《自动控制原理》课程实施大纲

教学理念十年树木，百年树人。人的培养是全方位的，立体的，持续的。围绕“育人”这个核心，着眼于学生的持续发展、全面发展，树立学生的自立意识、自觉意识和主动参与意识，培养学生的自学能力、实践能力和创新能力。教学活动始终以学习为“中心”，学生为主体，教师为指导和辅导，坚持以人为本的宗旨。关注每一个学生的学习成长，以学生能力训练为核心，理论联系实际，学以致用，因材施教，使学生在循序渐进的学习过程中自觉学习，培养学生合作交流、探究新问题、创新实践方法的能力。通过介绍与本课程相关的新研究、新成果和新应用，拓展学生视野、激发学习兴趣、增强课程认知、树立创新精神，为后续课程的学习以及未来工作打下扎实的专业理论知识和探究思维训练基础。1.1关注学生的发展教学不是唱独角戏，离开“学”无所谓“教”。必须确立学生的主体地位，教学活动要从学生的思维和能力的发展出发。其次，要有“全人”的概念。学生发展是全面的发展，而不是某一方面或某一学科的发展。教师千万不能过高地估计自己所教学科的价值，也不能仅把学科价值定位在本学科上，而应定位在对一个完整的人的发展上。1.2关注教学的有效性关注教学效益就是要有时间与效益的观念。不能简单地把“效益”理解为“花最少的时间教最多的内容”。教学效益不取决于教多少内容，而是以单位时间内学生的学习结果与学习过程综合考虑的结果。关注可测性和量化。教学目标尽可能明确具体，以衡量自己的工作效益。但是并不能简单地认为量化就是好的、科学的。科学地对待定量与定性、过程与结果的结合，既要注重知识的量，也要注重思维和实践能力的培养，全面地反映学生的学业成就与教师的工作表现。需要具备一种反思的意识。要不断地反思自己的日常教学行为：“我的教学有效吗？”“什么样的教学才是有效的？”“有没有比我更有效的教学？”及时从学生的反馈中改进教学方式，方法及进程，提炼总结更有效的教学方法。1.3关注教学的策略《自动控制原理》课程所涉及的工程数学知识较多，且要求有较强的逻辑思维能力。针对我校培养应用型工程技术人才的培养目标，并考虑到我校学生数学基础较薄弱的特点，教师教学重知识和理论的应用，轻理论和公式的推导，明白前因后果即可。课程实施主要采用讲授法、引导法、提问法、对比法、归纳法、演示法、练习法以及实例分析等多种教学方法，同时结合教师自身的研究，以基于研究的学习亦作为教学方法的重要方面，充分调动学生的学习热情，使学生通过积极的思维、演练、操作，主动地获取知识，确保学生学有所得。在上课形式上，运用多媒体教学手段为主，方便对新近前沿研究领域、成果的介绍，以实现良好的教学效果，同时辅以MATLAB软件进行实例演算，演示系统特征随参数的变化情况，完成问题的科学求解，加深学生对实际问题的理解学习。1.4关注教学价值观教学价值观作为教师关于教学实践和教育价值关系的根本看法，是指导、支配和评价教育行为和功效的核心观念。教学价值观对于整个教育活动起着深刻的导向作用，直接影响着教育的目的、内容、形式和方法，影响着教学活动的规划、结构、布局和方式。教学价值观在微观层次，是基于教学系统本身各个内部要素之间有机联系的目标指向；在宏观层次是指基于教学同社会中其他系统之间的相互协调关系的价值取向。这两个层次相互制约、相互作用。教学价值问题所涉甚广、事关重大，而个人本位与社会本位、人文主义与进步主义、应试教育与素质教育、自然价值与人类价值、秩序诉求与自由诉求、主体原则与客体原则、阶级性质与公共性质、冲突取向与和谐取向的不同，都是其中一些基本的重要方面，值得深入把握。在《自动控制原理》教学过程中，把握教师教和学生学的价值取向，教学要为社会服务，让学生要认识到学有所用，学有所必须，逐渐引导学生自觉学习。课程介绍2.1课程的性质《自动控制原理》是自动化专业的一门专业基础课,其任务是通过本课程的学习,掌握反馈控制系统的基本理论及基本方法,初步具备解决与分析过程及电气控制技术中常见自动控制问题的能力,明确系统平稳运行的要求，明确系统调整的目标和方法，为进一步学习仪表、工程等有关专业课程打好必要的知识基础。自动控制原理是以控制的理论和方法为主课程，讲述控制系统设计、实验与维护时需要的指导方法，理论性强，最好是边实践边学习，达到融会贯通；该课程常是控制科学与工程方向研究生入学考试课程，可见其重要性。该课程主要是培养学生：⑴掌握经典控制论中，线性定常系统在连续、单输入单输出时闭环控制系统的工作原理、学会系统分析和综合方法，掌握反馈控制原理的应用以及分析和设计的一般规律，使其具有分析和设计自动控制系统的初步能力，使学生对“系统”的认识上升到更高的层次；⑵了解控制系统在现实当中的形式与结构，了解控制系统设计常用的检测装置，常用执行机构的工作原理，数学模型的建立过程，以及自控原理、经典控制论在当今的发展应用状况；⑶了解并掌握控制系统的仿真技术手段与实现方法，其中包括模拟仿真和数字仿真（通过MATLAB语言实现），建立仿真的概念，掌握用模拟和数字仿真方法来进行课程中相关原理的实验，从而更深入进行理论学习，提高分析解决实际问题的能力。2.2课程在自动化学科专业结构中的地位、作用当今社会飞速发展，自动化程度越来越高，离不开自动控制理论的支持。自动控制理论受到工程技术领域的高度重视。控制理论经历了经典理论、现代理论，到今天的智能控制，是科学技术高度发展与进步的必然，智能控制是一个新的研究领域，涉及面很广，可以从不同的方向开展理论研究和应用技术研究，促进科学技术迅猛发展。经典控制理论是整个控制理论发展的基础。这门课程主要介绍的就是经典理论的内容。因此，作为自动化专业的当代大学生，我们应该好好学习自动控制理论，促进生产工具的自动化水平的提高，减轻人的劳动负荷，提升产品的技术含量，为社会发展贡献自己的一份力量。2.3课程的前沿及发展趋势自动控制经过数十年世界范围的发展，极大地促进了劳动生产率和产品质量的提升。上世纪上半叶，经典控制理论形成了一个完整的体系，主要以维纳的《控制论》为标志。上世纪中叶，为发展天空飞行器，出现了现代控制理论。现代控制理论建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分，是一种基于时域内的状态变量分析法，着重时间系统最优化运动的控制研究。现代控制系统的特点：可为多输入—多输出系统；系统可以是线性或非线性，定常或时变的，单变量与多变量，连续与离散系统。现代控制的思路：基于时域法为主，通过大系统的多级递阶控制、分解—协调原理、分散最优控制和大系统模型降阶理论，解决大系统的最优化。现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。理论发展包括智能控制(IntelligentControl)、非线性控制(NonlinearControl)、自适应控制(AdaptiveControl)、鲁棒控制(RobustControl)、模糊控制(FuzzyControl)、神经网络控制(NeuralNetworkControl)、实时专家控制(RealTimeExpertControl)、定性控制(QualitativeControl)、预测控制(PredictiveControl)、分布式控制系统(DistributedControlSystem)。上世纪后期，大系统理论和智能控制理论阶段（八十年代兴起至今）大系统理论，是指规模庞大、结构复杂、变量众多、关联严重、信息不完备的控制系统。智能控制系统是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的是智能机器人。控制系统的特点：因素众多，结构复杂；控制思路：基于时域法为主，通过大系统的多级递阶、分级协调、分散最优控制等解决大系统的最优化问题。这些年，自动控制理论在各领域都有着极广泛的应用。随着社会的需要，自动控制理论也在急剧地发展。目前已进入了第四阶段-智能控制阶段。其主要发展方向有：稳定性、最优化、定性结构、计算机与智能决策。自动控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领域发展，无论在数学工具、理论基础、还是在研究方法上都产生了实质性的飞跃，在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生命力，启发并扩展了人的思维方式，引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。