6013A403自动控制原理

发布日期：2019-04-18  （点击次数：）

自动控制原理课程教学大纲

课程名称：

自动控制原理

课程模块编码：

6013A403

总学时数：

36

课内实践学时数：

6

学    分：

2

开课单位：

电信学院

先修课程：

高等数学、电子技术、电路

适用专业：

电气BG

 

一、课程性质、目的和任务

《自动控制原理》课程是电气工程及其自动化专业学生必修的专业基础课程之一。通过本课程学习，使学生能较系统地掌握经典控制理论中的基本知识、原理和各种分析方法及控制系统的设计与综合。初步具备分析问题与解决问题的能力，为自动控制系统等后续专业课以及将来更进一步研究控制理论打下一定的基础。主要支撑毕业要求1.2、2.2、2.3、3.1、4.1、4.2、4.3达成。

通过本课程的学习，达到以下教学目标：

1、工程知识

掌握必要的自动控制原理基本知识。能够应用自动控制原理基本知识解决复杂工程技术问题。

2、问题分析

能够理解并恰当表述控制工程实际问题。能够找到合适的解决控制工程实际问题的方案与方法。在一定的限制条件下能够合理解决电气控制工程实际问题。

3、设计/开发解决方案

能够运用自动控制原理基本知识进行产品规划与设计并体现创新意识。

4、研究

能够采用自动控制原理基本知识进行研究并合理设计实验方案。

表1 课程教学目标对专业毕业要求的支撑

毕业要求指标点

课程目标

1.2掌握专业基础知识，并能将其用于电气工程领域相关工程问题的推演和分析，得出有意义的结果。

课程目标1：工程知识

掌握必要的自动控制原理基本知识。能够应用自动控制原理基本知识解决复杂工程技术问题。

2.2能够运用工程科学的基本原理，对电气工程领域的工程实际问题进行识别和准确表达，以满足电气运行维护、工程设计的需要；

2.3能够运用电气工程专业知识对复杂工程问题进行分解、分析和钻研，并结合文献研究得出有效结论。

课程目标2：问题分析

能够理解并恰当表述控制工程实际问题。能够找到合适的解决控制工程实际问题的方案与方法。在一定的限制条件下能够合理解决电气控制工程实际问题。

3.1能够综合运用所掌握的专业知识、技术手段和开发工具，设计满足特定需求的产品或系统。

课程目标3：设计/开发解决方案

能够运用自动控制原理基本知识进行产品规划与设计并体现创新意识。

4.1能够针对电气工程领域的工程实际问题进行初步的推理、建模与仿真分析。

4.2能够运用科学方法设计实验方案、搭建实验平台、获取实验数据。

4.3能够对实验结果进行合理分析、解释，通过信息综合得出合理有效的结论，完善解决方案，并反馈到工程设计和实践中。

课程目标4：研究

能够采用自动控制原理基本知识进行研究并合理设计实验方案。

 

二、教学内容及教学基本要求

第1章  绪论（自动控制的一般概念）

1、教学要求

了解自动控制的基本概念和发展简况，了解古典控制的基本理论和方法，了解自动控制系统的组成和分类。

掌握自动控制系统的基本概念、术语和基本要求，重点掌握自动控制系统的三种控制方式及对自动控制系统稳、快、准三方面的基本要求。

2、教学内容

第一节 自动控制系统的发展概述和自动控制系统的基本方式

知识要点：自动控制系统的基本方式

第二节 自动控制系统的组成和分类

知识要点：自动控制系统的组成和分类

第三节 自动控制系统的性能要求

知识要点：自动控制系统的性能要求

3、本章重点、难点

本章重点：自动控制系统的三种控制方式和自动控制系统的性能要求

本章难点：自动控制系统的基本方式

4、本章学时数

本章教学时数：2学时，其中讲课2学时，实验(课内实践、上机)0学时。

第2章  自动控制系统的数学模型

1、教学要求

了解典型环节微分方程的建立、拉普拉斯变换；了解传递函数的概念和相关说明；了解系统方框图的概念和组成。

掌握简单系统的微分方程的建立；掌握典型环节的传递函数；掌握通过方框图的化简求系统的传递函数及梅逊公式求系统的传递函数；掌握系统在输入信号和扰动信号作用下的传递函数的求取；掌握闭环系统的误差传递函数求取方法。

