《自动控制原理A》课程教学计划

附件1《自动控制原理A》课程教学计划（执笔人：谢红卫、谢海斌、白圣建审阅学院：智能科学学院）课程编号：170510008英文名称：PrincipleofAutomaticControlA预修课程：电工与电路基础，信号与系统，电子技术基础学时安排：48学时，其中讲授38学时，实验10学时学分：3课程性质：专业选修课开课学期：秋3、春3一、课程性质地位本课程是学校非控制类专业的技术基础课程，是一门与工程实际结合紧密的综合性课程。本课程所覆盖的知识面较宽，既有较深入的理论基础知识，也有较广泛的专业背景知识，因而，它在学员知识结构方面将起到加强理论深度和拓展知识广度的重要作用。本课程主要介绍自动控制原理的基本概念和基本的分析与设计方法。课程采用“围绕一个中心点，一纵三横交错”的设计思路，具体来说，“一个中心点”是抓住单输入单输出（SISO）线性系统这个主要对象；“一纵”就是在课程讲授中贯彻自动控制系统的建模、分析及设计方法这条主线；“三横”就是在方法讲授中强调自动控制系统的稳定性、快速性和准确性这三个分析核心和设计归宿。在课程讲授中，贯彻少而精的原则，即对重点、难点讲深讲透；注意理论联系专业实际，例子贴近生活，注重揭示抽象概念物理意义；注意传统教法与现代教法有机结合，充分运用各种教学手段，特别注重发挥计算机辅助工具的作用。在课程教学中，注重阅读教材、完成作业、课程实验及讨论问题等四个环节，深刻理解课程内容中的重点和难点。本课程将为学员从事自动化相关专业领域的工作和科学研究奠定基础。二、课程目标（一）课程知识目标本课程的知识目标主要包括以下主要知识单元，即自动控制绪论、控制系统的数学模型、控制系统的时域分析、根轨迹方法、控制系统的频域分析、状态空间分析与设计、计算机控制系统分析与设计和课程实验，学员应熟悉、了解或掌握不同知识单元的具体内容，达成课程标准的相应要求。（二）课程能力目标本课程要发展的能力目标对应在培养方案中对应的能力目标：1.一级能力目标：个人能力、军人职业能力和态度；二级能力目标：分析、推理和解决问题、实验中探寻知识、系统思维；2.一级能力目标：围绕无人机装备技术与保障、新型作战力量的构思—设计—实施—运行全系统的工程综合能力；二级能力目标：系统的构思与工程化、系统设计。三、教学方法通过课堂教学、课后作业与讲解、课程实验等一系列教学活动使学员达到预期学习目标，具体包括理论讲授、互动研讨、问题讲解、答疑解惑等环节。本课程推荐主讲教员采用两类教学方法，一是问题导向学习（Problem-basedlearning），通过提出工程问题、启发分析思路、建立数学模型、讨论设计方法、反思问题求解成果等手段方法将学员完成问题分析、问题求解、问题反思的过程，加强学员解决实际工程问题的能力；二是探究式学习（Discoverylearning），通过案例教学，引导学员完成项目分析与分解、项目方案实施以及项目答辩等环节，锻炼学员自主学习、团队合作以及解决实际工程问题等方面的能力。四、课程学习目标和学习实现环节（一）知识学习目标和学习实现环节本课程的知识学习目标与相应实现环节采用表格方式进行描述，如下表1所示。表1知识目标与实现环节序号知识目标（知识单元）知识子目标（知识点）初始程度要求程度学习目标学习实现环节1自动控制绪论自动控制的基本概念L1L2理解控制的基本概念，了解控制的发展简史、应用领域及未来方向课内讲授