2.4学习本课程的必要性本课程是自动化专业的必修基础课程，是专业核心基础课程，是学习整个控制学科的理论基础。该课程为后继的现代控制理论，智能控制等理论做好知识准备，也提供今后从事控制工程实践操作的指导方法。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力，为专业课学习和参加实际控制工程实践打下坚实的基础。该课程理论是实际控制工程的指导方法，是有序做好实际控制工程、系统维护的理论保障。学习该课程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、采样控制系统的分析、典型非线性系统分析法等基本方法等，同时为各类计算机控制系统相关课程理论及设计打好基础。2.5理论教学的基本要求在教学过程中应力求使学生掌握自动控制系统的基本概念、基本分析与设计方法，重在培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力和创新意识。要求授课教师在深刻理解教材内容的基础上，注意前后课程的衔接及本学科的发展，及时补充新内容，使学生及时了解到本学科的重要进展及发展动向。本课程的教学环节包括：课堂讲授及讨论、习题课、课外作业、实验。通过本课程各个教学环节的学习，重点培养学生对经典控制论系统的掌握。注重培养学生的自学能力、动手能力、分析问题、解决问题的能力，培养学习设计计算以及利用已掌握的知识分析问题的能力。计算机应用能力培养也是教学的一个重要方面，教学中适当布置一些让学生采用计算机仿真（数字仿真）来计算和模拟各种类型控制系统的习题作业，促使学生学会用MATLAB语言对系统进行计算分析，理解不同参数下的PID调节对系统动态特性，静态特性的影响。学生学习该课程的具体要求：熟练掌握自动控制的概念、基本控制方式及特点、对控制系统性能的基本要求。熟练掌握典型环节的传递函数、结构图化简或梅森公式以及控制系统传递函数的建立和表示方法，初步掌握小偏差线性化方法和通过机理分析建立数学模型的方法。熟练掌握暂态性能指标、劳思判据、稳态误差、终值定理和稳定性的概念以及利用这些概念对二阶系统性能的分析，初步掌握高阶系统分析方法、主导极点的概念。熟练掌握根轨迹的概念和绘制法则，并能利用根轨迹对系统性能进行分析，初步掌握偶极子的概念以及添加零极点对系统性能的影响。熟练掌握频率特性的概念、开环系统频率特性Nyquist图和Bode图的画法和奈氏判据，掌握绝对稳定系统、条件稳定系统、最小相位系统、非最小相位系统、稳定裕量、频域性能指标的概念，以及频率特性与系统性能的关系。熟练掌握校正的基本概念、基本校正方式和反馈校正的作用，初步掌握复合校正的概念和以串联校正为主的频率响应综合法，了解以串联校正为主的根轨迹综合法，掌握常用校正装置及其作用。掌握离散系统脉冲传递函数的计算、掌握离散系统的稳定性及稳态误差分析方法。掌握非线性系统的基本特点、典型非线性环节特征；掌握描述函数非线性分析方法。熟练掌握MATLAB语言的编程及在控制系统设计中的相关工具命令，以在课程讲述是及时进行计算机演示验证控制理论的相关知识。教师简介先修课程自动控制原理的学习需要用到的课程知识有：高等数学、线性代数、复变函数与积分变换、大学物理、电机及拖动基础、电路、模拟电子技术、MATLAB语言基础等。要求数学课介绍微分方程和拉氏变换的基本内容。在这些课程中应该注意讲授：电路的分析与计算；零输入和零状态响应的求法；拉普拉斯变换、傅里叶变换。要求电路与磁路，电子技术基础课程介绍无源网络及模拟运算电路的基本计算方法。要求电机与拖动课介绍自动控制系统中常用的机电检测，执行元件的基本原理、特性和基本方程。本课程的很多内容都与信号与系统有联系，与信号与系统课程内容很相似，可以先修信号与系统再修该课程。该课程是自动化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。通过实验课能帮助学生更好的掌握课程内容，加深对理论知识的理解，建立自动控制系统框架。该课程由于学时限制，数字控制系统与非线性系统理论的内容学生只有通过初步自学与老师辅导相结合，进一步深入可通过后续课程《计算机控制系统》和研究生课程《非线性系统》来学习和提高。后续课程：控制工程、运动控制系统、计算机控制系统、系统建模与仿真、智能控制等。课程目标自动控制理论是自动化专业的一门重要的专业核心基础课程。它侧重于理论角度，系统地阐述了自动控制科学和技术领域的基本概念和基本规律，介绍了自动控制技术从建模分析到应用设计的各种思想和方法，内容十分丰富。通过自动控制理论的教学，①培养使学生全面系统地掌握自动控制技术领域的基本概念、基本规律和基本分析与设计方法；②使学生了解学科发展前沿，培养学生的控制理论研究方法和兴趣；③方法与实践结合，培养实践操作能力以胜任实际工作，同时培养一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力，培养从事相关工程和技术工作的基本素质。5.1知识与技能学生学习《自动控制原理》课程应掌握的各章节的知识与技能包括：（1）绪论。了解自动控制的基本概念；掌握自动控制系统的类型、组成及所研究的主要内容；了解自动控制理论的发展应用状况；明确本课程的特点,学习方法及基本要求。要求学生初步了解如何由系统原理图形成系统的原理方框图及判别控制方式的方法；要求学生理解恒值系统及随动系统的特点及应用的广泛性。（2）自控系统的数学摸型。了解自动控制系统数学模型的基本概念；重点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；要求学生熟练掌握各种模型表达形式之间的相互转换关系。（3）时域分析法。理解典型输入信号的作用机理；明确自动控制系统的时域指标；重点掌握一阶、二阶系统的响应形式；熟练掌握分析判定系统稳定的条件、稳定判据及其应用；重点掌握稳态误差的概念和计算方法；明确系统阶跃响应与极点位置的关系。（4）根轨迹法。理解掌握根轨迹法、零极点、主导极点、偶极子的基本概念；熟练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；了解零度根轨迹、迟后系统根轨迹的绘制方法及分析过程；能够熟练运用根轨迹分析系统的暂态响应。（5）频率特性法。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。明确频率特性的表达方法；掌握典型环节的频率特性；重点掌握系统开环频率特性的绘制、表达方法；熟练掌握运用奈奎斯特稳定判据判定系统的稳定性；重点掌握稳定裕度的概念，熟练求取相角裕度和幅值裕度；了解闭环频率特性的绘制方法，理解系统开环频率特性与闭环频率特性的关系；明确系统时域性能指标的关系,能够熟练运用频率特性分析闭环控制系统的性能。（6）控制系统的校正与综合。掌握基本概念：校正的目的,校正与设计的基本概念；重点理解串联（超前、滞后、滞后—超前）、反馈及复合校正的特性及其应用；了解根轨迹法在系统校正中的应用场合；掌握频率法在系统校正中的应用方法；重点掌握频率法串联、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。（7）采样控制系统分析。了解采样控制系统基本概念；明确信号采样与保持过程；掌握Z变换及Z反变换的方法；会求采样控制系统的脉冲传递函数；理解采样系统综合分析方法。（8）非线性系统分析。明确非线性系统的基本概念；了解描述函数法的应用条件和适用场所；重点掌握典型非线性的负倒特性图，能够熟练用描述函数法分析非线性系统的稳定及振荡情况；掌握相平面法的基本概念；了解相轨迹的绘制方法；重点掌握奇点、极限环的概念；能够运用相平面法分析非线性系统。5.2过程与方法在《自动控制原理》这门课的教学中，要讲的知识点多而繁杂，很多知识点都有着内在的联系和一定的规律，学生如果理不清头绪，就会将知识点混杂在一起，不能很好地利用所学知识来分析和设计控制系统，不能达到学习的目的。《自动控制原理》课程理论性强、涉及多方面的数理知识，而且比较抽象，是一门具有一定深度和难度的课程，要求学生具有扎实的专业基础和较强的抽象思维能力，学习的难度较大。在教学效果上，学生只是机械地记住了若干公式定理，面对具体问题的时候，不知如何运用相应的知识去解决实际问题。