖及其等效變換；應(yīng)用信號流圖和梅遜公式 求系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。第三章自動控制系統(tǒng)的時域分析法（-）課程內(nèi)容.典型輸入信號：單位階躍函數(shù)、單位斜坡函數(shù)、單位拋物線函數(shù)。.系統(tǒng)階躍響應(yīng)性能指標：延遲時間、上升時間、峰值時間、最大超調(diào)量、調(diào)節(jié) 時間、穩(wěn)態(tài)誤差。. 一階系統(tǒng)的動態(tài)性能指標及其求法：調(diào)節(jié)時間。.二階系統(tǒng)的動態(tài)性能指標及其求法：按阻尼比=0、01、=1、1四種情況求系統(tǒng) 的最大超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間。.線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件：所有的閉環(huán)極點都位于s平面的右半平面。.穩(wěn)態(tài)誤差的定義；給定穩(wěn)態(tài)誤差和擾

8、動穩(wěn)態(tài)誤差的求法。. PID基本控制規(guī)律的分析：P控制、PD控制、PI控制、PID控制。（二）教學要求.掌握控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)性能指標的定義及其含義。.掌握二階系統(tǒng)的動態(tài)性能指標及其求法,理解動態(tài)性能指標與特征參數(shù)的關(guān)系。.掌握應(yīng)用勞斯穩(wěn)定判據(jù)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。.掌握求解系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的方法。.能夠理解PID基本控制規(guī)律。（三）重點與難點（假設(shè)不單獨列出，需在教學要求中適當注明）.重點控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)性能指標的定義及其含義；二階系統(tǒng)的動態(tài)性能指標及其求法; 應(yīng)用勞斯穩(wěn)定判據(jù)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性；求解系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的方法；系統(tǒng)性能指標與系統(tǒng)特 征參數(shù)之間的關(guān)系。.難點系統(tǒng)性能指標與系統(tǒng)特征參數(shù)之間的關(guān)系

9、。第五章頻率特性分析法（-）課程內(nèi)容.頻率特性的基本概念：頻率特性的定義，幅頻特性，相頻特性，實頻特性，虛頻 特性。.頻率特性的常用圖示方法：幅相頻率特性（奈奎斯特圖），對數(shù)頻率特性（伯德 圖）。.典型環(huán)節(jié)的頻率特性（奈奎斯特圖、伯德圖）：比例、積分、微分、慣性、振蕩等環(huán)節(jié)）。.系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性圖的繪制：奈奎斯特圖（起點、終點、交點、變化趨勢）， 伯德圖（低頻段、轉(zhuǎn)折頻率、斜率、對數(shù)相頻特性的起點、終點和變化趨勢）。.最小相位系統(tǒng)的定義和特點。.奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，奈氏判據(jù)在奈奎斯特圖的應(yīng)用。.穩(wěn)定裕度：伯德圖上的相角裕度和幅值裕度。（二）教學要求.掌握頻率特性的基本概念及其常用圖示方法。.掌

10、握典型環(huán)節(jié)的頻率特性及其特點。.掌握控制系統(tǒng)開環(huán)頻率特性圖的繪制方法，能夠構(gòu)建實驗系統(tǒng)，具有分析實驗結(jié) 果得出結(jié)論的能力。. 了解最小相位系統(tǒng)的定義和特點。.掌握奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，能夠運用奈氏判據(jù)在奈奎斯特圖上準確判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。.掌握穩(wěn)定裕度的概念，能夠在伯德圖上求解出相角裕度和幅值裕度。（三）重點與難點（假設(shè)不單獨列出，需在教學要求中適當注明）.重點典型環(huán)節(jié)的頻率特性；系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性圖的繪制；奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)；穩(wěn)定裕 度。.難點系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性圖的繪制；奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)；穩(wěn)定裕度。第六章自動控制系統(tǒng)的校正（一）課程內(nèi)容.控制系統(tǒng)校正的定義，校正方式（串聯(lián)校正，反應(yīng)校正，復(fù)合校正）

