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1、自动控制原理课程教学大纲山东农业工程学院制定（修订）单位：机械电子工程系 制定（修订）时间： 2015年8月 课程中文名称：自动控制原理课程英文名称：Theory of Automatic Control课程代码： 学 时 数： 64学时学 分 数： 4学分 先修课程： 高等数学、电路分析、电子技术基础适用专业： 电气自动化、通信技术 一、课程的性质和任务1.课程性质自动控制原理课程是机械电子工程、电气工程及其自动化的专业基础课，是电气自动化的专业必修课，是通信技术的专业选修课。2.课程任务通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基础理论，并具有对简单连续系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能
2、力，为专业课学习和参加实践打下必要的基础。学生将掌握自动控制系统分析与设计等方面的基本方法，如控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法等基本方法等。为各类计算机控制系统设计打好基础。二、本课程与其他课程的联系与分工本课程的先修课程主要有高等数学、复变函数与积分变换、模拟电子基础和电路分析等。本课程的很多内容都与电子技术基础、信号与系统有联系，是主要后续课程之一。该课程是电气和通信专业最重要的专业基础课之一，也是其他专业的选修课程，学习一定要紧密结合工程背景，通过多练习有助于学生掌握课程内容，希望每章后多布置习题给同学们练习。三、课程教学内容第一章 绪论教学目的与要求：掌握自动控制系统组成
3、结构和基本要素，理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求，了解一些实际自动控制系统的控制原理。掌握基本概念：自动控制、反馈、控制系统的构成。要求初步了解如何由系统原理图形成系统的原理方块图及判别控制方式的方法。要求初步了解本门课程的意义与作用。教学重点与难点： 重点：基本控制方式及特点；对控制系统性能的基本要求难点：建立元件方块图的方法；自动控制系统实例第一节开环控制和闭环控制一、开环控制二、闭环控制第二节自控系统的组成及术语一、系统组成：（1）被控对象 （2）控制器 （3）放大变换 （4）校正装置（5）反馈环节 （6）给定环节二、系统信号：（1）输入信号 （2）输出信号 （3）反馈信号
4、（4）偏差信号（5）误差信号 （6）扰动信号第三节自控系统的类型一、信号流向二、输入信号三、系统分类：1、线性系统和非线性系统2、定常系统和时变系统3、连续系统和离散系统4、单输入单输出系统和多输入多输出系统第四节自控系统性能基本要求一、衡量尺度1、稳定性2、稳态精度3、动态过程第五节自控课程的主要任务一、任务1、系统分析2、系统综合3、采用方法二、典型输入信号1、阶跃信号2、斜坡函数3、抛物线函数4、脉冲函数5、正弦函数第二章 自动控制系统的数学模型教学目的与要求：掌握传递函数及动态结构图的概念、意义、求取方法和简化方法；理解自动控制系统的建模方法和步骤；了解非线性微分方程的线性化方法。掌握
