自动控制理论Ⅰ教学大纲.docx

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自动控制理论Ⅰ教学大纲

《自动控制理论》系列课程

教学大纲

（适用于03版教学计划）

电气与自动化工程学院《自动控制理论》课程组

2004．4

《自动控制理论Ⅰ》教学大纲

学时：

72/8学分：

5

教学大纲说明

一、课程的目的与任务

自动控制理论是具有一般方法论特点的技术基础课程。

目的在于使学生掌握自动控制理论的基本原理和方法，并具备对自动控制系统进行分析、计算、实验和设计的初步能力，为专业课的学习和参加控制工程实践打好必要的理论基础。

二、课程的基本要求

掌握建立电气系统、机械系统数学模型的方法，掌握线性定常系统分析和设计方法，对应用理论解决工程实际问题有所了解。

三、与其他课程的联系和分工

本课程的前继课程为：

《电路》、《模拟电子技术》、《电机与拖动》、《积分变换》等。

本课程的后续课程为《直流调速系统》，《交流调速系统》、《过程控制系统与仪表》、《自动控制理论2》、《控制系统仿真》等。

四、课程的内容与学时分配

章次

内容

总学时数

课堂讲授学时数

实验时数

一

引论

4

4

二

线性系统的数学模型

12

12

三

控制系统的时域分析

16

12

4

四

根轨迹法

8

8

五

控制系统的频域分析

16

14

2

六

自动控制系统的校正

12

10

2

七

线性离散系统的分析与校正

12

12

总学时数

80

72

8

五、本课程的性质及适应对象

自动化、电气工程及其自动化

教学大纲内容

第一章引论

1、自动控制的基本原理与方式

2、自动控制系统示例

3、自动控制系统的组成、分类、常用术语及定义。

4、对自动控制系统的基本要求

5、自动控制理论的发展状况及本课程任务。

教学提示:

掌握自动控制的基本概念，自动控制系统的组成，常用的控制方式，了解自动控制理论的发展。

第二章线性系统的数学模型

1、线性系统的时域数学描述。

2、非线性数学模型的线性化。

3、线性系统的复域数学描述-传递函数。

4、典型环节的数学模型。

5、方框图及其等效变换。

6、信号流图的基本概念，梅逊公式。

7、系统的开环传递函数、闭环传递函数、误差传递函数等概念。

教学提示:

掌握线性系统数学模型的建立方法，传递函数的定义、性质及其与微分方程之间的关系，方框图、信号流图的等效变换，梅逊公式。

掌握系统的开环传递函数、闭环传递函数、误差传递函数等概念。

第三章控制系统的时域分析

1、典型输入信号。

2、系统时域性能指标。

3、典型一、二阶系统的时域分析。

4、改善二阶系统性能指标的措施。

3、高阶系统的时域分析。

4、系统稳定性的定义及代数稳定判据。

5、稳态误差的定义及计算。

教学提示:

掌握控制系统时域分析的方法，典型一、二阶系统在单位阶跃信号作用的响应及性能指标。

学会用主导极点和偶极子的概念分析高阶系统。

掌握系统定常系统稳定性的概念、定义及代数判据，掌握系统误差、稳态误差的定义及计算。

第四章根轨迹法

1、根轨迹的基本概念

2、绘制根轨迹的基本法则

3、参数根轨迹、零度根轨迹的绘制

4、用根轨迹分析和估算系统性能指标的方法。

教学提示:

掌握根轨迹的基本概念，利用根轨迹绘图法则，绘制180度根轨迹、参数根轨迹和零度根轨迹，并能根据根轨迹对系统性能进行分析。

第五章控制系统的频域分析

1、频率特性的物理特性、数学本质及定义

2、典型环节频率特性

3、系统开环频率特性的绘制，最小相位系统的对数幅频特性曲线与传递函数的关系。

4、乃奎斯特稳定判据和对数频率稳定判据。

5、稳定裕度

6、由开环频率特性求闭环频率特性的图解法

7、系统的频域性能指标和时域性能指标之间的关系，三频段概念

教学提示:

