自动控制原理教学大纲

自动控制原理教学大纲

课程编号：0701101

自动控制原理总学时：104

The Principles of Automatic Control 总学分：6 课程性质：专业技术基础课程

开设学期学时分配：第5学期

适用专业及层次：自动化、测控技术及仪器等工科类大学本科

先行、后继课程情况：先行课：工程数学１、２，电工、电子技术基础等

后继课：过程控制工程，运动控制系统等

推荐参考书：

1．《现代控制工程》绪方胜彦著（卢伯英佟明安罗维铭译）科学出版社

2．《自动控制原理与系统》上、下册清华大学吴麒等国防工业出版社

3.《自动控制原理》孙德宝主编化学工业出版社

4．《自动控制原理》天津大学李光泉主编机械工业出版社

5．《自动控制理论》侯夔龙主编西安交通大学出版社

6．《现代控制工程》第三版 [美] Katsuhiko Ogata 著

卢伯英于海勋等译电子工业出版

一、课程目的及要求：

本课程是自动化专业及其相关专业的一门主要技术基础课，是与后续专业课紧密相关的一门理论性较强的课程。重点在于学习反馈控制系统的基本理论及基本方法，掌握控制系统的分析，设计方法和技能，并能在后续专业课中应用其理论及方法进行分析和设计控制系统的任务。

本课程重点是线性、连续系统的基本理论，以掌握时域法、根轨迹法和频域法三大经典方法为基本要求。又本着适当扩充现代控制理论的思想，要求掌握状态空间分析法的基本方法和简单应用。对于非线性系统和离散时间系统的分析方法有一定程度的了解。

本课程教学学时数为90学时。

二、课程内容及学时分配：

第一章概述（3学时）介绍本课程研究的课题及方法，明确本课程的目的，介绍自动控制系统的基本原理与方式，控制系统的组成及系统的分类。

1．本课程研究课题及方法

1）自动控制系统的概念及在国民经济中的作用

2）研究对象及课题

3）自动控制理论的发展概况，经典理论与现代理论及其关系

4）课程的内容及特点

2．控制系统简介

1）控制系统的基本组成

2）控制系统的常用术语

3）自动控制系统示例

4）自动控制系统的分类

5）对自动控制系统的基本要求

第二章控制系统的数学模型（10 学时）介绍数学模型的概念，数学模型在分析、研究系统中的重要性，讲解常用的建模方法。1．系统的静态和动态特性

静态、动态特性的概念，动态特性在系统分析研究的作用以及数学描述

2．控制系统的时域数学模型

1）控制系统微分方程的建立

2）非线性微分方程的线性化

3．控制系统的复域数学模型

1）传递函数的定义和性质

2）典型环节及其传递函数

3．控制系统的结构图与信号流图

1）系统结构图的组成和绘制

2）结构图的等效变换和简化

3）信号流图的组成及性质

4）梅逊增益公式

4．动态特性的实验测定法

1）测试原理及方法

2）实验结果的数据处理

第三章线性系统的时域分析法（12 学时）本章着重讨论标准二阶系统的阶跃响应，明确系统的特征参数与性能指标的关系。通过对系统阶跃响应的分析，明确系统稳定的充要条件，掌握时域判稳方法。

1．系统时间响应的性能指标

1）典型输入信号

2）动态过程与稳态过程

3）动态性能与稳态性能

2．一阶系统的时域分析

3．二阶系统的时域分析

1）二阶系统数学模型的标准形式

2）二阶系统的瞬态响应和稳态响应

3）系统参数与特征根及瞬态响应的关系

4．高阶系统的时域分析

1）高阶系统的单位阶跃响应

2）闭环主导极点

5．线性系统的稳定性分析

1）系统稳定的充分必要条件

2）劳斯—赫尔维茨稳定判据

6．线性系统的稳态误差计算

1）误差与稳态误差

2）系统类型与静态误差系数

第四章线性系统的根轨迹法（7 学时）着重讨论根轨迹图的绘制，明确闭环传递函数极点与瞬态响应的关系，了解改变开环增益，增加开环传递函数零、极点对系统质量的影响。

1．根轨迹法的基本概念

1）闭环零、极点与开环零、极点之间的关系

2）根轨迹方程

2．根轨迹绘制的基本法则

3．广义根轨迹

1）参数根轨迹

2）零度根轨迹

4．系统性能的分析

第五章线性系统的频域分析法（15 学时）明确频率特性的基本概念，幅相频率特性曲线和对数频率特性曲线的绘制方法，熟练掌握典型环节的频率特性，掌握奈魁斯特稳定判据，稳定裕度的概念和计算。

1．频率特性

1）频率特性的基本概念

2）频率特性的几何表示法

2．开环系统的典型环节分解和开环系统频率特性曲线的绘制

1）典型环节的频率特性

2）开环幅相频率特性曲线的绘制

3）开环对数频率特性曲线的绘制

3．奈魁斯特稳定判据

4．稳定裕度

1）相角裕度

2）幅值裕度

5．闭环系统的频域性能指标

第六章线性系统的校正方法（6 学时）掌握控制系统的基本控制规律，校正的基本方式，常用校正装置的特性。

1．系统的设计与校正问题

1）性能指标

2）校正方式

3）基本控制规律

2．常用校正装置及其特性

1）无源校正装置

2）有源校正装置

3．串联校正

1）串联超前校正

2）串联滞后校正

3）串联滞后—超前校正

4．反馈校正

第七章线性离散系统的分析与校正（10 学时）掌握连续系统的离散化方法，采样控制系统的基本原理，采样过程和采样定理及其数学描述。

1．离散系统的基本概念

1）采样控制系统

2）数字控制系统

2．信号的采样与保持

1）采样过程及其数学描述

2）香农采样定理

3）采样周期的选取

4）信号保持

3． Z变换理论