控制工程基础 教学大纲

控制工程基础大纲号：10025401学分：3学时：48执笔人：周川审订人：向峥嵘课程性质：专业基础课，必修一、课程的地位与作用《控制工程基础》是电气信息类及其相关专业的专业基础课。随着科学技术的突飞猛进，自动控制技术越来越广泛地应用于现代工业、农业、交通、国防、宇航和社会领域中的各类系统。作为电气信息类及相关专业的学生，学习并掌握自动控制的基本理论和方法，对正确运用控制论这一科学方法论分析和解决问题，具有重要的理论意义和现实意义。二、课程的教学目标与基本要求1.教学目标通过本课程的学习，使学生掌握有关自动控制的基本理论与方法，了解自动控制技术在国民经济各个领域中的地位与作用。2.基本要求要求掌握自动控制系统的基本组成、工作原理、线性系统数学建模方法，以及经典控制理论的系统分析与设计方法。考核采用闭卷笔试，学习成绩将根据平时作业和考试成绩综合评定。三、主要内容1控制系统导论1.1自动控制的基本原理1.1.1自动控制技术及其应用1.1.2△1.1.3自动控制发展简史1.2自动控制的基本控制方式1.21.2.21.2.31.2.41.3△反馈控制系统的基本组成1.4自动控制系统的分类1.5△自动控制系统的基本要求1.6典型输入信号2系统的数学模型2.1控制系统的数学模型2.1.1基本概念2.1.2建立系统数学模型的方法2.1.3对系统数学模型的基本要求2.1.4经典控制理论中常用的数学模型2.2控制系统的微分方程模型2.22.22.2.3不同的物理系统数学模型2.22.3线性系统的传递函数2.32.3.22.3.32.3.4典型环节2.3.5典型元部件2.4方框图及其等效变换2.4.1△控制系统的方2.4.2△方2.5反馈控制系统的传递函数2.5.12.5.22.52.52.6信号流图2.6.12.62.6.32.7MATLAB中传递函数工具箱及其使用3状态空间模型3.1控制系统的状态空间描述3.1.1基本概念3.1.2状态空间描述的一般形式3.2状态方程和传递函数的关系3.3数据模型的实验测定法3.3.1系统辨识的定义3.3.2系统辨识的三要素3.3.3数学模型的实验测定方法4反馈控制系统的特性4.1△控制系统的重要性能4.2控制系统的灵敏度4.3控制系统抗干扰的能力4.4控制系统中反馈的作用及其代价4.4.1对系统增益的影响4.4.2对系统稳定性的影响5线性系统的时域分析法5.1控制系统时域分析的概念和意义5.2△系统时间响应的性能指标5.3一阶系统的时域分析5.5.3.2△5.3.35.3.4一阶系统的5.35.3.6线性定常系统的重要特性5.4二阶系统的时域分析5.4.15.4.2△5.4.5.4.5.4.5△二阶系统性能的改善5.5高阶系统的时域分析5.5.5.25.5.35.5.45.6控制系统稳态性能分析5.6.1△5.6.2△5.6.3△5.6.4动态误差系数5.6.5★扰动作用6线性系统的稳定性6.1稳定性的概念6.1.1△稳定性定义6.1.2△线性系统稳定的充要条件6.2劳斯稳定判据6.2.1劳斯稳定判据6.2.2劳斯稳定判据的应用7线性系统的根轨迹法7.1根轨迹的概念7.1.1△7.1.27.2绘制根轨迹7.2.1△7.2.2参数根轨迹及其绘制7.2.3★零度根轨迹及其绘制7.2.4★具有延迟环节的根轨迹及其绘制7.2.5根轨迹族及其绘制7.3系统性能分析7.3.1基于根轨迹7.3.2基于根轨迹8线性系统的频域分析法8.1引言8.2频率特性基本概念8.2.18.8.3开环系统的典型环节分解与开环频率特性曲线的绘制8.3.1△典型环节的频率特性图8.3.2最小相位系统与非最小相位系统8.3.3系统开环幅相曲线的绘制8.3.4系统开环对数频率特性曲线的绘制9线性系统的频域稳定性9.1频率域稳定判据9.1.19.1.2△★9.1.3对数频率9.2△稳定裕度9.3闭环系统的频域性能指标9.3.1闭环频率特性主要性能指标9.3.2★闭环系统时域指标和频域指标的关系10控制系统设计和校正10.1引言10.1.1性能指标10.1.2基于Bode图的系统性能分析10.2串联校正10.2.1△串联超前校正10.2.2△串联滞后校正10.2.3△★串联滞后-超前校正10.2.4按期望开环对数频率特性设计串联校正装置10.3PID控制器设计10.3.1PID控制器基本结构10.3.2PD控制器10.3.3PI控制器10.3.4PID控制器10.4★反馈校正10.4.1原理与结构10.4.2反馈校正的功能10.5复合校正10.5.110.5.2四、时间分配1控制系统导论5382系统的数学模型616133状态空间模型1234反馈控制系统的特性1235线性系统的时域分析法626146线性系统的稳定性2247线性系统的根轨迹法22488线性系统的频域分析法7210199线性系统的频域稳定性35810控制系统设计和校正62816总计3974896五、课程说明FundamentalofControlEngineering高等数学；工程数学；电路电气信息类各专业1.胡寿松.自动控制原理（第五版）.北京：科学出版社，2007.6.2.R.C.DorfandR.H.Bishop.ModernControlSystems.（第十版），北京：科学出版社，2005.9.本课程主要介绍经典的反馈控制理论，重点讲授基于输入输出描述的系统分析和综合方法。主要内容为：自动控制的基本概念，自动控制系统的组成；控制系统的数学模型及建模方法；介绍时域分析法，包括时域性能指标的定义，劳斯稳定判据、稳态误差分析、动态性能分析及时域校正方法；介绍根轨迹分析法，包括闭环根轨迹图的绘制及基于根轨迹图的系统性能的定性分析；介绍频域分析法，包括频率特性的概念、频率特性的绘制，Nyquist稳定性判据，频域性能指标的定义与计算，以及频率响应法定量分析控制系统动态性能的方法；介绍控制系统的综合校正方法，重点介绍串联校正、反馈校正和复合控制校正的原理及方法。课程教学以讲授为主，辅以多媒体课件及课堂讨论和习题。考核方式为闭卷笔试和平时成绩综合评定。