《自動控制原理A》教學(xué)大綱

《自動控制原理A》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：05136031課程性質(zhì)：學(xué)科基礎(chǔ)必修課學(xué)分：4學(xué)分學(xué)時：64學(xué)時（理論56學(xué)時，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時）先修課程：大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)與積分變換、電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)等后續(xù)課程：機(jī)器人編程與系統(tǒng)集成、智能機(jī)器人、機(jī)器人控制系統(tǒng)仿真等適用專業(yè)：機(jī)器人工程開課單位：電氣工程與自動化學(xué)院一、課程說明《自動控制原理A》是機(jī)器人工程專業(yè)必修的一門學(xué)科基礎(chǔ)課。本課程主要講授經(jīng)典控制理論的基本理論與方法，包括自動控制系統(tǒng)的基本原理、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、線性系統(tǒng)的基本分析方法、線性系統(tǒng)的設(shè)計校正方法、線性離散系統(tǒng)的分析以及非線性控制系統(tǒng)分析等，為學(xué)習(xí)其他有關(guān)課程及以后從事技術(shù)工作奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。本課程注重基本理論知識的深入學(xué)習(xí)，著重培養(yǎng)運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識解決生產(chǎn)實(shí)際中問題的能力，并通過后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，能夠從事國民經(jīng)濟(jì)、國防和科研各部門的運(yùn)動控制、過程控制、機(jī)器人智能控制、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)、模式識別與智能系統(tǒng)、生物信息學(xué)、人工智能及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐、等領(lǐng)域的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)及管理工作。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：掌握經(jīng)典控制理論的基本知識，包括自動控制系統(tǒng)的基本原理、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、線性系統(tǒng)的基本分析方法、線性系統(tǒng)的設(shè)計校正方法、線性離散系統(tǒng)的分析以及非線性控制系統(tǒng)分析等。課程目標(biāo)2：能正確運(yùn)用數(shù)學(xué)建模方法、線性系統(tǒng)時域分析方法、根軌跡分析方法、頻域分析方法、系統(tǒng)校正設(shè)計方法等知識分析、解決線性定常系統(tǒng)中遇到的問題，能正確運(yùn)用線性離散控制系統(tǒng)的方法分析離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，會利用描述函數(shù)法分析非線性控制系統(tǒng)性能。課程目標(biāo)3：跟蹤自動控制理論發(fā)展的科學(xué)前沿，使學(xué)生了解我國在自動控制領(lǐng)域的現(xiàn)狀和優(yōu)勢、與世界相關(guān)行業(yè)的差距，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和時代緊迫感，同時增強(qiáng)學(xué)生的法治觀念、社會責(zé)任感和創(chuàng)新意識。了解自動控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的流程，能夠就自動控制領(lǐng)域?qū)嶋H工程問題提出設(shè)計方案和撰寫研究報告。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《自動控制原理A》課程教學(xué)目標(biāo)對機(jī)器人工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)支撐強(qiáng)度1.工程知識1.2掌握機(jī)器人工程領(lǐng)域所需的電路分析、電子技術(shù)、計算機(jī)、機(jī)械等原理和思想，能將其知識方法用于復(fù)雜機(jī)器人工程問題的分析和表述。課程目標(biāo)1：掌握經(jīng)典控制理論的基本知識，包括自動控制系統(tǒng)的基本原理、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、線性系統(tǒng)的基本分析方法、線性系統(tǒng)的設(shè)計校正方法、線性離散系統(tǒng)的分析以及非線性控制系統(tǒng)分析等。M2.問題分析2.2應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理等方法和專業(yè)知識，能夠?qū)C(jī)器人工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行建模。課程目標(biāo)2：能正確運(yùn)用數(shù)學(xué)建模方法、線性系統(tǒng)時域分析方法、根軌跡分析方法、頻域分析方法、系統(tǒng)校正設(shè)計方法等知識分析、解決線性定常系統(tǒng)中遇到的問題，能正確運(yùn)用線性離散控制系統(tǒng)的方法分析離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，會利用描述函數(shù)法分析非線性控制系統(tǒng)性能。M4.研究4.3能夠采用計算機(jī)仿真、實(shí)物或半實(shí)物仿真等方法，設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。