自动控制原理教学大纲电气工程.docx
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自动控制原理教学大纲电气工程
《自动控制原理》课程教学大纲
课程编码：
课程类型：
专业课
总学时：
68学分：
4
第一部分相关说明
一、课程的性质和任务
《自动控制原理》是电子信息工程、电气工程及其自动化等专业设置的一门主干专业课。
本课程适用于招收普通高中毕业生，学制四年的本科应用型学生的学习。
本课程主要阐述经典控制理论的有关基本概念、基本原理、基本分析方法、设计校正和工程设计方法。
其教学任务是使学生掌握自动控制系统的基本概念和自动控制系统分析、设计（校正）的基本方法，初步掌握分析调试、设计系统技能，学会运用MATLAB进行控制系统辅助分析设计的方法，为专业课的学习和进一步深造打下必要的理论基础，掌握必要的基本技能。
学习自动控制原理的基本内容，包括自动控制系统的基本概念、自动控制系统的数学模型、时域分析法、根轨迹分析法、频率分析法、自动控制系统的综合与校正、离散控制系统、状态空间分析法以及基于MATLAB的控制系统分析。
二、课程的基本要求
1、基本要求
学生通过本课程的学习应掌握通过传递函数设计、分析控制系统，熟悉各种典型环节、典型输入的特性及图形特点，并能根据各种典型环节的串联、并联分析其时域、频域、稳定性、灵敏度、误差等性能。
2、提高性要求
学生应掌握在控制系统的串联、并联校正设计的基础上，进行控制系统的工程设计以及线性离散性控制系统的知识。
3、技能性要求
能够按系统设计要求画出系统方框图，并根据传递函数进行系统的设计和各种性能分析。
三、教学方法与重点、难点
教学方法：
针对本课程学时少，内容多，技术发展快，实践性强等的特点，应采取探讨式和启发式教学；教学过程以课堂采用多媒体开展教学。
重点：
根据传递函数进行系统的设计和各种性能分析。
难点：
控制系统的工程设计以及线性离散性控制系统的知识。
四、本课程与相关课程的联系
本课程内容涉及到高等数学、物理、电工基础、电子技术基础、信号与系统、电机学和半导体变流技术等多门先修课程的基础知识。
本课程的后续课为现代控制理论，计算机控制系统，工业过程控制等，本课程为其提供所必须的系统分析、设计的基本理论和基本方法。
为学生毕业后从事自动控制的运用与设计打下较扎实的基础。
五、学时分配
总学时：
68学时，其中理论教学时数为60学时，实验教学时数为8学时。
章（节）内容
讲课学时
实验学时
总学时
第1章绪论
4
4
第2章控制系统的数学模型
12
2
14
第3章时域分析法
6
2
8
第4章根轨迹分析法
8
8
第5章频域分析法
10
2
12
第6章自动控制系统的综合与校正
4
2
6
第7章离散控制系统
4
4
第8章状态空间分析法
4
4
第9章基于MATLAB的控制系统分析
4
4
复习
4
4
合计
60
8
68
六、考核方式
1、考核方式：
笔试（闭卷）
2、成绩评定：
平时成绩（测验及作业等）占×30%，期末考试成绩占×70%。
七、教材与参考书
1、使用教材：
李明富主编《自动控制原理》（第二版），北京,人民邮电出版社，2008.3。
2、主要参考书：
（1）温希东主编《自动控制原理及其应用》，西安电子科技大学出版社，2004.7
（2）孔凡才编著《自动控制原理与系统》（第三版），机械工业出版社，2005.7
（3）赵四化主编《自动控制原理》，西安电子科技大学出版社，2004.7
第二部分课程内容
第一章绪论（4学时）
一、本章的教学目的和要求
了解自动控制的基本概念了解自动控制理论的发展应用状况；掌握自动控制系统的类型，组成；熟悉自动控制系统的类型。
教学重点：
自动控制系统的基本概念。
教学难点：
自动控制系统的分类。
二、教学内容
1、自动控制技术中的基本控制方式
2、自动控制的组成
3、自动控制系统的分类
4、自动控制系统的基本要求及本课程的性质和任务
第二章控制系统的数学模型（14学时）
一、本章的教学目的和要求
了解自动控制系统数学模型的基本概念；掌握数学模型的建立方法；熟练掌握用微分方程、传递函数、动态结构图和信号流程图表征控制系统的基本方法；熟悉掌握各种模型表达形式之间的相互转换关系。
教学重点：
动态结构图的绘制，建模分析，各种模型表达形式之间的相互转换。
教学难点：
控制数学模型的建立。
二、教学内容
1、微分方程
2、LAPLACE变换基础
3、传递函数
4、典型环节及传递函数
5、动态结构图
6、动态结构图的等效变换
7、自动控制系统的传递函数
8、【实验一：
MATLAB软件的使用实验】
实验项目简介：