因此，对《自动控制原理》课程的教学要理论和实践并重，采用包括多媒体教学、传统教学、MATLAB辅助教学在内的多种教学方法和手段，不断进行教学研究和教育改革以提高教学质量。要求教师经常地、及时地对已讲过地知识点进行归纳和总结，尤其要将相关知识点归纳在一起。对于具体的教学内容进行教学设计，注重学生的探究能力和创新能力的培养。“稳、准、快”是描述控制系统性能的基本指标，其中“稳定性”是决定系统能否正常工作的首要条件。稳定性包括绝对稳定性和相对稳定性。对于“稳定性”的分析，分别在时域分析法和频率域法都做相应介绍，在学习完这两个内容后，将稳定性的分析总结。5.3情感、态度与价值观强调情感、态度和价值观教育是当今中国乃至世界教育改革趋势中的一个重大热点。在这一方面，历史教学所能发挥的积极作用是非常突出的。历史教学中蕴藏着非常丰富的情感、态度和价值观教育因素。通过控制理论发展史学习，特别是我国在控制上做出卓越贡献的科学家，可以使学生了解并热爱中华民族的优秀文化传统，形成对国家、民族命运的责任感，树立为祖国建设做贡献的人生理想;通过控制理论发展史教学，可以使学生从杰出人物身上、从人类科学技术的发展进程中体验到生命的价值和人生的意义，形成健康的审美情趣，形成真诚、善良、健全的人格和求真、求实、创新的科学态度;通过控制发展史教学，使学生认识人类社会发展的统一性和多样性，理解和尊重世界各国、各地区、各民族的文化传统，形成开放的世界意识。课程内容6.1课程的内容概要明确自动控制的基本概念；掌握开、闭环控制的基本原理和特点；建立系统概念。熟悉常用元部件的数学模型；明确传递函数、微分方程、结构图和信号流图之间的关系；熟练掌握利用结构图等效变换和Mason公式求系统传递函数的方法。熟悉系统阶跃响应性能指标；明确典型系统阶跃响应的特点及其动态性能与系统参数、零极点分布的关系；明确稳定性概念及系统稳定的充要条件，熟练掌握老斯判据及其应用；明确误差和稳态误差的定义，明确利用终值定理计算稳态误差的限制条件；熟练掌握用终值定理求稳态误差的方法；明确影响稳态误差的因素。明确根轨迹的有关概念；熟练掌握绘制根轨迹的方法，能够利用根轨迹定性分析系统性能随参数变化的趋势。明确频率特性的物理意义及数学本质；熟悉典型环节的频率特性；熟练掌握绘制开环对数频率特性的方法；熟练掌握由最小相位系统的开环对数频率特性求传递函数的方法；理解奈奎斯特判据的原理，牢固掌握运用奈奎斯特判据判断系统稳定性的方法；正确理解稳定裕度的概念及意义，会计算稳定裕度；掌握开环对数频率特性与系统稳态、动态性能的关系，理解三频段的概念；明确闭环频率特性与时域性能指标之间的关系。熟悉超前、滞后网络的特性；掌握串联校正的方法；理解PID控制器的作用。熟练掌握判断离散系统稳定性和计算离散系统稳态误差的方法；明确z平面闭环极点分布与系统动态响应间的关系。明确描述函数的定义及有关概念，掌握用描述函数法分析非线性系统稳定性和分析自振、计算自振参数的方法。6.2教学重点、难点第一章自动控制的一般概念（1）教学目的:掌握自动控制系统组成结构和基本要素，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。（2）基本要求：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。（3）教学提示：透彻分析自动控制系统的反馈原理。（4）教学内容：a、自动控制的任务；b、自动控制的基本方式；c、对控制系统的性能要求。（5）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（6）基本知识点：本章内容包括自动控制的定义、基本控制方式及特点，对控制系统性能的基本要求，建立元件方块图的方法，自动控制系统的分类，自动控制系统实例。第二章自动控制系统的数学模型（1）教学目的：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，掌握梅森增益公式的应用。（2）基本要求：掌握传递函数基本概念及性质，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。（3）教学内容：a、自动控制系统微分方程的建立；b、非线性微分方程的线性化；c、传递函数；d、动态结构图；e、系统的脉冲响应函数；f、典型反馈系统的传递函数；g、信号流图与梅森增益公式；（4）教学提示：着重阐明拉普拉斯变换与传递函数、动态结构图的关系。（5）教学重点与难点：重点：典型环节及其传递函数；方块图基本结构及化简；信流图和梅森公式难点：拉氏变换；小偏差线性化（6）基本知识点：典型环节及其传递函数、结构图及化简、信流图和梅森公式，控制系统传递函数的表示方法，小偏差线性化，分析建模法。第三章时域分析法（1）教学目的: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。（2）基本要求：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。（3）教学内容：a、时域分析介绍；b、一阶和二阶系统分析与计算；c、系统稳定性分析；d、稳态误差分析及计算。（4）教学提示：一、二阶系统的时间响应，暂态性能指标，主导极点的概念，稳定性概念，劳思判据，稳态误差及终值定理。着重阐明稳定性判据和稳态误差计算。（5）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（6）基本知识点：掌握基本方法：一、二阶系统性能指标的计算和参数选择；系统稳定性和稳态误差的分析和计算。典型响应以阶跃响应为主。第四章根轨迹（1）教学目的: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。（2）教学要求：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。（3）教学内容：a、根轨迹与根轨迹方程；b、绘制根轨迹的基本法则；c、广义根轨迹；d、系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系；e、系统阶跃响应的根轨迹分析。（4）教学提示:着重阐述根轨迹基本法则及其应用。（5）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（6）基本知识点：根轨迹的概念、原理、绘制法则，利用根轨迹对系统性能的分析，偶极子和主导极点的概念、添加零极点对系统性能的影响。第五章频率域方法（1）教学目的：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。（2）教学基本要求：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。3、教学内容：a、频率特性；b、典型环节的频率特性；c、系统开环频率特性；d、频率稳定性判据；e、系统闭环频率特性与阶跃响应的关系；f、系统开环频率特性与阶跃响应的关系。（4）教法提示：着重讲解傅立叶变换与频率特性的联系以及频率特性的求法。（5）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：奈氏判据（6）基本知识点：频率特性的概念，典型环节频率特性，最小相位系统，非最小相位系统，开环频率特性Nyquist图和Bode图的绘制，奈氏判据，稳定裕量，频域性能指标，频率特性与系统性能的关系。第六章控制系统的校正（1）教学目标：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。（2）教学基本要求：掌握基本概念：串联(超前、滞后、PID)、反馈及复合校正的特性及其作用。掌握基本方法：串联校正计算的对数频率法(二阶最佳模型法)校正器参数的计算。（3）教学内容：a、系统校正设计基础；b、串联校正；c、串联校正的理论设计方法；d、反馈校正；e、复合校正；4、教法提示：重点阐明串联校正及其各种方法。（5）教学重点与难点重点：校正的基本概念；基本校正方式难点：各种校正方式对系统性能的影响。（6）基本知识点：校正的基本概念，常用校正装置及作用，基本校正方式，以串联校正为主的频率响应综合法和根轨迹综合法，反馈校正的作用，复合校正的概念。第七章系统采样理

