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1、自动控制技术课程标准课程编码：B020107 课程类别：专业基础课适用专业：电气、自动化、电子、测控 授课单位：电气与电子系学时：56 编写执笔人及编写日期：自控课题组 2015.1学分：3.5 审定负责人及审定日期：张宝树 2015.1课程定位和课程设计.课程性质与作用课程的性质 本课程是自动化（类）专业的专业基础课程，必修课，在第3或第4学期开设。（电气自动化专业在第4学期开设，其他专业在第3学期开设）课程的作用 通过本课程的教学，使学生理解自动控制系统基本概念，掌握自动控制系统的数学模型建立的基本方法，掌握自动控制系统性能分析的基本方法，熟悉自动控制系统控制器（尤其是PID控制器）参数调
2、节的方法，突出实践性、工程性和应用性，为后续的相关专业课程学习打下基础，为学生学习和掌握自动控制系统安装、调试、运行和维护等方面的知识和技能及就业打下基础。课程衔接 在课程体系中，前导课程有高等数学、物理实验、电工技术、电机拖动与电机维修、模拟电子技术等课程，需要学生具备工程数学，电路等方面知识和技能；后续课程有交直流调速系统运行与维护、PLC应用技术、计算机控制技术、自动化仪表及装置、过程控制工程以及毕业实践等课程。 1.2课程设计理念与思路本课程设计理念是：（1）培养理念，够用为度以应用型人才的能力培养为目标，综合考虑与专业相关的岗位需求、前期知识与后续课程内容上的相互衔接，以够用为根本，
3、注重基本理念的熏陶，基本方法应用，是确定课程教学内容的主要依据。（2）阐明抽象理论和具体对象的对应关系，注重结论的应用在课程教学过程中，着重于理论知识的物理概念表达，让学生理解理论知识的来源，缘由以及如何应用，以自动控制系统的分析方法作为系统分析的工具，结合工程实际，使学生理解所学的知识在工程上的应用，是教学的要求。通过以上课程设计理念的分析，采取如下课程设计的思路：（1）在教学过程中，注重对原有基本知识的复习、运用及综合，进一步完善自动控制技术的基础知识链条，分析定性和定量之间的关系，让学生明白，一是要想透彻地描述和解决问题，用数学表达式描述被研究对象是先决条件。二是所有能称之为学科的自然科
4、学都是在从定性描述到定量分析的过程中产生的。要想用控制器（模拟或数字）代替人实现自动控制，人就必须先要用数学语言描述控制对象，再用数学工具揭示出控制系统的运行规律，才有可能让机器完成控制任务，自动控制技术解决的就是这方面的问题。（2）针对教学中的理论知识，将实物装置，仿真技术引入课堂，理论讲授与实验、仿真演示相结合，具体化理论知识的物理含义及物理过程的描述。（3）重视实践教学环节，以培养学生职业能力为根本原则，包括课堂教学实物演示实验，MATLAB仿真实验，课下的验证性模拟电路实验，实物实验及仿真设计练习。（4）将一自动控制系统实物引入课堂，贯穿课程始终，形成课程学习的主线，以此自动控制系统为
5、平台，与课程的所有授课内容一一对应，达到理论与实践的融合。同时也为后续相关专业课程打下坚实的基础。2、课程目标2.1总体目标通过本课程的学习，使学生理解自动控制技术的基本理论和概念，培养学生应用控制理论知识分析、解决实际问题的能力。2.2具体目标知识目标 （1）能够根据传递函数分析自动控制系统的稳定性、快速性、准确性等性能指标；能够根据自动控制系统的性能指标要求，设计超前、滞后校正环节；（2）理解PID控制的基本思想，能够分析PID控制参数对自动控制系统的性能指标的影响。为后续课程过程控制工程、自动化仪表装置打下理论基础。（3）进一步加强前导课程电工基础、模拟电子技术中相关内容（二阶电路、滤波
