自动控制理论2课程教学大纲

自动控制理论2课程教学大纲课程中文名称：自动控制理论Ι（一）课程英文名称：AutomaticControlTheoryI(I)课程编号：204T0572学分：3.5学时：56（其中：讲课学时：56实验学时：0实践学时：0）先修课程：电路原理II、高等数学、线性代数适用专业：自动化课程类别：专业核心课程/必修使用教材：邹伯敏主编.自动控制理论(第4版)[M].北京:机械工业出版社，2019.开课单位：电气与新能源学院课程简介：《自动控制理论Ι（一）》是一门探索自动控制系统普遍规律的学科。本课程主要研究自动控制系统的基本概念、控制系统的数学模型、控制系统的时域分析方法、根轨迹法、频率特性分析法、控制系统的校正、离散控制系统分析、非线性系统的分析方法。通过该课程的学习，使学生清晰地建立反馈控制系统的基本概念，初步具备解决与分析制造过程与装备中常见自动控制问题的能力，为后续有关课程的学习提供必要的理论基础，也为进一步学习和研究控制理论创造一定的条件。一、课程性质本课程是自动化专业的专业核心课与必修课。自动控制理论是研究关于自动控制系统建模、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。本课程理论性和工程应用性均较强，是数学思维在工程实践中的应用拓展。主要针对复杂工程系统的控制问题，建立数学模型，基于传递函数这一主要数学模型，应用时域、复数域、频域以及离散控制等理论方法对控制系统进行综合分析和校正，最终达到满意的控制效果。《自动控制理论Ⅰ（一）》主要讲授经典控制理论部分，为学习本专业的后续课程打下必要的基础。二、课程目标：课程目标1：从控制科学的内容、方法、思维多个层面对学生进行价值塑造，帮助学生树立良好的人生观价值观，培养学生的爱国情怀、创新能力、科学思维和探索习惯。课程目标2：能够应用自动控制理论的专业知识对自动控制系统进行正确规范表述，理解自动控制系统的基本原理、普遍方法和通用规律。课程目标3：能运用拉普拉斯变换和傅里叶变换、z变换等数学知识对自动控制系统建立微分方程、传递函数、频率特性等数学模型并求解。课程目标4：能根据被测/控对象特征和控制性能要求，运用该门课程的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法和离散控制系统分析法等控制科学原理，识别和判断自动化工程应用问题的关键环节，正确表达和分析控制工程应用问题，体现出综合分析能力。课程目标5：了解影响自动控制系统控制目标和方案的各种因素，掌握控制系统校正的基本方法和技术，最终达到控制目标，并能根据技术和环境的变化，通过学习提高综合设计能力。三、课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求毕业要求指标点课程目标对毕业要求的支撑关系1.工程知识指标点1.2：能够运用数学、自然科学、工程科学的知识对自动化系统工程的具体对象建立数学模型并求解。指标点1.4：能够将数学、自然科学、工程科学的知识和数学模型方法用于自动化系统专业工程问题解决方案的比较与综合。课程目标1课程目标2课程目标32.问题分析指标点2.1：能运用相关科学原理，识别和判断自动化系统复杂工程问题的关键环节。指标点2.2：能基于科学原理和数学模型正确表达自动化系统复杂工程问题。指标点2.4：能运用基本原理，借助文献研究，分析过程的影响因素，获得有效结论。课程目标1课程目标412.终身学习指标点：12.1能在社会发展的大背景下，认识到自主和终身学习的必要性。指标点：12.2具有自主学习的能力，包括对技术问题的理解能力，归纳总结的能力和提出问题的能力等。。课程目标1课程目标5四、教学内容及要求第一章绪论（2学时）1.教学内容（1）了解自动控制理论的发展及应用；理解自动控制基本概念。（2）了解自动控制系统的分类，掌握自动控制系统的组成及相关术语。（3）理解对自动控制系统的性能要求。2.重点难点：控制系统的组成、控制系统的性能要求3.课程思政融入点：（1）自动控制领域典型事迹与爱国情怀、自动控制技术发展与科技报国的使命（2）工程师和科学家思路上的不同4.考核要点：自动控制系统的组成及对控制系统的性能要求5.教学方法：线上线下混合、课堂讲授、课堂探讨6.作业安排：课后习题1-3、SPOC线上习题第二章控制系统的数学模型（8学时）1.教学内容（1）理解动态系统数学模型的初步知识（2）掌握微分方程的建立及求解方法（3）掌握传递函数概念及性质（4）掌握电气系统的数学建模（5）掌握方框图建立与化简（6）了解信号流图与梅逊（Mason）公式（7）使用MATLAB建立数学模型及模型转换方法2.