课外阅读反馈（闭环）控制原理L1L3理解反馈控制原理，能够建立控制系统的框图模型预设提问

课内讲授

讨论总结控制系统的基本性能要求—L2理解控制系统的基本性能要求，能够对控制系统进行定性分析课内讲授

讨论总结2控制系统的数学模型线性系统的概念和线性化L1L3理解线性系统的概念，能够对简单非线性系统进行线性化，得到线性近似模型课内讲授

讨论总结拉普拉斯变换（选讲）L1L2理解拉普拉斯变换在自动控制原理中的作用，掌握常见的拉普拉斯变换对预设提问

课内讲授传递函数模型—L3理解传递函数的概念和性质，能够建立线性系统的传递函数模型预设提问

课内讲授状态空间模型—L3理解状态空间模型的概念，能够建立线性系统的状态空间模型，熟悉传递函数与状态空间模型之间的变换关系预设提问

课内讲授

讨论总结框图模型及其化简—L3掌握框图模型化简的基本方法，能够进行系统微分方程模型、传递函数模型、框图模型、状态空间模型之间的变换预设提问

课内讲授

讨论总结控制系统的MATLAB建模工具L1L3掌握基于MATLAB的控制系统建模工具，能够采用MATLAB建立线性系统的传递函数模型、状态空间模型和Simulink仿真模型课内讲授课外练习3线性系统的时域分析系统时间响应的性能指标—L2了解典型输入信号的特点及其产生于使用方法，理解瞬态过程与稳态过程的概念课内讲授一阶系统的时间响应分析—L2能够进行一阶系统的时间响应分析与计算课内讲授预设提问二阶系统的时间响应分析—L4掌握二阶线性系统瞬态性能指标的定义，能够计算二阶线性系统的瞬态性能指标课内讲授预设提问高阶系统性能指标分析—L3理解主导极点、偶极子等基本概念，能够进行系统主导极点及其动态性能分析课内讲授讨论总结线性系统的稳定性分析—L4了解典型输入信号的特点及其产生与使用方法，理解系统稳定性的概念，能够采用稳定性判据判定线性系统的稳定性课内讲授预设提问

讨论总结线性系统的稳态误差—L4理解稳态误差的概念，能够计算系统的稳态误差预设提问

课内讲授讨论总结基于MATLAB的线性系统时间响应分析—L3能够采用MATLAB分析和计算线性系统的时域性能指标课内讲授课外练习4根轨迹法根轨迹的基本概念—L2理解根轨迹的概念及其在控制系统分析与设计中的作用，了解根轨迹作图的一般规则课内讲授

讨论总结典型线性系统的根轨迹—L3熟悉一阶、二阶、三阶系统的根轨迹运动规律课内讲授

讨论总结基于根轨迹的控制系统性能分析—L5能够根据根轨迹分析线性系统的时域性能指标，并提出改进性能指标的措施预设提问

课内讲授

讨论总结基于MATLAB的根轨迹绘制—L3能够采用MATLAB的控制工具箱绘制线性系统的根轨迹课内讲授课外练习5线性系统的频域分析频率特性的基本概念—L2理解频率特性的概念，了解频率响应测量的一般方法课内讲授

讨论总结典型环节的开环频率特性—L3理解伯德图和奈奎斯特图的概念，能够绘制典型环节的伯德图和奈奎斯特图预设提问

课内讲授频域稳定性—L3理解频率特性的概念，并利用奈奎斯特图判断线性系统的稳定性、能够计算相角裕度和幅值裕度并据此判定系统的稳定性课内讲授

讨论总结频域性能指标—L5理解频率特性、最小相位系统、系统带宽、谐振频率、谐振峰值等基本概念课内讲授

讨论总结基于MATLAB的频域分析—L3能够采用MATLAB的控制工具箱绘制控制系统的频率特性、分析频域性能课内讲授课外练习研讨实践6反馈控制系统设计反馈控制系统设计概述—L2理解反馈控制系统设计的基本概念与主要步骤预设提问

课内讲授用伯德图设计超前、滞后校正网络—L6理解超前、滞后校正网络的基本概念，能够运用伯德图设计超前、滞后校正网络预设提问

课内讲授

讨论总结用根轨迹设计超前、滞后校正网络（选讲）—L6能够采用更轨迹法设计超前、滞后校正网络预设提问

课内讲授

讨论总结PID控制器（选讲）—L4能够应用根轨迹法设计PID控制器课内讲授

讨论总结基于MATLAB的控制器设计—L3能够应用MATLAB设计反馈控制器预设提问

课内讲授

讨论总结7线性系统的状态空间分析与设计状态空间方程的解—L2了解状态空间方程的求解方法，理解特征根与解的关系课内讲授

讨论总结线性系统的能控性与能观性—L4理解能控性与能观性的概念，能够根据能控性矩阵和能观性矩阵判断系统的能控性和能观性预设提问

课内讲授线性系统的状态反馈控制器设计—L5理解状态反馈控制器的设计步骤，并能够根据性能指标要求设计状态反馈控制器预设提问

课内讲授

讨论总结线性系统的状态观测器设计—L5理解状态观测器的设计步骤，并能够根据性能指标要求设计状态观测器预设提问

课内讲授

讨论总结李亚普诺夫稳定性与LQR设计方法（选讲）—L6理解李亚普诺夫稳定性的概念，能够采用LQR方法设计控制器预设提问

课内讲授

讨论总结基于MATLAB的状态反馈控制器设计—L3能够采用MATLAB设计状态反馈控制器课内讲授课外练习8计算机控制系统简介计算机控制系统的基本概念—L2了解数字控制系统的组成及特性预设提问

课内讲授信号的采样与保持（选讲）—L2理解信号采样与保持的基本原理课内讲授Z变换（选讲）—L3理解Z变换的基本性质和定理，熟悉典型环节的Z变换课内讲授讨论总结差分方程与脉冲传递函数—L3理解差分方程、脉冲传递函数的基本概念，能够根据框图求解脉冲传递函数课内讲授

