自動控制理論I課程教學(xué)大綱

自動控制理論I課程教學(xué)大綱

課程名稱：自動控制理論I（ControlTheoryⅠ）課程編碼：CX200120A學(xué)

分：6總學(xué)時：96（理論88學(xué)時，實驗8學(xué)時）適用專業(yè)：自動化專業(yè)先修課程：《高等數(shù)學(xué)》、《工程數(shù)學(xué)》、《電路》、《電子技術(shù)》、《電機(jī)拖動》一、課程的性質(zhì)、目的與任務(wù)：《自動控制理論》是自動化專業(yè)主要的技術(shù)基礎(chǔ)課。學(xué)生通過學(xué)習(xí)本大綱規(guī)定的內(nèi)容，將掌握自動控制的基本理論和基本技能，為學(xué)習(xí)自動化專業(yè)及其它電氣信息類專業(yè)的后續(xù)課程打下必要的基礎(chǔ)。二、教學(xué)基本要求：（一）要求理解和掌握的內(nèi)容：理解自動控制的概念及術(shù)語；掌握傳遞函數(shù)的概念及方框圖的等效變換；掌握一、二階線性系統(tǒng)瞬態(tài)相應(yīng)的指標(biāo)計算及公式；掌握穩(wěn)態(tài)誤差的概念及計算方法；掌握穩(wěn)定性的概念及勞斯判據(jù)；理解誤差與系統(tǒng)型別的關(guān)系；理解根軌跡的概念；掌握常規(guī)根軌跡的繪制法則及應(yīng)用；理解頻率特性、極坐標(biāo)圖、對數(shù)幅相圖的概念；掌握對數(shù)幅相圖的繪制、穩(wěn)定裕量的概念及其求法；掌握Nyquist穩(wěn)定判據(jù)及其應(yīng)用；掌握串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的特性、作用、設(shè)計方法；掌握描述函數(shù)法的概念、求法；掌握非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)分析法；掌握脈沖傳遞函數(shù)的求法；掌握離散系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)；掌握離散系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析方法；理解狀態(tài)空間描述的概念；掌握相似變換、各種狀態(tài)空間描述的轉(zhuǎn)換；掌握轉(zhuǎn)移陣的定義、求法；掌握線性定常系統(tǒng)的非齊次解；理解離散系統(tǒng)狀態(tài)方程、連續(xù)系統(tǒng)離散化；理解能控性、能觀性的概念；掌握能控性、能觀性判據(jù)；理解李雅譜諾夫穩(wěn)定性定義；掌握李雅譜諾夫穩(wěn)定性定理（第二法）；掌握串聯(lián)調(diào)節(jié)器及系統(tǒng)解耦；掌握狀態(tài)反饋；掌握狀態(tài)觀測器的設(shè)計。（二）要求了解和學(xué)會的內(nèi)容：了解自動控制理論的研究領(lǐng)域、分類、組成；了解信號流圖、梅遜（Mason）公式并能夠運(yùn)用；了解非線性系統(tǒng)線性化方法；了解高階系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)的計算方法；會用勞斯判據(jù)及系統(tǒng)穩(wěn)定性條件確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；了解擾動輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化引起的穩(wěn)態(tài)誤差；了解廣義根軌跡、零度根軌跡法則、有滯后環(huán)節(jié)的根軌跡法則；了解閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性曲線及頻域性能指標(biāo)的分析、計算；了解局部反饋及其他校正作用的分析；了解粉線性系統(tǒng)的相平面分析；了解采樣定理；了解李雅譜諾夫穩(wěn)定性定理（第一法）；了解帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋。三、教學(xué)內(nèi)容：（一）MATLAB工具軟件學(xué)習(xí)

6學(xué)時

內(nèi)容：MATLAB語言程序設(shè)計的基本技術(shù)；MATLAB的工具箱函數(shù)和功能?？刂葡到y(tǒng)分析與設(shè)計。（二）控制理論概述

2學(xué)時內(nèi)容：自動控制的概念、研究領(lǐng)域；控制系統(tǒng)的分類、組成；基本術(shù)語。要求：一般了解。（三）動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