課程目標(biāo)3：跟蹤自動控制理論發(fā)展的科學(xué)前沿，使學(xué)生了解我國在自動控制領(lǐng)域的現(xiàn)狀和優(yōu)勢、與世界相關(guān)行業(yè)的差距，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和時代緊迫感，同時增強(qiáng)學(xué)生的法治觀念、社會責(zé)任感和創(chuàng)新意識。了解自動控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的流程，能夠就自動控制領(lǐng)域?qū)嶋H工程問題提出設(shè)計方案和撰寫研究報告。H注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1.理論部分理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)理論學(xué)時實(shí)驗(yàn)學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.控制系統(tǒng)導(dǎo)論1.1自動控制的基本原理1.2自動控制系統(tǒng)示例1.3自動控制系統(tǒng)的分類1.4自動控制系統(tǒng)的基本要求1.5自動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計工具教學(xué)要求：理解自動控制的基本原理與方式；掌握自動控制系統(tǒng)方框圖的繪制方法；了解自動控制系統(tǒng)的分類；理解對自動控制系統(tǒng)的基本要求。重點(diǎn)：自動控制的基本原理與方式；自動控制系統(tǒng)的分類；自動控制系統(tǒng)的基本要求。難點(diǎn)：分析系統(tǒng)并繪制方框圖的方法。2032.控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1拉普拉斯變換2.2控制系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型2.3控制系統(tǒng)的復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型2.4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與信號流圖教學(xué)要求：了解控制系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型和復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型；掌握控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖的等效變換與信號流圖的畫法；掌握梅森公式的使用方法；了解控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模方法。重點(diǎn)：控制系統(tǒng)的復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型；控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖的等效變換與信號流圖的畫法。難點(diǎn)：控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖的等效變換與信號流圖的畫法。801、23.線性系統(tǒng)的時域分析法3.1系統(tǒng)的時域性能指標(biāo)3.2一階系統(tǒng)的時域分析3.3二階系統(tǒng)的時域分析3.4高階系統(tǒng)的時域分析3.5線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析3.6線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算教學(xué)要求：理解系統(tǒng)時間響應(yīng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)；掌握一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)的時域分析方法；了解高階系統(tǒng)的時域分析方法；掌握線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法；掌握線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算方法。重點(diǎn)：欠阻尼二階系統(tǒng)的時域分析；線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算。難點(diǎn)：閉環(huán)極點(diǎn)與系統(tǒng)性能間的關(guān)系；高階系統(tǒng)的閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)。1221、2、34.線性系統(tǒng)的根軌跡法4.1根軌跡法的基本概念4.2常規(guī)根軌跡的繪制法則4.4系統(tǒng)性能的分析教學(xué)要求：了解根軌跡法的基本概念；掌握常規(guī)根軌跡繪制的基本法則；熟悉利用根軌跡法分析系統(tǒng)性能。重點(diǎn)：常規(guī)根軌跡繪制的基本法則；利用根軌跡法分析系統(tǒng)性能。難點(diǎn)：利用根軌跡法分析系統(tǒng)性能。401、25.線性系統(tǒng)的頻域分析法5.1頻率特性5.2典型環(huán)節(jié)與開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性5.3頻域穩(wěn)定判據(jù)5.4穩(wěn)定裕度5.5閉環(huán)系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)教學(xué)要求：理解頻率特性的概念；掌握典型環(huán)節(jié)與開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性；掌握頻域穩(wěn)定判據(jù)和穩(wěn)定裕度的計算方法；了解閉環(huán)系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)。重點(diǎn)：典型環(huán)節(jié)與開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性；頻域穩(wěn)定判據(jù)；穩(wěn)定裕度的計算方法。難點(diǎn)：頻域穩(wěn)定判據(jù)；穩(wěn)定裕度的計算方法。1241、2、36.