《自动控制原理2》课程教学大纲

《自动控制原理2》教学大纲一、课程基本信息课程名称自动控制原理AutomaticControlPrinciple课程编码CTL123611035开课院部控制科学与工程学院课程团队自动控制原理教学团队学分3.5课内学时56讲授56实验0上机0实践0课外学时56适用专业自动化授课语言中文先修课程高等数学（2-1）、高等数学（2-2）、大学物理（2-1）、大学物理实验（2-1）、电路分析、电路分析实验、大学物理（2-2）、大学物理实验（2-2）、模拟电子技术课程简介（必修）本课程是自动化专业最重要的专业基础理论课之一，也是本专业的主干课程，重点介绍动态系统的数学模型建立、线性系统的时域分析法、根轨迹法、频域分析法及其校正和设计、线性离散系统的基础理论与分析方法、非线性系统的基本概念等知识。通过本课程的学习，使学生掌握自动控制系统的基本思想，熟悉自动控制系统的分析方法和综合方法，奠定其在控制理论与应用方面的专业知识基础，同时促进学生家国情怀、科学与人文精神的培养，为学习后继学习、科研及工作奠定良好基础。（对应毕业要求：1.2、1.3、2.1、2.2、2.4）Thiscourseisoneofthemostimportantprofessionalbasiccoursesofautomationmajor,anditisalsotheessentialcourseofthismajor.Thiscoursefocusesonthemathematicalmodelofthecontrolsystem,thetimedomainanalysismethod,therootlocusmethod,andthefrequencydomainanalysisanddesignmethodforlinearcontinuous-timesystems,thebasictheoryandanalysismethodforlineardiscrete-timesystems,andthebasicconceptsfornonlinearsystems.Bystudyingthiscourse,thestudentsareexpectedtomasterthebasicconceptsandprinciplesofautomaticcontrolsystems,befamiliarwiththeanalysisanddesignmethodsfortheautomaticcontrolsystems,andenhancetheunderstandingofthecontrolproblems.Atthesametime,itpromotesthecultivationofstudents'nationalfeelings,andbereadyforstudyingthefollowingprofessionalcourses,scientificresearch,andpracticalwork.(Correspondingtograduationrequirements:1.2,1.3,2.1,2.2,2.4,4.1)负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1目标1：理解与掌握自动控制系统的基本原理、组成、分类以及性能要求，能够从控制系统角度出发进行分析，绘制符合控制系统基本组成的方框图，提炼出具体的控制问题。是2.12M2目标2：能够运用高等数学、复变函数与积分变换和大学物理等知识建立自动控制系统的数学模型。是1.23M3目标3：能够将工程问题转换为控制系统数学模型，并能够进行多种模型的简化或转换，了解各模型的特点和适用场合。是2.24M4目标4：能够应用常微分方程求解、拉氏变换等数学知识求解自动控制系统的时域解，掌握自动控制系统性能指标的计算方法。是1.35M5目标5：掌握经典控制理论中线性定常控制系统的时域、根轨迹、频域分析方法和系统校正与设计技术。掌握线性定常离散系统的分析计算方法，了解典型非线性系统的描述函数法的基本原理和计算方法。能够针对自动控制系统，进行稳定性、稳态误差和暂态特性等控制指标的定量或定性的分析，并设计校正装置。是2.4三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节1第1章自动控制系统的一般概念本章重点：控制系统的组成、负反馈原理以及控制系统的分类和性能要求。本章难点：控制系统的基本性能要求。M1////21.11.1自动控制技术的发展概况介绍控制论的核心思想及其在社会、经济、工程等领域的应用，结合代表性人物（瓦特、维纳、钱学森、卡尔曼、何毓琦等）介绍控制理论的发展，结合反馈原理使学生理解控制论的思想及其在诸多方面的应用。