重点难点：传递函数的概念与求取3.课程思政融入点：（1）数学建模的多种形式与唯物辩证法（2）自动控制系统数学建模与由抽象到具体的科学思维4.考核要点：用各种不同的方法求取传递函数5.教学方法：线上线下混合、课堂讲授、课堂探讨6.作业安排：习题2-1,2-5,2-9.2-11、SPOC线上习题第三章控制系统的时域分析法（10学时）1.教学内容（1）掌握一阶系统的时域响应（2）掌握二阶系统的时域响应及动态性能指标的计算（3）了解高阶系统的时域响应（4）理解稳定性的定义，掌握稳定性的充要条件，掌握劳斯稳定判据及其应用（5）理解稳态误差、系统型别的概念，掌握静态误差系数、稳态误差的计算（6）使用MATLAB求系统响应和计算系统性能指标2.重点难点：二阶系统的时域响应及动态性能指标，稳态误差的计算，稳定性分析3.课程思政融入点：（1）系统稳定性与人的抗干扰性（2）阻尼系数的工程含义与工程应用4.考核要点：二阶系统性能指标的计算5.教学方法：线上线下混合、课堂讲授、课堂探讨6.作业安排：习题3-1,3-3,3-5,3-8,3-13、SPOC线上习题第四章根轨迹法（6学时）1.教学内容（1）理解根轨迹的概念（2）掌握根轨迹的幅相条件和绘制根轨迹的基本规则（3）了解参数根轨迹和零度根轨迹（4）掌握利用根轨迹图分析控制系统（5）使用MATLAB绘制根轨迹图、分析系统性能2.重点难点：根轨迹的条件及绘制，用根轨迹图分析控制系统3.课程思政融入点：（1）通过根轨迹绘制引导学生总结归纳事物的发展规律（2）从时域到复数域分析同一个系统性和分析事物的多维度4.考核要点：根轨迹的绘制及根据根轨迹图分析控制系统5.教学方法：线上线下混合、课堂讲授、课堂探讨6.作业安排：习题4-1,4-5,4-6、SPOC线上习题第五章频率特性法（10学时）1.教学内容（1）理解频率特性的概念及其表示方法（2）掌握Bode图的绘制（3）掌握Nyquist图的绘制（4）掌握Nyquist判据及其应用（5）掌握相角裕度、幅值裕度的概念及计算方法（6）了解闭环频率特性及频域指标与时域指标之间的关系（7）使用MATLAB绘制Bode图，Nyquist图，分析系统性能2.重点难点：Bode图，Nyquist判据及应用，稳定裕度3.课程思政融入点：（1）通过极坐标图、Bode图的介绍，带领学生认识一些基本的工程哲学，掌握工程分析的常用方法。（2）从系统稳态性能指标和动态性能指标兼顾的矛盾性引导学生认识工程问题的复杂性，工程问题寻其中道。4.考核要点：Bode图的绘制，稳定裕度的计算，Nyquist判据及应用5.教学方法：线上线下混合、课堂讲授、课堂探讨6.作业安排：习题5-1,5-2,5-5,5-13,5-20、SPOC线上习题第六章控制系统的校正（8学时）1.教学内容（1）理解控制系统综合与校正的基本概念及方式（2）掌握超前、滞后校正装置的特性（3）掌握频域法超前校正、滞后校正（4）掌握根轨迹法超前校正、滞后校正（5）了解滞后-超前校正（6）掌握PID控制算法及其参数整定方法（7）使用MATLAB对控制系统进行校正2.重点难点：频域法超前、滞后校正3.课程思政融入点：（1）系统校正与人自我反思校正（2）从微分环节D和积分环节I对系统的动态性能的影响看待事物的两面性4.考核要点：频域法超前、滞后校正5.教学方法：线上线下混合、课堂讲授、课堂探讨6.作业安排：习题6-6,6-7，课外作业，用matlab设计控制器、SPOC线上习题第七章离散控制系统（6学时）1.教学内容（1）理解信号采用与保持的原理（2）掌握z变换与z反变换（3）理解脉冲传递函数的概念，掌握脉冲传递函数的求取（4）掌握差分方程及其求解（5）掌握离散控制系统的性能分析（6）掌握离散控制系统的数字校正（7）使用MATLAB对离散控制系统进行模型、分析、设计及仿真2.重点难点：脉冲传递函数，离散控制系统的性能分析3.课程的思政融入点：（1）从连续系统的应用到离散系统的应用，介绍我国计算机控制技术的发展。（2）从傅里叶变换背后的故事看开拓创新的精神；从时域到频域分析问题到转换角度看待问题的思维方式。4.考核要点：脉冲传递函数的求取，离散控制系统的性能分析5.教学方法：线上线下混合、课堂讲授、课堂探讨6.作业安排：习题7-2,7-4、SPOC线上习题第八章非线性控制系统（6学时）1.教学内容（1）理解非线性控制系统的特点，掌握几种典型的非线性特性（2）理解描述函数的概念，掌握典型非线性元件的描述函数（3）掌握用描述函数法分析非线性系统（4）理解相轨迹的概念，掌握相轨迹的绘制（5）了解奇点及其分类（6）掌握非线性系统的相平面分析方法（7）使用MATLAB分析非线性系统2.