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上海高等教育自学考试上海交通大学

上海市高等教育自学考试

工业电气自动化技术专业（专科）（A080602）

自动控制原理与系统（02288）

自学考试大纲

上海交通大学自学考试办公室编

上海市高等教育自学考试委员会组编

2005年6月

一、课程的性质及其设置的目的和要求

（一）课程的性质、地位与任务

《自动控制原理与系统》是工业电气自动化技术专业的一门重要专业课。

本课程兼有基础和专业双重性质，其控制理论部分为基础课性质，其控制系统部分为专业课性质。

本课程的任务是使考生获得有关自动控制系统的工作原理、分析系统性能的方法、系统校正和工程计算等方面的基本理论和专业知识，初步具备分析和解决自动控制系统实际问题的能力。

（二）基本要求

1.掌握晶闸管直流调速系统和小功率随动系统的工作原理、自动调节过程的分析方法。

2.掌握用传递函数和动态结构图建立自动控制系统的数学模型。

3.理解时域分析法和频率特性分析法在分析系统性能（稳定性、稳态性能和动态性能）中的应用。

4.理解用频率特性法对系统的校正计算和系统性能改善途径的分析。

5.了解自动控制技术的发展方向。

先修课：

高等数学（微分方程部分），电工原理，电子技术基础（摸拟部分），电力电子技术（晶闸管可控整流部分）等课程。

后续课：

数控技术及应用，微机控制技术等课程。

二、课程内容与考核目标

第一章自动控制系统概述

（一）考核知识点

1．自动控制系统的组成及有关技术术语。

2．开环控制和闭环控制。

3．自动控制系统的分类。

4．自动控制系统的性能指标。

（二）自学要求

了解组成自动控制系统的各个环节和各种信号的名称，能画出简单自动控制系统的方块图。

理解开环控制和闭环控制的特征、优缺点及适用场合，能举例说明。

了解自动控制系统常见分类方法。

理解自动控制系统各种性能指标的名称及含义。

（三）考核要求

1．自动控制系统的组成及有关技术术语，要求达到识记层次。

2．开环控制和闭环控制，要求达到领会层次。

3．自动控制系统的分类，要求达到识记层次。

4．自动控制系统的性能指标，要求达到领会层次。

第二章拉普拉斯变换及其应用

（一）考核知识点

1．拉普拉斯（简称拉氏）变换的定义。

2．典型函数的拉氏变换式。

3．拉氏变换的主要运算定理。

4．拉氏反变换。

5．应用拉氏变换和反变换求解微分方程。

（二）自学要求

理解拉氏变换的定义式，典型函数的拉氏变换式和常用的运算定理，掌握利用拉氏变换求解微公方程的方法。

（三）考核要求

1．拉氏变换的定义，要求达到领会层次。

2．典型函数拉氏变换式，要求达到识记层次。

知道典型函数

的拉氏变换式。

3．拉氏变换的主要运算定理，要求达到识记层次。

知道比例、叠加、微分、积分、初值和终值定理。

4．拉氏反变换，要求达到识记层次。

5．应用拉氏变换和反变换求解微分方程，要求达到简单应用层次。

第三章自动控制系统的数学模型

（一）考核知识点

1．系统的微分方程。

2．传递函数和动态结构图。

3．典型环节的传递函数、结构图和单位阶跃响应。

4．自动控制系统的结构图。

5．结构图的变换和化简。

6．系统闭环传递函数的求取。

（二）自学要求

学习本章内容时，考生要注意培养对实际系统进行分析并建立数学模型的能力。

因此要求理解数学模型尤其是传递函数数和动态结构图所反映的系统内在特性，牢记典型环节的传递函数和结构图，并深刻理解其物理含义。

掌握建立自动控制系统动态结构图的方法，熟练掌握结构图的变换和化简，并能求取系统的闭环传递函数。

（三）考核要求

1．系统的微分方程，要求达到识记层次。