掌握频率特性的定义及其物理意义，频率特性与传递函数、微分方程之间的关系，掌握系统开环幅相曲线和伯德图近似曲线的绘制、乃奎斯特稳定判据的应用，稳定裕度的计算。

了解频域指标与时域指标之间的关系。

第六章自动控制系统的校正

1、校正的概念

2、常用的无源与有源校正装置

3、串联校正

4、复合校正

5、综合校正

教学提示:

了解校正的概念、校正的方式，学会用频率法进行串联超前校正、串联迟后校正、串联迟后—超前校正以及复合校正的计算。

第七章线性离散系统的分析与校正

1、采样系统的有关概念、采样定理

2、Z变换、Z反变换的定义及性质

3、零阶保持器的含义、作用，零阶保持器的传递函数、频率特性。

4、脉冲传递函数的定义及计算

5、采样系统稳定性的定义及判据。

6、采样系统稳态误差

7、采样系统极点分布与瞬态响应之间的关系

8、离散系统的数字校正方法。

教学提示:

掌握信号的采样与复现、采样定理。

能用Z变换法求解差分方程。

掌握脉冲传递函数的定义及其求法，掌握采样系统稳定性的定义、稳定的充要条件及其判据，利用静态误差系数法计算稳态误差。

了解采样系统极点分布与瞬态响应之间的关系、离散系统的数字校正方法。

建议选用教材和参考书目

选用教材：

《自动控制原理》第四版，胡寿松主编，科学出版社

主要参考书：

1.《自动控制理论》，夏德黔主编，机械工业出版社

2.《自动控制原理》，吴麒主编，清华大学出版社

3.《现代控制工程》，绪方胜彦著，卢伯英等译，科学出版社

4.《自动控制原理》，孙虎章主编，中央广播电视大学

《自动控制理论Ⅰ》实验教学大纲

课程名称：

自动控制理论（Ⅰ）

英文名称：

AutomaticControlTheory（Ⅰ）

课程编号：

一、实验的目的与任务

目的是让学生及时掌握和巩固所学的基本原理和基础理论，掌握常规仪器的使用技能。

通过实验，学生应完成以下任务：

1.学习掌握瞬态性能指标的测试方法；

2.学习典型环节的电模拟方法及参数测试方法，观察阶跃响应曲线，了解参数变化对动态特性的影响；

3.了解校正装置对系统稳定性和瞬态性能的影响，研究附加零点极点对闭环系统动态特性的影响；

4.掌握频率特性的测试原理及方法。

二、实验基本要求

观察各种典型环节的阶跃响应曲线；观察不同参数下二阶系统的阶跃响应；了解校正装置在控制系统中的作用，掌握选择校正装置线路及参数的方法；根据测出的频率特性曲线，求出传递函数。

三、实验原理

利用运算放大器的基本特性，采用不同的反馈网络来模拟各种典型环节；应用模拟电路来模拟典型二阶系统和三阶系统；在正弦信号作用下，稳定的线性系统的稳态输出是一个与输入信号同频率的正弦信号，测出不同频率下系统的输出、输入信号的振幅比及相位差，从而求出系统的幅频特性和相频特性。