16學(xué)時內(nèi)容：動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的初步知識；傳遞函數(shù)和脈沖傳遞函數(shù)；狀態(tài)空間模型；動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式；使用MATLAB進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)換；電氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、流體系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模；模擬結(jié)構(gòu)圖、方框圖、信號流圖、方框圖的建立與化簡；梅遜（Mason）公式。非線性數(shù)學(xué)模型的線性化。要求：重點(diǎn)掌握傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間表達(dá)式的求得方法及相互轉(zhuǎn)換、各種動力系統(tǒng)的建模方法；控制系統(tǒng)的圖形表示方法及化簡。（四）瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析

6學(xué)時內(nèi)容：瞬態(tài)響應(yīng)分析：一階、二階、高階系統(tǒng)；線性系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)及公式；用MATLAB求解瞬態(tài)響應(yīng)。誤差分析：穩(wěn)態(tài)誤差概念、型別的概念；參考輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差、擾動輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化引起的穩(wěn)態(tài)誤差；穩(wěn)定性分析：穩(wěn)定性的概念、線性連續(xù)、離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件；勞斯判據(jù)；勞斯判據(jù)的應(yīng)用。要求：重點(diǎn)講授二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)及公式、參考輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差的計算、勞斯判據(jù)的應(yīng)用。（五）根軌跡分析

4學(xué)時內(nèi)容：根軌跡的概念；幅相條件、常規(guī)根軌跡繪制的一般規(guī)則；廣義根軌跡；用MATLAB作根軌跡；根軌跡分析方法。要求：重點(diǎn)講授根軌跡分析方法。（六）控制系統(tǒng)設(shè)計的根軌跡法

6學(xué)時內(nèi)容：控制系統(tǒng)校正的基本概念；根軌跡法校正的思想；超前、滯后、滯后-超前校正、并聯(lián)校正。要求：重點(diǎn)講授串聯(lián)超前、串聯(lián)滯后校正的特性、作用和設(shè)計方法。（七）頻率響應(yīng)分析

10學(xué)時內(nèi)容：頻率特性的概念、求法；極坐標(biāo)圖（Nyquist圖）的概念、繪制；Nyquist判據(jù)；對數(shù)幅相圖（Bode圖）的概念、繪制；Nyquist判據(jù)在Bode圖上的表述；幅值穿越頻率、相角穿越頻率、相角穩(wěn)定裕量、幅值穩(wěn)定裕量的概念、求法；閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性簡介。用MATLAB作頻率特性圖。要求：重點(diǎn)講授對數(shù)幅相圖（Bode圖）的繪制及相角穩(wěn)定裕量、幅值穩(wěn)定裕量的求法。（八）控制系統(tǒng)設(shè)計的頻率響應(yīng)法

6學(xué)時內(nèi)容：控制系統(tǒng)頻率法校正的基本思想；超前、滯后、滯后-超前校正、并聯(lián)校正。要求：重點(diǎn)講授串聯(lián)超前、串聯(lián)滯后校正的特性、作用和設(shè)計方法。（九）控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析

12學(xué)時

內(nèi)容：狀態(tài)空間標(biāo)準(zhǔn)型表達(dá)式；特征值；特征向量；定常系統(tǒng)狀態(tài)方程的解；狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣eAt的定義、求法；離散系統(tǒng)狀態(tài)方程、連續(xù)系統(tǒng)離散化；離散狀態(tài)方程的解。

能控性、能觀性的定義；能控性、能觀性的判別（常規(guī)判據(jù)和觀察性判據(jù)）。對偶原理。要求：重點(diǎn)講授狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣eAt的定義和求法；線性定常系統(tǒng)的非齊次解的形式及特點(diǎn)。（十）控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計

8學(xué)時內(nèi)容：MIMO系統(tǒng)各種連接下的傳遞函數(shù)及狀態(tài)方程；極點(diǎn)配置；用MATLAB解極點(diǎn)配置問題；串聯(lián)調(diào)節(jié)器及系統(tǒng)解耦；狀態(tài)反饋；狀態(tài)觀測器；帶狀態(tài)觀測器的調(diào)節(jié)器系統(tǒng)設(shè)計。要求：重點(diǎn)講授狀態(tài)反饋調(diào)節(jié)器的設(shè)計及狀態(tài)觀測器的設(shè)計。（十一）非線性系統(tǒng)