2．传递函数和动态结构图，要求达到简单应用层次。

熟知传递函数的定义式及其零初始条件的意义，知道传递函数的一般表达式，熟知其性质，熟练掌握动态结构图。

3．八种典型环节的传递函数、结构图和单位阶跃响应，要求达到领会层次。

常见元器件的传递函数，要求达到简单应用层次。

如：

电阻、电感、电容组成的二端口网络，运放组成的各种环节，直流电动机等。

4．自动控制系统的结构图，要求达到领会层次。

能正确画出系统动态结构图，注明各作用量名称，懂得各环节间联系，知道结构图所表达的物理含义。

5．结构图的变换和化简，要求达到简单应用层次。

记住串联、并联和反馈联接的等效变换规则，掌握引出点和比较点移动规则，能化简交叉多回环的系统结构图。

6．系统闭环传递函数的求取，要求达到领会层次。

知道交叉多回环系统闭环传递函数公式，并能用来求取系统的闭环传递函数。

能求取给定量和扰动量同时作用下，系统的总输出。

第四章分析自动控制系统性能常用的方法

（一）考核知识点

1．利用拉氏变换求解微分方程。

2．频率特性的基本概念。

3．频率特性与传递函数的关系。

4．频率特性的数学表达式。

5．频率特性的极坐标图（NYquist图）。

6．频率特性的对数坐标图（Bode图）。

7．典型环节的对数频率特性。

8．系统的开环对数频率特性。

9．系统的闭环频率特性。

（二）自学要求

掌握分析典型一、二阶系统响应特性的方法，牢记有关结论。

理解并掌握频率特性法这一经典控制理论中应用得最多的工程实用方法。

熟练掌握典型环节的对数频率特性（主要是对数幅频特性曲线的渐近线）。

掌握直接画出串联环节对数幅特性的方法，并能通过作图或计算求得穿越频率

，再通过公式求得相位角

。

这是系统性能分析和校正的基础。

本章的难点是半对数坐标纸的识别与使用，要通过作业练习，熟练掌握使用的方法。

（三）考核要求

1．通过求解微分方程，分析典型一、二阶系统的响应特性，要求达到简单应用层次。

2．频率特性的基本概念，要求达到识记层次。

知道频率特性的定义、物理意义和优点。

3．频率特性与传递函数的关系，要求达到识记层次。

只要记住

的相互转换关系，证明不作要求。

4．频率特性的数学表达式，要求达到简单应用层次。

能写出频率特性的三种数学表达式，并进行相互转换。

5．频率特性的极坐标图，要求达到识记层次。

6．频率特性的对数坐标图，要求达到领会层次。

知道对数频率特性（幅频和相频）的定义，懂得采用对数形式的原因和使用半对数坐标纸的好处，并正确使用。

7．典型环节的对数频率特性，要求达到综合应用层次。

知道六种典型环节的对数幅频特性的画法，记住它们的近似图形（渐近线、斜率及转折点），熟知图形与传递函数之间的相互转换。

知道典型环节的对数相频特性的画法及其近似形状（渐近线及特征点）。

8．系统的开环对数频率特性，要求达到综合应用层次。

知道直接画出串联环节的对数幅频特性的简便方法，记住穿越频率

，相位角

的求取方法，能进行系统开环对数幅频特性（近似曲线）与开环传递函数间的相互转换。

9．系统的闭环频率特性，要求达到领会层次。

能由闭环频率特性（对二阶系统），求得闭环幅频特性和闭环相频特性，并画出对应的曲线图形。

第五章自动控制系统的性能分析

一、自动控制系统的稳定性分析

（一）考核知识点

1．系统稳定性概念，绝对稳定性和相对稳定性概念。

2．系统稳定的充要条件。

3．奈奎斯特稳定判据。

4．对数频率稳定判据。

5．相位稳定裕量。

6．相位稳定裕量的求取。

7．系统稳定性分析。

（二）自学要求

了解系统绝对稳定性和相对稳定性概念，了解对数稳定判据、奈奎斯特稳定判据，熟练掌握由对数幅频特性判定和分析系统稳定的方法，运用此法，能分析改变增益、时间常数和增设典型调节器对系统稳定性影响。

