自动控制原理教学大纲新格式自动控制原理第3版余成波清华大学出版社.docx

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自动控制原理教学大纲新格式自动控制原理第3版余成波清华大学出版社

重庆理工大学本科课程教学大纲

一、课程基本信息

表1课程基本信息

课程编号

开课单位

电气与电子工程学院

自动化系

学分

4.5

课程总学时

72

其中：

讲授64学时；实验8学时

课程名称（中/英）

自动控制原理Ⅰ/PrincipleofAutomaticControlⅠ

课程类别

专业基础课

课程性质

必修

授课语言

中文

适用专业

自动化专业

开课学期

第5学期

先修课程

《复变函数与积分变换》、《电路原理》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电机与拖动基础》

后续课程

《运动控制系统》、《过程控制》、《计算机控制技术》、《现代控制理论》、《汽车电子控制技术》

选用教材

余成波著.自动控制原理（第三版）.清华大学出版社.2018年.ISBN：

9787302478027

制定（修订）人

张莲

审核人

批准人

制定（修订）时间

2019年6月

大纲版本

2019.6版

批准时间

年月

二、课程简介（中英文）

【课程简介内容包括：

课程的学科和专业背景、教学内容及要求、修学该课程所需的预备知识等。

应提供中英文两种版本。

字数为300-500字】

《自动控制原理》是在自动控制、电气工程、信息工程以及计算机技术学科发展基础上建立起来的一门理论与实践相结合的课程，其讲述了自动控制理论中经典控制理论部分，是自动化专业重要的专业基础课，在自动化专业人才培养中具有非常重要的作用。

本课程是自动化专业的专业核心课程，主要讲授分析和设计反馈控制系统的经典理论和应用的方法，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，自动控制系统的时域分析法、根轨迹法、频率特性法，控制系统的校正，离散控制系统的分析和综合等，是一门理论性和实用性很强的课程，在教学计划中起着承前启后的作用，该课程的前修课程有《复变函数与积分变换》、《电路原理》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电机与拖动基础》等，其后续课程有《运动控制系统》、《过程控制》、《计算机控制技术》、《现代控制理论》、《汽车电子控制技术》等。

"AutomaticControlPrinciple"isacoursewhichcombinestheorywithpracticeonthebasisofthedevelopmentofautomaticcontrol,electricalengineering,informationengineeringandcomputertechnology.Itdescribestheclassicalcontroltheoryinautomaticcontroltheory.Itisanimportantbasiccourseofautomationspecialtyandplaysaveryimportantroleinthecultivationofautomationprofessionals.Thiscourseisthecorecourseofautomationspecialty.Itmainlyteachestheclassicaltheoryandapplicationmethodofanalyzinganddesigningfeedbackcontrolsystem,includingthebasicconceptofautomaticcontrolsystem,themathematicalmodelofautomaticcontrolsystem,thetimedomainanalysismethodofautomaticcontrolsystem,andtheroottrajectoryanalysismethod,frequencycharacteristicanalysismethod,controlsystemcorrection,discretecontrolsystemanalysisandsynthesisandsoon.Itisatheoreticalandpracticalcourse,whichplaysanimportantroleintheteachingplan.Thepreviouscoursesofthiscourseinclude"ComplexFunctionandIntegralTransformation","CircuitPrinciple","AnalogElectronicTechnology","DigitalElectronicTechnology","FoundationofElectricalMachineryandDrive"andsoon.Thefollowingcoursesare"MotionControlSystem","ProcessControl","ComputerControlTechnology","ModernControlTheory","AutomobileElectronicControlTechnology"andsoon.

