《自动控制原理》课程标准

《自动控制原理》课程标准

第一部分课程概述

一、课程名称

中文名称：《自动控制原理》

英文名称：《Automatic control theory》

二、学时与适用对象

课程总计70学时，其中理论课68学时，考试2学时。本标准适用于五年制本科生物医学工程专业。

三、课程地位、性质

《自动控制原理》是研究自动控制共同规律的技术科学，是工科高等院校电类、控制类、机械类及生物医学工程等专业的一门主干技术基础课程。该课程的开设重在使学生掌握与自动控制原理相关的专业知识和综合应用能力，培养解决自动控制系统调试与维护方面实际问题的能力，尤其是让学员掌握与医学相关常用设备的理解、设计、改进的能力，为学习医疗卫生装备（如核磁共振、CT、超声等医疗设备）提供预备知识。随着生产的发展和科学技术的进步，自动控制原理已广泛地应用于工农业生产、医疗卫生服务、军队卫勤保障、交通运输和宇航等领域，并成为当今倍受重视的高新技术之一。掌握和了解自动控制的基本理论和方法，对从事生物医学工程专业的工程技术人员是很有必要的。

四、课程基本理念

自动控制原理教学应遵循的指导思想是适应于社会和军队国防建设发展需求，满足国防现代化建设对军队生物医学工程专业技术干部的基本需求。按照第四军医大学生物医学工程专业人才培养方案的要求，体现对自动控制相关医学设备的原理理解、功能开发、维修能力的技能教育，将素质教育、创新教育思想贯穿于整个教学过程之中。这门课程在第7学期开设，教学活动中应尊重学生的主体地位，应注意发挥学员的积极性、主动性，努力为学员创造良好的学习环境。强调理论联系实际，鼓励大胆创新，培养一丝不苟的工作态度。

本课程的教学应把握以下几点基本原则：一是增加对前沿和最具特色的医疗卫生装备研发、使用、推广等背景知识的介绍，激发学员对该课程的探索兴趣；二是突出从理工类专业的角度理解设备运行原理和设计思路的方法，向学员强调学好这门课必须具备数学、电子学、计算机软硬件方面坚实的知识基础，重在自动控制系统的分析与改进，体现有别于理工院校自动控制课程的强调理论探索、侧重系统设计及实现等的教学模式；三是鼓励学员查询相关

资料、书籍，不要满足于仅仅了解系统原理的简单程度，强化学员的自学能力，培养获取并运用信息的能力，为今后从事医疗卫生装备的创新型革新及研制打好基础；四是注重与学员的交流、并积极引导学员之间的相互交流，培养良好协作的团队精神。

五、课程设计思路

自动控制原理课程设计方案的制定，主要依据总参军训和兵种部印发的《军队院校制定课程标准的基本要求》和《第四军医大学人才培养方案》，并且参考了国内重点大学同类课程设置的经验。对于生物医学工程专业的自动控制原理课程，内容设置应保证知识结构的完整性和知识交代的严密性，突出知识结构之间的联系，强调工程应用在课程中的主体地位，有意识地淡化理论推导，用“提出需求、解决问题”的方法理顺各知识点之间的联系。

在本课程开设之前，学员已经具备了多门课程的先导知识。在教学过程中，鼓励学员学习和使用MATLAB软件，对于课堂作业，通过MATLAB进行验证。讲授中应力争多介绍自动化领域前沿成果，拓展学员的知识面，启发解决问题的思路。在总结教学经验和研究成果的基础上，对课程目标分别从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面进行具体明确的阐述。

1．依据课程特点，设计教学思路

自动控制原理是研究在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行的原理及技术，数学基础要求较高，理论性很强。因此，在发挥信息化教学特点和优势的同时，也要适当应用过去行之有效的传统教学方法，对于课程的核心内容，比如奈魁斯特稳定判据等提倡使用板书等进行逐步推导，体现自动控制理论的严密性和科学性，教学效果可能会更好一些。

2．强调学科结合，注重医学应用

该课程的教学本身将对医学其他课程的改革起着积极地推动和促进作用。应强调以医学应用为主，特别是以军事医学应用为主。在教学中充分注意医科大学生的知识结构和思维特点，通过教学演示、使学生体验并逐步掌握自动控制原理的基本思想、分析问题的方法，提高该门课程在医疗活动中的应用能力。

3．充分利用现代化教学手段

自动控制原理课程内容涉及数学、电子、机械学等多门学科知识，理论性强，与工程结合密切。课程以系统动态过程为研究对象，内容比较抽象，因此教学设计上既要注意概念和理论内涵的介绍，又要注重工程上的分析和设计方法。由于动态过程比较抽象，讲授时要充

