自动控制原理教学大纲(电子信息

1、自动控制原理课程教学大纲课程编码： 课程类型：专业课 总学时：68 学分：4第一部分 相关说明一、课程的性质和任务自动控制原理是电子信息工程、电气工程及其自动化等专业设置的一门主干专业课。本课程适用于招收普通高中毕业生，学制四年的本科应用型学生的学习。本课程主要阐述经典控制理论的有关基本概念、基本原理、基本分析方法、设计校正和工程设计方法。其教学任务是使学生掌握自动控制系统的基本概念和自动控制系统分析、设计(校正)的基本方法，初步掌握分析调试、设计系统技能，学会运用 MATLAB 进行控制系统辅助分析设计的方法，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。学习自动控制原理

2、的基本内容，包括自动控制系统的基本概念、自动控制系统的数学模型、时域分析法、根轨迹分析法、频率分析法、自动控制系统的综合与校正、离散控制系统、状态空间分析法以及基于MATLAB的控制系统分析。二、课程的基本要求1、基本要求学生通过本课程的学习应掌握通过传递函数设计、分析控制系统，熟悉各种典型环节、典型输入的特性及图形特点，并能根据各种典型环节的串联、并联分析其时域、频域、稳定性、灵敏度、误差等性能。2、提高性要求学生应掌握在控制系统的串联、并联校正设计的基础上，进行控制系统的工程设计以及线性离散性控制系统的知识。3、技能性要求能够按系统设计要求画出系统方框图，并根据传递函数进行系统的设计和各种

3、性能分析。三、教学方法与重点、难点教学方法：针对本课程学时少，内容多，技术发展快，实践性强等的特点，应采取探讨式和启发式教学；教学过程以课堂采用多媒体开展教学。重点：根据传递函数进行系统的设计和各种性能分析。难点：控制系统的工程设计以及线性离散性控制系统的知识。四、本课程与相关课程的联系本课程内容涉及到高等数学、物理、电工基础、电子技术基础、信号与系统、电机学和半导体变流技术等多门先修课程的基础知识。本课程的后续课为现代控制理论，计算机控制系统，工业过程控制等，本课程为其提供所必须的系统分析、设计的基本理论和基本方法。为学生毕业后从事自动控制的运用与设计打下较扎实的基础。五、学时分配总学时：6

4、8学时，其中理论教学时数为58学时，实验教学时数为10学时。章（节）内容讲课学时实验学时总学时第1章 绪论44第2章 控制系统的数学模型12214第3章 时域分析法628第4章 根轨迹分析法88第5章 频域分析法10212第6章 自动控制系统的综合与校正426第7章 离散控制系统426第8章 状态空间分析法44第9章 基于MATLAB的控制系统分析44复习22合 计581068六、考核方式1、考核方式：笔试（闭卷）2、成绩评定：平时成绩（测验及作业等）占30%，期末考试成绩占70%。七、教材与参考书1、使用教材：李明富主编自动控制原理（第二版），北京,人民邮电出版社，2008.3。2、主要参考

5、书：（1）温希东 主编自动控制原理及其应用 ，西安电子科技大学出版社 ， 2004.7（2） 孔凡才 编著 自动控制原理与系统（第三版），机械工业出版社，2005.7（3） 赵四化主编自动控制原理 ，西安电子科技大学出版社 ，2004.7第二部分 课程内容第一章 绪论（4学时)一、本章的教学目的和要求了解自动控制的基本概念了解自动控制理论的发展应用状况；掌握自动控制系统的类型，组成；熟悉自动控制系统的类型。教学重点：自动控制系统的基本概念。教学难点：自动控制系统的分类。二、教学内容1、自动控制技术中的基本控制方式2、自动控制的组成3、自动控制系统的分类4、自动控制系统的基本要求及本课程的性质和

6、任务第二章 控制系统的数学模型（14学时）一、本章的教学目的和要求了解自动控制系统数学模型的基本概念；掌握数学模型的建立方法；熟练掌握用微分方程、传递函数、动态结构图和信号流程图表征控制系统的基本方法；熟悉掌握各种模型表达形式之间的相互转换关系。教学重点：动态结构图的绘制，建模分析，各种模型表达形式之间的相互转换。教学难点：控制数学模型的建立。二、教学内容1、微分方程2、LAPLACE变换基础3、传递函数4、典型环节及传递函数5、动态结构图6、动态结构图的等效变换7、自动控制系统的传递函数8、【实验一：MATLAB软件的使用实验】实验项目简介：该实验为学生必做的、验证型实验。该实验主要是MAT