课程介绍CourseDescriptionFundamentalsofControlEngineeringAdvancedMathematics；MathematicsinEngineering；CircuitsElectricalEngineering,InformationandAutomationspecialties’R.C.DorfandR.H.Bishop.ModernControlSystems.11thEdition,PublishingHouseofElectronicsIndustry,Oct.2010.K.Ogata.ModernControlEngineering,5thEdition,PublishingHouseofElectronicsIndustry,Jan.2011.closedbookwrittenexaminationsandtheusualresultsThiscoursewillmainlyintroducetheclassicalfeedbackcontroltheoryandfocusontheteachingofinputandoutputdescriptionbasedsystemanalysisandsynthesismethods.Themaincontentsofthiscoursearethebasicconceptsandcompositionsofautomaticcontrol,thecontrolsystemsmathematicalmodelsandmodelingmethods;Itwillintroducethetimedomainanalysisapproacheswhichincludesthedefinitionoftimedomainperformanceindexes,theRolls’stabilitycriterions,thesteadystateerroranalysis,thedynamicperformanceanalysisandthetimedomaincorrectionmethods;theintroductionofrootlocusanalysiswhichincludestheplotofclosed-looprootlocusandtherootlocusbasedqualitativeanalysisofsystems’performance;theintroductionoffrequencydomainanalysiswhichcoverstheconceptsoffrequencycharacteristics,theplotoffrequencycharacteristics,theNyquiststabilitycriterion,thedefinitionandcalculationoffrequency-domainperformanceindexes,thequantitativeanalysisofdynamicalcontrolsystemsfrequencyresponses,thecontrolsystemscomprehensivecorrectionmethods,thekeypointsontheprincipleandmethodsofseriescorrections,feedbackcorrectionsandcompositecorrections.Thiscoursewillbemostlybasedonthelectures,combinedwithmultimediaPPTsandstudentsclassdiscussionsandexercises.Theassessmentofthiscoursewillbeadoptedonaclosedbookexamination,andthestudentsfinalnoteswillbecalculatedonthebasisofclosedbookwrittenexaminationsandtheusualresults.英文教学大纲StatusandRoles“FundamentalsofControlEngineering”isanimportantbasiccourseforspecialtiesofElectricalEngineering,InformationandAutomations.Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,theautomaticcontroltechnologiesbecomemoreandmorevastlyusedinthemodernindustry,agriculture,transportation,defense,aerospaceandnationaleconomy,etc.AsanElectricalEngineering,InformationandAutomationspecialties’studentlearnsandmastersthebasictheoriesandapproachesofautomaticcontrol,tocorrectlyapplythescientificmethodologyofcontroltheoryinanalyzingandresolvingproblems,havingimportanttheoreticalandpracticalsignificance.TeachingobjectivesandbasicrequirementsWiththestudyofthiscourse,itwillmakethestudentstomasterthebasictheoriesofautomaticcontrolandtounderstandthestatusandrolesofautomaticcontroltechnologiesindivers’fieldsofnationaleconomy.Thiscourserequiresthatstudentsshouldmasterthebasicsandprinciplesoftheautomaticcontrolsystems,themathematicalmodelingmethodsoflinearsystems,aswellastheclassicalcontroltheory’ssystemanalysisanddesignapproaches,suchasthetimedomainmethods,frequencydomainmethodsandtherootlocusmethods.Theassessmentofthiscoursewillbebasedonaclosedbookexamination,andthestudents’finalnoteswillbecalculatedonthebasisoftheclosedbookwrittenexaminationsandtheusualresults.