2、教学内容

第一节 控制系统微分方程的建立

知识要点：理解微分方程建立的一般步骤

第二节 传递函数

知识要点：典型部件的传递函数和典型环节的传递函数

第三节 动态结构图

知识要点：系统结构框图的建立方法；通过方框图的化简求取系统的传递函数；

第四节 典型反馈系统的几种传递函数

知识要点：求取传递传递函数的方法

3、本章重点、难点

本章重点：建立控制系统的数学模型和传递函数的求取方法

本章难点：建立控制系统数学模型

4、本章学时数

本章教学时数：8学时，其中讲课8学时，实验(课内实践、上机)0学时。

第3章  时域分析法

1、教学要求

了解系统时域分析的概念、特点和控制系统的典型输入信号；了解一、二阶系统的组成及其响应，特征参数；了解稳定性的概念和稳定的数学条件；了解稳态误差的基本概念、定义、产生原因、类型。

掌握阶跃响应的性能指标；掌握二阶系统的暂态响应性能指标公式及计算；掌握稳定性判据使用；掌握结构不稳定及改进措施；掌握系统稳态误差分析与计算。

2、教学内容

第一节 时域分析概述

知识要点：系统时域分析的概念、特点和控制系统的典型输入信号

第二节 一、二阶系统的阶跃响应

知识要点：一、二阶系统的暂态响应及性能指标及计算

第三节 系统稳定性的分析

知识要点：稳定判据的数学条件和稳定性判据的使用

第四节 稳态误差的分析与计算

知识要点：系统稳态误差分析与计算

3、本章重点、难点

本章重点：一、二阶系统的阶跃响应；系统稳定性的分析；稳态误差的分析与计算。

本章难点：系统稳定性的分析；稳态误差的分析与计算。

4、本章学时数

本章教学时数：10学时，其中讲课8学时，实验(课内实践、上机)2学时。

第4章  频率域方法

1、教学要求

了解频率特性的定义；了解最小相位系统的概念；了解闭环频率特性的特征量与控制系统阶跃响应的定性关系。

掌握频率特性的几何表示方法；掌握典型环节的频率特性；掌握系统开环频率特性曲线的绘制方法；掌握奈奎斯特稳定判据和对数稳定判据及其应用；掌握用三频段的分析方法对两个系统进行分析和比较。