三、课程目标及其与毕业要求的关系

【主要表述学生通过课程学习后应掌握的方法、具备的能力；分条列出，并标明每条课程目标与对应的毕业要求的关联成度（高、中、低关联度分别用英文大写字母H、M、L表示）】

表2课程目标及其与毕业要求的关系

课程目标

简述

关联程度

毕业要求

简述

目标1

了解自动控制系统的基本概念；掌握建立控制系统数学模型的方法；掌握传递函数分析方法。

H

1-4

了解自动控制系统的基本概念，能够熟练建立控制系统的数学模型，能够明确控制系统常用的开环传递函数、闭环传递函数以及偏差传递函数的定义。

目标2

掌握自动控制系统的时域分析法、根轨迹法、频率特性法，能够运用这些分析方法分析自动控制系统的稳态和动态性能。

H

2-2

掌握一阶、二阶系统的时域数学模型的建立、时间响应特性、稳定性分析以及稳态误差分析；掌握根轨迹的概念及绘制的一般规律，并能够利用根轨迹法分析系统的性能；掌握频率特性及频域分析法的概念，能够绘制系统幅频特性曲线和对数频率特性曲线，掌握奈奎斯特稳定判据及其应用、控制系统相对稳定性分析，利用系统开环频率特性分析系统的性能。

目标3

掌握系统综合、校正的思路与方法及一般过程，具备对自动控制系统进行校正（设计）的能力。

H

3-1

掌握控制系统的基本控制规律，掌握系统综合、校正的思路与方法及一般过程，能够运用分析法和期望法校正（设计）控制系统。

目标4

掌握非线性控制系统的基本概念，了解非线性系统的分析方法；掌握对离散控制系统的稳定性、稳态性能、动态品质的分析以及校正方法。

H

2-2

3-1

掌握非线性控制系统的基本概念，了解非线性系统的分析方法；掌握z变换、建立离散系统数学模型的方法，掌握对离散控制系统的稳定性、稳态误差、动态品质的分析以及校正方法。

四、课程教学内容及基本要求

【课程教学内容要具体到节或知识块，列出教学内容的基本要求、重点难点、作业及课外学习要求等】

（一）控制系统的基本概念（4学时）

主要内容：

（1）开环控制系统与闭环控制系统

（2）自动控制系统的组成、分类和实例

（3）自动控制理论发展简史

（4）对自动控制系统的基本要求

1.基本要求

（1）了解自动控制系统的基本概念和开环控制系统与闭环控制系统的概念。

（2）了解自动控制理论的发展历史以及自动控制系统的基本要求。

2.重点、难点

重点：

自动控制系统的组成、分类

难点：

自动控制系统的工作原理分析

3.作业及课外学习要求

作业：

说明自动控制系统应用实例的工作原理。

课外学习要求：

通过搜索自动控制系统应用实例相关的内容，了解与自动控制系统的组成、分类及其基本要求相关的基础知识。

（二）自动控制系统的数学模型（12学时）

主要内容:

（1）控制系统微分方程的建立

（2）非线性系统微分方程的线性化

（3）传递函数

（4）控制系统结构图及其等效变换

（5）自动控制系统的结构图

（6）信号流图

（7）脉冲响应函数

1.基本要求

（1）掌握建立控制系统数学模型的方法。

（2）掌握传递函数分析方法，明确控制系统常用的开环传递函数、闭环传递函数以及偏差传递函数的定义。

2.重点、难点

重点：

自动控制系统传递函数建立、结构图的绘制及等效变换

难点：

控制系统结构图的等效变换

3.作业及课外学习要求

作业：

建立控制系统微分方程、传递函数、结构图、信号流图及脉冲响应函数各种数学模型；由结构图、信号流图求传递函数。

课外学习要求：

通过搜索控制系统数学模型的相关的内容，了解与控制系统数学模型建立相关的知识。

（3）控制系统的时域分析法（12课时）

主要内容:

（1）典型输入信号和时域性能指标

（2）一阶系统的动态性能

（3）二阶系统的动态性能

（4）高阶系统的动态性能

（5）稳定性和代数稳定判据

（6）系统稳态误差分析

1.基本要求

（1）了解各种典型输入信号和控制系统时域性能指标的定义。

（2）掌握一阶、二阶系统的时域数学模型的建立、时间响应特性、稳定性分析以及稳态误差分析。

2.重点、难点

重点：

一阶、二阶系统的动态性能、稳定性和代数稳定判据、系统稳态误差分析

难点：

二阶系统的动态性能、代数稳定判据的应用、提高系统稳态精度的方法

3.作业及课外学习要求

作业：

一阶、二阶系统时间响应特性；代数稳定判据的应用；稳态误差的求解。

课外学习要求：

通过搜索一阶、二阶系统时间响应特性、稳定性分析以及稳态误差分析相关的内容，了解与控制系统时域分析法相关的知识。

（4）根轨迹法（6课时）

主要内容：

（1）系统根轨迹的基本概念

（2）绘制根轨迹图的基本规律

（3）控制系统根轨迹的绘制

（4）控制系统根轨迹分析

1.基本要求

（1）了解根轨迹的基本概念，掌握控制根轨迹的绘制。

（2）掌握根轨迹绘制的一般规律，能够利用根轨迹法分析系统的性能。

2.重点、难点

重点：

绘制根轨迹图的基本规律、控制系统根轨迹分析

难点：

利用根轨迹法分析系统的性能

3.作业及课外学习要求

作业：

绘制根轨迹；利用根轨迹分析系统的性能

课外学习要求：

通过搜索根轨迹绘制、利用根轨迹分析系统性能相关的内容，了解与根轨迹法相关的知识。

（5）频率特性法（14课时）

主要内容：

（1）频率特性基本概念

（2）幅相频率特性及其绘制

（3）对数频率特性及其绘制

（4）奈氏稳定判据

（5）控制系统的相对稳定性

（6）利用开环频率特性分析系统的性能

1.基本要求

（1）掌握频率特性及频域分析法的概念，能够绘制系统幅频特性曲线和对数频率特性曲线。

（2）掌握奈奎斯特稳定判据及其应用、控制系统相对稳定性分析，利用系统开环频率特性分析系统的性能。

2.重点、难点

重点：

奈氏稳定判据、控制系统的相对稳定性

难点：

幅相频率特性及其绘制、对数频率特性及其绘制、利用开环频率特性分析系统的性能

3.作业及课外学习要求

作业：

绘制系统的幅相频率特性曲线、对数频率特性曲线；利用奈氏稳定判据判断系统的稳定性；确定系统的相对稳定性；利用开环频率特性分析系统的性能。

课外学习要求：

通过搜索频率特性及其绘制、应用相关的内容，了解与频率特性法相关的知识。

（6）控制系统的校正（10课时）

主要内容：

（1）控制系统校正的基本概念

（2）控制系统的基本控制规律

（3）超前校正装置及其参数的确定

（4）滞后校正装置及其参数的确定

（5）滞后-超前校正装置及其参数的确定

（6）期望对数频率特性设计法

（7）反馈校正装置及其参数的确定

1.基本要求

（1）掌握控制系统的基本控制规律。

（2）掌握系统综合、校正的思路与方法及一般过程。

2.重点、难点

重点：

期望对数频率特性设计法

难点：

超前校正装置及其参数的确定、滞后校正装置及其参数的确定、滞后-超前校正装置及其参数的确定

3.作业及课外学习要求

作业：

用分析法和期望法设计校正装置。

课外学习要求：

通过搜索校正装置及其参数确定的相关内容，了解与控制系统校正相关的知识。

（7）非线性控制系统（6课时）

主要内容：

（1）非线性系统的基本概念

（2）非线性系统的相平面分析法

（3）非线性系统的描述函数法

1.基本要求

（1）掌握非线性控制系统的基本概念。

（2）了解非线性系统的分析方法。

2.重点、难点

重点：

非线性系统的相平面分析法、非线性系统的描述函数法

难点：

非线性系统的相平面分析法、非线性系统的描述函数法

3.作业及课外学习要求

作业：

绘制非线性系统的相轨迹图；求非线性特性的描述函数。

课外学习要求：

通过搜索非线性系统的相平面分析法、非线性系统的描述函数法相关的内容，了解与非线性控制系统相关的基础知识。

（8）离散控制系统的分析与综合（8课时）

主要内容：

（1）离散控制系统的基本概念

（2）采样过程与采样定理

（3）z变换

（4）离散控制系统的数学模型

（5）稳定性分析

（6）稳态误差分析

（7）离散控制系统的动态性能分析

（8）离散控制系统的数字校正

1.基本要求

（1）掌握z变换、建立离散控制系统数学模型的方法。

（2）掌握对离散控制系统的稳定性、稳态误差、动态品质的分析以及校正方法。

2.重点、难点

重点：

离散控制系统的数学模型建立、稳定性分析、稳态误差分析

难点：

离散控制系统的数字校正

3.作业及课外学习要求

作业：

建立离散控制系统的数学模型建；分析离散控制系统的稳定性、稳态误差、动态品质；进行离散控制系统的数字校正。

课外学习要求：

通过搜索离散控制系统的数学模型建立、性能分析及数字校正相关的内容，了解与离散控制系统相关的基础知识。

五、教学安排及教学方式

【指课程教学内容的具体教学安排及教学方式。

先概述，再使用表格分条列出，要具体到节或知识块】

本课程总学时72学时，其中，讲授64学时，实验（上机）8学时。

讲授环节主要采用教师讲解、互动的教学形式。

教师讲解知识点，使学生对知识点形成直观印象，并通过课堂教学双方互相提问，与学生互动，鼓励学生在课堂上发表自己的见解，加深对知识点的理解，达到课程目标。

实验环节主要采用教师安排任务、学生自主进行实验，教师现场指导、答疑的形式。

实验练习可利用实验室电脑，借助MATLAB软件对相应任务进行验证实验，达到使学生加深对知识点的理解，了解SIMULINK功能模块的使用方法和熟练掌握相应函数的功能的目标。