線性系統(tǒng)的校正方法6.1系統(tǒng)的設(shè)計與校正問題6.2常用校正裝置及其特性6.3串聯(lián)校正教學(xué)要求：了解系統(tǒng)的設(shè)計與校正所面臨的問題；掌握常用校正裝置及其特性；掌握串聯(lián)校正的設(shè)計方法；理解控制系統(tǒng)校正設(shè)計作用。重點(diǎn)：常用校正裝置及其特性；串聯(lián)校正的設(shè)計方法。難點(diǎn)：串聯(lián)校正的設(shè)計方法；各串聯(lián)校正的作用。621、2、37.線性離散系統(tǒng)的分析與校正7.1離散系統(tǒng)的基本概念7.2信號的采樣與保持7.3z變換理論7.4離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型7.5離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差教學(xué)要求：了解離散系統(tǒng)的基本概念；了解信號采樣與保持；掌握z變換理論；掌握離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立方法；掌握離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性分析方法。重點(diǎn)：離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差。難點(diǎn)：閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的計算；離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差。801、28.非線性控制系統(tǒng)分析8.1非線性控制系統(tǒng)概述8.2常見非線性特性及其對系統(tǒng)運(yùn)動的影響8.3描述函數(shù)法。教學(xué)要求：了解非線性控制系統(tǒng)基本概念；理解常見非線性特性及其對系統(tǒng)運(yùn)動的影響；掌握利用描述函數(shù)法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。重點(diǎn)：常見非線性特性及其對系統(tǒng)運(yùn)動的影響；利用描述函數(shù)法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。難點(diǎn)：利用描述函數(shù)法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。401、2合計5682.實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表3。表3實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)時實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求實(shí)驗(yàn)學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.二階系統(tǒng)的時域分析法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：學(xué)習(xí)繪制系統(tǒng)時域響應(yīng)曲線及系統(tǒng)分析的方法。22、32.線性系統(tǒng)的頻域分析法——典型環(huán)節(jié)特性曲線實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：學(xué)習(xí)繪制系統(tǒng)頻域典型環(huán)節(jié)特性曲線的方法，掌握典型環(huán)節(jié)表達(dá)的特性。22、33.線性系統(tǒng)的頻域分析法——伯德圖實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：學(xué)習(xí)繪制系統(tǒng)頻域伯德圖的方法，掌握穩(wěn)定性判斷方法及穩(wěn)定裕度分析方法。22、34.線性系統(tǒng)的校正方法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：學(xué)習(xí)分析各種校正手段對于系統(tǒng)性能改善的方法。22、3合計8五、教學(xué)方法及手段本課程以課堂講授為主，結(jié)合討論、案例、視頻資源共享、實(shí)驗(yàn)等教學(xué)手段，促進(jìn)學(xué)生積極思考，開發(fā)學(xué)生的潛能，培養(yǎng)學(xué)生思考問題、分析問題和解決問題的能力；同時精選教學(xué)內(nèi)容，精講多練；安排習(xí)題課，鞏固課堂所學(xué)知識；課程依托超星泛雅學(xué)習(xí)平臺，提供靈活的自主學(xué)習(xí)平臺，學(xué)生可通過學(xué)習(xí)通完成作業(yè)提交、課堂互動、問題答疑、在線學(xué)習(xí)等活動，通過這些方法和手段完成學(xué)任務(wù)和相關(guān)能力的培養(yǎng)課程教。使得學(xué)生能較全面地理解線性定常系統(tǒng)建模、時域分析、復(fù)數(shù)域分析、頻域分析的基本方法與設(shè)計系統(tǒng)的基本原理，對線性離散控制系統(tǒng)進(jìn)行建模并進(jìn)行性能分析，對非線性控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，具有根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求設(shè)計系統(tǒng)控制器的初步能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)著重講授如何用科學(xué)的手段來完成理論的驗(yàn)證；如何組織實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；介紹常用設(shè)備和儀器的原理、構(gòu)造和使用維護(hù)方法以及綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的思路和方案設(shè)計等。