MainContents1BasicConceptofAutomaticControl1.1BasicPrincipleandMethodofAutomaticControl1.1.1A1.1.2BriefHistoryofAutomaticControlDevelopment1.1.3△PrincipleofFeedbackControlBasicFormsofAutomaticControlSystem1.2.1△Closed-loopControlCombinedControl1.3△BasicComponentofClosed-loopControlSystem1.4ClassificationofAutomaticControlSystem1.5△PerformanceofAutomaticControlSystem1.5.1Stability1.5.2Swiftness1.5.3Accuracy2MathematicalModelofControlSystem2.1DifferentialEquationandTransferFunction2.1.1LinearOrdinary2.1.22.1.3△Characteristicsof2.2TransferFunctionofTypicalControlElement2.2.1△PassiveNetworks2.2.2△ActiveNetworks2.2.32.2.4△★TypicalActuators2.3BlockDiagramandItsEquivalentTransformation2.3.1△BlockDiagramof2.3.2△2.3.32.4TypicalComponentandItsTransferFunction2.5TransferFunctionofFeedbackControlSystem2.5.1△Open-loopTransferFunction2.5.2△TransferFunctionofClosed-loopsystem2.5.3OutputofClosed-loopsystem2.5.4ErrorofClosed-loopsystem3AnalysisofLinearSysteminTimeDomain3.1TypicalControlProcessandItsPerformanceIndices3.1.1Typicalinputsignal3.1.2△PerformanceIndexinTimeDomain3.2Analysisof1stOrderLinearSystem3.2.1MathematicalModelof1stOrderLinearSystem3.2.2△StepResponseof1stOrderLinearSystem3.2.3RampResponseof1stOrderLinearSystem3.2.4ImpulseResponseof1stOrderLinearSystem3.2.5ImportantConclusionsofLinearConstantSystem3.3Analysisof2ndOrderLinearSystem3.3.1△MathematicalModelof2ndOrderLinearSystem3.3.2△StepResponseof2ndOrderLinearSystem3.3.3△PerformanceIndexof2ndOrderSystem3.3.4RampResponseof2ndOrderSystem3.3.5ImpulseResponseof2ndOrderLinearSystem3.4AnalysisofhighOrderLinearSysteminTimeDomain3.4.1MathematicalModelofHighOrderLinearSystem3.4.2StepResponseofHighOrderLinearSystem3.4.3★PerformanceAnalysisofHighOrderLinearSystem3.4.4△ConceptofDominantPoles3.5StabilityAnalysisofControlSystem3.5.1△ConceptofStability3.5.2△SufficientandNecessaryConditionforStabilityofLinearConstantSystem3.5.3RouthCriterion3.5.43.6SteadyStateErrorAnalysis3.6.1△ConceptofErrorandSteadyStateError3.6.2△TypesofControlSystem3.6.3△StaticErrorCoefficients3.6.4★Steady4RootLocusofLinearSystem4.1EquationofRootLocus

4.1.1△RootLocusConcept4.1.2★RootLocusandSystemPerformance4.1.3EquationofRootLocus4.2RootLocusProcedure4.2.17RulesofRootLocus4.2.2★DeterminationofClosed-loopSystem’sPoles4.3GeneralizedRootLocus4.3.1P4.3.2EquivalentOpen-loopTransferFunction4.3.3★EffectsofAdditionalOpen-loopZeros4.3.4★EffectsofAdditionalOpen-loopPoles4.3.5★RootLocusof0Degree5FrequencyResponseofLinearSystem5.1FrequencyCharacteristicsandplotofFrequencyCharacteristics5.1.1△BasicConceptofFrequencyCharacteristics5.1.2GeometryrepresentationofFrequencyCharacteristics5.1.3△PlotofTypicalElementFrequencyCharacteristics5.2PlotofFrequencyCharacteristicsofOpen-loopSystem5.2.1△PlotofFrequencyCharacteristicsinLogarithmCoordinate5.2.2△PolarplotofFrequencyCharacteristics5.2.3MinimumPhaseSystemandNon-MinimumPhaseSystem5.3NyquistStabilityCriterion5.3.1PrincipleofArgument.5.3.2△★NyquistStabilityCriterion5.3.3LogarithmStabilityCriterion5.3.4△MarginofStability5.4RelationshipbetweenFrequencyCharacteristicsandPerformanceIndexinTimeDomain5.4.1△LogarithmAmplitude-FrequencyCharacteristicsofTypicalSystem5.4.2△★RelationshipbetweenOpen-loopAmplitude-FrequencyCharacteristicsandPerformanceIndexinTimeDomain5.4.3★FrequencyCharacteristicsofClosed-loopSystem5