讨论总结计算机控制系统分析与设计—L4掌握计算机控制系统的分析方法，了解离散控制系统设计方法预设提问

课内讲授

讨论总结基于MATLAB的计算机控制器设计（选讲）—L3能够应用MATLAB设计离散控制器课内讲授课外练习（二）能力培养目标和培养实现环节本课程的能力培养目标和培养实现环节如表2所示。表2能力目标分解及其学习目标、实现环节序号一级能力能力目标（二级能力）能力子目标

（三级能力）初始程度要求程度学习目标学习实现环节12个人能力、军人职业能力和态度2.1分析、推理和解决问题2.1.1发现问题和表述问题L1L3能够根据所学，准确判明控制系统的问题，并使用控制理论表述问题。课程讲解交流研讨综合实验22.1.2建立模型L1L4能够建立控制系统模型课程讲解交流研讨实验验证32.1.3判断和定性分析L1L4能够根据所学对问题类别和模型类别给出定性分析。课程讲解交流研讨综合实验42.1.5解决方法和建议L1L3能够对控制系统的问题给出解决方法和减压。课程讲解研讨实践52.2实验中探寻知识2.2.1建立假设L1L3能够分清主次提出假设简化模型课程讲解交流研讨综合实验62.2.2查询相关书刊或者电子文献L1L2能够查阅相关工具书和文献课程讲解交流研讨综合实验72.2.3实验探索L2L3能够实验验证理论综合实验82.2.4假设检验和论证L1L3能够根据实验结果对假设进行检验和论证课程讲解交流研讨综合实验92.3系统思维2.3.1整体思维L1L2能够以整体思维看待系统课程讲解交流研讨102.3.4解决问题时的妥协、判断和平衡L1L3能够根据任务对性能指标等要求妥协、判断和平衡交流研讨综合实验114构思-设计-实施-运行全系统的工程综合能力4.3系统的构思与工程化4.3.1设立系统目标和要求L1L3能够根据任务设立系统目标和要求课程讲解交流研讨综合实验124.4系统设计4.4.1设计过程L1L4能够根据目标设计实验过程交流研讨综合实验134.5实施系统建构4.5.1设计实施过程L1L4能够根据设计组织实施交流研讨综合实验144.5.5测试、证实、验证和认证L1L4能够通过实验测试和验证相关理论课程讲解交流研讨综合实验（三）课程的学习目标对毕业标准和培养标准中知识-能力-素质相关学习结果的贡献及程度等级学习目标对毕业标准、专业培养标准中知识—能力—素质相关学习结果的贡献及程度等级，参见课程教学计划附表。五、课程学习内容与时间节点各知识单元的学习内容和时间安排如表3所示。表3学习内容与时间安排知识单元内容课内学时数知识单元1自动控制绪论2知识单元2控制系统的数学模型6知识单元3线性系统的时域分析6知识单元4根轨迹法4知识单元5线性系统的频域分析6知识单元6反馈控制系统设计6知识单元7线性系统的状态空间分析与设计4知识单元8计算机控制系统简介4实验内容课内学时数实验1控制系统平台认知2实验2控制对象参数测量与分析2实验3频率特性测量与分析2实验4串联校正控制系统设计与仿真4合计48六、课程综合计分方法（一）考核结构设计与各教学环节比例分配考核方式：考试与考查相结合组织方式：笔试/现场测试，笔试部分采用闭卷形式成绩评定：百分制记分标准：形成性考核占总成绩比重不低于40%，终结性考试占总成绩比重不高于60%（二）评分标准1.作业采用百分制进行评分，最后综合评分进行相应比例折算。评分标准如表4所示。表4平时作业评分标准完成情况得分严格按照作业要求并及时完成，基本概念清晰，解决问题的方案正确、合理，能提出不同的解决问题方案80-100分基本按照作业要求并及时完成，基本概念基本清晰，解决问题的方案基本正确、基本合理60-79分不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，解决问题的方案基本不正确、不合理40-59分不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，不能制定正确和合理解决问题的方案0-39分2.实验采用百分制进行评分，最后综合评分进行相应比例折算。评分标准如表5所示。表5实验评分标准评分标准0很差1较差2良好3优秀4突出能否按照要求预习实验？[5分]能否熟练操作实验所需软件和硬件？[10分]能否准确理解和掌握实验原理和方法、步骤和注意事项？[20]能否有效的进行实验准备，独立操作，完成整个实验？[15分]能否掌握实验所需理论知识，并正确运用，分析实验结果，并根据问题特征提出恰当的见解？[20分]能够根据实验初步结果，提出完善意见，并不断持续改进？[10分]能否以理论知识、实验原理或实验结果为依据，提出不同的见解？[20]3.期末考试：随考试试卷制定评分标准4.其它：无七、教材及推荐参考书（一）教材《现代控制系统》，第12版，Dorf.R.C,BishopR.H.著，谢红卫等译，电子工业出版社，2015.02（二）推荐参考书1.《自动控制—建模•分析•设计》，宫二玲,沈辉著，北京：中国水利水电出版社,2016.102.《控制系统计算机辅助设计：MATLAB语言与应用》（第二版），薛定宇著，北京：清华大学出版社，2006.33.《自动控制原理实验指导书》，自编教材

