《自动控制理论》教学大纲

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1、自动控制理论教学大纲课程名称：自动控制理论课程代号: 022201 学时数：80（实验10学时）学分数： 5 适用专业: 自动化等一、本课程的地位、任务和作用本课程是自动化等专业的专业基础课。通过本课程的学习使学生掌握自动控制的基本原理和概念，并具备对自动控制系统进行分析、设计、实验的初步能力，为后续专业课程的学习和参加控制工程实践提供必要的理论基础，也为学生进一步学习和研究控制理论提供条件。二、本课程的相关课程先修课程有：高等数学、积分变换、复变函数、普通物理、电路分析、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、电机与电力拖动基础等。要求数学系列课程介绍微分方程、拉氏变换、傅里叶变换等的基本内容。

2、要求电路分析及电子技术基础课程介绍无源网络及模拟运算电路等的基本计算方法。要求电机与电力拖动课程介绍自动控制系统中常用的机电检测、执行元件的基本原理、特性和基本方程。后续课程主要有：现代控制理论、最优控制、电力拖动自动控制系统、计算机控制技术、过程控制系统等。三、本课程的基本内容及要求（一）基本内容根据专业教学计划规定的学时和对专业基础课的要求以及当前控制理论的发展现状，确定以精选内容、保证基础(概念、方法、规律)、适当保持学科的系统性和先进、注重对学生分析、计算、实验能力的培养为目标确定教学内容。采用先进的教学手段和计算机辅助分析与设计以保证理论和实验教学内容顺利完成。第一章 绪论 1引言。

3、介绍自动控制理论的发展概况及自动控制的一般概念。2自动控制的基本控制方式。开环控制、闭环（反馈）控制、复合控制的特点与作用；反馈的概念及其物理本质、重要性；自动控制系统的基本组成、术语及定性分析方法。3自动控制系统的分类。4对自动控制系统的基本要求。5本课程的任务及性质、学习特点。第二章 控制系统的数学模型1引言。数学模型的意义、建立数学模型的主要方法、数学模型的主要类型。2控制系统的微分方程式描述。3非本质非线性数学模型的线性化。4传递函数的定义、性质、求法及典型环节的传递函数。5方框图的建立、基本联接、等效变换和简化；控制系统的开环、闭环、误差传递函数。6信号流程图的基本概念、术语与定义。

4、梅逊公式的应用。第三章 线性系统的时域分析1典型输入信号和自动控制系统的时域性能指标。2一阶系统的时域分析。数学模型，极点位置，典型响应、性能指标及与特征参数的关系。3二阶系统的时域分析。数学模型，极点位置，按阻尼比分类，典型响应、性能指标及与特征参数的关系。4高阶系统的时域分析。系统主导极点与偶极子的概念；近似分析高阶系统的性能。5线性定常系统稳定性的概念与定义；线性定常系统稳定的充要条件；劳斯判据的应用。6稳态误差。稳态误差的定义；稳态误差的计算；系统的型别、误差系数、误差级数；系统的结构与稳态误差的关系；减小稳态误差的方法。第四章 根轨迹法 1根轨迹的基本概念。根轨迹的定义；根轨迹方程。

5、2绘制1800根轨迹的基本规则。3绘制00根轨迹的基本规则。4参数根轨迹与迟后系统根轨迹。5用根轨迹法分析控制系统的性能。第五章 频率特性法1频率特性。频率特性的物理概念、定义及求法；频率特性的几种图示方法。2典型环节的频率特性。最小相位与非最小相位环节。3控制系统的开环频率特性。研究系统开环频率特性的意义；系统开环频率特性的求取与绘制（Nyquist图、Bode图）方法。4Nyquist稳定判据。5系统的稳定裕度（相角裕度与增益裕度）及其工程意义。6控制系统的闭环频率特性。7频域性能指标与时域性能指标的关系及三频段的概念。第六章 线性反馈系统的校正1控制系统校正的基本概念。校正的定义；校正的

