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161自动控制原理中英文
《自动控制原理》课程教学大纲
课程编号:
2020161
课程类别:
必修
授课对象:
本科三年级
先修课程:
复变函数,积分变换,信号与系统。
学分:
4
总学时:
56课内学时:
48实验学时:
8
一、课程性质、教学目的与任务
课程性质:
专业基础课,专业知识链条中的关键环节之一,自动控制原理是仪器仪表类、测控类专业的重要基础课之一,这些专业主要学习信号传感(获取)、信号处理、控制及光机电系统等知识,而控制是知识链条中的重要一环,随着科技发展,自动化、智能化已成为仪器、产品、系统等的重要功能,这就要求学生必须具备自动控制方面的知识。
教学目的与任务:
培养学生自动控制原理的基础知识,学习掌握经典控制的基本理论、基本方法和控制系统的基本设计方法,重点学习分析和设计线性控制系统的基本理论、基本方法及控制系统设计方法。
主要内容包括:
控制系统的数学模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹法、控制系统的频域分析法、控制系统的常用校正方法等。
二、教学基本要求
学习经典控制的基本理论和基本方法,重点学习分析和设计线性控制系统的基本理论和基本方法。
主要内容包括:
控制系统的数学模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹法、控制系统的频域分析法、控制系统的常用校正方法等。
三、教学内容
第一章控制系统的一般要概念(4课时)
自动控制的基本原理与方式,自动控制系统示例,自动控制系统的分类,对自动控制系统的基本要求
1、基本概念;
2、反馈系统基本组成;
3、基本控制方式;
4、控制系统分类:
开环、闭环、复合控制;
第二章控制系统的数学模型(8课时)
控制系统的时域数学模型,拉普拉斯变换,控制系统的复域数学模型,控制系统的状态空间模型,控制系统的结构图与信号流图
2-1时域模型、微分方程表示方法;
2-2复域模型
1、传递函数的定义与性质;
2、传递函数的零、极点表示,开环增益、根轨迹增益等;
3、典型环节的传递函数(比例、惯性、微分、积分、振荡);
2-3控制系统的结构图与信号流图
1、结构图的等效变换与化简
2、信号流图组成与性质
A.性质、术语(理解)
B.由结构图转化为信号流图方法
C.梅逊公式
第三章线性系统的时域分析法(10课时)
线性系统时间响应的性能指标,一阶系统的时域分析,二阶系统的时域分析,高阶系统的时域分析,线性系统的稳定性分析,线性系统的稳态误差计算。
3-1线性系统时间响应的性能标
,
,
,
3-2一阶系统的单位阶跃响应,
3-3二阶系统的时域响应
1、二阶系统的标准数学模型闭环传递函数形式,表示为单位反馈系统形式
2、二阶系统单位阶跃响应(重点:
欠阻尼情形)
,
,
,
3、二阶系统性能改善
A、比例一微分控制掌握原理、特点
B、测速反馈控制掌握原理、特点及性能参数计算
3-4高阶系统时域分析,主导闭环极点概念
3-5线性系统稳定性分析
劳斯判据及其应用
3-6线性系统的稳态误差
1、误差传递函数计算
2、利用终值定理求稳态误差
3、系统类型(型别)
4、典型参考信号输入下的稳态误差;误差系数
5、减小稳态误差方法:
提高型别、提高开环增益、采用复合控制
6、扰动误差的传函、减小扰动误差方法
A、增加扰动作用点之前积分环节数目
B、增加扰动作用点之前环节的增益
C、采用复合控制技术
第四章根轨迹(6课时)
根轨迹方程,根轨迹绘制的基本法则,广义根轨迹,系统性能的分析与估算,基于根轨迹的控制系统校正方法,MATLAB语言根轨迹分析法。
4-1根轨迹方程(相角、幅值条件)
4-2根轨迹绘制的基本法则,绘制根轨迹
第五章线性系统的频域分析(10课时)
频率特性,典型环节和开环系统频率特性,奈奎斯特稳定判据,稳定裕度,闭环频率特性,系统时域指标估算,传递函数的实验确定法,MATLAB语言频域分析法。
5-2频率特性
1、基本概念系统频率特性与传函间关系
2、频率特性表示方法幅相曲线;幅频特性;对数幅频特性曲线;相频特性曲线;对数相频特性曲线
5-3典型环节和开环系统频率特性
1、典型环节的幅频、相频特性
2、开环对数幅频、幅相曲线绘制对数幅频特性采用渐近线法
3、由幅频曲线或相频曲线确定最小相位系统传递函数的方法
5-4奈奎斯特稳定性判据
1、奈代判据,实际使用判据,幅相曲线对称性
2、对数频率特性稳定性判据I型以上辅助线作法
5-5稳定裕度概念:
截止频率;相角交界频率;相角裕度;幅值裕度
5-6闭环频率特性(了解)
5-7系统时域指标与频域指标关系
了解它们之间的联系;
第六章线性系统的校正方法(10课时)
系统的设计与校正问题,常用校正装置及其特性,串联校正,反馈校正,复合校正,PID调节器,基于MATLAB语言的校正分析法。
6-1校正方法串联,反馈,前馈,复合,原理,特性
6-2常用校正装置及其特性(传函,特性,重要公式)
1、无源超前
2、无源迟后
3、无源迟后—超前
6-3串联校正
1、串联超前方法,实用范围
2、串联迟后方法,实用范围
3、串联迟后—超前方法,实用范围
6-4反馈校正(原理,优点)
6-5复合校正
A.按扰动补偿(原理,扰动误差传函推导,误差全补偿条件)
B.按输入补偿(原理,误差传函推导,误差全补偿条件)
6-6PID控制原理(P,PD,I,PI,PID的特点)