（1）教学目的：理解采样过程、采样定理以及脉冲传递函数的意义、掌握Z变换及其反变换方法，并能对采样系统进行性能分析和数字校正。（2）教学基本要求：学习数字系统的数学模型、分析与设计方法，重点掌握差分方程和脉冲传递函数数学模型，主要掌握数字控制系统的分析，学会模拟控制器的数值化方法。（3）教学内容：a、采样过程和采样定理；b、信号的恢复和零阶保持器；c、Z变换及其反变换；d、脉冲传递函数；e、采样系统的性能分析；f、采样系统的数字校正。（4）教法提示：重点讲明采样过程分析和Z变换及其反变换方法。（5）教学重点和难点教学重点：采样过程与采样定理，信号保持，Z变换及Z反变换。教学难点：开环及闭环脉冲传递函数，采样系统的性能分析。（6）基本知识点：采样过程及采样定理。Ｚ变换。脉冲传递函数。采样系统时域分析。采样系统根轨迹法。采样系统的稳态误差。第八章非线性系统分析（1）教学目标：掌握相平面法和描述函数法，掌握相平面结构和奇点类型，了解非线性系统的稳定性分析方法。

（2）教学基本要求：掌握基本概念：串联(超前、滞后、PID)、反馈及复合校正的特性及其作用。掌握基本方法：串联校正计算的对数频率法(二阶最佳模型法)校正器参数的计算。（3）教学内容：a、非线性问题概述；b、常见非线性因素对系统运动特性的影响；c、相平面法基础；d、非线性系统的相轨迹分析；e、描述函数；f、用描述函数法分析非线性系统。（4）教法提示：着重阐明相平面法和描述函数法及其应用。（5）教学重点与难点：常见非线性因素对系统运动特性的影响、非线性系统的相轨迹分析、用描述函数法分析非线性系统。（6）基本知识点：本章主要介绍工程上常用的相平面法和描述函数法，并通过这两种方法揭示非线性系统的一些出别于线性系统的现象。6.3学时安排理论教学学时66

章内容学时一自动控制的一般概念4二自动控制系统的数学摸型6三时域分析法12四根轨迹法8五频率特性法12六控制系统的校正与综合6七采样控制系统分析10八非线性系统分析4中期测试与期末总结2+2另外：实验教学学时6；开学初期的“matlab应用实训”1周，以配合控制理论教学；同时在课堂教学中演示控制理论的科学计算，强化matlab的应用；在第5期的“系统建模与仿真课程设计”2周中进一步强化控制理论的学习，以深入理解控制理论间的有机体系，学生控制理论的研究方法，对不明白的理论部分可自行设计实验加以验证，培养计算机应用能力和控制系统设计创新能力。课程实施第一章自动控制的一般概念（1）教学目的及要求：1、明确该课程的性质和任务及在专业中的地位2、明确控制系统的任务、组成及自动控制的基本概念(被控对象，被控量，给定量，干扰量等)。3、明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、被控量、控制装置和自控系统等概念。4、正确理解三种控制方式，特别是闭环控制。教学内容提要：1.1自动控制系统的基本原理1.2自动控制的发展简史几个重要概念自动控制在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象的被控量自动地按预先给定的规律去运行。自动控制系统指被控对象和控制装置的总体。这里控制装置是一个广义的名词，主要是指以控制器为核心的一系列附加装置的总和。共同构成控制系统，对被控对象的状态实行自动控制，有时又泛称为控制器或调节器。自动控制系统负反馈原理把被控量反送到系统的输入端与给定量进行比较，利用偏差引起控制器产生控制量，以减小或消除偏差。（2）三种基本控制方式实现自动控制的基本途径有二：开环和闭环。实现自动控制的主要原则有三：主反馈原则——按被控量偏差实行控制。补偿原则——按给定或扰动实行硬调或补偿控制。复合控制原则——闭环为主开环为辅的组合控制。重点：1、要求学生了解自动控制系统的基本概念、基本变量、基本组成及工作原理2、理解信息反馈的含义和作用，区别开环控制和闭环控制难点：1．广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制教学过程的组织及教学方式：采用工程实例和设疑方法引导学生用系统论，信息论观点分析广义系统的动态特征、信息流，理解信息反馈的作用。绘制控制系统方框图。在讲述控制理论发展史引入我国古代指南车和“二弹一星”特殊贡献科学家——钱学森在自动控制理论方面的成就，进行爱国主义和专业教育。在讲述控制系统系统设计概论，引用转台转速控制和磁盘驱动读取系统的设计实例，强化设计训练。播放自动控制的发展史断片。对自动控制的发展历史进行启发性的阐述，特别是瓦特发明的飞锤调速器，典型地表明了控制的应用.讨论作业习题的安排：通过互联网查资料了解控制的发展。教学手段的应用：多媒体，图片展示，举例说明第一章自动控制的一般概念（2）教学目的及要求：1、学会自动控制系统分类。2、正确理解对控制系统稳、快、准的要求。3、明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数学模型分类的方式。4、明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。教学内容提要：1.3自动控制系统分类1.4对控制系统的基本要求几个重要概念（1）系统分类的重点重点掌握线性与非线性系统的分类，特别对线性系统的定义、性质、判别方法要准确理解。线性系统非线性系统（2）正确绘制系统方框图绘制系统方框图一般遵循以下步骤：=1\*GB3①搞清系统的工作原理，正确判别系统的控制方式。=2\*GB3②正确找出系统的被控对象及控制装置所包含的各功能元件。=3\*GB3③确定外部变量（即给定值、被控量和干扰量），然后按典型系统方框图的连接模式将各部分连接起来。（3）对自控系统的要求对自控系统的要求用语言叙述就是两句话：要求输出等于给定输入所要求的期望输出值；要求输出尽量不受扰动的影响。恒量一个系统是否完成上述任务，把要求转化成三大性能指标来评价： 稳定——系统的工作基础； 快速、平稳——动态过程时间要短，振荡要轻。 准确——稳定精度要高，误差要小。重点：理解信息反馈的含义和作用，区别开环控制和闭环控制绘制控制系统方框图难点：控制与自动控制控制的性能评价教学过程的组织及教学方式：侧重讲述开环控制和闭环控制的基本原理和特点，闭环（反馈）控制是本章的重要概念。通过示例，建立起系统的基本概念，初步掌握由系统工作原理图画出系统方块图的方法。动画演示系统。在讲述控制系统系统设计概论，引用转台转速控制和磁盘驱动读取系统的设计实例，强化设计训练。讨论作业习题的安排：P141、2、3、4、7教学手段的应用：多媒体，图片展示，举例说明第二章控制系统的数学模型（3）教学目的及要求：1、一般掌握微分方程建立2、非线性方程线性化的方法。3、理解系统的相似性4、初步掌握由系统工作原理图画方框图的方法，并能正确判别系统的控制方式。（1）确理解数字模型的特点，对系统的相似性、简化性、动态模型、静态模型、输入变量、输出变量、中间变量等概念，要准确掌握。（2）了解动态微分方程建立的一般方法及小偏差线性化的方法。（3）掌握运用拉氏变换解微分方程的方法，并对解的结构，运动模态与特征根的关系，零输入响应，零状态响应等概念，有清楚的理解。（4）会用MATLAB方法进行部分方式展开。对低阶的微分方程，能用部分分式展开法或留数法公式进行简单计算。教学内容提要：数学模型的定义和建模方法，典型环节的模型建立（RLC电路、水箱系统、弹簧系统、热容过程等），比较不同物理对象的微分方程结构；非线性过程的线性化过程举例本章主要介绍数学模型的建立方法，作为线性系统数学模型的形式，介绍了两种解析式和两种图解法，对于每一种型式的基本概念，基本建立方法及运算，用以下提要方式表示出来。微分方程式 教学重点难点：介绍控制系统建模的基础知识和基本框架，研究用机理分析方法建立和简化线性单变量系统的数学模型；1、系统微分方程列写2、绘制控制系统方框图3、非线性系统偏微线性化4、明确线性，非线性，本质非线性关系教学过程的组织：介绍电学对象，再介绍力学对象讨论作业习题的安排：复习拉普拉斯变换和反变换。教学手段的应用：多媒体；本章涉及的数学知识较多，主要有复变函数、拉氏变换和线性代数。要求学生从应用出发进行适当复习，学用结合，急用先学，学习过程中应注意基本概念、基本原理和基本方法以及工程的观念，重在应用。第二章控制系统的数学模型（4）教学目的及要求：1、熟练掌握传递函数的概念、定义、性质及局限性。