表3教学安排与教学方式

序号

课程内容

讲授学时

上机学时

教学方式

以下内容为示例

1

开环控制系统与闭环控制系统

1

讲授

2

自动控制系统的组成、分类和实例

2

讲授

3

自动控制理论发展简史

0.5

讲授

4

对自动控制系统的基本要求

0.5

讲授

5

控制系统微分方程的建立

1

讲授

6

非线性系统微分方程的线性化

1

讲授

7

传递函数

2

讲授

8

实验一：

传递函数

2

实验

9

控制系统结构图及其等效变换

2

讲授

10

自动控制系统的结构图

2

讲授

11

信号流图

1

讲授

12

脉冲响应函数

1

讲授

13

典型输入信号和时域性能指标

1

讲授

14

一阶系统的动态性能

1

讲授

15

二阶系统的动态性能

3.5

讲授

16

实验二：

二阶系统的动态性能

2

实验

17

高阶系统的动态性能

0.5

讲授

18

稳定性和代数稳定判据

2

讲授

19

系统稳态误差分析

2

讲授

20

系统根轨迹的基本概念

0.5

讲授

21

绘制根轨迹图的基本规律

1.5

讲授

22

控制系统根轨迹的绘制

2

讲授

23

控制系统根轨迹分析

2

讲授

24

频率特性基本概念

2

讲授

25

幅相频率特性及其绘制

2

讲授

26

对数频率特性及其绘制

2

讲授

27

奈氏稳定判据

2

讲授

28

控制系统的相对稳定性

2

讲授

29

利用开环频率特性分析系统的性能

2

讲授

30

实验三：

利用开环频率特性分析系统的性能

2

实验

31

控制系统校正的基本概念

1

讲授

32

控制系统的基本控制规律

1

讲授

33

超前校正装置及其参数的确定

1

讲授

34

滞后校正装置及其参数的确定

1

讲授

35

滞后-超前校正装置及其参数的确定

1

讲授

36

期望对数频率特性设计法

2

讲授

37

实验四：

期望对数频率特性设计法

2

实验

38

反馈校正装置及其参数的确定

1

讲授

39

非线性系统的基本概念

2

讲授

40

非线性系统的相平面分析法

2

讲授

41

非线性系统的描述函数法

2

讲授

42

离散控制系统的基本概念

0.5

讲授

43

采样过程与采样定理

0.5

讲授

44

z变换

1

讲授

45

离散控制系统的数学模型

2

讲授

46

稳定性分析

1

讲授

47

稳态误差分析

1

讲授

48

离散系统的动态性能分析

1

讲授

49

离散系统的数字校正

1

讲授

合计

64

8

72

6、考核要求与成绩评定

【说明：

开课单位可以根据本单位的实际情况，在保留表4中基本要求的基础上增加必要的项目或内容。

但同一单位必须作统一要求】

表4考核要求与成绩评定

课程最终成绩记载方式

百分制

课程最终

成绩组成

课程最终成绩=平时成绩（30%）+结业考核成绩（70%）

平时

成绩

评定

权重

平时成绩占课程最终成绩的30%。

考核内容及

方式

平时成绩根据课堂表现、课外作业、实验成绩完成情况进行评定。

1.课堂表现。

2.课外作业：