5、基本概念：传递函数及动态结构图。 掌握求传递函数基本方法：结构图的变换。教学重点与难点： 重点：典型环节及其传递函数；信流图和梅森公式难点：拉氏变换；小偏差线性化第一节线性系统的微分方程一、建立系统的微分方程二、相似系统和线性系统第二节微分方程的线性化一、线性化条件二、线性化方法三、注意事项第三节传递函数一、传递函数的概念二、传递函数的特点（性质）三、典型环节的传递函数1、比例环节2、惯性环节3、积分环节4、微分环节5、二阶震荡环节（二阶惯性环节）6、延迟环节（迟滞环节）第四节方框图一、方框图（动态结构图）二、系统方框图的构成三、环节间的连接1、串联2、并联3、反馈四、方框图的变换和化简第五节
6、信号流图一、信号流图的概念二、系统信号流图的绘制步骤三、信号流图的定义和术语四、信号流图的性质五、信号流图的化简六、信号流图的增益公式（梅森公式）七、课程实验（一） MATLAB的基本操作掌握MATLAB的基本使用方法，使用步骤，虚拟仪器的使用方法。用MATLAB处理系统的数学模型，拉氏变换，反变换，多项式运算，微分方程的求解，传递函数及结构图的串并联与反馈的仿真方法（二）本实验课程涉及的主要仪器设备（或场所设施）嵌入式实验室MATLAB仿真软件（三）本实验课程的实验内容（1）控制系统的模型描述：传递函数模型、零极点模型、系统状态空间模型（2）模型转换（3）系统连接：并联、串联、反馈（4）综合
7、应用：结构图化简及其闭环传递函数的求取第三章 控制系统的时域分析教学目的与要求：掌握系统微分方程的拉普拉斯变换解法及判定系统稳定性赫尔维茨判据、林纳德判据、劳思判据，理解针对一阶和二阶系统的分析计算以及稳态误差的分析计算，了解改善系统响应的措施。掌握基本概念：典型响应、渐近稳定性及时域性能指标、稳态误差。教学重点与难点： 重点：一、二阶系统的时间响应；稳定性概念；稳态误差难点：稳态误差的分析和计算第一节线性定常系统的时域响应一、基本概念第二节控制系统时域响应的性能指标一、稳态性能指标1、稳态响应过程2、稳态误差二、动态性能指标（1）上升时间（2）峰值时间（3）最大超调量（4）调整时间（5）震荡
8、次数第三节线性定常系统的稳定性一、稳定性的概念1、系统的初始状态2、稳定性的定义二、线性定常系统稳定的充分必要条件三、劳斯判据1、代数判据2、特别说明四、赫尔维茨判据五、参数系统对稳定性的影响六、相对稳定性和稳定裕量第四节系统的稳态误差一、误差及稳态误差的的定义1、输入端定义2、输出端定义二、稳态误差的分析三、稳态误差的计算1、给定信号作用下的计算2、扰动信号作用下的计算3、给定信号和扰动信号同时作用下的计算四、应用静态误差系数计算给定信号作用下的稳态误差1、系统的类型2、静态位置误差系数3、静态速度误差系数4、静态加速度误差系数五、改善系统稳态精度的途径第五节一阶系统的时域响应一、数学模型（
9、一阶惯性环节）二、单位阶跃响应三、性能指标1、调整时间2、稳态误差3、超调量四、一阶系统的单位脉冲响应第六节二阶系统的时域响应一、二阶系统的数学模型二、二阶系统的工作状态（1）欠阻尼状态（2）临界阻尼状态（3）过阻尼状态（4）无阻尼状态三、典型二阶系统的性能指标1、快速性能指标（1）上升时间（2）峰值时间（3）调整时间2、相对稳定性能指标（1）最大超调量（2）震荡次数四、课程实验（一） 基于MATLAB的时域分析应用软件进行系统的输出响应及性能分析，稳定性分析，误差分析（二）本实验课程涉及的主要仪器设备（或场所设施）嵌入式实验室MATLAB仿真软件（三）本实验课程的实验内容（1）稳定性分析（2