6、形式；基本控制规律。2超前、迟后、迟后-超前校正装置的作用、对应的校正网络、传递函数及其特性。3根轨迹法在系统校正中应用。4频率特性法在系统校正中的应用。5反馈校正和复合校正。第七章 非线性控制系统分析 1非线性系统的基本概念。非线性系统的定义、特点；本质非线性和非本质非线性；典型非线性特性的数学描述、实例及对控制系统性能的影响。2用描述函数法分析非线性系统。谐波线性化及描述函数的定义、求取方法；典型非线性特性的描述函数；非线性系统的一般结构；判别非线性系统的稳定性。3用相平面法分析非线性系统。绘制相轨迹的方法；奇点和极限环定义；由相轨迹分析系统的暂态响应、运动特性。第八章 采样控制系统的分析

7、与校正1采样过程与采样定理。采样系统的定义；采样信号的形成；采样定理；零阶和一阶保持器。2采样控制系统的数学模型。差分方程；Z变换及Z反变换；开环、闭环脉冲传递函数。3采样控制系统的稳定性。稳定的概念与定义；双线性变换；劳斯稳定判据；根轨迹法及频率特性法的应用。4采样控制系统的动、稳态性能分析。5采样控制系统的校正。（二）基本要求1、绪论 掌握自动控制系统的基本概念、术语，了解自动控制系统的组成和分类。 掌握自动控制系统的基本控制方式（开环、闭环（反馈）控制、复合控制）及特点。 了解对自动控制系统的基本要求。 了解自动控制系统的定性分析方法。 了解本门课程的意义与作用。2、控制系统的数学模型

8、一般了解数学模型的概念、表达方式，建模的方法。 掌握一般物理系统的微分方程式建立。 熟练掌握传递函数的概念、求法及典型环节的传递函数。 熟练掌握控制系统方框图的化简方法、用梅逊公式求取系统等效传递函数。3、线性系统的时域分析 了解线性定常系统的时域响应的组成，熟悉控制系统暂态响应性能指标的定义。 重点掌握一、二阶系统的阶跃响应分析、性能指标及其与系统极点、系统参数之间的关系。 一般了解高阶系统的暂态响应和闭环主导极点的概念。 掌握线性定常系统稳定性的概念、稳定的充要条件。重点掌握Routh判据的应用。 掌握稳态误差的概念、系统的型别、误差级数的计算。重点掌握稳态误差终值的计算及减小稳态误差的方

9、法。4、根轨迹法 了解根轨迹的概念。熟练掌握根轨迹方程。 重点掌握绘制1800根轨迹的基本条件和基本规则。 熟练掌握参数根轨迹与00根轨迹的绘制。了解迟后系统根轨迹。 重点掌握根轨迹与系统各项性能指标的关系。5、频率特性法 熟练掌握频率特性的概念。 重点掌握系统开环频率特性（Nyquist图和Bode图）的绘制。 重点掌握乃奎斯特稳定判据。 了解最小相位系统的概念。 重点掌握利用实测开环对数幅频特性确定最小相位系统开环传递函数的方法。 重点掌握控制系统相角裕度、幅值裕度的基本定义、概念及计算方法。 了解闭环幅频特性的概念及其频域性能指标。 一般了解频域指标与时域指标间的关系。6线性反馈系统的校

10、正 熟练掌握控制系统校正的概念、校正的实质、校正的形式。 熟练掌握串联相位超前校正、相位滞后校正、相位滞后-超前校正装置及特性。 了解用根轨迹法确定串联校正装置参数的方法。掌握用频率特性法确定串联校正装置参数的方法。 掌握反馈校正、前馈校正及复合控制的基本思想。7. 非线性控制系统分析 掌握非线性系统的基本概念、非线性系统与线性系统的差别及实质。了解非线性的数学描述、分类、特点、研究方法。 掌握描述函数的概念、几种典型非线性特性的描述函数。 重点掌握用描述函数分析非线性系统稳定性的方法、判别自激振荡存在的条件。 掌握相平面的基本概念：相平面、相轨迹，平衡点、奇点、极限环。熟练掌握绘制相轨迹的方