11、，系統(tǒng)性能 指標。.常用校正裝置及其特性（超前校正、滯后校正）。.串聯(lián)校正的頻率法設(shè)計：超前校正、滯后校正。（二）教學要求.掌握控制系統(tǒng)校正的定義、校正方式和常用校正裝置及其特性。.掌握串聯(lián)校正的頻率法設(shè)計方法，能夠進行超前校正、滯后校正設(shè)計，能夠構(gòu)建 實驗系統(tǒng)，并進行實驗驗證，具有分析實驗結(jié)果得出結(jié)論的能力。（三）重點與難點（假設(shè)不單獨列出，需在教學要求中適當注明）.重點常用校正裝置（超前校正、滯后校正）及其特性；超前校正、滯后校正的設(shè)計步驟 及注意點。.難點超前校正和滯后校正的設(shè)計步驟及注意點。第七章線性離散控制系統(tǒng)的分析（一）課程內(nèi)容.線性離散控制系統(tǒng)的概念：離散控制系統(tǒng)、采樣控制系統(tǒng)。

12、.采樣過程和采樣定理：采樣過程、采樣定理，零階保持器。. z變換的定義、基本定理和求法；z反變換的定義和求法。.離散控制系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)：定義，求法（z變換表）；求開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)（串 聯(lián)環(huán)節(jié)之間有采樣開關(guān)、串聯(lián)環(huán)節(jié)之間無采樣開關(guān)）；求閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。.離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析:穩(wěn)定的充要條件，離散控制系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù)。.離散控制系統(tǒng)的動態(tài)性能分析：閉環(huán)極點分布與暫態(tài)響應(yīng)的關(guān)系。（二）教學要求. 了解線性離散控制系統(tǒng)的概念、采樣過程和采樣定理。.掌握z變換和z反變換的求法。.掌握離散控制系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的定義；熟練求解開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)（串聯(lián)環(huán) 節(jié)之間有采樣開關(guān)、串聯(lián)環(huán)節(jié)之間無采樣開關(guān)）和閉

13、環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。.理解離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件，掌握離散控制系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù)。. 了解離散控制系統(tǒng)中閉環(huán)極點分布與暫態(tài)響應(yīng)的關(guān)系。（三）重點與難點（假設(shè)不單獨列出，需在教學要求中適當注明）.重點z變換和z反變換；離散控制系統(tǒng)（開環(huán)、閉環(huán)）脈沖傳遞函數(shù)；離散控制系統(tǒng)的 穩(wěn)定性。.難點離散控制系統(tǒng)（開環(huán)、閉環(huán)）脈沖傳遞函數(shù)；離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。三、學時分配及教學方法注：1.課程實踐學時按相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)計劃列入表格;章（按序填寫）教學形式及學時分配主要教學方法支撐的課程目標課堂 教學實 驗上 機課程 實踐小 計第一章20002講授、案例、自學、 討論1.12. 5第二章40004講授、研究型教學

14、 法、自學1.22. 1第三章60006講授、研究型教學 法、自學1.32.2 2.5第五章80008講授、研究型教學 法、自學1.42.3第六章40004講授、討論、自學1.5 2.3 2.6第七章80008講授、研究型教學 法、自學1.6 2. 4 2. 5合計32000322.主要教學方法包括講授法、討論法、演示法、研究型教學方法（基于問題、工程、案例 等教學方法）等。四、課程考核注：1.分學期設(shè)置和考核的課程應(yīng)按學期分別填寫上表。考核形式考核要求考核權(quán)重備注平時作業(yè)課后完成2530個習題，主要考核學生對每章中知識 點的復(fù)習、理解和掌握度，計算全部作業(yè)的平均成績 再按10%計入總成績；可

15、讓學生查閱資料，了解本課 程相關(guān)技術(shù)開展情況，并根據(jù)自身開展需要，自主學 習。10%課堂表現(xiàn)不定期點名抽查學生的出勤率，回答下列問題以及解決課 堂提問的積極性和正確性，以此來了解學生對知識的 掌握程度。10%期末考試考試以閉卷的形式，題型包括填空題、計算題、計算 分析題、計算繪圖題4大類，以卷面成績的80%計入 課程總成績。其中考核自動控制理論基礎(chǔ)知識及應(yīng)用 能力的題占90%；考核能針對個人或職業(yè)開展的需 求，采用合適的方法，自主學習，適應(yīng)開展占比10%o80%2.考核形式主要包括課堂表現(xiàn)、平時作業(yè)、階段測試、期中考試、期末考試、大作業(yè)、小 論文、工程設(shè)計和作品等。3.考核要求包括作業(yè)次數(shù)、考試方式（開卷、閉卷）、工程設(shè)計要求等。4.考核權(quán)重指該考核方式或途徑在總成績中所占比重。五、參考書目及學習資料.高國槃，余文休等.自動控制原理（第四版），華南理工大學出版社，2013。.