实验安排:
实验二直流电机速度控制实验(8课时)
1、开环控制、闭环控制系统设计
2、控制系统的校正设计
3、PID调节器
开放性、综合设计实验,要求学生独自完成实验前准备工作(实验目的、原理分析,实验设计、实验步骤、参数计算等),实际动手实验,实验结果分析等。
四、学时分配
总学时56学时讲课48学时实验8学时课外学时64学时
五、教材与参考资料
胡寿松等,《自动控制原理》,国防工业出版社,第4版,2002
[1]自动控制原理,清华大学出版社,吴麒主编;
[2]自动控制原理,中国科学技术大学出版社,庞国仲编;
[3]自动控制原理试题精选与答题技巧,哈尔滨工业大学出版社,王彤主编;
[4]自动控制原理常见题型解析及模拟题,西北工业大学出版社,史忠科,卢京潮编著;
[5]MATLAB语言工具箱—TOOLBOX实用指南,西北工业大学出版社,施阳李俊等编著;
[6]MATLAB语言—演算纸式的科学工程计算语言,中国科学技术大学出版社,张培强主编;
[7]系统分析与仿真—MATLAB语言及应用,国防科技大学出版社,黄文梅杨勇等编著。
六、成绩评定
期末成绩80%,平时成绩(作业、平时测验及课堂情况)及综合实验能力20%。
大纲撰写人:
段发阶、吴斌
大纲批准人:
段发阶
制定日期:
2011年6月
TJUSyllabusfor“Automaticcontrolprinciple”
Code:
Category:
compulsory
For:
junior
Prerequisite:
complexvariablesfunctions,integraltransformation,SignalsandSystems
Credits:
4
SemesterHour:
56Lecture:
48ComputerLab:
8
1.Coursenature,teachinggoalandmission
Coursenature:
Asprofessionalbasiccourse,oneofthekeylinksofprofessionalknowledgechain,automaticcontroltheoryisoneofmostimportantbasiccoursesinmajorsofinstrumentsandmeasure&control.Thesemajorsmainlystudytheknowledgeofsignalsensing(for),signalprocessing,controlandoptomechatronicssystemandsoon,andcontrolisanimportantlinkinthechainknowledge.Alongwiththedevelopmentofscienceandtechnology,automationandintelligenthavebecomeimportantfunctionininstrument,production,system,etc.Thisrequiresthestudentsmusthaveknowledgeofautomaticcontrolaspects.
Teachinggoalandmission:
Cultivatestudentsthebasicknowledgeofautomaticcontrolprinciple.Learntomasterthebasictheoryandbasicmethodofclassicalcontrol,andthebasicdesignmethodofthecontrolsystem.Learnmainlyanalysisanddesignoflinearcontrolsystemofbasictheory,thebasicmethodandcontrolsystemdesignmethod.Themaincontentsinclude:
themathematicalmodelofcontrolsystem,thetimedomainanalysismethodofthecontrolsystem,therootlocusmethodofthecontrolsystem,themethodoffrequencydomainofthecontrolsystem,thecommonlyusedcorrectionmethodsofthecontrolsystem,etc.
2.Teachingbasicrequirements
Thebasicrequirementsarelearningthebasictheoriesandmethodsofclassicalcontrol,mainlylearningthebasictheoryandbasicmethodsofanalysisanddesignoflinearcontrolsystem.Themaincontentsinclude:
themathematicalmodelofcontrolsystem,thetimedomainanalysismethodofthecontrolsystem,therootlocusmethodofthecontrolsystem,thefrequencydomainmethodofthecontrolsystem,thecommonlyusedcorrectionmethodsofthecontrolsystem,etc.