分利用现代化教学手段将抽象的动态过程形象化。

4．以人为本, 因材施教

教学过程中注意根据学生的实际程度，采用因材施教的方法，充分体现以人为本的教学理念。讲授中着重讲概念、讲方法，提倡学生自主学习，采用讨论的形式，开展研究性学习。根据内容和要求，通过自控原理的学习，弄懂基本概念、掌握系统分析与设计方法，为后续课程的学习和今后的工作打下良好的基础。

第二部分课程目标

一、总体目标

通过对《自动控制原理》的学习，使学员理解和掌握现代自动控制原理的基本理论、基本知识和基本技能，了解自动控制原理的发展现状。注重控制理论教学、实践的连续性，在课程教学的基础上，结合科研项目，介绍实际运用控制理论解决工程问题的思想和方法，启发引导学生灵活自如地运用所学知识分析解决实际问题，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。

二、分类目标

（一）知识与技能目标

(1) 熟练掌握积分变换、概率论等数学工具；

(2) 理解反馈控制系统的基本原理；

(3 )理解根轨迹和相轨迹的概念，能够根据轨迹分析系统性能随参数变化的趋势，掌握反馈校正、复合校正和根轨迹校正的一般方法；

（二）过程与方法目标

（1）充分利用学校的电化教学环境，制作电子课件，PPT、计算机辅助教学软件、Matlab 仿真工具等多种形式进行教学，发挥多媒体手段的优势。

（2）通过课外学习、自行查阅参考资料，解决课堂上的疑难问题；

（3）参与对困难问题的小组讨论，培养团队协作的能力；

（4）采用网络化教学，已建成自动控制原理课程的教学网站，将多种资源集成在网站的教学资源中，学生可以从网上获取课程学习的相关信息，方便学生自主学习。

(5) 到临床医疗仪器的应用第一线，从自动控制原理角度，了解典型实际控制系统的组成、结构以及工作情况，增加感性认识，加深对自动控制理论的理解。

（三）情感态度与价值观目标

(1) 认同自动控制原理在军队卫勤建设和生物医学工程本科专业中的重要地位；

(2) 接受自动控制原理在军事装备中得到广泛应用，在医疗卫生装备中也起着核心的支持作用的观点；

(3) 关注网络技术、计算机技术与电子技术的发展对于推动自动控制发展的创新方法、创新思想；

(4) 体会微分方程、复变函数、积分变换等数学知识对于自动控制原理的基础地位，以及与生物医学工程专业技术干部素质的关系；

(5) 遵守现代自动控制原理服务于人类健康和国防建设的职业和道德原则，抵制一切损害国家利益和伤害人民群众身体健康的违法行为；

(6) 具有大胆探索、勇于创新、积极交流、密切协作的精神，善于在医学与自动控制原理的结合上寻找创新的突破点；

(7) 养成积极思考的习惯，具有独立通过网络获取学习信息的能力。

第三部分内容标准

【说明】教学内容划分为三级，即核心内容、重点内容、一般内容。核心内容构成课程的主体框架，是教员必须在课堂上讲深讲透、学员必须掌握的内容；重点内容是核心内容的延伸和丰富，教员在课堂上可以少讲，但必须指导学员学习并熟悉的内容；一般内容指教员可以不讲，但学员必须通过自主学习并了解的内容。

第一章自动控制系统的基本概念

基本要求：

了解：自动控制系统的基本组成及分类。

理解：自动控制系统的基本任务、按偏差调节的闭式控制

掌握：控制的基本方式；开环控制，闭环(反馈)控制；负反馈控制原理，对自动控制系统的基本要求

重点：开环控制和闭环(反馈)控制的基本原理

难点：负反馈控制的基本原理

[学时分配] ４学时

第二章自动控制系统的数学模型

基本要求：

了解：建立自动控制系统的数学模型的基本要求；非线性系统（元件）的线性化

理解：动态(微分)方程线性化的基本规律；拉氏变换法及线性微分方程求解

掌握：动态(微分)方程的建立；线性系统的传递函数；系统结构图的建立及其等效变换；自动控制系统的传递函数；

重点：系统结构图的建立及其等效变换；线性系统及典型元部件的传递函数

难点：动态(微分)方程的建立；结构图的等效变换

[学时分配] 10学时

第三章自动控制系统的时域分析

基本要求：

了解：稳定性的概念和充要条件；改善二阶系统响应特性的措施；高阶系统动态性能估算

理解：时域分析与校正的基本概念；系统的典型响应及性能指标；动态性能与稳态性能，误差、稳态误差的概念

掌握：系统特征参数、闭环零点、极点分布对系统动态性能的影响；一、二阶系统的动态性能计算；计算稳态误差的一般方法及干扰作用下的稳态误差分析；反馈校正、复合校正的概念及方法；稳定判据