M10.5讲授0.5阅读31.21.2自动控制系统的基本组成自动控制实例、原理方框图M10.5讲授0.5作业41.31.3自动控制系统的分类开环与闭环系统；反馈控制原理；其他分类方法M10.5讲授0.5作业51.41.4自动控制系统的基本性能要求稳定性、快速性、准确性、时域指标、频域指标M10.5讲授/讨论0.5作业/自学6第2章第2章动态系统的数学模型本章重点：建立机理模型的思路和方法，传递函数的概念，结构图等效变换。本章难点：结构图等效变换。M2,M3////72.12.1引言数学模型与系统分析和系统设计的关系，静态模型，动态模型，各种建模方法。M20.5讲授0.5作业82.22.2物理装置的数学模型机理模型（力学定律、电学定律、热力学定律、化学反应定律等机理；物料平衡、能量平衡等方法），非线性环节的线性化，无量纲增量的微分方程。M21.5讲授1.5作业/自学92.32.3控制系统的数学模型建模举例，负载效应与信号的单向性，拉普拉斯变换及其应用。M24讲授/讨论4作业/自学102.42.4传递函数与动态结构图传递函数与动态结构图的概念；典型环节传递函数，动态结构图的变换与简化。M32讲授/讨论2作业/自学112.52.5信号流图信号流图基本概念，梅逊增益公式及其应用。M32讲授/讨论2作业/自学12第3章线性系统的时域分析法本章重点：稳定性、稳态误差和瞬态性能的概念，二阶系统阶跃响应的性能指标与特征参数之间的关系，调节规律及参数对系统性能的影响等。本章难点：稳态误差，调节规律及参数对系统性能的影响。M3////133.13.1引言时域分析法的特点，典型输入信号和时域性能指标。M31讲授1作业143.23.2一阶系统的瞬态响应阶跃响应分析，系统参数与瞬态性能的关系，其他典型输入信号响应，线性系统的特性（叠加原理、积分性质、微分性质）。M32讲授2作业153.33.3二阶系统的瞬态响应典型二阶系统的阶跃响应，特征根与特征参数的关系。动态性能指标的计算，零极点的影响，二阶系统瞬态性能的改善。M33讲授/讨论3作业/自学163.43.4高阶系统的瞬态响应三阶系统的阶跃响应，高阶系统的阶跃响应分析（各种响应分量与特征根分布的关系），主导极点的概念。M32讲授/讨论2作业/自学173.53.5稳定性分析稳定性定义，稳定的充要条件，稳定判据及其应用，相对稳定性的概念。引导学生通过动态系统的观点，理解稳定性对动态系统的重要意义，以及影响稳定性的因素和分析方法。M32讲授/讨论/翻转课堂2作业/自学183.63.6稳态误差分析稳态误差概念，开环系统的型别（按1/s因子个数判断），误差系数计算（Kp，Kv，Ka），扰动作用下的稳态误差，参数变化时引起的稳态误差及反馈系统的特点，动态误差系数，PID参数及规律对系统性能的影响。M32讲授/讨论2作业/自学19第4章第4章线性系统的根轨迹法本章重点：负反馈控制系统根轨迹的绘制方法，闭环极点与瞬态响应的关系，PID参数对系统性能的影响等。本章难点：根轨迹的绘制方法，闭环极点与瞬态响应的关系。M4////204.14.1引言时域分析法的局限性，根轨迹法及其发展。介绍一元高次方程求根问题的发展历史及代表性人物，并指导学生阅读方程求根与数域的扩展、群论的诞生等拓展资料，引导学生探索问题的本质并理解方程求根问题对现代数学理论发展的重要意义。M40.5讲授1自学214.24.2根轨迹方程根轨迹方程，幅值条件和相角条件。M40.5讲授1作业/自学224.34.3根轨迹绘制根轨迹的绘制法则与举例，正反馈根轨迹绘制法则，参量根轨迹的绘制。M42讲授2作业/自学234.44.4根轨迹分析闭环系统特征根与瞬态性能的关系，根轨迹上主导极点确定，开环零极点对系统性能的影响，PID参数（Kp，Ti，Td）的参量根轨迹及对系统性能的影响。M42讲授/讨论1作业/自学24第5章第5章线性系统的频率分析法本章重点：频率特性的概念，典型环节的频率特性，Nyquist稳定判据，开环频域指标（ωc，γ）与闭环频域指标（Mp，ωb），典型二阶系统的频域分析。本章难点：Nyquist稳定判据，典型二阶系统的频域分析。M4////255.15.1频率特性的概念频率特性的定义，频率特性与传递函数的关系。M42讲授2作业265.25.2频率特性的几种曲线表示法奈奎斯特图、波特图M41讲授1作业275.35.3典型环节的频率特性频率特性的定义，频率特性与传递函数的关系。M42讲授/讨论2作业/自学285.45.4Nyquist稳定判据幅角原理，由开环Nyquist曲线、Bode曲线判断闭环稳定性。M43讲授/讨论3作业/自学295.55.5最小相位系统与稳定裕度的概念由开环Bode曲线确定最小相位系统的开环传递函数，开环频率特性与闭环频率特性之间的关系。M42讲授/讨论2作业/自学305.65.6系统性能分析由开环频率特性确定误差系数（Kp，Kv，Ka），频率特性的一些重要性质，闭环频率特性，频率特性指标（放大系数、稳定裕度、穿越频率、谐振峰值、谐振频率、频带宽度等），典型一阶系统、二阶系统的频率特性与时域性能指标的关系，高阶系统性能估计。M42讲授/讨论2作业/自学31第6章第6章线性系统的校正方法本章重点：超前校正与滞后校正，PID参数对系统性能的影响。