2、教学内容

第一节 频率特性

知识要点：频率特性定义和几何表示方法

第二节 典型环节的频率特性

知识要点：典型环节的频率特性

第三节 系统开环频率特性图的绘制

知识要点：频率特性曲线的绘制方法

第四节 频域稳定性判据

知识要点：奈奎斯特稳定判据和对数稳定判据及其应用

第五节 闭环和开环频率特性分析

知识要点：三频段的分析方法

3、本章重点、难点

本章重点：系统开环频率特性图的绘制；频域稳定性判据；闭环和开环频率特性分析

本章难点：频域稳定性判据

4、本章学时数

本章教学时数：8学时，其中讲课6学时，实验(课内实践、上机)2学时。

第5章  线性系统较正

1、教学要求

了解系统校正的概念、校正方式；了解反馈校正、前馈校正及复合校正。

掌握校正方式及校正设计的方法；掌握串联相位超前校正、相位滞后校正、相位滞后-超前校正装置及特性；掌握利用频率特性法确定串联校正装置参数的方法。

2、教学内容

第一节 系统校正基础

知识要点：校正方法和校正设计方法

第二节 串联校正

知识要点：串联相位超前校正、相位滞后校正、相位滞后-超前校正装置及特性

第三节 串联校正的理论设计方法

知识要点：确定串联校正装置参数的方法

3、本章重点、难点

本章重点：系统校正方式及校正设计的方法；确定串联校正装置参数的方法

本章难点：确定串联校正装置参数的方法

4、本章学时数

本章教学时数：6学时，其中讲课4学时，实验(课内实践、上机)2学时。

第6章  采样控制系统

1、教学要求

了解采样控制系统的基本概念；脉冲传递函数。

掌握连续系统和离散系统的关系；掌握采样控制系统的脉冲传递函数；掌握采样控制系统的动态性能分析。

2、教学内容

第一节 采样控制系统的基本概念和数学基础

知识要点：采样控制系统的数学基础（Z变换）

第二节 采样控制系统的脉冲传递函数

知识要点：采样控制系统的脉冲传递函数的建立和求取

第三节 采样控制系统的动态性能分析

知识要点：采样控制系统输出响应的求取和系统的性能分析

3、本章重点、难点

本章重点：数学模型的建立在自动控制系统性能分析中的重要性，数学模型脉冲传递函数求取的方法。

本章难点：数学模型脉冲传递函数求取的方法

4、本章学时数

本章教学时数：2学时，其中讲课2学时，实验(课内实践、上机)0学时。

《自动控制原理》课程内容及学时分配表

知识单元

知识点

理论

学时

实验

学时

教学

目标

序号

描述

序号

描述

1

绪论

1

自动控制系统的基本方式

2

0

1

2

自动控制系统的组成和分类

3

自动控制系统的性能要求

2

控制系统的数学模型

1

控制系统微分方程的建立

8

 

1、2、4、 

2

典型部件的传递函数和典型环节的传递函数

3

系统结构框图的建立方法

4

通过方框图的化简求取系统的传递函数

5

求取传递传递函数的方法

3

控制系统的时域分析

1

系统时域分析的概念

8

2

1、2、4、 

2

一、二阶系统的暂态响应及性能指标及计算

3

稳定判据的数学条件和稳定性判据的使用

4

系统稳态误差分析与计算

 

5

实验1：控制系统时域分析

4

控制系统的频率特性分
析

1

频率特性定义和几何表示方法

6

2

1、2、4、 

2

典型环节的频率特性

3

频率特性曲线的绘制方法

4

奈奎斯特稳定判据和对数稳定判据及其应用

5

三频段的分析方法

6

实验2：控制系统频域分析

5

控制系统的稳定性分析

1

校正方法和校正设计方法

4

2

1、2、3

2

串联相位超前校正

3

相位滞后校正

4

相位滞后-超前校正装置及特性

5

确定串联校正装置参数的方法

6

实验3：自动控制系统的串联校正

6

控制系统的
误差分析

1

采样控制系统的数学基础（Z变换）

2

0

1、2、3、4

2

采样控制系统的脉冲传递函数的建立和求取

3

采样控制系统输出响应的求取和系统的性能分析

2

校正的概念及常用校正方式的结构和特点

3

P1D控制

4

校正设计的频率响应分析法

 

总计

 

 

30

6

 

本章教学时数：2学时，其中讲课2学时，实验(课内实践、上机)0学时。

 

三、课内实践环节教学安排及要求

序号

实验（实践、上机）

项目名称

项目目的及基本要求

学时

实验类型

备注

1

控制系统时域分析

了解时域分析的相关概念；熟悉一、二阶系统的时域分析性能指标的计算；掌握用时域法分析系统的方法。

2

验证性

必修

2

控制系统频域分析

了解频域分析的相关概念；熟悉两种频域特性曲线的绘制方法；掌握用频域法分析系统的方法。

2

验证性

必修

3

自动控制系统的串联校正

了解自动控制系统的典型结构以及串联校正的基本形式，并掌握串联超前校正、串联滞后校正的原理和结构图

2

综合性

必修

注：实验类型是指验证性、综合性、设计性，上机、课内实践等项目不需填写本项内容。

 