重点难点：非线性控制系统的描述函数分析法3.思政融入点：（1）从线性系统模型到非线性系统的模型的演化，培养学生严谨的科学态度。（2）非线性问题的求解过程，引导学生攻坚克难的精神。4.考核要点：描述函数分析法5.教学方法：课堂讲授6.作业安排：习题8-3,8-4五、教学内容对课程目标的支撑关系章节教学内容学时分配支撑的课程目标讲课实验实践第1章绪论自动控制理论的发展及应用；自动控制基本概念；自动控制系统的分类，自动控制系统的组成及相关术语；对自动控制系统的性能要求。200课程目标1课程目标2第2章控制系统的数学模型动态系统数学模型的初步知识；微分方程的建立及求解方法；传递函数概念及性质；电气系统的数学建模；方框图建立与化简；信号流图与梅逊（Mason）公式；使用MATLAB建立数学模型及模型转换方法。800课程目标1课程目标2课程目标3第3章控制系统的时域分析方法工程职业伦理、工程职业能力、工程职业素养、工程职业道德1000课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4第4章根轨迹法根轨迹的概念；根轨迹的幅相条件和绘制根轨迹的基本规则；参数根轨迹和零度根轨迹；利用根轨迹图分析控制系统；使用MATLAB绘制根轨迹图、分析系统性能600课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4第5章频率特性法频率特性的概念及其表示方法；Bode图的绘制；Nyquist图的绘制；Nyquist判据及其应用；相角裕度、幅值裕度的概念及计算方法；闭环频率特性及频域指标与时域指标之间的关系；使用MATLAB绘制Bode图，Nyquist图，分析系统性能。1000课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4第6章控制系统的校正控制系统综合与校正的基本概念及方式；超前、滞后校正装置的特性；频域法超前校正、滞后校正；根轨迹法超前校正、滞后校正；滞后-超前校正；PID控制算法及其参数整定方法；使用MATLAB对控制系统进行校正。800课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4课程目标5第7章离散控制系统的分析与校正信号采用与保持的原理；z变换与z反变换；脉冲传递函数的概念，脉冲传递函数的求取；差分方程及其求解；离散控制系统的性能分析；离散控制系统的数字校正；使用MATLAB对离散控制系统进行模型、分析、设计及仿真。600课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4课程目标5第8章非线性控制系统非线性控制系统的特点，几种典型的非线性特性；描述函数的概念，典型非线性元件的描述函数；用描述函数法分析非线性系统；解相轨迹的概念，相轨迹的绘制；解奇点及其分类；非线性系统的相平面分析方法。600课程目标1课程目标5六、考核方式及成绩评定标准1.课程考核方式：闭卷考试占60%，平时成绩占40%。平时成绩包括课堂考勤10%、课堂表现10%、课程作业20%。支撑毕业要求课程目标考核与评价方式合计平时成绩（40%）期末考试（60%）课堂考勤10%课堂表现10%课程作业20%闭卷考试课程目标1505指标点1.2,1.4课程目标251015指标点1.21.4课程目标3152035指标点2.1,2.2,2.4课程目标4152035指标点12.112.2课程目标551015总分占比%40601002.课程考核评分标准课程目标考核要求评分标准高于预期达到预期低于预期优秀良好合格不合格1．从控制科学的内容、方法、思维多个层面对学生进行价值塑造，帮助学生树立良好的人生观价值观，培养学生的爱国情怀、创新能力、科学思维和探索习惯。（5分）课堂考勤课堂表现课程作业543<32．能够应用自动控制理论的专业知识对自动控制系统进行正确规范表述，理解自动控制系统的基本原理、普遍方法和通用规律。（15分）课堂考勤课堂表现课程作业期末考试14-1512-149-12<93．能运用拉普拉斯变换和傅里叶变换、z变换等数学知识对自动控制系统建立微分方程、传递函数、频率特性等数学模型并求解。（35分）课堂考勤课堂表现课程作业期末考试32-3528-3221-28<214.能根据被测/控对象特征和控制性能要求，运用该门课程的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法和离散控制系统分析法等控制科学原理，识别和判断自动化工程应用问题的关键环节，正确表达和分析控制工程应用问题，体现出综合分析能力。（35