明确零初始条件的物理含义；明确传递函数与微分方程之间的关系。正确理传递函数的定义、性质和意义，特别对传递函数微观结构的分析要准确掌握。2、掌握典型环节的传递函数；3、熟结构结构图概念4、明确开环与闭环传递函数；正确理解由传递函数派生出来的系统的开环传递函数，闭环传递函数，前向传递函数的定义，并对重要传递函数如：控制输入下闭环传递函数，扰动输入下闭环传递数函数，误差传递函数，典型环节传递函数，能够熟练掌握。教学内容提要：传递函数概念复习拉普拉斯变换及性质2、典型环节的传递函数3、结构图的基本概念，建立和基本运算教学重点难点：传递函数；系统结构图概念教学过程的组织：逐个讲解；提出问题－系统的描述讨论作业习题的安排：复习相应的数学知识P41481215教学手段的应用：比较，提问，多媒体第二章控制系统的数学模型（5）教学目的及要求：熟练掌握利用结构图等效变换掌握系统结构图和信号流图两种数学图形的定义和组成方法，熟练地掌握等效变换代数法则，简化图形结构。教学内容提要：1、相加点的移动2、引出点的移动3、结构图的化简结构图注意几点：1、相加点与分支点相邻，一般不能随便交换。2、3、直接应用梅逊公式时，负反馈符号要记入反馈通路中的方框中去。另外对于互不接触回路的区分，特别要注意相加点与分支点相邻处的情况。4、结构图可同时表示多个输入与输出的关系，这比其它几种解析式模型方便的多，并可由图直接写出任意个输入下总响应。如：运用叠加原理，当给定输入和扰动输入同时作用时，则有C(s)＝Gr(s)R(s)＋Gd(s)D(s)教学重点难点：结构图的并联、串联、反馈等效结构图化简教学过程的组织：概念学习；用电路建立结构图，结构图化简；结构图等效为信号流图，介绍梅孙公式及应用讨论作业习题的安排：P411(C),P426,7a,7d,教学手段的应用：多媒体，例题讲解，动画演示第二章控制系统的数学模型（6）教学目的及要求：1、学习信号流图系统的描述2、学梅森公式求传递函数，梅逊公式求系统传递函数的方法。3、正确理解两种数学模型之间的对应关系，两种数学图型之间对应关系，以及模型和图形之间的对应关系，利用以上知识，熟练地将它们进行相互转换。教学内容提要：信号流图 重要公式→梅逊公式梅逊公式注意两点：1、搞清公式中各部分含义；2、公式只能用于等输入节点与较出节点之间的传播，不能等不含输入节点情况下，任意两混合节点之间的传较。四种模型之间的转换关系可用图2－81表示微分方程微分方程传递函数结构图信号流图教学重点：信号流图的表达教学难点：梅孙公式求解教学过程的组织：用信号流图列写简单电路的方程推导传递函数间的关系讨论作业习题的安排：P3103教学手段的应用：介绍应用MATLAB软件求解不同参数和输入情况下的响应，即可视化解，帮助学生学会运用计算机进行辅助分析和设计。第三章线性系统的时域分析（7）教学目的及要求：1、熟悉系统阶跃响应性能指标，了解典型外作用与典型外作用下系统输出之间的关系。2、

明确一阶系统阶跃响应的特点及一阶系统动态性能与系统特征参数之间的关系；（1）正确理解时域响应的性能指标（Mp、tr、td、tp、ess等）、稳定性、系统的型别和静态误差系数等概念。（2）牢固掌握一阶系统的数学模型和典型时域响应的特点，并能熟练计算其性能指标和结构参数。教学内容提要：引言时域分析法是通过直接求解系统在典型输入信号作用下的时间响应，来分析控制系统的稳定性和控制系统的动态性能及稳态性能。控制系统的动态响应指标；工程上常用单位阶跃响应的超调量、调节时间和稳态误差等性能指标评价系统的优劣。典型输入与时域性能指标一阶系统的动态响应、广义被控对象概念，一阶系统的响应与控制后的动态性能，计算脉冲响应、阶跃响应、斜坡响应许多自动控制系统，经过参数整定和调试，其动态特征往往近似于一阶或二阶系统。因此一、二阶系统的理论分析结果，常是高阶系统分析的基础。（1）时域分析法的基本方法是拉氏变换法：结构图C(s)=(s)R(s)c(t)=L-1[C(s)]（2）时域分析（i）一阶系统的时域分析一阶系统的动态特性应用一阶微分方程描述。一阶系统只有一个结构参数，即其时间常数T。时间常数T反应了一阶系统的惯性大小或阻尼程度。一阶系统的性能由其时间常数T唯一决定。一阶系统的时间常数T，也可由实验曲线求出。教学重点难点：统性能指标的定义一阶系统相应与时间常数关系终值定理的应用，稳态误差教学过程的组织：1、应用Matlab展示系统的时域响应，注意结合人工推导和物理意义的解释2、一阶系统的阶跃响应、斜坡响应，响应特性与系统参数间的对照关系讨论作业习题的安排：预习二阶系统的时域响应P772教学手段的应用：1、黑板推导、多媒体课件2、Matlab演示多种情形响应，同时启发式引导同学们观察所需第三章线性系统的时域分析（8）教学目的及要求：1、明确二阶系统阶跃响应的特点及二阶系统动态性能与系统特征参数之间的关系；2、

系统性能指标的使用；教学内容提要：1、二阶系统的动态响应，讲清二阶系统可以出现的各种响应模态，特别是二阶欠阻尼系统的响应2、二阶系统的动态响应指标3、利用MATLA进行系统动态特性分析（二阶系统的时域分析）二阶系统的性能分析，在自动控制理论中有着重要的地位。二阶系统含有两个结构参数，即阻尼比ξ和无阻尼振荡频率ωn。阻尼比ξ决定着二阶系统的响应模态。ξ=0时，系统的响应为无阻尼响应；ξ=1时，系统的响应称为临界阻尼响应；ξ>1时，系统的响应是过阻尼的；0<ξ<1时，系统的响应为欠阻尼响应。欠阻尼工作状态下，合理选择阻尼比ξ的取值，可使系统具有令人满意的动态性能指标。其动态性能指标有Mp、tr、td、tp，ts，一方面可以从响应曲线上读取；二是它们与ξ、ωn有相应的关系，只要已知ξ、ωn，就能很容易求出动态性能指标。教学重点难点：1、系统响应模态与系统极点的影射关系，特别是二阶欠阻尼阶跃响应及系统性能指标的定义；2、二阶系统的定义和基本参数，二阶系统单位阶跃响应曲线的基本形状与阴尼比之间的对应关系，二阶系统性能指示的定义及其与Wn，ζ之间的关系教学过程的组织：1、二阶系统的单位阶跃响应，标准二阶欠阻尼系统的响应特性与系统参数间的对照关系，以及按照它所定义的时域性能指标2、应用Matlab展示系统的时域响应，注意结合人工推导和物理意义的解释以设疑法、对比法和用零极点观点具体地介绍线性系统稳定性，瞬态特性和稳定特性分析方法讨论作业习题的安排：讨论：二阶系统在控制时在稳快准三方面性能的“矛盾”，以及什么情况下有好的响应波形形态作业：性能指标求取。P773、4、5教学手段的应用：1、黑板推导、多媒体课件2、Matlab演示多种情形响应，同时启发式引导同学们观察所需第三章线性系统的时域分析（9）教学目的及要求：1、正确理解主导极点的概念；了解估算高阶系统动态性能的零点极点法。2、