6、电路、反馈放大电路等）的理解。能力目标 初步具备利用自动控制技术的理论知识分析、解决实际问题的能力。素质目标 通过自动控制技术课程的学习，达到以下素质培养目标：（1） 理解理论来源于实践，反过来又指导实践的思想；（2） 理解由定性分析问题上升到定量分析问题，两者之间在高度和方法上的差异；（3） 体会借助数学工具进行定量分析过程的严谨性、抽象性；（4） 培养学生严谨务实的学习态度，激发学生求知、探索的欲望，提高专业素养和对实际工程问题的认知高度。3、课程内容与要求及教学方法单元一 自动控制系统基本知识 6学时教学内容与要求：要求了解自动控制技术课程能做什么、怎么做，了解自动控制系统的基本概念，掌
7、握自动控制系统的组成、分类及性能指标；理解一些简单自动控制系统的基本构成及控制方式。重点：自动控制技术的任务，自动控制系统的组成、分类及性能指标难点：自动控制技术的任务，自动控制系统的控制方式、分类及性能指标。教学方法建议：1.本章内容重点在于如何使学生对自动控制系统建立感性认识，进而启发学生提出问题，思考问题，激发学生的学习欲望。建议通过一阶水位控制系统或一阶倒立摆、两轮自平衡小车等实物平台，采用引导式、启发式、问题教学法等展开教学内容。2，建议通过演示实验使学生从定性角度理解自动控制系统的组成、控制方式、性能指标等含义，并由此引申出性能指标如何计算的问题，即在定性分析之后，引申出“必须上升
8、到用数学语言描述控制系统，才能借助数学工具从本质上揭示出控制系统的内在规律”这一重要结论，这也是本课程解决问题的思路，为下一单元做好铺垫。单元二 控制系统数学模型 10学时教学内容与要求：要求掌握自动控制系统微分方程、传递函数、动态结构图的建立方法，结构图的等效变换规则及闭环系统传递函数的求取方法，理解典型环节的传递函数及其特性，了解典型环节（比例、积分、微分、惯性、二阶振荡）的单位阶跃响应特性及各典型环节对自动系统性能的影响。重点：自动控制系统微分方程、传递函数、动态结构图建立方法和动态结构图的等效变换难点：自动控制系统微分方程、传递函数、动态结构图建立方法，典型环节的特性。教学方法建议：1
9、.本章的教学重点是如何用数学方法去表示一个系统，即借助数学工具从定量的角度去揭示控制系统的内在规律。采用问题教学法，通过实物平台控制演示和视频演示，教师设计，引导和启发学生发现和提出问题：如何提高自动控制系统的性能？由此展开讨论。2.要解决这个问题，必须要分析当前自动控制系统的性能，即从定量上分析自动控制系统，则需要用数学语言描述自动控制系统，从而引入本单元的教学内容，三种数学模型（微分方程、传递函数、动态结构图）的建立方法。通过对比法，比较三种数学模型之间的优缺点及应用场合。3.提出问题：如何求解微分方程？引出利用拉普拉斯变换求解微分方程的方法，淡化拉氏变换本身的含义，强调应用该方法可以解决
10、微分方程的求解问题即可。4.应用所学知识（物理，电工，数学等）建立实物平台的数学模型，并求解。在教学过程中，可通过动画演示，MATLAB仿真等手段加深学生对这三种数学模型的理解。单元三 时域分析法 18学时教学内容与要求：要求掌握自动控制系统暂态性能、稳定性、稳态性能的分析方法和一阶、二阶系统的时域分析方法；掌握一阶、二阶系统性能指标的计算方法。了解改善一阶、二阶系统性能的措施，了解PID控制器的概念。完成实验二（一阶系统性能分析）、实验三（二阶系统性能分析）、实验四（自动控制系统稳定性分析）。重点：一阶系统、二阶系统的时域分析方法，自动控制系统的稳态误差计算及稳定性分析。难点：二阶系统的时域