四、设备及器材配置

ACS-II控制理论和微机控制技术教学实验装置、双踪示波器、多路直流稳压源等。

五、课程的学时学分

总学分：

5总学时：

80实验学时：

8

六、适用对象

自动化专业、电气工程及其自动化专业

七、实验项目与内容提要

序

号

实验

名称

内容

提要

每组

人数

实验

时数

实验

要求

实验

类别

实验地点

01

典型环节的模拟研究

典型环节：

1.比例环节（P）；2.积分环节（I）；3.比例积分环节（PI）；4.比例微分环节（PD）；5.惯性环节；6.比例积分微分环节。

观测典型环节的阶跃响应曲线，改变参数，观测阶跃响应曲线的变化。

2

2

必开

验证

电气与自动化中心实验室

02

典型系统的瞬态响应

典型二阶系统瞬态性能指标的测试，通过改变参数，观测过阻尼、临界阻尼、欠阻尼时的阶跃响应曲线。

对于三阶系统，通过改变参数，观测稳定、不稳定、临界稳定时的响应曲线

2

2

必开

验证

03

系统校正

1.测量未校正系统的性能指标；

2.观测校正后系统的阶跃响应曲线；

2

2

必开

综合

04

频率特性的测量

测量系统或环节的开环幅频特性和相频特性

2

2

必开

验证

八、实验指导书

《自动控制理论实验指导书》，岳胜编。

《自动控制理论Ⅱ》教学大纲

学时：

56学分：

3.5

教学大纲说明

一、课程的目的与任务

本课程是自动化专业本科生的一门专业基础课。

学习该课程的目的在于让学生掌握现代控制理论的基本理论、基本方法，从而进行自动控制系统的分析和设计，同时也为学生以后进一步学习现代控制理论打下基础。

二、课程的基本要求

本课程主要讲授现代控制理论中线性部分的内容以及经典控制理论中非线性系统的分析方法。

要求学生掌握用状态空间法分析和设计线性定常控制系统的方法；掌握非线性系统的描述函数分析法和相平面分析法。

三、与其他课程的联系和分工

本课程的前继课程为：

《线性代数》、《电路》、《电机与拖动》、《自动控制理论1》等课程。

四、课程的内容与学时分配

章次

内容

总学时数

课堂讲授学时数

实验时数

一

控制系统的数学模型

10

10

二

线性控制系统的运动分析

10

10

三

控制系统的能控性和能观测性

8

8

四

控制系统的稳定性

6

6

五

线性系统的综合

8

8

六

非线性系统分析

14

14

七

总学时数

56

56

五、本课程的性质及适应对象

自动化专业必选

教学大纲内容

第一章控制系统的数学模型

1、控制系统数学模型的建立。

微分方程、动态方程、传递函数（矩阵）之间的转换，差分方程、动态方程、脉冲传递函数（矩阵）之间的转换。

2、动态方程的线性变换，组合系统的动态方程及传递函数（矩阵）。

教学提示:

掌握系统状态、状态变量的概念，系统的微分方程、动态方程、传递函数（矩阵）之间的转换，差分方程、动态方程、脉冲传递函数（矩阵）之间的转换。

动态方程的线性变换以及线性变换的不变性。

第二章线性控制系统的运动分析

1、线性定常系统齐次状态方程的求解。

2、状态转移矩阵的性质及求法。

3、线性定常系统非齐次状态方程的求解。

4、线性时变系统的运动分析。

5、线性连续系统动态方程的离散化。

6、线性离散系统动态方程的求解。

教学提示:

掌握线性定常连续系统、离散系统状态转移矩阵的定义、性质及求法，掌握线性定常系统齐次状态方程、非齐次状态方程的求解以及线性离散系统动态方程的求解。

掌握线性连续系统动态方程的离散化方法。

第三章控制系统的能控性和能观测性

1、能控性、能观测性的概念。

2、线性定常连续系统、线性定常离散系统、线性时变系统的能控性、能观测性判据。

3、对偶原理。

4、能控标准形和能观测标准形。

5、能控性、能观测性与传递函数的关系。

6、连续系统的能控性、能观测性与其对应的离散系统的能控性、能观测性的关系。

7、控制系统的结构分解。

教学提示:

掌握系统能控性、能观测性的概念，利用能控性、能观测性判据判断线性定常连续系统、线性定常离散系统的能控性、能观测性。

掌握对偶原理、能控标准形和能观测标准形，能根据要求把系统化为能控标准形和能观测标准形，了解能控性、能观测性与传递函数的关系；连续系统的能控性、能观测性与其对应的离散系统的能控性、能观测性的关系，能对控制系统进行结构分解。

第四章控制系统的稳定性

1、李雅普诺夫稳定性概念。

2、用李雅普诺夫直接法判断控制系统的稳定性。

3、李雅普诺夫直接法在线性连续系统和线性定常离散系统中的应用

4、有界输入和有界输出稳定。

5、非线性系统的稳定性分析（雅可比矩阵法、变量梯度法、阿塞尔曼法）。

教学提示:

掌握李雅普诺夫稳定性概念，能用李雅普诺夫直接法判断控制系统的稳定性。

对线性定常连续系统和线性定常离散系统能用李雅普诺夫直接法进行稳定性分析。

第五章线性系统的综合

1、状态反馈和极点配置；

2、输出反馈和极点配置；

3、全维观测器设计。

4、降维观测器设计

5、状态反馈系统的能控性、能观测性及其传递矩阵。

；

6、解耦控制。

教学提示:

掌握状态反馈、输出反馈的概念以及极点配置的条件及方法，掌握全维观测器和降维观测器设计，了解解耦控制的概念及设计。

第六章非线性系统分析

1、非线性系统的基本概念

非线性系统的定义及非线性系统动态过程的特点、典型的非线性特性及其对系统运动的影响。

2、描述函数的定义及求解方法

用描述函数法计算系统自振参数及判别系统稳定性的方法

3、相平面的基本概念

4、相轨迹的绘制方法

5、由系统相轨迹求系统的暂态响应

6、用分段线性化的方法对非线性系统进行相平面分析

7、用非线性特性改善系统特性的一些方法。

教学提示:

了解非线性系统的定义及非线性系统动态过程的特点、典型的非线性特性及其对系统运动的影响，掌握描述函数的定义及求解方法、用描述函数法计算系统自振参数及判别系统稳定性的方法；掌握相平面的概念，线性定常二阶系统相轨迹与极点分布之间的关系，能用分段线性化的方法对非线性系统进行相平面分析，了解用非线性特性改善系统特性的一些方法。

建议选用教材和参考书目

选用教材：

《现代控制理论基础》，王孝武主编，机械工业出版社

《自动控制原理》第四版，胡寿松主编，科学出版社

主要参考书：

《自动控制理论》，夏德黔主编，机械工业出版社

《现代控制理论基础》，王照林编，国防工业出版社

《现代控制系统理论》，何关钰编，辽宁人民出版社

《控制系统仿真》教学大纲

学时：

32学分：

2

教学大纲说明

一、课程的目的与任务

控制系统仿真是一门综合性与实践性较强的专业课。

本课程的任务是使学生初步掌握控制系统数字仿真的基本方法，同时学会利用MATLAB语言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技能，为今后从事控制系统研究工作打下较好的基础。

二、课程的基本要求

通过本门课程的教学，应达到如下基本要求：

1．使学生了解控制系统数字仿真与CAD的必要性、可能性以及计算机仿真与辅助设

计的基本思路、基本方法和发展现状。

2．掌握数值积分的基本方法（欧拉法、龙格-库塔法）。

3．掌握面向微分方程的数字仿真、面向结构图的数字仿真方法、计算机控制系统的数

字仿真、非线性系统的数字仿真。

4．学习掌握MATLAB语言的基本命令、基本操作和程序设计；掌握MATLAB语言在现代科学运算中的应用；掌握SIMULINK的基本操作，使用SIMULINK工具建立系统模型进行仿真。

5．使用MALTLAB语言分析、设计控制系统。

三、与其他课程的联系与分工

本课程建立在《自动控制理论》基础之上。

涉及程序设计方法、数值分析及控制系统设计等方面的内容。

为毕业设计打下基础。

四、课程的内容和学时分配

章次

内容

总学时

课堂讲授学时数

实验学时

一

概述

2

2

二

控制系统的数学描述

4

4

三

MATLAB与SIMULINK基础

10

6

4

四

控制系统数字仿真的实现

6

6

五

控制系统CAD

8

4

4

六

数字仿真技术的综合应用

2

2

总学时

32

24

8

五、本课程的性质及适用对象

自动化专业、电气工程及其自动化专业选修。

教学大纲内容

第一章概述

控制系统的仿真方法及仿真实验的分类；数字仿真的基本概念；系统、模型与数字仿真的关系；数字仿真的基本内容；控制系统CAD技术的概念及主要内容；数字仿真软件；仿真技术在工程中的应用。