四、教学手段、方法建议

课程教学以课堂教学、实验教学、课外作业、综合讨论、网络课程等共同实施。

本课程将以“控制系统建模及性能分析”为主线，主要介绍控制系统建模及性能分析的相关知识，重点培养学生应用自动控制原理基本知识并使用现代工具软件分析、研究、解决复杂工程问题的能力。

本课程采用国家“十二五”规划教材，结合学生个性特点，因材施教。本课程的课堂教学将充分利用数字化技术、网络技术制作丰富多彩的教学课件和辅导材料，调动学习积极性，提高教学效率。

本课程课堂教学流程如图1所示。

 

 

图1 自动控制原理课堂教学流程

本课程安排5次课外作业：

1、控制系统的数学模型

2、控制系统的时域分析

3、控制系统的频率特性分析

4、控制系统的稳定性分析

5、控制系统的误差分析

五、考核内容及考核方式

本课程考核内容为支撑毕业要求对应的课程目标，主要考查毕业要1.2、2.2、2.3、3.1、4.1、4.2、4.3所对应的课程目标的达成情况。

考核内容

1、机械控制工程理论基本概念的理解和掌握。如反馈、快速性、稳定性、准确性、传递函数、频率特性、校正设计等。

2、控制系统数学模型（微分方程、传递函数、频率特性）的建立方法。

3、求取复杂控制系统方块图传递函数的方法。

4、控制系统的时域分析方法及时域性能指标的求取。

5、控制系统的频域分析方法及幵环奈氏图、波德图的画法。

6、应用劳斯判据、奈氏判据、波德判据判断控制系统的稳定性。

7、控制系统稳误差的计算。

8、常用的校正设计方法。

 

1．考核方式：考试（√）；考查（）

2．成绩评定：

计分制：百分制（√）；五级分制（）；两级分制（）

采用“N+2”考核模式

总评成绩构成：笔记考核（10）％；过程考核（40）%；结课考核（50）％

其中过程考核构成：考勤考纪（20）％；随堂测试（40）％；作业（20）％；实验（20）％等。

六、课程教学目标达成情况评价分析

1. 定量评价

 

需要根据公式逐步计算出每项课程教学目标的达成度。

2. 定性分析

需要针对课程教学目标以及毕业要求分析以下内容：

（1）上次评价中存在的问题，这次改进的情况；

（2）该课程目前存在的问题，以及后续教学过程需要改进的措施。

七、建议教材及参考资料

建议教材：

《自动控制原理》（第二版），程鹏主编，高等教育出版社，2010年版

《自动控制原理》，刘志君、李润生主编，清华大学出版社，2013年版

参考资料：

1．《自动控制原理》，王建辉 顾树生主编，清华大学出版社，2007年版

2．《自动控制原理》，孙柄达主编，机械工业出版社，2003年版

3．《自动控制原理》，胡寿松主编，国防工业出版社，2003年版

七、课程教学目标与毕业要求关系表

毕业要求

指标点

自动

控制

原理

1．工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决电气工程及相关领域的中的工程实际问题。

1.1 能够运用数学、自然科学和工程基础对电气工程领域相关工程问题进行识别、准确表达、分析或求解。

 

1.2掌握专业基础知识，并能将其用于电气工程领域相关工程问题的推演和分析，得出有意义的结果。

H

1.3 掌握电气工程领域的专业知识，并能用于解决电气工程及相关领域的中的工程实际问题。

 

2．问题分析：能够应用数学、自然科学、工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献查阅、研究分析电气工程相关领域的工程实际问题，获得有效结论。

2.1能够运用数学、自然科学和工程科学的基本原理对电气工程相关领域的工程实际问题进行数学建模、求解或机理分析。

 

2.2能够运用工程科学的基本原理，对电气工程领域的工程实际问题进行识别和准确表达，以满足电气系统运行维护、电气工程设计的需要。

M

2.3能够运用电气工程专业知识对复杂工程问题进行分解、分析和钻研，并结合文献研究得出有效结论。

M

3．设计/开发解决方案：针对电气工程相关领域的复杂工程实际问题，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