掌握典Ⅰ、典Ⅱ系统的稳定性分析结果。

（三）考核要求

1．系统稳定性概念，绝对稳定性和相对稳定性概念，要求达到识记层次。

2．系统稳定的充要条件，要求达到识记层次。

3．奈奎斯特稳定判据，，要求达到领会层次。

4．相位裕量，要求达到领会层次。

5．对数频率稳定判据，要求达到综合应用层次。

牢记对数频率判据的主要结论，并在Bode图上能标出

的位置和量值。

6．相位稳定裕量

的求取，要求达到简单应用层次。

7．系统稳定性分析，要求达到综合应用层次。

分析、判断系统是否稳定，分析改变增益K与时间常数T对系统稳定性影响，分析增设典型调节器后，对系统的稳定性的影响。

熟知典Ⅰ、典Ⅱ系统稳定性，掌握分析的结果。

二、自动控制系统的稳态性能分析

（一）考核知识点

1．系统稳态误差的定义。

2．系统稳态误差与系统类型、开环增益的关系。

3．系统稳态误差与输入信号的关系。

4．Bode图分析稳态性能。

5．自动调速系统的扰动稳态误差求取。

6．随动系统的跟随稳态误差求取。

（二）自学要求

对一个已能稳定运行的自动控制系统，长时间影响系统运行性能的指标就是稳态误差。

考生要理解稳态误差的定义，掌握求取的方法，理解影响系统稳态误差的因素，掌握分析改善系统稳态性能途经的方法。

（三）考核要求

1．系统稳态误差的定义，要求达到领会层次。

2．系统稳态误差与系统类型、开环增益的关系，要求达到领会层次。

记住跟随稳态误差和扰动稳态误差的计算式，能表达系统类型的命名和特征，特别注意系统类型与不同作用量的关系，能分析典Ⅰ、典Ⅱ系统的稳态性能。

3．系统稳态误差与输入信号的关系，要求达到领会层次。

4．Bode图分析稳态性能，要求达到领会层次。

知道系统对数幅频特性的低频段反映系统的跟随稳态性能。

5．自动调速系统的扰动稳态误差求取，要求达到简单应用层次。

知道静差率的求取方法，能分析K1和V1对扰动稳态误差的影响，能提出减小系统扰动稳态误差途径。

6．随动系统的跟随稳态误差求取，要求达到简单的应用层次。

知道不同输入量时跟随稳态误差的求取方法，能分析K和V对跟随稳态误差的影响，能提出减小系统跟随稳态误差的途径。

三、自动控制系统的动态性能分析

（一）考核知识点

1．自动控制系统动态指标的定义。

2．求取典型二阶系统动态指标的一般方法。

3．系统动态指标

、

与频域特征量

、

之间的关系。

4．Bode图分析系统动态性能。

（二）自学要求

理解动态时域指标

、

与频域特征量

、

之间的关系，理解系统对数幅频特性的中频段反映系统的动态性能。

（三）考核要求

1．自动控制系统的动态指标的定义，要求达到领会层次。

2．求取典型二阶系统动态指标的一般方法，要求达到识记层次。

注意分析思路、主要结论和物理意义，具体的数学推导过程不作要求。