7、LAB语言环境的安装、配置及MATLAB软件安装与汉化，并通过编写一个简单的MATLAB程序达到初识MATLAB语言的教学目标实验目的：掌握MATLAB软件操作指令。实验学时：2学时实验内容：操作不同指令，熟悉MATLAB软件的格式操作。实验方式与注意事项：语言的输入格式及操作符。实验预期效果：熟悉了解MATLAB软件的应用。第三章 时域分析法（8学时）一、本章的教学目的和要求了解典型输入信号的作用，明确自动控制系统的时域指标；掌握一阶、二阶系统的响应形式，稳态误差的概念和计算方法；熟悉分析判定系统稳定的条件、稳定判据及其应用。教学重点：线性定常系统的稳定性，稳定判据的应用，一阶系统的时域分析

8、。教学难点：稳态误差的计算。二、教学内容1、典型输入信号2、阶跃响应的性能指标3、一阶系统的时域分析4、二阶系统的时域分析5、线性定常系统的稳定性6、 稳态误差计算7、【实验二：MATLAB进行时域分析实验】实验项目简介：该实验为学生必做的、验证型实验。线性系统稳定的充要条件是系统的特征根均位于S平面的左半部分。系统的零极点模型可以直接被用来判断系统的稳定性。另外，MATLAB语言中提供了有关多项式的操作函数，也可以用于系统的分析和计算。实验目的：通过MATLAB软件的运行，快速分析系统的稳定性。实验学时：2学时实验内容：由下面的MATLAB命令得出。 p=1,0,3,2,1,1; v=roo

9、ts(p)结果显示：v = 0.3202 + 1.7042i 0.3202 - 1.7042i -0.7209 0.0402 + 0.6780i 0.0402 - 0.6780i利用多项式求根函数roots(),可以很方便的求出系统的零点和极点，然后根据零极点分析系统稳定性和其它性能。实验方式与注意事项：语言的输入格式及操作符。实验预期效果：掌握理解系统的时域响应。第四章 根轨迹分析法（8学时）一、本章的教学目的和要求了解根轨迹法、零极点、主导极点的基本概念；掌握运用根轨迹法则绘制根轨迹草图，掌握参数根轨迹绘制方法；熟悉运用根轨迹分析系统的暂态响应，熟悉闭环特征根的位置与系统性能的关系。教学重

10、点：根轨迹法则绘制根轨迹草图，运用根轨迹分析系统的性能分析。教学难点：绘制根轨迹的规则和方法及性能分析。二、教学内容1、根轨迹与根轨迹方程2、绘制根轨迹的基本条件3、绘制根轨迹的规则和方法4、控制根轨迹的性能分析5、应用MATLAB绘制根轨迹第五章 频域分析法（12学时）一、本章的教学目的和要求了解频率特性、峰值、频带、截止频率、稳定裕量、三频段等概念；掌握典型环节的频率特性，系统开环频率特性的绘制、表达方法；熟悉运用奈奎斯特稳定判据判定系统的稳定性。教学重点：系统开环频率特性的绘制、表达方法，奈奎斯特稳定判据判定系统的稳定性，稳定裕度的概念，相角裕量和幅值裕量的求取。教学难点：奈奎斯特的绘制

11、，开环截止角频率的求取。二、教学内容1、频率特性基本概念2、典型环节频率特性3、系统的开环频率特性绘制4、奈奎斯特稳定判断依据及稳定裕量5、用开环频率特性分析系统的性能6、【实验三：利用MATLAB绘制系统根轨迹实验】实验项目简介：该实验为学生必做的、验证型实验。参数根轨迹反映了闭环根与开环增益K的关系，掌握轨迹的曲线。实验目的：掌握参数变化，根轨迹的曲线变化情况。实验学时：2学时实验内容：已知系统的开环传递函数模型为：利用下面的MATLAB命令可容易地验证出系统的根轨迹如图16所示。 G=tf(1,conv(1,1,1,2),0); rlocus(G); grid title(Root_Lo

12、cus Plot of G(s)=K/s(s+1)(s+2) xlabel(Real Axis)% 给图形中的横坐标命名。 ylabel(Imag Axis) % 给图形中的纵坐标命名。 K,P=rlocfind(G)用鼠标点击根轨迹上与虚轴相交的点，在命令窗口中可发现如下结果select_point=0.0000+1.3921i K=5.8142 p=-2.29830-0.0085+1.3961i-0.0085-1.3961i所以，要想使此闭环系统稳定，其增益范围应为0K hold off;% 擦掉图形窗口中原有的曲线。图 系统的根轨迹 t=0:0.2:15; Y= ; for K=0.1:

13、0.1:1,2:5GK=feedback(K*G,1);y=step(GK,t);Y=Y,y; endplot(t,Y)实验预期效果：通过对测量数据的处理，提高对对万用表、电流表等仪器的正确连接及其使用。第六章 自动控制系统的综合与校正（6学时）一、本章的教学目的和要求了解校正的目的，校正与设计的基本概念；掌握串联（超前、滞后、滞后超前）、反馈及复合校正的特性及其应用，熟悉串联、并联校正装置的综合，能够使控制系统按要求进行适当校正。教学重点：串联、并联校正参数的确定。教学难点：串联设计校正。二、教学内容1、变频器的分类2、变频器的选择3、变频器容量计算、【实验四：MATLAB作伯德图实验（训）

14、】实验项目简介：该实验为学生必做的、验证型实验。掌握伯德图的绘制。实验目的：通过MATLAB软件的操作，进一步熟悉伯德图的绘制。实验学时：学时实验内容：给定单位负反馈系统的开环传递函数为： 试画出伯德图。利用以下MATLAB程序，可以直接在屏幕上绘出伯德图如图20。 num=10*1,1;den=1,7,0;bode(num,den)gridtitle(Bode Diagram of G(s)=10*(s+1)/s(s+7) )该程序绘图时的频率范围是自动确定的，从0.01弧度/秒到30弧度/秒，且幅值取分贝值，轴取对数，图形分成2个子图，均是自动完成的。实验方式与注意事项：坐标的幅度取值。实

15、验预期效果：通过对数据的处理，提高对伯德图的绘制掌握。第七章 离散控制系统（6学时）一、本章的教学目的和要求了解描述函数法的应用条件和适用场所；掌握掌握典型非线性的负倒特性图；熟悉用描述函数法分析非线性系统的稳定及振荡情况。教学重点：离散控制系统的数学模型。教学难点：离散系统的性能分析。二、教学内容1、离散控制系统基本概念2、信号的采样与复现3、离散控制系统的数学模型4、离散系统的性能分析5、应用MATLAB进行离散系统分析4、【实验五：串联校正的MATLAB方法实验】实验项目简介：该实验为学生必做的、验证型实验。利用MATLAB可以方便的画出Bode图并求出幅值裕量和相角裕量。将MATLAB

16、应用到经典理论的校正方法中，可以方便的校验系统校正前后的性能指标。实验目的：通过反复试探不同校正参数对应的不同性能指标，能够设计出最佳的校正装置。实验学时：2学时实验内容：给定系统如图所示，试设计一个串联校正装置，使系统满足幅值裕量大于10分贝，相位裕量45o 校正前系统解：为了满足上述要求，我们试探地采用超前校正装置Gc(s)，使系统变为图27的结构。 校正后系统 我们可以首先用下面地MATLAB语句得出原系统的幅值裕量与相位裕量。 G=tf(100, 0.04, 1, 0);Gw, Pw, Wcg, Wcp=margin(G); 在命令窗口中显示如下结果w =Pw = Inf28.0243

17、Wcg = Wcp = Inf46.9701可以看出，这个系统有无穷大的幅值裕量，并且其相位裕量28o，幅值穿越频率Wcp=47rad/sec。引入一个串联超前校正装置： 我们可以通过下面的MATLAB语句得出校正前后系统的Bode图如图28,校正前后系统的阶跃响应图如图29。其中、ts1分别为校正前系统的幅值穿越频率、相角裕量、调节时间，2、ts2分别为校正后系统的幅值穿越频率、相角裕量、调节时间。 G1=tf(100,0.04,1,0); % 校正前模型G2=tf(100*0.025,1,conv(0.04,1,0,0.01,1) % 校正后模型% 画伯德图,校正前用实线，校正后用短划线。bode(G1)hold bode(G2, -)% 画时域响应图，校正前用实线，校正后用短划线。figureG1_c=feedback(G1,1)G2_c=feedback(G2,1)step(G1_c)hold step(G2_c, -)校正前后系统的Bode图校正前后系统的阶跃响应图实验方式与注意事项：注意操作符的输入格式要求。实验预期效果：了解响应的动态变化。第八章 状态空间分析法（4学时）一、本章的教学目的和要求了解状态空间的基本概念；掌握状态空间的求取方法，系统状态空间的能控性和能观性；熟悉状态空间的求取方法。教学重点：状态空间描述、能控性和能观性。教学难点：状态能控性和能观性。二