4學(xué)時內(nèi)容：非線性系統(tǒng)的概念、現(xiàn)象；典型非線性環(huán)節(jié)的特性；描述函數(shù)的概念及求法；非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)分析；相平面法的概念及相平面圖繪制；非線性系統(tǒng)的相平面分析。要求：重點(diǎn)講授描述函數(shù)法。（十二）李雅普諾夫穩(wěn)定性分析

6學(xué)時內(nèi)容：李雅普諾夫穩(wěn)定性定義；李雅普諾夫穩(wěn)定性定理（第二法）；李雅普諾夫能量函數(shù)的選??；李雅普諾夫第一法。要求：重點(diǎn)講授李雅普諾夫穩(wěn)定性及第二法的含義；李雅普諾夫能量函數(shù)的選取幾種方法。（十三）控制理論發(fā)展前沿介紹

2學(xué)時內(nèi)容：任課教師對當(dāng)前控制理論的新成果、新動態(tài)進(jìn)行介紹。四、實驗內(nèi)容：8學(xué)時用MATLAB進(jìn)行部分分式展開、求并聯(lián)、串聯(lián)和反饋系統(tǒng)傳遞函數(shù)、數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換；線性系統(tǒng)的時域分析；控制系統(tǒng)的根軌跡分析；頻域分析法；直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計。五、教學(xué)參考書：1.KatsuhikoOgata著，盧伯英等譯《現(xiàn)代控制工程》，國內(nèi)影印版，電子工業(yè)出版社，2003年.2.鄒伯敏主編，自動控制理論，機(jī)械工業(yè)出版社，2002.33．吳麒，等，《自動控制原理》上冊，清華大學(xué)出版社，2006年.4.吳麒，等，《自動控制原理》下冊，清華大學(xué)出版社，2006年.5.薛定宇，《控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計》，清華大學(xué)出版社，2006年.6.緒芳勝彥主編，現(xiàn)代控制工程，機(jī)械工業(yè)出版社7.張愛民，《自動控制原理》，清華大學(xué)出版社，2006年.

六、考核說明：平時表現(xiàn)（課堂、作業(yè)、實驗、考查等）占30%，課程結(jié)束考試占70%。

自動控制理論Ⅱ課程教學(xué)大綱

課程名稱：自動控制理論Ⅱ（ControlTheoryⅡ）課程編碼：CX205120A學(xué)

分：4總學(xué)時：64（授課60，實驗4）適用專業(yè)：電氣工程及其自動化專業(yè)先修課程：《高等數(shù)學(xué)》、《工程數(shù)學(xué)》、《電路》、《電子技術(shù)》、《電機(jī)學(xué)》、《信號與系統(tǒng)》等一、課程的性質(zhì)、目的與任務(wù)：自動控制理論是電氣工程及其自動化專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課。學(xué)生通過學(xué)習(xí)本大綱規(guī)定的內(nèi)容，將掌握自動控制的基本理論和基本技能，會分析和設(shè)計基本的控制系統(tǒng)。為學(xué)習(xí)本專業(yè)的后續(xù)課程打下必要的基礎(chǔ)。二、教學(xué)基本要求：了解自動控制理論的研究領(lǐng)域、分類、組成；了解信號流圖、梅遜（Mason）公式并能夠運(yùn)用；了解高階系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)的計算方法；了解擾動輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化引起的穩(wěn)態(tài)誤差；了解廣義根軌跡、零度根軌跡法則；了解閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性；了解采樣定理；了解李雅譜諾夫穩(wěn)定性定理（第一法）。理解自動控制的概念及術(shù)語；理解誤差與系統(tǒng)型別的關(guān)系；理解根軌跡的概念；理解頻率特性、極坐標(biāo)圖、對數(shù)幅相圖的概念；理解狀態(tài)空間描述的概念；理解能控性、能觀性的概念；理解李雅譜諾夫穩(wěn)定性定義。掌握傳遞函數(shù)的概念及方框圖的等效變換；掌握一、二階線性系統(tǒng)瞬態(tài)相應(yīng)的指標(biāo)計算及公式；掌握穩(wěn)態(tài)誤差的概念及計算方法；掌握穩(wěn)定性的概念及勞斯判據(jù)；掌握常規(guī)根軌跡的繪制法則及應(yīng)用；掌握對數(shù)幅相圖的繪制、穩(wěn)定裕量的概念及其求法；掌握Nyquist穩(wěn)定判據(jù)及其應(yīng)用；掌握串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的特性、作用、設(shè)計方法；掌握脈沖傳遞函數(shù)的求法；掌握離散系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)；掌握相似變換、各種狀態(tài)空間描述的轉(zhuǎn)換；掌握轉(zhuǎn)移陣的定義、求法；掌握線性定常系統(tǒng)的非齊次解；掌握能控性、能觀性判據(jù)；掌握李雅譜諾夫穩(wěn)定性定理（第二法）；掌握狀態(tài)反饋極點(diǎn)配置。掌握MATLAB軟件在自動控制系統(tǒng)分析中的應(yīng)用。三、教學(xué)內(nèi)容：（一）控制理論概述