明确稳定性概念及稳定的充要条件，熟练掌握劳斯稳定判据及其应用方法；理解结构不稳定概念。教学内容提要：1、高阶系统的时域分析主导极点和偶极子的概念与计算举例，利用时域法进行控制系统的简单设计举例2、稳定性的基本概念3、线性系统稳定的充分必要条件4、判别系统稳定性的基本方法5、劳斯判据稳定性分析控制系统是否稳定，是决定其能否正常工作的前提条件。任何不稳定的系统，在工程上都是毫无使用价值的。稳定，是指系统受到扰动偏离原来的平衡状态后，去掉扰动，系统仍能恢复到原工作状态的能力。应当特别注意，线性系统的这种稳定性只取决于系统内部的结构及参数，而与初始条件和外作用的大小及形式无关。线性系统稳定的充分必要条件是：系统的所有闭环特征根都具有负的实部，或闭环特征根都分布在左半s平面。判别系统的稳定性，最直接的方法是求出系统的全部闭环特征根。但是求解高阶特征方程的根是非常困难的。工程上，一般均采用间接方法判别系统的稳定性。劳斯判据是最常用的一种间接判别系统稳定性的代数稳定判据。应用闭环特征方程各项的系数列写劳斯表，劳斯表各行第一列元的符号变化次数，即为系统闭环不稳定的根的个数。应用劳斯判据时，应注意两种特殊情况下，劳斯表的列写方法。劳斯判据也可用来确定系统稳定工作时，或系统的闭环极点分布在某一特殊范围时，系统结构参数的允许变化范围。系统闭环特征多项式各项同号且不缺项，是系统稳定的必要条件（注意不是充分条件）。教学重点难点：1、主导极点；2、劳斯判据；教学难点：偶极子；主导极点近似计算。教学过程的组织：应用Matlab展示系统的时域响应，注意结合人工推导和物理意义的解释。以设疑法、对比法和用零极点观点具体地介绍线性系统稳定性，瞬态特性和稳定特性分析方法，并以工程实用方法为主，包括劳斯——赫尔维茨判据及其应用，高阶系统的主导极点分析法，基于终值定理稳态误差计算法和计算机仿真分析，重在应用。讨论作业习题的安排：作业：稳定性判定练习：应用Matlab演示系统时域响应，围绕“主导极点”与“偶极子”，以及稳态误差进行操作P789、10教学手段的应用：1、黑板推导、多媒体课件2、Matlab演示多种情形响应，同时启发式引导同学们观察所需第三章线性系统的时域分析（10）教学目的及要求：1、

明确误差和稳态误差的定义；明确利用终值定理进行计算的限制条件；熟练掌握用终值定理求稳态误差的方法，明确影响稳态误差的因素，了解减小、消除稳态误差的措施。教学内容提要：1、稳态误差定义和控制系统分类2、稳态误差与稳志误差系数稳态误差是系统很重要的性能指标，它标志着系统最终可能达到的控制精度。稳态误差定义为稳定系统误差信号的终值。稳态误差既和系统的结构及参数有关，也取决于外作用的形式及大小。教学重点难点：1、终值定理的应用，稳态误差2、系统误差的定义，稳态误差计算和减少误差方法3、静态特性误差系数计算法教学过程的组织：1、应用Matlab展示系统的时域响应，注意结合人工推导和物理意义的解释基于终值定理稳态误差计算法和计算机仿真分析，重在应用。讨论作业习题的安排：作业：稳态误差求取练习：应用Matlab演示系统时域响应，围绕稳态误差进行操作P8015教学手段的应用：1、黑板推导、多媒体课件2、Matlab演示多种情形响应，同时启发式引导同学们观察所需第三章线性系统的时域分析（11）教学目的及要求：明确误差和稳态误差的定义；扰动稳态误差分析教学内容提要：

