自动控制理论课程教学大纲

《自动控制理论》教学大纲课程英文名AutomaticControlTheory课程代码A0803Z91学分3总学时48理论学时40实验/实践学时8课程类别学科基础课课程性质限选先修课程高等数学、线性代数、电子技术适用专业机械设计制造及其自动化开课学院机电工程学院注：课程类别是指公共基础课/学科基础课/专业课；课程性质是指必修/限选/任选。一、课程地位与课程目标（一）课程地位《自动控制理论》是机械设计制造及其自动化专业的重要学科基础课程，教学目的是培养学生利用所学数学、工程数学知识，分析和设计自动控制系统。通过课程学习，使学生理解自动控制系统的基本概念，掌握自动控制系统建模的方法，熟练掌握系统性能指标的分析计算方法，理解自动控制系统校正概念，熟练使用根轨迹法和频率特性法分析与设计控制系统。为今后深入学习机器人技术、数控技术、液压传动与气压传动等课程奠定基础。学生通过本课程的学习，可针对单输入/单输出系统，建立传递函数数学模型，分析和计算输出反馈控制系统性能指标，设计校正控制器，具备初步的自动控制系统设计能力。（二）课程目标1.能够将机械控制的专业基础知识和数学模型方法用于机械工程领域复杂工程问题的推演、分析。（工程知识1.3/H）2.能够运用数学、自然科学和自动控制的基本原理和方法识别和判断机械工程领域复杂工程问题。（问题分析2.1/H）3.强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。二、课程目标达成的途径与方法以课堂教学为主，实验教学为辅。1.课堂教学主要讲解自动控制系统的一般概念、数学建模方法、时域分析法、根轨迹法、频域分析法和控制系统的设计与校正方法。通过实例的讲解，使同学们更好地熟悉或掌握自动控制系统的相关理论和设计方法，提高学生对自动控制理论的学习兴趣、培养思维方式。课堂教学尽量引入互动环节，使同学们能更好地融入课堂教学，提高教学效果。2.实验教学主要结合学生所掌握的理论知识进行实验设计和验证，培养学生熟练运用所学知识的能力、收集和提炼信息的能力以及解决实际问题的能力。三、课程目标与相关毕业要求的对应关系课程目标课程目标对毕业要求的支撑程度（H、M、L）毕业要求1.3毕业要求2.1课程目标1H课程目标2H注：1.支撑强度分别填写H、M或L（其中H表示支撑程度高、M为中等、L为低）。四、课程主要内容与基本要求知识点主要内容基本要求第一章绪论①自动控制理论发展史简述L1②自动控制系统的一般概念L1③开环控制与闭环控制L1④自动控制系统的分类L1⑤对控制系统性能的要求和本课程的任务L1第二章控制系统的数学模型①列写系统微分方程式的一般方法L1②非线性数学模型的线性化L2③传递函数L3④系统框图及其等效交换L3⑤控制系统的传递函数L2⑥信号流图和梅逊公式的应用L2⑦控制系统的反馈特性L1第三章控制系统的时域分析法①典型的测试信号L2②一阶系统的时域响应L2③二阶系统的时域响应L3④高阶系统的时域响应L1⑤线性定常系统的稳定性L3⑥劳斯稳定判据L3⑦控制系统的稳态误差L2第四章根轨迹法①根轨迹法的基本概念L3②绘制根轨迹的基本规则L3③参量根轨迹的绘制L1④非最小相位系统的根轨迹L1⑤增加开环零、极点对根轨迹的影响L1⑥用根轨迹法分析控制系统L2第五章频率响应法①频率特性L3②对数坐标图L3③极坐标图L3④用频率法辨识线性定常系统的数学模型L2⑤奈奎斯特稳定判据L3⑥相对稳定性分析L1⑦频域性能指标与时域性能指标间的关系L1第六章控制系统的校正①超前校正L1②滞后校正L1③滞后-超前校正L1④PID控制器及其参数的整定L1基本要求：L1-理解，L2-掌握，L3-熟练掌握五、课程学时安排章节号教学内容学时数学生任务对应课程目标第一章1.1自动控制理论发展史简述1.2自动控制系统的一般概念1.3开环控制与闭环控制1.4自动控制系统