该实验为学生必做的、验证型实验。
该实验主要是MATLAB语言环境的安装、配置及MATLAB软件安装与汉化，并通过编写一个简单的MATLAB程序达到初识MATLAB语言的教学目标
实验目的：
掌握MATLAB软件操作指令。
实验学时：
2学时
实验内容：
操作不同指令，熟悉MATLAB软件的格式操作。
实验方式与注意事项：
语言的输入格式及操作符。
实验预期效果：
熟悉了解MATLAB软件的应用。
第三章时域分析法（8学时）
一、本章的教学目的和要求
了解典型输入信号的作用，明确自动控制系统的时域指标；掌握一阶、二阶系统的响应形式，稳态误差的概念和计算方法；熟悉分析判定系统稳定的条件、稳定判据及其应用。
教学重点：
线性定常系统的稳定性，稳定判据的应用，一阶系统的时域分析。
教学难点：
稳态误差的计算。
二、教学内容
1、典型输入信号
2、阶跃响应的性能指标
3、一阶系统的时域分析
4、二阶系统的时域分析
5、线性定常系统的稳定性
6、稳态误差计算
7、【实验二：
MATLAB进行时域分析实验】
实验项目简介：
该实验为学生必做的、验证型实验。
线性系统稳定的充要条件是系统的特征根均位于S平面的左半部分。
系统的零极点模型可以直接被用来判断系统的稳定性。
另外，MATLAB语言中提供了有关多项式的操作函数，也可以用于系统的分析和计算。
实验目的：
通过MATLAB软件的运行，快速分析系统的稳定性。
实验学时：
2学时
实验内容：
由下面的MATLAB命令得出。
>>p=[1,0,3,2,1,1];
v=roots（p）
结果显示：
v=
0.3202+1.7042i
0.3202-1.7042i
-0.7209
0.0402+0.6780i
0.0402-0.6780i
利用多项式求根函数roots（）,可以很方便的求出系统的零点和极点，然后根据零极点分析系统稳定性和其它性能。
实验方式与注意事项：
语言的输入格式及操作符。
实验预期效果：
掌握理解系统的时域响应。
第四章根轨迹分析法（8学时）
一、本章的教学目的和要求
了解根轨迹法、零极点、主导极点的基本概念；掌握运用根轨迹法则绘制根轨迹草图，掌握参数根轨迹绘制方法；熟悉运用根轨迹分析系统的暂态响应，熟悉闭环特征根的位置与系统性能的关系。
教学重点：
根轨迹法则绘制根轨迹草图，运用根轨迹分析系统的性能分析。
教学难点：
绘制根轨迹的规则和方法及性能分析。
二、教学内容
1、根轨迹与根轨迹方程
2、绘制根轨迹的基本条件
3、绘制根轨迹的规则和方法
4、控制根轨迹的性能分析
5、应用MATLAB绘制根轨迹
第五章频域分析法（12学时）
一、本章的教学目的和要求
了解频率特性、峰值、频带、截止频率、稳定裕量、三频段等概念；掌握典型环节的频率特性，系统开环频率特性的绘制、表达方法；熟悉运用奈奎斯特稳定判据判定系统的稳定性。
教学重点：
系统开环频率特性的绘制、表达方法，奈奎斯特稳定判据判定系统的稳定性，稳定裕度的概念，相角裕量和幅值裕量的求取。
教学难点：
奈奎斯特的绘制，开环截止角频率的求取。
二、教学内容
1、频率特性基本概念
2、典型环节频率特性
3、系统的开环频率特性绘制
4、奈奎斯特稳定判断依据及稳定裕量
5、用开环频率特性分析系统的性能
6、【实验三：
利用MATLAB绘制系统根轨迹实验】
实验项目简介：
该实验为学生必做的、验证型实验。
参数根轨迹反映了闭环根与开环增益K的关系，掌握轨迹的曲线。
实验目的：
掌握参数变化，根轨迹的曲线变化情况。
实验学时：
2学时
实验内容：
已知系统的开环传递函数模型为：
利用下面的MATLAB命令可容易地验证出系统的根轨迹如图16所示。
>>G=tf（1,[conv（[1,1],[1,2]）,0]）;
rlocus（G）;
grid
title（¹Root_LocusPlotofG（s）=K/[s（s+1）（s+2）]¹）
xlabel（¹RealAxis¹） %给图形中的横坐标命名。
ylabel（¹ImagAxis¹） %给图形中的纵坐标命名。
[K,P]=rlocfind（G）
用鼠标点击根轨迹上与虚轴相交的点，在命令窗口中可发现如下结果
select_point=0.0000+1.3921i
K=
5.8142
p=
-2.29830
-0.0085+1.3961i
-0.0085-1.3961i
所以，要想使此闭环系统稳定，其增益范围应为0参数根轨迹反映了闭环根与开环增益K的关系。
我们可以编写下面的程序，通过K的变化，观察对应根处阶跃响应的变化。
考虑K=0.1,0.2,…,1,2,…,5,这些增益下闭环系统的阶跃响应曲线。
可由以下MATLAB命令得到。