1、系统稳态误差分析中的几点结论

2、动态误差系数与误差级数

3、扰动引起的稳态误差稳态误差可应用拉氏变换的终值定理计算，步骤如下：（1）判别系统的稳定性。只有对稳定的系统计算其稳态误差才有意义。（2）根据误差的定义求出系统误差的传递函数。（3）分别求出系统对给定和对扰动的误差函数。（4）用拉氏变换的终值定理计算系统的稳态误差。要注意，终值定理的使用条件为，误差的相函数在右半s平面及虚轴上（原点除外）解析。系统稳定是满足终值定理使用条件的前提。如果误差函数在右半s平面及虚轴上不解析，只能应用定义计算稳态误差。对三种典型函数（阶跃、斜波、抛物线）及其组合外作用，也可利用静态误差系数和系统的型数计算稳态误差。采用具有对给定或对扰动补偿的复合控制方案，理论上可以完全消除系统对给定或（和）扰动的误差，实现输出对给定的准确复现。但工程上常根据输入信号的形式实现给定无稳态误差的近似补偿。教学重点难点：1、终值定理的应用，稳态误差2、系统误差的定义，稳态误差计算和减少误差方法3、静态特性误差系数计算法教学过程的组织：1、应用Matlab展示系统的时域响应，注意结合人工推导和物理意义的解释基于终值定理稳态误差计算法和计算机仿真分析，重在应用。讨论作业习题的安排：作业：稳态误差求取练习：应用Matlab演示系统时域响应，围绕稳态误差进行操作P8016教学手段的应用：1、黑板推导、多媒体课件2、Matlab演示多种情形响应，同时启发式引导同学们观察所需第三章线性系统的时域分析（12）教学目的及要求：用MATLAB进行系统分析教学重点难点：介绍matlab的控制工具箱的部分命令，特别是时域分析的几个函数的用法，并用于：1、一阶系统matlab计算2、二阶系统matlab计算3、稳态误差理论计算与matlab计算4、matlab稳态误差计算和减少误差方法教学过程的组织：1、应用Matlab展示系统的时域响应，注意结合人工推导和物理意义的解释基于终值定理稳态误差计算法和计算机仿真分析，重在应用。讨论作业习题的安排：作业：一阶、二阶系统matlab分析练习：应用Matlab演示系统时域响应，围绕稳态误差进行操作P801725教学手段的应用：1、黑板推导、多媒体课件2、Matlab演示多种情形响应，同时启发式引导同学们观察所需第四章根轨迹法（13）教学目的及要求：明确根轨迹、根轨迹方程的有关概念。熟练掌握绘制根轨迹的方法。掌握开环根轨迹增益Kg（或开环比例系数K）变化时系统闭环根轨迹的绘制方法。理解和熟记根轨迹的绘制法则，尤其是实轴上根轨迹的确定、分离点及渐近线的计算方法、根轨迹与虚轴的交点坐标及出射角和入射角的确定。会利用幅值方程求特定的K值。教学内容提要：本章主要介绍了根轨迹的基本概念、控制系统根轨迹的绘制方法以及根轨迹法在控制系统分析中的应用。（1）根轨迹的基本概念根轨迹是当系统中某参数（如开环根轨迹增益Kg）由0～∞变化时，系统的闭环极点在s平面上移动的轨迹。求出不同Kg值时的闭环极点，在s平面上逐点绘制即可得到系统的闭环根轨迹。但人工绘制即笨又繁，很不实用。根轨迹法的基本思路是：在已知开环零、极点分布的基础上，依据根轨迹法则，确定闭环零、极点的分布。再利用主导极点的概念，对系统的阶跃响应进行定性分析和定量估算。（2）根轨迹方程根轨迹方程实质上是系统闭环特征方程的变形。负反馈系统根轨迹方程的一般形式为根轨迹方程的幅值平衡条件和幅角平衡条件分别称之为根轨迹的幅值方程和幅角方程。系统根轨迹方程的幅值方程和幅角方程由如下二式给出： 幅角方程是决定根轨迹的充分必要条件。系统的根轨迹可依据其幅角方程绘制，幅值方程主要用来确定根轨迹上各点对应的增益值。（3）绘制系统轨迹的基本法则根据系统的根轨迹方程式，按照绘制系统根轨迹的基本法则，即可由系统开环零极点的分布直接绘制出闭环系统的概略根轨迹。表4-2给出了当系统的开环根轨迹增益Kg由0～∞变化时，绘制系统180°根轨迹的基本法则。1、根轨迹的概念，根轨迹方程及相角条件、幅值条件2、绘制常规根轨迹的基本法则1～3教学重点：相角条件、幅值条件，以180º根轨迹为主教学难点：根轨迹方程、根轨迹绘制的实用法则教学过程的组织：1、特别注重向量的运算，黑板表达向量、讲解其变化过程2、利用根轨迹对系统特性进行分析，进一步认识系统讨论作业习题的安排：讨论：根轨迹的实用作业：根轨迹绘制和分析4-2,7教学手段的应用：1、应用Matlab绘制根轨迹2、多媒体课件提出本章要解决以下四个问题：1.为什么要引入根轨迹法规.2.根轨迹是什么,如何绘制根轨迹3.如何从根轨迹图来判断闭环系统的动态特性4.如何根据用户要求改造根轨迹，即系统综合设计，来组织本章教学。重点介绍手工绘制根轨迹，并以计算机绘制根轨迹为辅，重点是根轨迹法在系统分析中的应用。最后用比较法、总结时域分析和复域根轨迹法的异同，引导学生掌握根轨迹分析法的基本思路、基本方法及工程处理特点。第四章根轨迹法（14）教学目的及要求：1、熟练掌握绘制根轨迹的方法，能够利用根轨迹定性分析系统性能随参数变化的趋势。2、了解闭环零、极点的分布和系统阶跃响应的定性关系及系统根轨迹分析的基本思路。正确理解偶极子和主导极点等基本概念，会用主导极点的概念估算系统的性能指标。教学内容提要：1、绘制根迹的基本法则4～8控制系统的根轨迹分析即应用闭环系统的根轨迹图，分析系统的稳定性、计算系统的动态性能和稳态性能，或在根轨迹图上可以进行反馈系统的综合或校正。当系统的根轨迹段位于左半s平面时，系统稳定。否则，系统必然存在不稳定的闭环根。当系统为条件稳定时，根轨迹与s平面的交点即其临界稳定条件。利用根轨迹得到闭环零、极点在s平面的分布情况，可以写出系统的闭环传递函数，进行系统动态性能的分析。系统的闭环零点由系统的开环传递函数直接给出，系统的闭环极点需应用根轨迹图试探确定。如果系统满足闭环主导极点的分布规律，可以应用闭环主导极点的概念把高阶系统简化为低阶系统，对高阶系统的性能近似估算。2、应用根轨迹能定性地分析系统的性能及其随参数变化的趋势和添加开环零极点对系统特性的影响附加开环零极点对根轨迹的影响：根轨迹是根据开环零极点的分布绘制的，系统开环零极点的分布影响着根轨迹的形状。通过附加开环零极点，可以改造系统根轨迹的形状，使系统具有满意的性能指标。增加一个开环实零点，将使系统的根轨迹向左偏移，提高了系统的稳定度，并有利于改善系统的动态性能。开环负实零点离虚轴越近，这种作用越大。增加一个开环实极点，将使系统的根轨迹向右偏移，降低了系统的稳定度，有损于系统的动态性能，使得系统响应的快速性变差。开环负实极点离虚轴越近，这种作用越大。开环零点和极点重合或相近时，二者构成开环偶极子。合理配置偶极子中的开环零极点，可以在不影响动态性能的基础上，改善系统的稳态形能。教学重点难点：重点：根轨迹绘制的实用法则难点：根轨迹的分离（或汇合）点、出（或入）射角求取，利用根轨迹分析系统的性能，参数根轨迹；教学过程的组织：1、利用根轨迹对系统特性进行分析，进一步认识系统讨论作业习题的安排：讨论：根轨迹的使用作业：根轨迹绘制和分析P103111214教学手段的应用：1、应用Matlab绘制根轨迹和性能分析2、多媒体课件提出本章要解决以下问题：1.如何从根轨迹图来判断闭环系统的动态特性2.如何根据用户要求改造根轨迹，即系统综合设计，来组织本章教学。重点介绍手工绘制根轨迹，并以计算机绘制根轨迹为辅，重点是根轨迹法在系统分析中的应用。最后用比较法、总结时域分析和复频域根轨迹法的异同，引导学生掌握根轨迹分析法的基本思路、基本方法及工程处理特点。第四章根轨迹法（15）教学目的及要求：1、熟练掌握绘制根轨迹的方法，能够利用根轨迹定性分析系统性能随参数变化的趋势。2、学会参数根轨迹分析教学内容提要：1、添加（或移动）零点和极点对根轨迹的影响，即根轨迹绘制举例2、广义根轨迹3、掌握0根轨迹、参变量根轨迹及非最小相位根轨迹绘制的基本思路和方法。教学重点难点：广义参数根轨迹教学过程的组织：利用根轨迹对系统特性进行分析，进一步认识系统讨论作业习题的安排：讨论：根轨迹的实用作业：根轨迹绘制和分析应用MATLAB分析根轨迹P1041419教学手段的应用：1、应用Matlab绘制根轨迹和性能分析2、多媒体课件提出本章要解决以下问题：1.如何根据用户要求改造根轨迹，即系统综合设计，来组织本章教学。重点介绍手工绘制根轨迹，并以计算机绘制根轨迹为辅，重点是根轨迹法在系统分析中的应用。最后用比较法、总结时域分析和复频域根轨迹法的异同，引导学生掌握根轨迹分析法的基本思路、基本方法及工程处理特点。第四章根轨迹法―――――――――――――――（16）教学目的及要求：学应用matlab进行根轨迹分析教学内容提要： 1、应用MATLAB分析根轨迹2、系统性能分析，添加（或移动）零点和极点对根轨迹的影响，即根轨迹绘制举例3、工程设计示例教学重点：广义参数根轨迹教学难点：0度参数根轨迹教学过程的组织：利用根轨迹对系统特性进行分析，进一步认识系统讨论作业习题的安排：讨论：根轨迹的实用作业：根轨迹绘制和分析应用MATLAB分析根轨迹教学手段的应用：1、应用Matlab绘制根轨迹和性能分析2、多媒体课件第五章线性系统的频域分析（17）教学目的及要求：（1）正确理解频率特性的物理意义、数学本质及定义。（2）正确地运用频率特性的定义进行分析和计算，计算部件或系统在正弦输入下的稳态响应以及反算结构参数。熟悉典型环节频率特性的特点；熟练掌握典型环节的奈奎斯特掌握绘制开环幅相特性频率特性的方法；教学内容提要：1、频率特性的概念2、频率特性的导出，频率响应及频率特性3、典型环节和系统开环频率特性（幅相频率特性）的绘制（1）频率特性是线性系统（或部件）在正弦函数输入下，稳态输出与输入之比对频率的关系，概括起来即为同频、变幅、相移。它能反映动态过程的性能，故可视为动态数学模型。频率特性是传递函数的一种特殊形式。将系统传递函数中的s换成纯虚数j，就得到该系统的频率特性。频率特性可以通过实验方法确定，这在难以写出系统数学模型时更为有用。（2）开环频率特性可以写成因式形式的乘积，这些因式就是典型环节的频率特性，所以典型环节是系统开环频率特性的基础。典型环节有：比例环节、积分环节、微分环节、惯性环节、一阶微分环节、振荡环节、二阶微分环节和延迟环节。对典型环节频率特性的规律及其特征点应该非常熟悉。教学重点难点：重点：1、频率特性的物理意义；2、频率特性的幅相图；难点：频率特性分析，频域同时域的对照关系，教学过程的组织：1、特别注重物理意义的结合2、强调手工快速绘制频率特性曲线对迅速定性认识系统的必要，其次，使用Matlab软件绘制频率特性曲线并获得某希望点特征数据频率响应法是根据频率特性曲线的形状及其特征量来分析研究系统的特性，而不是对系统模型求解，故在教学方式上应采用对比和互相联系方式将本章内容和第三章、第四章内容联系起来教述并运用MATLAB计算机辅助分析的手段，使学生们深入地了解它们之间内在联系和区别。讨论作业习题的安排：复习：Nyquist图P18012教学手段的应用：1、黑板手工快速绘制频率特性图2、多媒体课件第五章线性系统的频域分析（18）教学目的及要求：1、熟悉典型环节频率特性的特点，熟练掌握绘制开环幅相特性；2、熟练掌握开环对数频率特性的方法3、掌握典型环节和系统开环对数频率特性教学内容提要：典型环节和系统开环频率特性（幅相频率特性）的绘制开环极坐标图的绘制由开环极点—零点分布图，正确地确定出起点、终点以及与坐标轴的交点，即可绘制出开环极坐标草图。2、典型环节和系统开环频率特性（对数频率特性）的绘制；开环伯德图的绘制先把开环传递函数化为标准形式，求每一典型环节所对应的转折频率，并标在轴上；然后确定低频段的斜率和位置；最后由低频段向高频段延伸，每经过一个转折频率，斜率作相应的改变。这样很容易地绘制出开环对数幅频特性渐近线曲线，若需要精确曲线，只需在此基础上加以修正即可。对于对数相频特性曲线只要能写出其关系表达式，确定出=0，=时的相角，再在频率段内适当地求出一些频率所对应的相角，连成光滑曲线即可。教学重点难点：1、频率特性的物理意义；2、频率特性的幅相图；3、Bode图方法：典型环节的Bode图；系统Bode图的作图方法；最小相位系统和非最小相位系统。教学过程的组织：1、强调手工快速绘制频率特性曲线对迅速定性认识系统的必要，其次，使用Matlab软件绘制频率特性曲线并获得某希望点特征数据频率响应法是根据频率特性曲线的形状及其特征量来分析研究系统的特性，而不是对系统模型求解，故在教学方式上应采用对比和互相联系方式将本章内容和第三章、第四章内容联系起来教述并运用MATLAB计算机辅助分析的手段，使学生们深入地了解它们之间内在联系和区别。讨论作业习题的安排：作业：Nyquist图和Bode图绘制P180613教学手段的应用：1、黑板手工快速绘制频率特性图2、多媒体课件3、Matlab绘制Nyquist图和Bode图，求取典型点，解释物理意义第五章线性系统的频域分析（19）教学目的及要求：1、

