《自動(dòng)控制原理》教學(xué)大綱

《自動(dòng)控制原理》教學(xué)大綱課程編號(hào)：13220447英文名稱：PrinciplesofAutomaticControl學(xué)分：2.5學(xué)時(shí)：總學(xué)時(shí)48學(xué)時(shí)，其中理論32學(xué)時(shí)，實(shí)踐16學(xué)時(shí)先修課程：高等數(shù)學(xué)，復(fù)變函數(shù)與積分變換，電路原理，模擬電子技術(shù)課程類別：專業(yè)主干課程授課對(duì)象：電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生教學(xué)單位：機(jī)械與電氣工程學(xué)院修讀學(xué)期：第4學(xué)期一、課程描述和目標(biāo)自動(dòng)控制理論是工科類各相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它已經(jīng)在大多數(shù)工科專業(yè)課程中占據(jù)了核心地位。學(xué)生獲得控制理論的基礎(chǔ)知識(shí)，分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的校正方案是課程教學(xué)的主要任務(wù)。本課程是為電氣工程及其自動(dòng)化類專業(yè)的二年級(jí)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)必修課。學(xué)生能夠綜合應(yīng)用自動(dòng)控制的基本原理分析控制系統(tǒng)性能。能夠評(píng)價(jià)線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性，計(jì)算分析系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的，比較分析不同的系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)，計(jì)算分析控制系統(tǒng)性能指標(biāo)，運(yùn)用控制系統(tǒng)的校正方法提高系統(tǒng)的性能。學(xué)生具備對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的基本能力，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)和參加控制工程實(shí)踐提供必要的理論基礎(chǔ)。學(xué)生具備對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的綜合能力。本課程擬達(dá)到的課程目標(biāo):課程目標(biāo)1：能運(yùn)用微分方程和傳遞函數(shù)描述系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，能建立諸如電子系統(tǒng)（如RLC）、機(jī)械系統(tǒng)（如彈簧阻尼器）、電機(jī)系統(tǒng)（如直流電機(jī)）等具體控制系統(tǒng)的微分方程組和傳遞函數(shù)等數(shù)學(xué)模型；能應(yīng)用等效變換原理和梅森增益公式化簡(jiǎn)得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。課程目標(biāo)2：能應(yīng)用控制系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù)評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；能應(yīng)用時(shí)域分析法，計(jì)算控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)（如超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、峰值時(shí)間）；能分析計(jì)算控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；能繪制控制系統(tǒng)幅相頻率特性曲線和對(duì)數(shù)頻率特性曲線，分析計(jì)算控制系統(tǒng)相角裕度和幅值裕度等參數(shù)。課程目標(biāo)3：能將控制理論知識(shí)應(yīng)用于電氣工程及其自動(dòng)化相關(guān)領(lǐng)域工程問題解決方案的綜合與比較，能夠根據(jù)不同的控制對(duì)象設(shè)計(jì)合理控制方案。課程目標(biāo)4：能運(yùn)用控制理論知識(shí)分析各類復(fù)雜控制系統(tǒng)，識(shí)別和判斷控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的功能；能應(yīng)用仿真軟件或?qū)嶒?yàn)裝置，分析控制系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的特性。二、課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)權(quán)重1.2能針對(duì)具體的對(duì)象，運(yùn)用時(shí)頻域分析和相關(guān)方法，建立數(shù)學(xué)模型并求解；課程目標(biāo)1M1.3能夠?qū)?fù)變函數(shù)與積分變換、最優(yōu)決策等相關(guān)知識(shí)和數(shù)學(xué)模型方法用于分析電氣工程相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)工程問題；課程目標(biāo)2H1.4能夠?qū)⑾嚓P(guān)知識(shí)和數(shù)學(xué)模型方法用于電氣工程相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)工程問題解決方案的比較與綜合；課程目標(biāo)3M2.1能運(yùn)用電路、電氣、電力等相關(guān)科學(xué)原理，識(shí)別和判斷復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；課程目標(biāo)4M三、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配1．理論教學(xué)內(nèi)容序號(hào)教學(xué)內(nèi)容基本要求及重、難點(diǎn)（含德育要求）學(xué)時(shí)教學(xué)方式對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1控制系統(tǒng)的基本概念學(xué)習(xí)自動(dòng)控制的任務(wù)、自動(dòng)控制的基本方式、對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求等?；疽螅赫莆湛刂葡到y(tǒng)的工作原理、組成及其分類，理解對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求，了解控制工程的發(fā)展概況。重點(diǎn)難點(diǎn)：控制系統(tǒng)的組成、控制系統(tǒng)的原理分析。德育要求：社會(huì)責(zé)任3集中講授、討論課程目標(biāo)1課程目標(biāo)42控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的微分方程的建立、傳遞函數(shù)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的化簡(jiǎn)?；疽螅赫莆湛刂葡到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立方法、傳遞函數(shù)的概念和性質(zhì)、傳遞函數(shù)的等效變換與Mason公式；掌握常用拉氏變換表；理解開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)的概念。重點(diǎn)難點(diǎn)：傳遞函數(shù)的等效變換和Mason公式。