重点：误差、稳态误差的计算方法

难点：比较一、二阶系统的动态性能计算方法；静态误差系数法的应用

[学时分配] 1４时

第四章根轨迹法

基本要求：

了解：根轨迹的概念；时滞系统的根轨迹；在根轨迹上确定特征根

理解：根轨迹方程及相角条件、模(幅)值条件；利用闭环主导极点估算系统的性能指标；利用根轨迹法设计控制系统

掌握：绘制常规根轨迹的基本法则；利用根轨迹定性分析系统性能；参数根轨迹和零度根轨迹

重点：利用根轨迹定性分析系统性能的基本方法

难点：绘制常规根轨迹的基本法则；参数根轨迹和零度根轨迹的基本概念及应用

[学时分配] ８时

第五章频域响应法

基本要求：

了解：频率响应及频率特性的概念；最小相位(角)系统和非最小相位(角)系统；闭环频率特性

理解：幅角定理；幅相频率特性和对数频率特性；开环对数频率特性与系统稳态性能、动态性能的关系；开环频域指标(稳定裕度)与时域指标之间的关系

掌握：典型环节和系统开环频率特性：奈奎斯特稳定判据、对数频率稳定判据及其应用；最小相位系统的奈氏判据；稳定裕度(量)的概念及计算

重点：典型环节和系统开环频率特性的描述难点：稳定裕度的计算方法

[学时分配] 1６学时

第六章用频率法校正系统

基本要求：

了解：校正作用；校正方式

理解：开环对数频率特性与系统稳态性能、动态性能的关系；开环频域指标(稳定裕度)与时域指标之间的关系

掌握：无源校正网络；频率法串联(超前，迟后，迟后-超前)校正的作用及方法；扰动补偿的复合控制

重点：典型环节和系统开环频率特性的描述

难点：频率法串联校正的基本方法及应用

[学时分配] 1６学时

（二）实验课

本课程未开设实验课，主要通过介绍和学员自学Matlab，初步掌握运用Matlab进行控制系统辅助分析设计的基本技能。

第四部分实施建议

一、课程教学实施建议

（一）教学组织

课程教学由教研（科）室主任负总责，教学组长负责具体的组织与实施。基本流程包括：①成立教学组，②教学准备，③课程教学，④辅导答疑，⑤课程考核，⑥总结反馈。建议每周安排2次课，即4学时。

（二）教学方法

本门教学中应注意理论与实践的结合，加强课前、课后的答疑辅导，注意学员能力的培养。

1．开展“案例驱动”的教学方式（Case Based Study，CBS）

该课程要充分体现教学内容在训练和提高学生自动控制应用能力方面的意图。建议在该课程的部分章节采用以“案例驱动”为引导的课堂讨论式教学，通过案例引导和教师指导下的课堂讨论、资料查询、自学等方式启发学生分析、讨论有关自动控制应用中的问题，学习自动控制知识。

2．倡导以问题为中心的教学方式（Problem Based Lecture，PBL）

传统的“以教师为主，以讲课为主，以传授知识为主”的教育模式正在改变，建议适当开展以学生为主体的小组讨论式的方法，强调从提出问题人手，激发学生学习的兴趣，让学生有针对性地去探索并运用自动控制知识，提高分析和解决问题的能力。从而使该课程做到“授人以鱼，更要教人以渔”，真正使该门课程对于学生的终身学习和主动应用发挥至关重要的基础作用。

二、课程考核评价建议

（一）教员授课质量评价

对课程考核结果进行评价，可准确反映教学质量的水平，而反映教学质量的重要指标就是教师的教学能力，建立教师授课质量评价体系，可从学生评价、同行评价和教学管理部门评价等进行“三位一体”的总体评估。评价的指标主要包括：课堂内容融会贯通，讲解精炼；理论联系实际，易于理解；层次分明，重点突出，不照本宣科；重点、难点内容讲深讲透；板书整齐有条理，注重现代教育的应用；普通话授课，语言生动，快慢适中；熟练应用专业外语词汇，注重双语教学；启发式教学，调动学生积极思维；教学内容丰富，反映自动控制原理的新进展。