采用教師講授和學(xué)生動手操作的方法；在實(shí)驗(yàn)前學(xué)生應(yīng)復(fù)習(xí)和掌握與本實(shí)驗(yàn)有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容、認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書；在實(shí)驗(yàn)中要嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)紀(jì)律，按操作規(guī)程使用儀器；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，按規(guī)定對儀器進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)；每完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，要認(rèn)真完成一份實(shí)驗(yàn)報告。六、課程資源1.推薦教材：胡壽松.自動控制原理[M].7版.北京:科學(xué)出版社,2019．2.參考書：（1）胡壽松.自動控制原理習(xí)題解析[M].2版.北京:科學(xué)出版社,2017.（2）胡壽松.自動控制原理筆記和課后習(xí)題（含考研真題）詳解[M].6版.北京:中國石化出版社,2017．（3）熊曉君.自動控制原理實(shí)驗(yàn)教程(硬件模擬與MATLAB仿真)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2017.（4）張志涌.MATLAB教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2017.（5）胡壽松.自動控制原理題海與考研指導(dǎo)[M].2版.北京:科學(xué)出版社,2017.（6）劉勝.全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)研究[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011.3.期刊：（1）王飛躍.智能控制五十年回顧與展望:傅京孫的初心與薩里迪斯的雄心[J].自動化學(xué)報,2021,47(10):2301-2320.（2）陳皓勇,任章,張承慧,等.“集群智能與協(xié)同控制”專刊前言[J].控制理論與應(yīng)用,2021,38(07):873-874.（3）程啟明,沈磊,程尹曼,等.電網(wǎng)不平衡下基于SGSC和Lyapunov控制器的DFIG協(xié)調(diào)控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2020,24(10):27-37.（4）ShihuaLi,HaoGu.FuzzyAdaptiveInternalModelControlSchemesforPMSMSpeed-RegulationSystem[J].IEEETransactionsonIndustrialInformatics,2012,8(4):767-779.（5）DerongLiu.Adaptivecriticnonlinearrobustcontrol:asurvey[J].IEEETransactionsonCybernetics,2017,47(10):3429-3451.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）華中科技大學(xué).王永驥.國家級精品課程《自動控制原理》./course/HUST-1001531001?tid=1001614004.（2）中國工控網(wǎng)./.七、課程考核對課程目標(biāo)的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細(xì)則及對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細(xì)則課程目標(biāo)123過程性考核課堂表現(xiàn)8（1）根據(jù)課堂互動、筆記、課堂出勤情況和課程討論等情況進(jìn)行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭?04階段性測試6（1）根據(jù)階段性測試試卷的完成情況進(jìn)行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭?4作業(yè)10（1）主要考核學(xué)生對各章節(jié)知識點(diǎn)的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨(dú)評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭?3實(shí)驗(yàn)16（1）根據(jù)每個實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作完成情況和實(shí)驗(yàn)報告質(zhì)量單獨(dú)評分，滿分100分；（2）每次實(shí)驗(yàn)單獨(dú)評分，取各次實(shí)驗(yàn)成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實(shí)驗(yàn)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭?6期末考核60（1）卷面成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化及梅森公式建模、線性系統(tǒng)時域性能分析、線性系統(tǒng)根軌跡分析、線性系統(tǒng)頻域分析、線性系統(tǒng)校正設(shè)計、線性離散系統(tǒng)建模與性能分析、非線性系統(tǒng)模型與穩(wěn)定性分析等內(nèi)容。（3）考試題型為：選擇題、填空題、計算題和設(shè)計題等。√√3030合計：100分47476八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、階段性測試、實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、期末考試等方式對學(xué)生進(jìn)行考核評價。考核基本要求：考核總成績由期末試卷成績和過程性考核成績組成。其中：期末試卷成績?yōu)?00分（權(quán)重60%），試題類型為填空題、選擇題、計算題和設(shè)計題等類型，試卷中基本知識、基本理論、基本技能的試題分值不超過50%，綜合應(yīng)用題、分析題不低于50%；課堂表現(xiàn)、階段性測試、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)等過程性考核成績?yōu)?00分（權(quán)重40%）；過程性考核和考試試題分值分配應(yīng)與教學(xué)大綱各章節(jié)的學(xué)時基本成比例。2.過程性考核成績的標(biāo)準(zhǔn)過程性考核方式