3.Contentofcourses(4hours)
ChapterOne,thegeneralconceptsofControlsystem
Thebasicprincipleandmeansofautomaticcontrol,automaticcontrolsystemexamples,theclassificationoftheautomaticcontrolsystem,thebasicrequirementsofautomaticcontrolsystem
1.Basicconcept
2.Thebasicstructureoffeedbacksystem
3.Thebasiccontrolmode
4.Controlsystemclassification:
openloop,closedloop,compositecontrol
*ChapterTwo,Themathematicalmodelofthecontrolsystem(8hours)
Themathematicalmodeloftimedomainofthecontrolsystem,Laplacetransform,thecomplexdomainmathematicalmodelofthecontrolsystem,thestatespacemodelofthecontrolsystem,thestructureandsignalflowgraphofthecontrolsystem
2-1Thetimedomainmodel,differentialequationexpressionmethod
2-2Complexdomainmodel
1.thedefinitionandpropertiesofthetransferfunction;
2.zeroandpolesexpression,theopenloopgain,rootlocusgain,etc.ofthetransferfunction
3.thetransferfunction’stypicallink(proportion,inertia,differentialandintegral,oscillation);
2-3Thestructureandsignalflowdiagramofthecontrolsystem
1.Theequivalenttransformationandsimplificationofthestructurechart
2.Signalflowchartcompositionandproperties
3.Properties,term(understand)
a.Themethodofstructurecharttranslateintosignalflowgraph
b.Masonformula
ChapterThree,timedomainanalysismethodofthelinearsystem(10hours)
Theperformanceindexofthelinearsystemtimeresponse,analysisoftimedomainofthefirst-ordersystem,analysisoftimedomainofthesecond-ordersystems,analysisoftimedomainofthehighordersystems,linearsystemstabilityanalysis,thesteady-stateerrorcalculationoflinearsystem
3-1Theperformancestandardoftimeresponseofthelinearsystem
,
,
,
3-2Thefirst-ordersystem’sunitstepresponse]
3-3Timedomainresponseofthesecondordersystem
1.Theclosed-looptransferfunctionformofthesecondordersystem’sstandardmathematicalmodel,expressesastheformofunitfeedbacksystem
2.Unitstepresponseofthesecondordersystem(Key:
owedampingcase)
,
,
,
3.Systemperformanceimprovedofthesecondordersystem
A.Proportion-differentialcontrol,masterprincipleandcharacteristics
B.Velocitymeasurementfeedbackcontrol,masterthecalculationofprinciple,characteristicsandperformanceparameter
3-4Analysisoftimedomainofthehighordersystem,theconceptoftheleadingclose-looppoles
3-5Linearsystemstabilityanalysis
Lawscriterionanditsapplication
3-6Steady-stateerroroflinearsystem
1.Thecalculationoferrortransferfunction
2.Usingfinal-valuetheoremforsteady-stateerror
3.Systemtype(pattern)
4.Thesteady-stateerroroftypicalreferencesignalinput;Errorcoefficient
5.Reducethesteady-stateerrormethod:
improvepattern,improvetheopenloopgain,andusecompositecontrol
6.Thetransferfunctionofagitationerror,themethodofreduceagitationerror
(1).Increaseintegralelementnumberbeforetheagitationapplicationpoint
(2).Increaseintegralelementgainbeforetheagitationapplicationpoint
Adoptedcomplexcontroltechnology
ChapterFour,Rootlocus(6hours)
Rootlocusequation,basiclawofrootlocusrendering,generalizedrootlocus,systemperformanceanalysisandestimate,thecontrolsystemcorrectionmethodsbasedonroottrajectory,MATLABlanguagerootlocusanalysismethod.
4-1Rootlocusequation(Angle,amplitudecondition)
4-2Basiclawofrootlocusrendering,drawrootlocus
*ChapterFive,frequencydomainanalysisofthelinearsystem
Frequencycharacteristics,typicallinksandopenloopsystemfrequencycharacteristics,Nyquiststabilitycriterion,themarginofthestable,closed-loopfrequencycharacteristics,thesystemtimedomainindexesestimation,theexperimentconfirmmethodofthetransferfunction,thefrequencydomainmethodofMATLABlanguage
5-2Frequencycharacteristics
1.Thebasicconcept,therelationshipbetweenfrequencycharacteristicsandtransferfunctionofthesystem
2.Theexpressionmethodoffrequencycharacteristics,phasecurve;Amplitudefrequencycharacteristics;Logarithmamplitudefrequencycharacteristicscurve;Phasefrequencycharacteristiccurve;Logarithmphasefrequencycharacteristiccurve
5-3Typicallinksandopenloopsystemfrequencycharacteristics
1.Typicallink’samplitudefrequency,phasefrequencycharacteristics
3.Theopenlooplogarithmamplitudeandfrequency,amplitudeandphasecurvedrawing,logarithmamplitudefrequencycharacteristicsusestheasymptotemethod
2.Theminimumphasesystemtransferfunctionmethoddeterminedbyamplitudefrequencycurveorphasefrequencycurve
5-4Nyquiststabilitycriterion
1.Nyquistcriterion,actualusecri
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