本章难点：超前校正与滞后校正。M4////326.16.1系统的设计与校正问题性能指标、系统校正与系统设计M41讲授1作业336.26.2校正装置串联超前校正，串联滞后校正，串联超前—滞后校正，期望频率特性校正法。M41讲授/讨论1作业/自学346.36.3频率特性校正法介绍校正方法的思想，校正步骤结合案例课外自学。M42讲授/讨论2作业/自学35第7章线性离散控制系统的分析与校正本章重点难点：离散时间系统的特点，采样系统的数学描述及分析设计方法。本章难点：采样系统的数学描述及分析设计方法。M4////367.17.1离散系统的基本概念采样信号特点，连续信号采样，采样定理。M21讲授1自学377.27.2Z变换理论Z变换的基本概念，常用的Z变换M21讲授1作业/自学387.37.3离散系统的数学模型差分方程，脉冲传递函数。M31讲授/讨论1作业/自学397.47.4离散系统的分析离散系统的稳定性、稳态误差及性能分析。M42讲授/讨论2作业/自学407.57.5离散系统的动态性能分析及数字校正了解相关概念、方法，后续课程《计算机控制》深入学习。M40课外自学1作业/自学41第8章第8章非线性控制系统分析本章重点：描述函数概念及其分析系统稳定性的方法。本章难点：描述函数概念及其分析系统稳定性的方法，相平面的概念及其分析控制系统的方法。M4////428.18.1引言实际控制系统中的非线性因素，典型非线性特性，非线性系统的特点，分析非线性系统的方法。M41讲授1作业438.28.2描述函数法描述函数的概念及其计算，描述函数分析非线性系统稳定性的方法。M44讲授/讨论2作业/自学448.38.3相平面法相平面的概念，相轨迹性质，二阶线性控制系统的相轨迹，绘制相轨迹的方法，相平面与时域的关系，典型非线性控制系统相平面分析。M41讲授/讨论3作业/自学四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1线下表现1.完成布置的作业。2.参加课堂活动，如随堂测试、提问、课堂讨论等。20%2在线学习1.完成在线课堂的各章节知识点学习。2.完成在线课堂的各章测试。3.完成在线综合测试。15%3大作业1.结合社会、经济、工业生产等实际背景中的具体问题，应用自动控制原理知识进行分析，提出该过程包含的控制问题。2.完成时域分析的大作业。3.完成频域分析与校正的大作业。4.学生查阅资料，使用适当的计算软件完成计算与设计，撰写报告。15%4期末考试1.闭卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分100分。2.针对控制系统建模、时域分析、频域分析等方面考查学生对线性定常系统、线性离散系统以及非线性系统的分析能力和数学知识的应用能力。3.试题类型主要包括计算、绘图、分析、设计等。50%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1在线学习50%根据在线学习任务完成情况及测试结果评定成绩。2M1大作业50%A-控制问题描述准确，语言简练，控制系统方框图能够准确表示实际控制系统，绘图清晰规范。B-控制问题描述较为准确，控制系统方框图表示较为规范与准确。C-控制问题描述与控制系统结构图表示基本正确，控制系统结构图基本能够表示实际控制系统。D-控制问题描述不清晰，控制系统结构图不能体现控制系统的组成及控制方式。3M2线下表现30%A-能够根据系统的运行机理准确建立控制系统的数学模型。B-能够根据微分方程模型建立控制系统的传递函数模型。C-基本掌握控制系统的传递函数、脉冲传递函数模型的建立方法。D-不能建立控制系统的传递函数模型。4M2在线学习20%根据在线学习任务完成情况及测试结果评定成绩。5M2期末考试50%依据试卷评分标准6M3线下表现30%A-能够通准确地完成控制系统结构图和信号流图的表达与化简。B-在利用结构图等效变换和信号修图求传递函数时结果基本正确。C-在使用结构图等效变换及信号流图化简时存在少量错误。D-不能利用控制系统结构图和信号流图表达控制系统。7M3在线学习20%根据在线学习任务完成情况及测试结果评定成绩。8M3期末考试50%依据试卷评分标准9M4线下表现30%A-能够准确计算一阶、二阶系统的时域响应和性能指标，并根据性能指标求系统参数。在计算时能够准确运用拉氏变换及线性系统性质，简化计算过程。B-能够准确计算一阶、二阶系统的时域响应和性能指标，并根据性能指标求系统参数。拉氏变换性质和线性系统的性质的使用基本正确。C-通过拉氏变换求解系统时域响应的方法和时域性能指标的计算步骤和结果基本正确。D-不能掌握求解线性系统的时域响应和系统性能指标的计算方法。10M4在线学习20%根据在线学习任务完成情况及测试结果评定成绩。11M4期末考试50%依据试卷评分标准12M5线下表现10%A-能够根据系统模型的形式，选择恰当的方法准确分析系统的稳定性与动态特性，