在各章学习结束后都有布置作业，共8次。

3.实验成绩：

在第2、3、5、6章学习时，各安排1次实验，共4次。

评价办法

考勤占比5%、平时作业占比15%、实验成绩占比10%。

半期

考核

成绩

评定

权重

考核内容及

方式

评价办法

课程

结业

考核

权重

本课程的结业考核成绩占课程最终成绩的权重为70%。

考核内容

闭卷考试

评价办法

以试卷的卷面分数为主

考核方式

考试

是否设置补考

是

七、学生学习建议

（一）学习方法建议

自动控制原理是研究自动控制共同规律的技术科学。

它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。

该课程是自动化专业的基础理论课。

自动控制原理是关于自动控制系统的基础理论，其主要内容包括：

自动控制系统的基本组成和结构、自动控制系统的性能指标、自动控制系统的类型（连续、离散、线性、非线性等）及特点、自动控制系统的分析（时域法、根轨迹法、频域法等）和设计方法等。

通过本课程的学习，学生可以了解有关自动控制系统的运行机理、控制器参数对系统性能的影响以及自动控制系统的各种分析和设计方法等。

学习自动控制原理首先要了解本门课程的整体结构，反馈控制的基本思想、基本原理、基本方法是本课程的重点。

下面给出学习自动控制原理的几点建议。

（1）抓住重点——掌握基本概念

《自动控制原理论》引入了一系列互相关联的基本概念，如稳定性、准确性、快速性，输入与输出，动态与稳态，反馈与前馈等，这些基本概念形成了本课程的知识要点，是学习理解的重点。

要掌握好基本概念，首先应该从实践案例的这些抽象概念的建立过程中加深对其理解，建立概念与其反映事物间的联系，搞清概念与相关概念之间的联系和区别，然后再到实验实训应用中加深对其的认识。

（2）认真思考——提高抽象思维能力

《自动控制原理》的理论性较强，抽象程度较高。

因此，要充分了解抽象的基础，认真掌握有关的概念，在实际应用中反复体会抽象概念的意义，如控制系统中反馈的实质，控制的基本方法等，在学习中不断提高抽象思维能力。

（3）提高综合分析能力

《自动控制原理》既是专业基础理论课程，又是一门科学方法论。

研究的内容既有一定的复杂性，又有一定的普遍性。

因此，在学习中不仅要掌握教材中的结论，更要掌握其中体现出来的研究方法，培养系统的观念，提高综合分析问题的能力。

（4）学会自学——培养阅读能力

要善于在学习中提出问题，解决问题，学会探究式学习方法，广阅参考书，拓宽视野，从更多控制系统的实例分析中，提高分析问题和解决问题的能力。

（5）重视掌握实验技术

实验是人们认识客观世界的最重要的手段之一。

认真做好实验，掌握实验技能，不仅有助于学好本课程，而且可以培养科学思维的能力和动手能力，养成良好的科学习惯。

因此，在学好本课程的同时还要认真完成实验，做到先预习后实验，细致准确地观察实验过程，正确掌握各项实验技术。

（6）注重理论和实践相结合

反馈的现象比比皆是，反馈也是控制的精髓。

在本课程的学习中，结合生产、生活实际，观察反馈系统的构成，将有利于对反馈的深入理解和认识，并自觉地将反馈理论应用到各种实际系统中去，学以致用。

（二）学生课外阅读参考资料

1.高国燊著.自动控制原理（第4版）.华南理工大学出版社.2013年

2.胡寿松著.自动控制原理（第6版）.科学出版社.2018年