的分类1.5对控制系统性能的要求和本课程的任务2自学：自动控制系统的一般概念课程目标1课程目标3第二章（补充内容）Laplace变换2.1列写微分方程式的一般方法2.2非线性数学模型的线性化2自学：Laplace变换和列写微分方程式的一般方法课程目标2课程目标32.3传递函数2.4系统框图及其等效变换2作业：第二章1，2自学：传递函数和系统框图等效变换课程目标1课程目标32.5控制系统传递函数2.6信号流图与Mason公式2作业：第二章3，5，6，7，10，11自学：信号流图与Mason公式课程目标1课程目标32.7控制作用的反馈特性♠习题分析、讨论总结2课程目标1课程目标3第三章3.1典型的测试信号3.2一阶系统的时域响应2自学：一阶系统的时域响应课程目标1课程目标33.3二阶系统的时域响应3.4高阶系统的时域响应2作业：第三章2，4，5，7自学：二阶系统的时域响应课程目标1课程目标33.5线性定常系统的稳定性3.6劳斯稳定判据2作业：第三章10，11，12自学：劳斯稳定判据课程目标2课程目标33.7控制系统的稳态误差♠习题分析、讨论总结2作业：第三章13，14，16课程目标1课程目标3实验典型环节的模拟研究3课程目标2课程目标3实验控制系统的瞬态响应及其稳定性3课程目标2第四章4.1根轨迹法的基本概念4.2绘制根轨迹法的基本规则2作业：第四章1，2，3自学：根轨迹法的基本概念和绘制规则课程目标1课程目标34.3参量根轨迹的绘制4.4非最小相位系统的根轨迹2作业：第四章5，6，8自学：非最小相位系统的根轨迹课程目标1课程目标34.5增加开环、极点对根轨迹的影响2自学：增加开环、极点对根轨迹的影响课程目标1课程目标34.6用根轨迹法分析控制系统♠习题分析、讨论总结2作业：第四章12，14，18课程目标1课程目标3第五章5.1频率特性5.2对数坐标图2作业：第五章1，2，5自学：频率特性和对数坐标图课程目标1课程目标35.3极坐标图5.4用频率法辨识线性定常系统的数学模型2自学：极坐标图和频率辨识方法课程目标1课程目标35.5奈奎斯特稳定性判据2作业：第五章7，9自学：奈奎斯特稳定性判据课程目标2课程目标35.6相对稳定性分析2作业：第五章12，13自学：相对稳定性分析方法课程目标2课程目标35.7频域性能指标与时域性能指标间的关系♠习题分析、讨论总结2作业：第五章20，21课程目标1课程目标3第六章6.1引言6.2超前校正6.3滞后校正2作业：第六章2，4，6，8，10自学：超前和滞后校正课程目标1课程目标36.4滞后-超前校正6.5PID控制器及其参数的整定2作业：第六章13，17自学：滞后-超前校正和PID控制器课程目标1课程目标3实验系统校正方案分析与比较2课程目标2课程目标3六、实践环节及基本要求序号实验项目名称学时基本要求学生任务实验性质实验类别1典型环节的模拟研究3观测各种典型环节的阶跃响应曲线；观测参数变化对典型环节阶跃响应的影响。观测响应曲线验证必做2控制系统的瞬态响应及其稳定性3熟悉二阶系统的瞬态响应，观察二阶系统两个重要参数ξ和ωn对系统动态特性的影响；定量分析ξ和ωn与超调σ%、过渡过程时间ts的关系。调节系统参数，观察对系统的影响验证必做3系统校正方案分析与比较2通过对模拟控制系统参数和环节等的调整，了解其对控制系统稳定性和性能改善的作用。调节系统参数，观察对稳定性的影响验证必做注：1.实验性质指演示性、验证性、设计性、综合性等；2.实验类别指必做、选做等。七、考核方式及成绩评定考核内容考核方式评定标准（依据）占总成绩比例过程考核考核课堂教学各知识点的复习程度、听课效果和掌握熟练度。以到课率、课堂回答和和综合作业等形式，检验学生学习态度。中国计量大学学生课程平时成绩考核细则20%期末考核考核各知识点的基本概念、机构设计基本方法、特性分析、设计方法。题型为填空、判断和计算等。试卷参考答案和评分