自动控制原理教学大纲

1、杭州电子科技大学自动化学院自动控制原理课程教学大纲（72学时）一、课程基本情况课程编号开课学期秋 春 夏学分4.5课程名称（中文）自动控制原理（英文）Principles of Automatic Control课程类别必修 限选 任选； 1年级 2年级 3年级 4年级课程学时及其分配课内总学时课内学时分配课外学时分配72课堂讲课60课后复习60自学交流2课外自学2课堂讨论4讨论准备4实验辅导0实验预习0课内实验6课外实验2教学方式课堂讲授为主 实验为主 自学为主 专题讨论为主考核方式期末闭卷考试（7080）+ 作业和实验（2030）适用专业自动化，计算机科学与技术，电子信息工程，电子科学与技

2、术，航空航天工程，机械工程及自动化，制造自动化与测控技术，能源动力系统及自动化先修课程预备知识微积分，复变函数，工程数学，电路原理教材与参考文献教 材：（1）胡寿松. 自动控制原理（第五版）. 北京: 科学出版社, 2007参考文献：（1）薛安克，彭冬亮，陈雪亭. 自动控制原理（第二版）. 西安: 西安电子科技大学出版社（2）绪方胜彦. 现代控制工程. 第四版. 北京: 电子工业出版社, 2007（3）Dorf R C and Bishop R H. Modern Control Systems.9th ed. Pearson Education. 2002二、课程内容简介 本课程系统地介绍基

3、于输入输出描述的系统分析与综合方法，课程主要内容包括简单物理系统的微分方程和传递函数列写及计算，代数稳定判据及其应用，结构图和信号流图的变换与化简，闭环传递函数的推导和计算，二阶系统的运动特征和分析，稳态误差的分析和计算，伯德图和奈奎斯特图的绘制，奈奎斯特稳定性判据和对数频率稳定判据及其应用，由开环频率特性分析系统的主要动态和静态特性，根轨迹的基本特性及典型根轨迹的绘制，串联校正的基本原理及设计方法，非线性系统的相平面分析方法，非线性系统的描述函数分析方法，线性离散系统的稳定性分析及数字校正方法等。三、课程教学大纲第一章 自动控制的一般概念1.1 自动控制的基本原理与方式1.2 自动控制系统示

4、例1.3 自动控制系统的分类1.4 自动控制系统的基本要求第二章 控制系统的数学模型2.1 控制系统的时域数学模型2.1.1 线性元件的微分方程2.1.2 控制系统微分方程的建立2.1.3 线性系统的基本特性2.1.4 线性定常微分方程的求解2.1.5 非线性微分方程的线性化2.2 控制系统的复域数学模型2.2.1 传递函数的定义和性质2.2.2 传递函数的零点和极点2.2.3 典型元部件的传递函数2.3 结构图及其变换2.4 信号流图及其应用2.5 闭环系统传递函数2.6 控制系统的建模实例第三章 线性系统的时域分析方法3.1 系统的时间响应3.1.1 典型输入信号3.1.2 动态过程与稳态

5、过程3.1.3 动态性能与稳态性能3.2 一阶系统分析3.2.1 一阶系统的数学模型3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应3.3 二阶系统分析3.3.1 二阶系统的数学模型3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应3.3.3 欠阻尼二阶系统分析3.3.4 过阻尼二阶系统分析3.3.5 二阶系统性能的改善3.4 高阶系统的主导极点与低阶近似3.5 稳定性分析3.5.1 稳定性的基本概念3.5.2 稳定的充要条件3.5.3 劳斯稳定判据及应用3.5.4 参数对稳定性的影响和参数稳定域3.6 稳态误差3.6.1 误差与稳态误差3.6.2 系统类型3.6.3 稳态误差的计算3.6

6、.4 误差系数与稳态误差3.6.5 扰动作用下的稳态误差3.6.6 减小稳态误差的措施3.7 系统时域设计第四章 根轨迹方法4.1 根轨迹的基本概念4.1.1 根轨迹与系统性能4.1.2 闭环零极点与开环零极点4.1.3 根轨迹方程4.2 根轨迹的绘制4.2.1 基本法则4.2.2 闭环极点的确定4.3 广义根轨迹4.3.1 增加极点或零点对根轨迹的影响4.3.2 参数根轨迹4.3.3 零度根轨迹4.4 系统性能分析4.5 系统复域设计第五章 线性系统的频域分析法5.1 频率特性5.2 典型环节与开环系统频率特性5.3 频域稳定判据5.4 稳定裕度5.5 闭环频率特性5.6 控制系统频域设计第