（二）学员课程学业考核

1、本门课程是一门考试课，评价依据是本课程标准规定的课程目标、教学内容和要求。

2、闭卷考试时间：120～180分钟。

3、考试方式、分制与解释

理论成绩的综合评价采用闭卷、笔试的方式，以百分制评分，60分为及格，满分为100分，占总评成绩的100％

4、试题类型及权重

选择题10%～20%、判断题10%～20%计算题70%～80%。

5、样题与目标定位示例

（1）选择题（单项选择）：（考核学生对知识的识别程度） 例 虽然增加系统开环传递函数的个数，可以提高系统的无差度， 但积分环节的个数一般不超过两个，原因在于（ ）：

（a ） 不利于减小系统的静态误差；

（b ） 当积分环节超过两个时，积分环节将不再起作用； （c ） 当积分环节超过两个时，物理上无法实现；、 （d ） 增加积分环节将影响系统的稳定性。

（２）判断题（单项选择）：（考核学生对奈奎斯特定律掌握程度）

例 设系统的开环频率特性如图所示，试判定系统稳定性，其中P 为S 右半 平面的开环极点的个数。

（３）计算题 （着重考查学生对知识的掌握和综合应用能力）

例 设控制系统如图6所示, 当k=10时，作出系统的开环Bode 图，试求系统的相位稳定裕度，判定系统是否稳定？

三 教材选编建议

教材选择杨自厚主编的《自动控制原理》。本书阐述了经典控制理论的基本概念、原理和自动控制系统的各种分析方法，主要内容包括线性连续系统与离散系统的时域和频域理论，如系统的动态性能、静态性能、稳定性的分析和各种设计方法的运用等。本书从基本概念、基本分析方法入手，结合生产和生活中的实例，以时域分析方法为主线，时域分析和频域分析并进，在严谨的数学推导的基础上，利用直观的物理概念，引出系统参数与系统指标之间的内在联系。本书在《自动控制原理》前四版基础上，对各章内容都进行了修订。修订的基本思想是更新观念，深化改革，提高知识起点，努力拓宽专业口径，以增强培养人才的适应性。

四、课程资源开发与利用的计划和建议

从教育发展的趋势来看，网络教学平台可以为学生提供理想的数字化学习环境，支持研究型学习、案例式学习、资源型学习、发现式学习、协作式学习等多种学习模式，随着E-Learning和远程教育在高等院校的逐步推广，网上教学资源的建设和利用被提到越来越重要的位置。在条件成熟的条件下，应依托我校教学网站机制，逐步建立自动控制原理精品网.

五、教学必需的保障条件及建议

1．教学评估制度

可以分不同阶段对教师的教学质量进行评估，作为保障质量和完成教学任务的手段。在课程开课初期，由学校教学指导委员会进行现场听课评估，在结业考试前由学生对教师授课质量进行评估。

2．青年教师培训制度

对新入科室的年轻教员，必须进行培训和试讲。培训方法实行专人负责制，要求青年教师在一年之内必须完整地听一轮计算机本科的大课教学和实习教学，在进行正式上课前必须进行预讲，由教研室有关专家进行指导。

3．教研室的教学档案管理

教研室的教学档案管理是整个学校教学档案管理的有机组成部分，也是教研室重要工作之一。教研室的教学档案包括反映教学管理、教学实践和教学研究等活动中所产生的有保存价值的所有资料与资源，是教学实践活动的原始记录，是反映教学过程的系统而完整的历史资料，对进行教学评估、教学研究和教育改革有重要的参考价值。教学档案记载了教研室的成长、发展过程，是教研室的宝贵财富。教研室应提供已有的重要教学资源如教案、国内外

优秀教材、购置的优秀多媒体课件等，使年轻教员得以充分利用。同时严格建立教学材料和档案上交制度。

五、附录

一、课程教材

（一）使用教材

《自动控制原理》，杨自厚主编，冶金工业出版社，1980

《自动控制原理》，王建辉主编，清华大学出版社，2007

（二）参考资料

1、《自动控制原理》，戴忠达，清华大学出版社，1991

2、《自动控制原理》上海交通大学自动控制原理精品课程网站

http://202.120.37.243/index1.htm

3、《自动控制原理》西北工业大学自动控制原理精品课程网站

https://www.360docs.net/doc/1219295901.html,/jp2005/03/index.asp

4、《自动化学报》，是由中国自动化学会、中国科学院自动化研究所共同主办的高级学术期刊。

https://www.360docs.net/doc/1219295901.html,/cn/dqml.asp

5、自动控制原理与设计(英文版·第5版) （美）富兰克林等著人民邮电出版社2007

二、课程标准主要编写人和审核人

1、主要编写人

刘秉毅

2、主要审核人

卢虹冰