3．系统动态指标

、

与频域特征量

、

之间的关系，要求达到识记层次。

注意分析思路、主要结论和物理意义，具体的数学推导过程不作要求。

4．Bode图分析系统动态性能，要求达到领会层次。

能由中频段的特征量

、

估算系统的动态性能，能提出改善系统动态性能的途径。

第六章

自动控制系统的校正

（一）考核知识点

1．串联校正。

2．反馈校正。

3．典型系统进行校正的性能分析。

4．顺馈补偿。

（二）自学要求

系统校正是改善系统动、稳态性能，达到技术指标的最基本的最常用的手段和方法。

要求考生深刻理解、牢固掌握，并能熟练地运用这个方法。

要深刻理解PD、PI、PID串联校正对系统动、稳态性能的影响。

深刻理解反馈校正对系统动、稳态性能的影响，能掌握直流调速系统和随动系统的校正分析和工程计算。

（三）考核要求

1．串联校正，要求达到综合应用层次。

知道比例如微分（PD）、比例加积分（PI）、比例加积分加微分（PID）、无源和有源校正装置的基本形式、传递函数和Bode图。

懂得这些串联校正装置的作用和适用的场合，能利用Bode图分析它们对系统动、稳态性能的影响，知道串联校正的优点与不足。

2．反馈校正，要求达到综合应用层次。

能分析比例反馈校正和比例微分反馈校正对系统动、稳态性能的影响，知道反馈校正的优点与不足，尤其注意反馈校正可以限制系统参数变化而给系统性能带来不利影响。

3．典型系统进行校正的性能分析，要求达到领会层次。

能较恰当地选择PI调节器的参数，分析其直流调速系统动、稳态性能的影响。

能分析增设转速负反馈环节（反馈校正）后对随动系统性能的影响。

知道采用PID调节器对随动系统性能的影响。

4．顺馈补偿的概念，要求达到领会层次。

第七章直流调速系统

（一）考核知识点

1．有静差直流调速系统。

2．小功率有静差直流调速系统。

3．速度和电流双闭环调速系统。

4．双极晶体管脉宽调制控制的直流调速系统。

（二）自学要求

考生要了解直流调速系统中的各个部件的结构、原理和特性，掌握晶闸管直流调速系统的组成和工作原理，理解掌握BJT－PWM控制的直流调速系统的组成、特点及工作原理，能够分析由专用集成电路控制的自动控制系统。

理解它们的控制特点和自动调节过程，并能画出系统的方块图。

能读懂一般直流调速系统线路图，能说明各元件、环节的作用和系统的自动调节过程。

（三）考核要求

1．有静差直流调速系统，要求达到领会层次。

其中测速发电机和电流截止负反馈环节，要求达到识记层次。

知道直流电动机（他励）的工作原理，各物理量之间的关系式，懂得其机械特性的含义，知道常用的晶闸管单相、三相可控整流电路的工作原理，懂得晶闸管可控制流装置的输出特性和由其供电的直流电动机的机械特性。