7、六章 线性系统的校正方法6.1 引言6.1.1 校正的必要性6.1.2 性能指标6.1.3 校正方式6.1.4 基本控制律6.2 串联校正6.2.1 相位超前校正6.2.2 相位滞后校正6.2.3 相位滞后超前校正6.3 反馈校正6.3.1 原理与特点6.3.2 综合校正6.4 复合校正6.4.1 扰动补偿复合校正6.4.2 输入补偿复合校正6.5 控制系统校正设计第七章 线性离散系统的分析与校正7.1 引言7.1.1 采样系统7.1.2 数字系统7.1.3 特点7.2 采样与保持7.2.1 采样过程7.2.2 采样过程的数学描述7.2.3 采样定理7.2.4 信号保持7.3 z变换7.3.1

8、 时间函数的z变换7.3.2 z变换方法7.3.3 z变换的性质7.3.4 z反变换7.4 离散系统的数学模型7.4.1 常系数差分方程及求解7.4.2 脉冲传递函数的推导7.4.3 开环脉冲传递函数的计算7.4.4 闭环脉冲传递函数7.5 离散系统的稳定性与稳态误差7.5.1 s平面与z平面之间的映射7.5.2 z平面上的稳定性分析方法7.5.3 双线性变换7.5.4 w平面上的稳定性分析方法7.6 控制系统的动态性能7.6.1 时间响应7.6.2 采样器与保持器的影响7.6.3 闭环极点与动态响应7.7 控制系统的数字校正7.7.1 最少拍系统7.7.2 无纹波最少拍系统7.7.3 数字控

9、制器的直接设计7.8 离散控制系统设计第八章 非线性控制系统分析8.1 引言8.2 常见非线性特性及其影响8.2.1 等效增益8.2.2 常见非线性因素的影响8.3 相平面8.3.1 相平面概念8.3.2 相轨迹绘制的等倾线法8.3.3 线性系统的相轨迹8.3.4 奇点和奇线8.3.5 非线性系统的相平面分析8.4 描述函数法8.4.1 描述函数概念8.4.2 典型非线性特性的描述函数8.4.3 非线性特性的简化8.4.4 非线性系统的稳定性四、课程知识单元与知识点TAC1：控制系统的数学描述 系统、时间常数、阻尼系数、反馈、结构图、信号流图、脉冲响应、阶跃响应、斜坡响应、传递函数、传递函数的

10、极点和零点、主导极点的概念 简单物理系统微分方程的列写和传递函数的计算 线性微分方程的求解 根据结构图计算闭环传递函数 根据传递函数求脉冲响应和阶跃响应 信号流图与梅森增益公式TAC2：控制系统的时域分析 线性系统稳定性的充分必要条件 代数稳定性判据 稳态误差的定义和静态误差系数的计算 稳态误差与系统结构的关系 动态性能指标的定义 典型二阶系统的阶跃响应和动态性能指标的计算 高阶系统的二阶近似分析方法TAC3：控制系统的根轨迹分析 根轨迹的基本概念 根轨迹的相角条件和模值条件 利用根轨迹的性质绘制系统的概略根轨迹图 应用根轨迹分析控制系统的稳定性和基本动态特性 参数根轨迹和零度根轨迹的绘制 系

11、统极点和零点对根轨迹的影响TAC4：控制系统的频域分析 频率特性函数的图象：极坐标图（奈奎斯特图）、对数频率特性图（伯德图）、对数幅相特性图（尼柯尔斯图） 开环系统频率特性图的绘制 奈奎斯特稳定判据及其应用 对数频域稳定判据及其应用 控制系统稳定裕度的计算 开环系统频率特性低、中、高频特征与系统性能的关系TAC5：控制系统的校正 串联校正和局部反馈校正的概念和特点 超前、滞后、超前滞后校正装置的特性 超前、滞后、超前滞后校正对系统特性的影响 采用伯德图设计串联超前、滞后、超前滞后校正的原理和方法 复合校正的概念和方法TAC6：离散控制系统 脉冲采样、理想采样、采样定理、保持器的概念 零阶保持器的特性 脉冲传递函数的定义和开环脉冲传递函数的计算 闭环脉冲传递函数的推导和计算 离散控制系统的稳定性分析（z平面和w平面分析） 离散系统的稳态误差计算 离散控制系统的时域分析：稳态响应和动态响应指标 离散