德育要求：細(xì)心細(xì)致9集中講授、討論課程目標(biāo)1課程目標(biāo)3課程目標(biāo)43時(shí)域分析法講授時(shí)域分析基礎(chǔ)、一階系統(tǒng)分析與計(jì)算、二階系統(tǒng)分析與計(jì)算、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析及計(jì)算?；疽螅赫莆找浑A、二階系統(tǒng)在典型輸入信號(hào)作用下的時(shí)域響應(yīng)和時(shí)域性能指標(biāo)；掌握系統(tǒng)穩(wěn)定的概念和分析、判別系統(tǒng)穩(wěn)定的方法；掌握系統(tǒng)誤差的概念和計(jì)算穩(wěn)態(tài)誤差的方法。重點(diǎn)難點(diǎn)：二階欠阻尼系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算德育要求：實(shí)踐創(chuàng)新8集中講授、討論課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)3課程目標(biāo)44頻率域方法學(xué)習(xí)頻率特性、典型環(huán)節(jié)的頻率特性、系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性、系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性與階躍響應(yīng)的關(guān)系、開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)階躍響應(yīng)的關(guān)系?；疽螅赫莆疹l率特性的基本概念；掌握控制系統(tǒng)頻率特性圖的繪制方法；掌握系統(tǒng)穩(wěn)定性的頻率域分析方法；了解頻域性能指標(biāo)與時(shí)域性能指標(biāo)之間的關(guān)系。重點(diǎn)難點(diǎn)：Bode圖的繪制。德育要求：誠(chéng)信考試8中講授集、討論課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)3課程目標(biāo)45控制系統(tǒng)的校正講授系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、串聯(lián)校正、串聯(lián)校正的理論設(shè)計(jì)方法、反饋校正和復(fù)合校正。掌握超前、滯后及滯后—超前校正網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、頻率特性及其作用；掌握頻率法設(shè)計(jì)和校正系統(tǒng)；了解并聯(lián)校正和復(fù)合校正。4中講授集、討論課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)3課程目標(biāo)4合計(jì)322．實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求學(xué)時(shí)類型對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：獲取典型環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析模型數(shù)據(jù),掌握電路參數(shù)對(duì)環(huán)節(jié)特性的影響。實(shí)驗(yàn)要求：必修。2驗(yàn)證課程目標(biāo)1課程目標(biāo)42二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：獲取欠阻尼二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)數(shù)據(jù),分析模型數(shù)據(jù),建立二階系統(tǒng)傳遞函數(shù),掌握控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)。實(shí)驗(yàn)要求：必修。2驗(yàn)證課程目標(biāo)2課程目標(biāo)43系統(tǒng)頻率特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：獲取系統(tǒng)頻域特性數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)，掌握控制系統(tǒng)及元件頻率特性的測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)要求：必修。2驗(yàn)證課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)44連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)串聯(lián)校正，掌握控制系統(tǒng)過渡過程的測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)要求：必修。4驗(yàn)證課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)45調(diào)速系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：設(shè)計(jì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，掌握電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)要求：必修。6設(shè)計(jì)課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)3課程目標(biāo)4合計(jì)16注：實(shí)驗(yàn)要求包括必修、選修；實(shí)驗(yàn)類型包括演示、驗(yàn)證、綜合、設(shè)計(jì)等。四、課程教學(xué)方法1．理論學(xué)習(xí)以集中授課的形式為主，討論為輔，線上線下相結(jié)合的方式；2．綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)以小組形式，課外分散完成，集中答疑，集中評(píng)價(jià)；3．實(shí)驗(yàn)教學(xué)以分組分批形式組織，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師實(shí)時(shí)指導(dǎo)。五、學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)和課程考核（一）考核方式及具體要求1.課程成績(jī)構(gòu)成與要求課程考核注重形成性和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合，考核內(nèi)容主要由平時(shí)作業(yè)、課程實(shí)驗(yàn)、線上測(cè)試、綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)、期末考核組成，均按百分制計(jì)分，其中期末考核成績(jī)占50%、平時(shí)作業(yè)成績(jī)占20%、課程實(shí)驗(yàn)成績(jī)占15%、平時(shí)測(cè)試成績(jī)占15%。2.課程目標(biāo)達(dá)成考核與評(píng)價(jià)序號(hào)教學(xué)環(huán)節(jié)課程目標(biāo)1（分值）課程目標(biāo)2（分值）課程目標(biāo)3（分值）課程目標(biāo)4（分值）合計(jì)1平時(shí)作業(yè)51050202課程實(shí)驗(yàn)00015153平時(shí)測(cè)試51000155期末考試7.5402.5050課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)分值17.5607.515100注：(1)考勤不加分，但曠課1次扣平時(shí)分1分，扣滿5分為止；(2)期末總成績(jī)不能低于50分；低于50分者，其總評(píng)成績(jī)?yōu)椴患案?。