>>holdoff; %擦掉图形窗口中原有的曲线。
图系统的根轨迹
t=0:
0.2:
15;
Y=[];
forK=[0.1:
0.1:
1,2:
5]
GK=feedback（K*G,1）;
y=step（GK,t）;
Y=[Y,y];
end
plot（t,Y）
实验预期效果：
通过对测量数据的处理，提高对对万用表、电流表等仪器的正确连接及其使用。
第六章自动控制系统的综合与校正（6学时）
一、本章的教学目的和要求
了解校正的目的，校正与设计的基本概念；掌握串联（超前、滞后、滞后—超前）、反馈及复合校正的特性及其应用，熟悉串联、并联校正装置的综合，能够使控制系统按要求进行适当校正。
教学重点：
串联、并联校正参数的确定。
教学难点：
串联设计校正。
二、教学内容
1、变频器的分类
2、变频器的选择
3、变频器容量计算
4、【实验四：
串联校正的MATLAB方法实验】
实验项目简介：
该实验为学生必做的、验证型实验。
利用MATLAB可以方便的画出Bode图并求出幅值裕量和相角裕量。
将MATLAB应用到经典理论的校正方法中，可以方便的校验系统校正前后的性能指标。
实验目的：
通过反复试探不同校正参数对应的不同性能指标，能够设计出最佳的校正装置。
实验学时：
2学时
实验内容：
给定系统如图所示，试设计一个串联校正装置，使系统满足幅值裕量大于10分贝，相位裕量≥45o
校正前系统
解：
为了满足上述要求，我们试探地采用超前校正装置Gc（s），使系统变为图27的结构。
校正后系统
我们可以首先用下面地MATLAB语句得出原系统的幅值裕量与相位裕量。
>>G=tf（100,[0.04,1,0]）;
[Gw,Pw,Wcg,Wcp]=margin（G）;
在命令窗口中显示如下结果
w= Pw=
Inf 28.0243
Wcg= Wcp=
Inf 46.9701
可以看出，这个系统有无穷大的幅值裕量，并且其相位裕量
＝28o，幅值穿越频率Wcp=47rad/sec。
引入一个串联超前校正装置：
我们可以通过下面的MATLAB语句得出校正前后系统的Bode图如图28,校正前后系统的阶跃响应图如图29。
其中
、
、ts1分别为校正前系统的幅值穿越频率、相角裕量、调节时间，
2、
、ts2分别为校正后系统的幅值穿越频率、相角裕量、调节时间。
>>G1=tf（100,[0.04,1,0]）;%校正前模型
G2=tf（100*[0.025,1],conv（[0.04,1,0],[0.01,1]））%校正后模型
%画伯德图,校正前用实线，校正后用短划线。
bode（G1）
hold
bode（G2,′--′）
%画时域响应图，校正前用实线，校正后用短划线。
figure
G1_c=feedback（G1,1）
G2_c=feedback（G2,1）
step（G1_c）
hold
step（G2_c,′--′）
校正前后系统的Bode图
校正前后系统的阶跃响应图
实验方式与注意事项：
注意操作符的输入格式要求。
实验预期效果：
了解响应的动态变化。
第七章离散控制系统（4学时）
一、本章的教学目的和要求
了解描述函数法的应用条件和适用场所；掌握掌握典型非线性的负倒特性图；熟悉用描述函数法分析非线性系统的稳定及振荡情况。
教学重点：
离散控制系统的数学模型。
教学难点：
离散系统的性能分析。
二、教学内容
1、离散控制系统基本概念
2、信号的采样与复现
3、离散控制系统的数学模型
4、离散系统的性能分析
5、应用MATLAB进行离散系统分析
第八章状态空间分析法（4学时）
一、本章的教学目的和要求
了解状态空间的基本概念；掌握状态空间的求取方法，系统状态空间的能控性和能观性；熟悉状态空间的求取方法。
教学重点：
状态空间描述、能控性和能观性。
教学难点：
状态能控性和能观性。
二、教学内容
1、状态空间的基本概念
2、状态空间描述
3、能控性和能观性
第九章基于MATLAB的控制系统分析（4学时）
一、本章的教学目的和要求
了解使用计算机计算与绘制对数频率特性曲线的原理与方法；掌握对数频率特性的绘制规则；熟悉常见典型环节的对数频率特性及其特点。
教学重点：
MATLAB基本语法和基本操作，并通过其进行稳定性的分析。
教学难点：
利用频率特性曲线对系统进行分析。
二、教学内容
1、MATLAB概述
2、MATLAB基本语法和基本操作
3、基于MATLAB的控制系统时域分析
4、基于MATLAB的控制系统根轨迹分析
执笔人：
张守兴专业负责人：
占永宁主管教学领导：
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