3.1能够综合运用所掌握的专业知识、技术手段和开发工具，设计满足特定需求的产品或系统。

M

3.2掌握电气工程设计领域的专业知识、设计方法和工程设计工具，为满足特定需求和标准的电气工程设计项目提供解决方案。

 

3.3在电气工程相关领域复杂工程问题设计过程中，体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

 

4．研究：能够基于科学原理并采用科学方法对电气工程领域的工程实际问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。

4.1能够针对电气工程领域的工程实际问题进行初步的推理、建模与仿真分析。

M

4.2能够运用科学方法设计实验方案、搭建实验平台、获取实验数据。

M

4.3能够对实验结果进行合理分析、解释，通过信息综合得出合理有效的结论，完善解决方案，并反馈到工程设计和实践中。

L

5．使用现代工具：能够针对电气工程及相关领域的复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对工程实际问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。

5.1具有计算机熟练应用和电气图纸绘制的技能。

 

5.2熟悉C语言、MATLAB、STEP7、PROTEUS、KEIL等软件仿真和在线硬件仿真工具的运用，能对工程问题进行模拟和预测，并理解其局限性。

 

5.3能够根据工程实际问题检索文献、查询资料、合理选择技术。

 

6．工程与社会：能够基于电气工程领域的背景知识进行合理分析，评价工程实际问题的解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。

6.1了解电气工程技术的发展现状与趋势，具有工程实习和社会实践的经历。

 

6.2 认识工程问题与社会伦理道德联系，树立正确的工程伦理道德观，具备高度的责任感从事工程活动。

 

6.3能够评价电气工程领域工程实际问题的解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并能正确理解由于这些影响所应当承担的责任。

 

7．环境和可持续发展：针对电气工程及相关领域的工程实际问题，能够分析和评价工程实践对环境、社会可持续发展的影响。

7.1理解电气产品及工程项目运行对环境和社会可持续发展可能产生的影响。

 

7.2能够从经济效益、社会效益、利用效率、污染以及安全隐患多个方面贯彻环境保护和社会可持续发展的理念。

 

7.3理解电气工程及相关领域的工程实践活动对环境和社会的双重性，判断其可能对人类和环境造成损害的隐患。

 

8．职业规范：具有人文社会科学素养，社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行职责。

8.1 具有人文知识、思辨能力和科学精神。

 

8.2了解国情，理解社会主义核心价值观，维护国家利益，具有推动民族复兴和社会进步的责任感。

 

8.3能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行职责。

 

9．个人和团队：能够在多学科背景下的团队承担个体、团队成员以及负责人的角色。

9.1对企业运作的模式有认知能力。

 

9.2 能够主动与其他学科的成员合作，胜任团队成员的角色与责任。

 

9.3 具有技术团队的构建、运行、协调和负责的能力。

 

10.沟通：能够就电气工程及其相关领域的工程实际问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。

10.1 具备就电气工程及其相关领域的工程实际问题进行人际交往和口头表达的能力。

 

10.2 具有撰写设计文稿、技术总结报告及项目申请报告的能力。

 

10.3 具备一定的外文文献阅读、理解能力和外语交流和沟通能力。

 

11.项目管理：理解并掌握工程管理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。

11.1 具有电气工程项目经济和管理的一般知识。

 

11.2 了解相关学科在项目应用中有关经济决策和管理的知识。

 

11.3 具有初步的项目实施过程中的运行和管理能力。

 

12．终身学习：具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。

12.1有积极向上的价值观，具备自主学习和终身学习的意识。

 

12.2掌握自主文献检索、资料查询及运用现代信息技术跟踪并获取相关信息的基本方法。

 

12.3能够针对个人或职业发展的需求，采用合适的方法自主学习、自我完善、可持续发展。

 

 

八、大纲说明

需要特殊表述的大纲中未尽事宜，如课程改革、整合情况等。

 

执   笔   人：李润生

参加研讨人员：鲁永久、高长伟

审   核   人：关大陆

审   批   人：赵双元

版权所有：辽宁科技学院电气与自动化工程学院