11、法，用相轨迹分析非线性系统的运动及极限环判断。8. 采样控制系统的分析与校正 掌握采样控制系统的基本概念、采样过程，熟练掌握采样定理的内容和零阶保持器的概念及传递函数。 重点掌握Z变换和Z反变换的计算方法。 重点掌握求取脉冲传递函数的方法。掌握采样控制系统的动、稳态性能分析、求解的方法。 重点掌握采样系统的稳定性分析（利用双线性变换及劳斯判据）。 掌握采样控制系统的最少拍设计方法。四、实验实验以学习控制系统的基本实验方法和培养测试、分析、设计能力为主，验证性的内容为辅。实验教学时数为10学时。1典型环节的模拟研究（2学时），必做。重点了解典型一、二阶系统的电网络构成、时域响应特征。线性系统的校

12、正（2学时），必做。对于给定的数学模型设计超前、迟后、迟后超前校正网络。非线性系统的研究（2学时），必做。研究具有典型非线性环节系统的时域响应特征。采样系统的研究（2学时），必做。研究采样控制系统的时域响应特征。控制系统的数字仿真（学时），选做。五、习题和习题课的要求为帮助学生理解和巩固本课程的基本概念、理论与基本分析、设计方法，从巩固基础和提高能力方面安排习题，除第一章外每章习题数不少于10题，总习题量不少于80题。 六、教学方式与考核方式本门课程以理论教学为主，辅之以实验教学。实行教考分离，以笔试成绩为主，适当考虑实验及作业情况。七、学时分配章次一二三四五六七八理论教学时数学时391081

13、28101070八、几点说明1、教学建议与教学方法自动控制的理论和技术已应用于工业、经济、武备等各领域。本课程的学习不仅直接影响到续专业课程的学习，而且对学生将来的工作和进一步深造产生重要影响。在教学中采用启发式教学方法，注重培养学生的思维能力、学习能力。根据本课程的主线（系统的稳定性），讲透重点内容，其余内容引导学生自学。由于本课程所涉及到的数学知识几乎包括了先修的全部数学内容（如微积分、积分变换、复变函数、矩阵和线性代数等）以及先修的物理学、多门电学专业基础课的内容，因此培养学生的自学能力尤为重要。每次提前布置12个典型习题让同学课前预习、思考，使之带着问题听课。本课程总体来说较为抽象、枯

14、燥，教学中结合一些简单的实际物理模型、工程实例和典型例题，帮助学生增加感性认识，以加深对基本理论的理解。必须保证有足够的习题量，以帮助学生提高分析问题、解决问题的能力。实验教学中要求学生根据实验内容完成预习报告。在实验的安排次序上由简单到复杂，由验证性实验到设计性实验，最后进行综合性实验，加强学生解决实际问题和创造能力的培养。部分实验内容采用控制系统辅助分析和设计软件MATLAB完成。为引导学生全面发展，科学评价学生的学习效果，使学习成绩的评定真正起到教育激励、反馈调控、培养督导等作用，考核形式包括平时作业完成情况、实验完成情况、期中考试、期末考试等。考试内容包括课程的基础理论、基本知识、基本

15、技能以及在融会贯通基础上分析问题、解决问题的能力及综合素质。2、推荐教材和主要参考书（1）胡寿松主编，自动控制原理（第四版）北京：科学出版社，2002。（2）夏德鈐，自动控制理论北京：机械工程出版社，1993。（3）李友善，自动控制原理（修订版）北京：国防工业出版社，1989。（4）绪方胜彦著，卢伯英译现代控制工程北京：科学出版社，1979。（5）蔡尚峰，自动控制原理北京：机械工业出版社，1980。（6）吴 麒，自动控制原理北京：清华大学出版社，1990。（7）Morris Driels 主编，Linear Control System Engineering，McGraw-Hill和清华大学出版社联合出版。（8）杨自厚主编，自动控