能叙述该系统的工作原理，写出自动调节过程，并说明有静差控制的特点。

2．小功率有静差直流调速系统，要求达到领会层次。

能读懂KZD－Ⅱ型直流调速系统的线路图，并能说明各元件，环节的作用和系统自动调节过程。

3．速度和电流双闭环调速系统，要达到领会层次。

知道系统的组成特点，能说明电流调节器和速度调节器的控制作用，能叙述系统的起动和自动调节的过程。

知道该系统的优点和应用场合。

4．双极晶体管脉宽调制控制的直流调速系统，要求达到领会层次。

知道BJT－PWM控制的直流调速系统的组成和工作原理，学会分析由专用集成电路控制的自动控制系统。

第八章交流调速系统

（一）考核知识点

1．IGBT－SPWM交流变频电路。

2．变频调速方案。

3．IGBT－SPWM－VVVF交流调速系统。

（二）自学要求

了解IGBT－SPWM型交流变频电路和变频调速方案，掌握模拟式IGBT－SPWM－VVVF交流调速系统原理框图中各单元的作用。

（三）考核要求

1．IGBT－SPWM交流变频电路，要求达到识记层次。

知道IGBT管的特点及其驱动与保护电路，了解交一直一交变压变频电路，SPWM波形分析以及SPWM控制的实况。

2．变频调速方案，要求达到识记层次。

了解交流调速的基本方案以及VVVF调速的基本控制方式、控制特性和机械特性。

3．IGBT－SPWM－VVVF交流调速系统，要求达到领会层次。

掌握原理框图中各单元的作用。

第九章位置随动系统

（一）考核知识点

1．位置随动系统的组成及主要部件。

2．位置随动系统的控制特点。

3．小功率交流位置随动系统的组成及工作原理。

4．位置随动系统的性能分析。

（二）自学要求

了解组成随动系统的各个部件的结构、原理和特性，掌握小功率交流位置随动系统的组成和工作原理，理解随动系统的控制特点和自动调节过程，并能画出系统的方块图。

（三）考核要求

1．位置随动系统的组成及主要部件，要求达到识记层次。

感应同步能表述光电编码盘伺服电位器检测元件的构造、原理及优缺点。

能表述交直流伺服电动机的工作原理。

2.位置随动系统的控制特点，要求达到领会层次。

能叙述位置随动系统的控制原理和特点，知道自动调节的过程。

3．小功率交流位置随动系统的组成及工作原理，要求达到识记层次。

能读懂小功率交流位置随动系统的线路图，能说明主要元件、各环节的作用。

4．位置随动系统的性能分析，要求达到领会层次。

三、有关说明与实施要求

（一）关于“课程内容与考核目标”中有关提法的说明

本大纲各章的“自学要求”中，对概念和理论要求的提法是“了解”、“理解”、“深刻理解”；对技能要求的提法是“掌握”、“熟练掌握”。

在本大纲的“考核要求”中提出了“识记”、“领会”、“简单应用”和“综合应用”等四个能力层次，它们之间是递进等级关系，后者必须建立在前者的基础上。

它们的含义是：

1、“识记”：

能知道本章、节有关的名词、概念、本章、节知识的正确认识和表达。

（考题中占20%）

2、“领会”：

在“识记”的基础上，能全面把握基本概念和原理的区别与联系。

（考题中占30%）

3、“简单应用”：

在“领会”的基础上，能用学过的一、二个知识点，综合分析和解决简单的问题。

（考题中占30%）

4、“综合应用”：

在“简单应用”的基础上，能用学过的多个知识点，综合分析和解决较复杂的问题。

（考题中占20%）

（二）教材和主要参考书

教材《自动控制原理与系统》，孔凡才主编，机械工业出版社，2007年2月第3版。

主要参考书：

《晶闸管直流调速系统》，孔凡才主编，北京出版社。

1985年。

《电气拖动自动控制系统》，陈伯时主编，机械工业出版社，1992年第2版。

（三）学习方法指导

1.本课程的实质是阐述了对反馈控制系统常用的时域分析法和频域分析法。

因此，考生要注意方法论的学习和掌握，

即：

分析思路分析方法主要结论及其物理意义

它在实际系统中的应用。

2．本课程的数学分析较多，数学表达式及其解析方法之所以重要，是由于它科学而深刻地表达了系统工作的物理过程和内在规律。

自学时要特别注意弄清数学表达式的物理意义，防止死记硬背，才能对系统性能分析有较深入的理解。

3．自动控制系统的工作原理和数学模型是进行系统性能分析的入门和基础，也是培养分析能力的重要方面，考生要足够重视，保证较多的学时。

4．系统性能分析和系统校正是本课程地重点，主要是利用系统的开环对数幅频特性曲线进行分析、论证的。

因此，考生要注意对该图画法的熟练掌握，并正确应用于对系统的性能分析和校正，以及简单系统设计。

这一方法地深刻理解、牢固掌握和综合应用，对考生今后从事的技术工作有着重要的指导意义。

5.系统调试是本课程的重要实验内容，要认真对待，只有理论与实践紧密结合，才能真正掌握一门专业技术。

6.通过自学去掌握一门涉及较多理论、数学和实际系统知识的课程，不仅要刻苦钻研、反复练习，还要注意总结和改进学习方法，更要有坚强地毅力和恒心。

“学问是苦根上长出来的甜果”。

（四）自学进度分配建议

本课程共6学分，自学时间（包括阅读、笔记和作业）共320学时，建议分配如下：

章次

章名

自学时间（小时）

一

自动控制系统概述

12

二

拉普拉斯变换及其应用

18

三

自动控制系统的数学模型

42

四

分析自动控制系统性能常

用的方法

36

五

自动控制系统的性能分析

88

六

自动控制系统的校正

36

七

直流调速系统

36

八

交流调速系统

30

九

位置随动系统

22

总计

320

（五）考试时间和考试形式

考试时间：

150分钟。

考试形式：

闭卷。