理解奈奎斯特稳定判据的原理，熟练掌握运用奈奎斯特稳定判据和对数频率判据判定系统稳定性的方法。2、

正确理解稳定裕度的概念及意义，熟练掌握计算稳定裕度的方法。教学内容提要：幅角原理和奈奎斯特稳定判据频率法是运用开环频率特性研究闭环动态响应的一套完整的图解分析计算法。其分析问题的主要步骤和所依据的概念及方法如下：频域稳定性判据(奈氏判据)闭环稳定性开环频率特性曲线求频域指标，c，h或Mr，bMp%，ts（估算公式）型号和开环放大系数ess开环频率特性和闭环频率特性都是表征闭环系统控制性能的有力工具。（=1\*romani）奈氏判据是根据开环频率特性曲线来判断闭环系统稳定性的一种稳定判据。其内容为：若已知开环极点在s右半平面的个数为p，当从0时，开环频率特性的轨迹在G(j)H(j)平面包围（-1，j0）点的圈数为R，则闭环系统特征方程式在s右半平面的个数为z，且有z=p2R。若z=0，说明闭环特征根均在s左半平面，闭环系统是稳定的。若z0，说明闭环特征根在s右半平面有根，闭环系统是不稳定的。（=2\*romanii）开环频域指标、c、h或闭环频域指标Mr、b反映了系统的动态性能，它们和时域指标之间有一定的对应关系，、Mr反映了系统的平稳性，越大，Mr越小，系统的平稳性越好；c、b反映了系统的快速性，c、b越大，系统的响应速度越快。教学重点：1、奈奎斯特稳定判据2、稳定裕度（幅值裕度和相位裕度）；3．牢固地掌握奈奎斯特判据及其在系统分析中应用难点：频率特性分析，频域同时域的对照关系，三频段与性能关系教学过程的组织：1、特别注重物理意义的结合2、强调手工快速绘制频率特性曲线对迅速定性认识系统的必要，其次，使用Matlab软件绘制频率特性曲线并获得某希望点特征数据讨论作业习题的安排：作业：稳定性判定，P1811620教学手段的应用：1、多媒体课件2、Matlab绘制Nyquist图和Bode图，求取典型点，解释物理意义第五章线性系统的频域分析（20）教学目的及要求： 1、正确理解稳定裕度的概念及意义，熟练掌握计算稳定裕度的方法。 2、

掌握开环对数幅频特性与系统稳态性能、动态性能之间的关系，正确理解三频段的概念。教学内容提要：1、奈奎斯特稳定判据2、最小相位系统的概念3、对数频率稳定判据及其应用稳定裕度(量)的概念及计算，正确理解三频段的概念三频段的概念对分析系统参数的影响以及系统设计都是很有用的。一个既有较好的动态响应，又有较高的稳态精度；既有理想的跟踪能力，又有满意的抗干扰性的控制系统，其开环对数幅频特性曲线低、中、高三个频段的合理形状应是很明确的。低频段的斜率应取20dB/dec，而且曲线要保持足够的高度，以便满足系统的稳态精度。中频段的截止频率不能过低，而且附近应有20dB/dec斜率段，以便满足系统的快速性和平稳性。20dB/dec斜率段所占频程越宽，则稳定裕度越大。高频段的幅频特性应尽量低，以便保证系统的抗干扰性。由于采用了典型化、对数化等处理方法，使得频率法的计算工作较为简化，从而在工程实践中获得了广泛的应用。教学重点难点：1、稳定裕度（幅值裕度和相位裕度）；2、频率特性分析，频域同时域的对照关系，三频段与性能关系，学习本章难点一是应用频率特性响应分析方法来分析控制系统的时域响应特性是一种间接方法，学生们一时难以建立起频率响应与时域响应之间的关系，二是为了求得稳定裕量，需要熟练掌握根据系统开环频率特性计算幅穿频率Wc和相穿频率Wg的各种计算方法。教学过程的组织：1、强调手工快速绘制频率特性曲线对迅速定性认识系统的必要，其次，使用Matlab软件绘制频率特性曲线并获得某希望点特征数据2、频率响应法是根据频率特性曲线的形状及其特征量来分析研究系统的特性，而不是对系统模型求解，故在教学方式上应采用对比和互相联系方式将本章内容和第三章、第四章内容联系起来教述并运用MATLAB计算机辅助分析的手段，使学生们深入地了解它们之间内在联系和区别。讨论作业习题的安排：作业：给定Bode图折线求最小相位系统的传递函数，稳定裕度的计算P18226教学手段的应用：1、多媒体课件2、Matlab绘制Nyquist图和Bode图，求取典型点，解释物理意义第五章线性系统的频域分析（21）教学目的及要求：1、掌握开环对数幅频特性与系统稳态性能、动态性能之间的关系，正确理解三频段的概念。教学内容提要：1、频域特性的应用2、频域响应和时域响应之间的关系教学重点难点：1、牢固地掌握奈奎斯特判据及其在系统分析中应用2、应用开环对数渐近幅频曲线估算系统的暂态与稳定性能教学过程的组织：频率响应法是根据频率特性曲线的形状及其特征量来分析研究系统的特性，而不是对系统模型求解，故在教学方式上应采用对比和互相联系方式将本章内容和第三章、第四章内容联系起来教述。讨论作业习题的安排：作业：给定Bode图折线求最小相位系统的传递函数，稳定裕度的计算P18226教学手段的应用：1、黑板手工快速绘制频率特性图2、多媒体课件3、绘制Nyquist图和Bode图，求取典型点，解释物理意义第五章线性系统的频域分析（22）教学目的及要求：1、了解闭环频域特性2、学会matlab进行控制系统频域分析教学内容提要：1、MATLAB频域特性的应用2、MATLAB频域响应和时域响应之间的关系3、MATLAB在频率分析中应用教学重点难点：1、闭环带宽2、应用开环对数渐近幅频曲线估算系统的暂态与稳定性能3、根据特性求传递函数教学过程的组织：频率响应法是根据频率特性曲线的形状及其特征量来分析研究系统的特性，而不是对系统模型求解，故在教学方式上应采用对比和互相联系方式将本章内容和第三章、第四章内容联系起来教述并运用MATLAB计算机辅助分析的手段，使学生们深入地了解它们之间内在联系和区别。讨论作业习题的安排：作业：给定Bode图折线求最小相位系统的传递函数，稳定裕度的计算P18027教学手段的应用：1、多媒体课件2、Matlab绘制Nyquist图和Bode图，求取典型点，解释物理意义第六章线性系统的校正方法（23）教学目的及要求：1、理解校正校正结构和基本校正方法教学内容提要：1、校正与综合的概念，基本校正结构2、常用校正装置及其特性3、PID参数整定基础及讨论1）在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的结构或装置，使系统整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。这一附加的装置称为校正装置。加入校正装置后使未校正系统的缺陷得到补偿，这就是校正的作用。2）常用的校正方式有串联校正、反馈校正、前馈校正和复合校正四种。串联校正和反馈校正是适用于反馈控制系统的校正方法，在一定程度上能够使已校正系统满足要求的性能指标。串联校正简单，易于实现，因此得到了广泛的应用。教学重点难点：掌