11、分析方法，自动控制系统稳态性能的分析方法。教学方法建议：1.采用任务驱动法，分析上一单元提出的问题：如何提高自动控制系统的性能？上一单元完成了解决了这个问题的第一步，即用数学模型描述自动控制系统。第二步就是利用数学模型计算出自动控制系统的性能指标，从而导入本单元的教学内容：时域分析法。2.结合工程实例，采用动画演示、MATLAB仿真等手段分析实际工程中最常见的两大类系统，一阶系统、二阶系统的特点，计算一阶系统、二阶系统的性能指标，通过实验二、实验三加深对一阶、二阶系统的理解。3.采用引导式教学，当计算出来的性能指标不能够满足工程要求时，就需要提高自动控制系统的性能。而提高自动控制系统性能的前提
12、是要保证系统的稳定工作，导入系统稳定性的概念及判断系统稳定性的数学方法：劳斯判据，并通过实验四加深对系统稳定性的概念和重要性的理解。4. 通过对实物平台的控制，提出改善一阶、二阶系统性能的措施及PID控制器的概念，利用MATLAB仿真分析PID控制器对自动控制系统性能的影响，为单元五的教学埋下伏笔，同时也为后续相关专业课程的学习打下基础。单元四 频率法 16学时教学内容与要求：要求掌握频率特性的基本概念、典型环节频率表示方法、自动控制系统的频率特性的表示方法，并会利用自动控制系统的开环系统频率特性分析系统的闭环稳定性、暂态性能及稳态性能的方法。了解二阶系统闭环频率指标与时域指标之间的关系。完成
13、实验五（控制系统的频率特性）。重点：自动控制系统频率特性的表示方法，奈奎斯特稳定性判据，稳定裕量的计算方法。难点：自动控制系统频率特性的表示方法，奈奎斯特稳定性判据，稳定裕量的计算方法。教学方法建议：1.本章是一种实用性很强的控制系统分析方法，也是本课程难度较大的章节。因此，教学中建议重视分析频率法的由来，物理含义、特点及方法应用。采用问题教学法和案例教学法，提出问题：高阶系统的时域分析如何进行？启发学生发现时域分析法的缺点，导入频率法的概念，并通过对比法，比较两种方法的优缺点及应用场合。2.采用讲授法，动画演示、MATLAB仿真解释频率法的由来和物理意义，通过实验五，使学生加深对频率法的理解
14、。3.采用讲授法，仿真演示，分析各典型环节频率特性的表示方法和系统的开环频率特性的表示方法，根据系统的频率特性分析系统的性能指标的计算方法4.采用对比法，将频率法和时域分析法计算的系统性能指标进行对比，揭示两类指标之间的关系。采用频率法对实物平台进行分析和计算，并将结果与时域分析法的结构进行比较，使学生加深对频率法的理解。5.在教学过程中，对于频率法的两种图形表示方法以及奈奎斯特稳定性判据的讲授，建议要简化方法的推导，注重方法的应用。单元五 控制系统校正 6学时教学内容与要求：要求掌握自动控制系统校正的基本概念，串联校正装置的校正原理及参数计算方法。了解自动控制系统的工程设计方法。完成实验六（
15、系统校正）。重点：串联校正装置的校正原理及参数计算方法难点：串联校正装置的校正原理及参数计算方法教学方法建议：1.采用问题教学法，分析单元二提出的问题：如何提高自动控制系统的性能？单元二，单元三和单元四完成了两步工作，计算了自动控制系统的性能指标，当系统的性能指标不满足实际工作要求时，就需要采用一定的方法提高系统的性能指标，导入自动控制系统校正的基本概念及工程中常用的校正方法：串联校正。2.其次，通过讲授法，仿真演示，重点分析串联校正装置的校正原理和参数计算方法，采用对比法，比较几种串联校正方法的优缺点及应用场合，通过动画演示、MATLAB仿真和实验加深对校正的理解。3.为实物平台设计控制器，实现对实物平台的良好控制，为后续相关的专业课程的学习打下基础。表1：课时分配表（含实验项目）序号单元名称总学时学时分配备注1自动控制系统基础知识6自动控制技术课程介绍，自动控制的基本概念2控制系统的控制方式及分类2控制系统的性能指标自动控制技术的发展历史及前景实验一 水位控制系统初识22控制系统数学模型