（二）考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.平時(shí)作業(yè)考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)成績(jī)平時(shí)以優(yōu)、良、中、及格、不及格五個(gè)等級(jí)登記，期末時(shí)折算為百分制計(jì)入總分。等級(jí)觀測(cè)點(diǎn)優(yōu)（90-100分）良（80-89分）中（70-79分）及格（60-69分）不及格（0-59分）作業(yè)能夠很好地應(yīng)用自動(dòng)控制理論分析被控對(duì)象穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，計(jì)算控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，按時(shí)完成，解答答案正確或合理，字跡工整，完成質(zhì)量高。能夠較好應(yīng)用自動(dòng)控制理論分析被控對(duì)象穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，計(jì)算控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，計(jì)算基本正確，解答答案基本正確或合理，字跡工整，完成質(zhì)量較高。能夠應(yīng)用自動(dòng)控制理論分析被控對(duì)象穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，計(jì)算控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，計(jì)算有錯(cuò)誤，解答答案大部分正確或合理，字跡比較工整，完成質(zhì)量一般。能夠大部分應(yīng)用自動(dòng)控制理論分析被控對(duì)象穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，計(jì)算控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，計(jì)算、解答答案錯(cuò)誤較多，字跡基本工整，完成質(zhì)量尚可。能夠小部分應(yīng)用自動(dòng)控制理論分析被控對(duì)象穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，計(jì)算控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，計(jì)算、解答答案錯(cuò)誤較多或者不答，字跡潦草，完成質(zhì)量差，或有抄襲行為。2.課程實(shí)驗(yàn)考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)課程實(shí)驗(yàn)成績(jī)平時(shí)以優(yōu)、良、中、及格、不及格五個(gè)等級(jí)登記，期末時(shí)折算為百分制計(jì)入總分。等級(jí)觀測(cè)點(diǎn)優(yōu)（90-100分）良（80-89分）中（70-79分）及格（60-69分）不及格（≤59分）課程實(shí)驗(yàn)?zāi)芨鶕?jù)要求搭建實(shí)驗(yàn)裝置，圓滿完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，準(zhǔn)確處理獲得的數(shù)據(jù)，體現(xiàn)出優(yōu)秀的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能力。能根據(jù)要求搭建實(shí)驗(yàn)裝置，自行完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，較為準(zhǔn)確處理獲得的數(shù)據(jù)，具有較好的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能力。能根據(jù)要求搭建實(shí)驗(yàn)裝置，自行完成大部分實(shí)驗(yàn)任務(wù)，能處理獲得的數(shù)據(jù)，具有一定的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能力。能根據(jù)要求完成部分實(shí)驗(yàn)任務(wù)，系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能力較弱，處理數(shù)據(jù)能力一般。無法根據(jù)要求完成部分實(shí)驗(yàn)任務(wù)，不具備系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能力。3.平時(shí)測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)平時(shí)測(cè)試根據(jù)題目分值直接評(píng)分（百分制）。等級(jí)觀測(cè)點(diǎn)90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分平時(shí)測(cè)試很好掌握控制系統(tǒng)基本概念，很好掌握數(shù)學(xué)模型建立方法，很好掌握控制系統(tǒng)的分析方法和校正方法。較好掌握控制系統(tǒng)基本概念，較好掌握數(shù)學(xué)模型建立方法，較好掌握控制系統(tǒng)的分析方法和校正方法。掌握控制系統(tǒng)基本概念，掌握數(shù)學(xué)模型建立方法，掌握控制系統(tǒng)的分析方法和校正方法?；菊莆湛刂葡到y(tǒng)基本概念，基本掌握數(shù)學(xué)模型建立方法，基本掌握控制系統(tǒng)的分析方法和校正方法。掌握部分控制系統(tǒng)基本概念，掌握部分?jǐn)?shù)學(xué)模型建立方法，掌握部分控制系統(tǒng)的分析方法和校正方法。4.期末試卷考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分值觀測(cè)點(diǎn)90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分期末考試自動(dòng)控制原理基本概念描述準(zhǔn)確。準(zhǔn)確建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確應(yīng)用自動(dòng)控制理論計(jì)算分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性等。準(zhǔn)確繪制Bode圖等。自動(dòng)控制原理基本概念描述較準(zhǔn)確。較準(zhǔn)確建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，較準(zhǔn)確應(yīng)用自動(dòng)控制理論計(jì)算分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性等。較準(zhǔn)確繪制Bode圖等。自動(dòng)控制原理基本概念描述大部分準(zhǔn)確。建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用自動(dòng)控制理論計(jì)算分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性等大部分準(zhǔn)確。繪制Bode圖等大部分準(zhǔn)確。自動(dòng)控制原理基本概念描述基本準(zhǔn)確。建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用自動(dòng)控制理論計(jì)算分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性等基本準(zhǔn)確。繪制Bode圖等基本準(zhǔn)確。沒掌握自動(dòng)控制原理基本概念。不具備自動(dòng)控制理論分析能