教学提示：

本章主要介绍仿真技术涉及到的基本概念。

第二章控制系统的数学描述

控制系统数学模型的形式，模型转换及建模基本方法；控制系统数字仿真的实现；数值积分法（欧拉法、龙格-库塔法）求解一阶常微分方程。

教学提示：

本章介绍控制系统数字仿真的基本内容。

重点介绍数字积分法的基本思想。

第三章MATLAB与SIMULINK基础

MATLAB的主要组成，重要部件及MATLAB集成环境；MATLAB的通用命令；MATLAB基础知识、基本操作；数据结构；矩阵基础、矩阵操作和基本矩阵；绘图；数据处理（线性代数的求解、常微分方程数值解、数据插值与统计分析）；流程控制结构；MATLAB程序编写与调试；控制工具箱；SIMULINK基础。

教学提示：

重点学习运用MATLAB语言进行程序设计；运用SIMULINK工具建立基本模型。

第四章控制系统数字仿真的实现

控制系统的结构（串、并、反馈）及其拓扑描述（典型环节、连接矩阵）；面向连续系统微分方程（状态方程）的数字仿真；面向结构图的数字仿真；连续系统离散相似法数字仿真；非线性系统的数字仿真（典型非线性环节、仿真系统中非线性环节的处理方法）；计算机控制系统的数字仿真。

教学提示：

重点学习面向结构图的数字仿真，连续系统离散相似法数字仿真，计算机控制系统的数字仿真。

第五章控制系统CAD

经典控制理论CAD（控制系统时-频分析，控制系统设计方法，控制系统优化设计——单纯形法）；现代控制理论CAD（系统能控性、能观性分析，应用极点配置设计控制器和观测器）。

教学提示：

应用MATLAB/Simulink进行控制系统分析、设计。

第六章数字仿真技术的综合应用

电动机速度控制系统设计与分析、数字控制器的设计及典型控制系统的建模与仿真。

教学提示：

应用MATLAB/Simulink进行控制系统的建

建议选用教材和参考书目

建议选用教材：

《控制系统数字仿真与CAD》哈尔滨工业大学张晓华主编

机械工业出版社

主要参考书：

《反馈控制系统设计与分析——MATLAB语言应用》薛定宇主编清华大学出版社

《基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用》薛定宇陈阳泉著清华大学出版社

《控制系统仿真》实验大纲

课程名称：

控制系统仿真

英文名称：

ControlSystemSimulation

课程编号：

一、实验的目的与任务

在课程教学中占有重要地位，目的是让学生掌握MATLAB语言的基本操作环境，巩固所学的MATLAB语言的基本知识，掌握MATLAB语言基本程序设计，学会运用MATLAB语言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技能。

二、实验基本要求

按教材和任课教师的补充内容完成实验任务。

认真上机，熟练掌握MATLAB基本操作，能够编写仿真程序，并调试通过，上机结束提交仿真程序、运行结果及结果分析。

三、实验原理

运用MATLAB语言进行控制系统仿真和辅助设计。

四、主要设备及器材配置

PC机（Windows98/2000操作系统）、MATLAB6.1软件。

五、课程的学时学分

总学时：

32学分：

2上机时数：

8

六、适用对象

自动化专业、电气工程及其自动化专业

七、实验项目与内容提要

序号

实验名称

内容提要

实验要求

实

验

时

数

实验

类型

每

组

人

数

所在

实验

室名

称

备

注

1

MATLAB基本操作

使用MATLAB的窗口环境；MATLAB矩阵运算；MATLAB的绘图

必开

2

验证

1

电气与自动化中心实验室

2

控制系统仿真

控制系统数学模型表达；控制系统的时域分析；控制系统的频域分析；根轨迹分析方法

必开

3

验证

1

3

SIMULINK仿真

SIMULINK基本操作；SIMULINK建模仿真

必开

3

设计

1

八、实验指导书

《控制系统仿真实验指导书》校内自编

模、仿真及综合分析。

建议选用教材和参考书目

选用教材：

《控制系统数字仿真与CAD》哈尔滨工业大学张晓华主编

机械工业出版社

主要参考书：

《反馈控制系统设计与分析——MATLAB语言应用》

薛定宇主编清华大学出版社

《基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用》

薛定宇陈阳泉编著清华大学出版社