2學(xué)時1.

自動控制系統(tǒng)的概念、研究領(lǐng)域2.

控制系統(tǒng)的分類、組成、術(shù)語3.

控制系統(tǒng)的應(yīng)用（二）線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

6學(xué)時1.

線性系統(tǒng)的動力學(xué)方程2.

線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)3.

典型環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型4.

線性系統(tǒng)的方框圖及等效變換5.

線性系統(tǒng)的信號流圖及梅森公式6.

使用MATLAB建立數(shù)學(xué)模型及模型轉(zhuǎn)換方法（三）控制系統(tǒng)的時域分析法

6學(xué)時1.

典型輸入信號2.

一階、二階、高階系統(tǒng)的時域分析及時域性能指標(biāo)3.

控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差4.

線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性概念及充要條件5.

勞斯判據(jù)及其應(yīng)用6.

使用MATLAB分析和計算系統(tǒng)性能（四）根軌跡分析法

4學(xué)時1.

根軌跡的概念及福相條件2.

繪制根軌跡的基本規(guī)則3.

參量根軌跡4.

根據(jù)根軌跡分析控制系統(tǒng)的性能5.

使用MATLAB繪制系統(tǒng)根軌跡（五）控制系統(tǒng)的頻域分析法

8學(xué)時1.

頻率特性的概念、求法2.

極坐標(biāo)圖的概念、繪制3.

bode的概念、繪制4.

nyquist穩(wěn)定判據(jù)5.

穩(wěn)定裕度及求法6.

閉環(huán)頻率特性7.

使用MATLAB繪制系統(tǒng)頻率特性（六）控制系統(tǒng)的綜合與校正

4學(xué)時1.

校正的概念、作用、分類2.

串聯(lián)超前校正的特性、作用、設(shè)計方法3.

串聯(lián)滯后校正的特性、作用、設(shè)計方法4.

串聯(lián)超前－滯后校正的特性、作用（七）采樣控制系統(tǒng)

6學(xué)時1.

離散控制系統(tǒng)的概念、分類2.

采樣過程分析、采樣定理3.

脈沖傳遞函數(shù)的概念、基本公式4.

離散系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)、W變換

（八）控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述

6學(xué)時1.

狀態(tài)空間描述的概念、狀態(tài)方程的建立2.

傳遞函數(shù)的實現(xiàn)（能控、能觀、約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型）3.

相似變換、各種狀態(tài)空間描述的轉(zhuǎn)換4.

傳遞函數(shù)矩陣（九）狀態(tài)空間表達(dá)式的求解

4學(xué)時1.

線性定常系統(tǒng)的齊次解2.

狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣eAt的定義、求法3.

線性定常系統(tǒng)的非齊次解

（十）線性系統(tǒng)的能控性和能觀性

4學(xué)時1.

能控性、能觀性的定義2.

能控性、能觀性的判別3.

結(jié)構(gòu)分解（十一）李雅普諾夫穩(wěn)定性分析

4學(xué)時1.

李雅普諾夫穩(wěn)定性定義2.

李雅普諾夫穩(wěn)定性定理（第二法）3.

李雅普諾夫第一法

（十二）線性系統(tǒng)設(shè)計初步