10、）动态性能分析：单位脉冲响应、单位阶跃响应、任意输入响应、零输入响应（3）综合应用（系统时域动态性能分析）第四章 根轨迹分析法教学目的与要求：掌握根轨迹概念、闭环零极点与开环零极点的关系，理解绘制根轨迹的基本法则及其应用，了解系统闭环零极点分布与阶跃响应的关系。掌握基本概念：根轨迹、零极点、主导极点、偶极子。掌握基本方法：根轨迹草图的绘制。掌握基本规律：根轨迹方程及其应用；零极点分布与阶跃响应的关系。教学重点与难点： 重点：根轨迹的概念、原理、绘制法则难点：利用根轨迹对系统性能的分析第一节根轨迹与根轨迹方程一、基本概念二、根轨迹方程第二节绘制根轨迹的基本条件一、绘制依据二、对根轨迹的说明第三节
11、绘制根轨迹的规则和方法一、绘制规则与方法1、规则一：根轨迹的起点和终点2、规则二：根轨迹的分支数、对称性和连续性3、规则三：实轴上的根轨迹4、规则四：根轨迹的渐近线5、规则五：根轨迹的分离点6、规则六：根轨迹与虚轴的交点（1）闭环特征方程求交点（2）劳斯稳定判据求交点7、规则七:根轨迹的起始角和终止角8、规则八：根之和第四节控制系统根轨迹的性能分析一、开环零极点对根轨迹的影响1、增加开环零点对根轨迹的影响2、增加开环零点对控制系统的影响二、闭环零极点与阶跃响应关系三、利用根轨迹确定系统参数四、利用根轨迹分析系统的动态性能五、课程实验（一）基于MATLAB的根轨迹分析应用MATLAB软件命令得到
12、连续的单输入单输出的根轨迹，系统分析者可以方便的描绘出根轨迹图形。（二）本实验课程涉及的主要仪器设备（或场所设施）嵌入式实验室MATLAB仿真软件 （三）本实验课程的实验内容（1）绘制零极点分布图（2）绘制根轨迹图（3）综合应用（系统性能复域分析）第五章 控制系统的频域分析教学目的与要求：掌握系统频率特性概念、一些典型环节的频率特性以及系统开环频率特性曲线的绘制方法，并掌握频率稳定性判据。理解稳定欲度以及系统闭环、开环频率特性与阶跃响应的关系。掌握基本概念：频率特性、峰值、频带、截止频率、稳定裕度、三频段。掌握基本方法、环节及开环系统对数频率特性曲线的绘制、稳定性的判别及裕度的计算。掌握基本原
13、理：稳定判据、频率特性和时域响应的关系。要明确单反馈的最小相位与非最小相位在计算中的差别。教学重点与难点： 重点：频率特性的概念；典型环节频率特性；开环频率特性Nyquist图和Bode图的绘制。难点：奈奎斯特稳定判据第一节频率特性一、频率特性的概述二、频率特性的求取第二节典型环节的频率特性一、概述1、极坐标图（幅相曲线或奈奎斯特图）2、对数频率特性曲线（伯德图）二、典型环节的频率特性1、积分环节2、惯性环节3、微分环节4、比例环节5、一阶微分环节第三节系统的开环频率特性一、系统的开环对数频率特性二、系统开环极坐标图（奈氏图）三、最小相位和非最小相位系统第四节奈奎斯特稳定判据及稳定裕量一、开环
14、频率特性和闭环特征式的关系二、奈奎斯特稳定判据三、对数判断依据四、系统稳定裕量（1）相位裕量（2）增益裕量第五节用开环频率特性分析系统的性能一、系统开环对数频率特性与闭环稳定性的关系二、系统开环对数频率特性与闭环稳态误差的关系1、0型系统2、I型系统3、II型系统三、开环对数频率特性与系统时域性能之间的关系1、伯德图的对数幅频特性曲线中频段与系统动态性能的关系2、频域性能指标与时域性能指标的定量关系（1）相位裕量与超调量之间的定量关系（2）相位裕量与调整时间之间的定量关系3、开环频率特性的高频段对系统性能的影响四、课程实验（一） 基于MATLAB的频域分析应用MATLAB软件进行频率特性图的绘制，幅值和相位裕量的求解。（二）本实验课程涉及的主要仪器设备（或场所设施）嵌入式实验室MATLAB仿真软件（三）本实验课程的实验内容（1）伯德图（2）奈奎斯特图（3）综合运用（系统稳定性的频域分析）第六章 控制系统的综合与校正教学目的与要求：理解系统校正和设计概念，掌握系统校正的基本方式和方法。掌握基本概念：串联(超前、