《自动控制原理A》课程简介课程编号：170510008课程名称（英文）：自动控制原理A（PrincipleofAutomaticControlA）学时安排：48学时，其中讲授38学时，实验10学时预修课程：电工与电路基础，信号与系统，电子技术基础内容简介：本课程是学校非控制类专业的技术基础课程，是一门与工程实际结合紧密的综合性课程。包括八个知识单元：自动控制绪论、控制系统的数学模型、线性系统的时域分析、根轨迹法、线性系统的频域分析、反馈控制系统设计、线性系统的状态空间分析与设计、计算机控制系统简介，还包括课内实验环节。本课程所覆盖的知识面较宽，既有较深入的理论基础知识，也有较广泛的专业背景知识，因而，它在学员知识结构方面将起到加强理论深度和拓展知识广度的重要作用。学员通过本课程的学习，将具备一定的控制系统建模、分析和设计能力，为从事相关专业的工作和科学研究奠定基础。

《自动控制原理A》实验教学计划（执笔人：薛小波、白圣建审阅学院：智能科学学院）课程编号：170510008课程名称：自动控制原理A总学时：48学时实验学时：10学时实验地点：智能科学学院控制技术与工程实验室一、任务背景与目标（一）任务背景描述本实验课程旨在通过验证性和设计性实验使学员进一步理解和掌握自动控制理论的基本概念、基本原理，掌握控制系统分析与设计的基本方法，提高基本实验技能和实践动手能力，培养严肃认真的科学态度和勇于探索的创新精神。具体包括：（1）通过时域部分典型系统的参数测量实验，使学生深刻理解典型系统的性能指标的相关概念、性能指标与模型参数之间的关系、以及部分性能指标的测量方法；（2）通过频域部分频率特性测量与分析实验，加深掉频域特性的理解，掌握频率特性的测量方法，以及频域测量相关参数与系统模型之间的关系；（3）通过串联校正的设计学习和掌握控制系统的计算机辅助分析、设计与仿真的一般方法。（二）技术目标一是使用理论和原理分析控制系统的组成、模型框图，结合其它要求搭建正确的控制系统；二是运用工具对实验数据测量，然后进行分析，达成理论与实践互为验证的目标。（三）能力目标培养学员分析和解决现实问题的能力，包括三个方面：一是对实际系统进行参数测量和分析建模的能力；二是使用Matlab对控制系统进行建模、分析的能力；三是在建模与分析的基础上使用Matlab进行设计和仿真，并以此解决实际控制系统问题的能力。二、主要内容与基本要求实验1控制系统平台认知1.实验目的与任务实验目的：通过本实验，使学员了解后续实验对象实物的工作原理、操作方法和注意事项，锻炼实践动手能力。实验任务：（1）熟悉控制系统实验平台的组成，了解各模块功能、连接方法和操作方法；（2）掌握控制系统实验平台中的相关数据测量方法和调试方法。2.训练的能力点对实际控制系统工作原理的理解能力、实物和仪表的操作能力。3.实验原理典型反馈控制系统实验平台由多个模块组成：执行器、传感器、比较器、驱动器以及相关软件。比较器对输入和反馈信号减法运算后，再经驱动器放大驱动执行器带负载工作。相关数据的测量可以通过软件和仪表测量。4.实验内容及要求（1）绘制控制系统的模型框图；（2）按设备要求打开和操作实验平台；（3）测量传感器输出，分析传感器零位的位置、系统输出及传感器输出的正负与实际运动方向的对应关系，思考测量数据正负号的原因和意义以及与系统反馈极性之间的关系。5.实验结果及要求（1）控制系统模型框图，要求信号流正确。（2）确定传感器零位是绝对零位还是相对零位，测得的系统输出和传感器输出的数据大小范围与符号正确。实验2控制对象参数测量与分析1.实验目的与任务实验目的：通过本实验，使学员掌握使用阶跃响应测量建立控制系统模型的方法和注意事项；理解和巩固系统的时域指标与模型参数之间的关系；实验任务：（1）测量控制系统的阶跃响应曲线；（2）根据阶跃响应曲线建立系统的模型。2.训练的能力点对实际系统和仪表的操作能力，数据的采集与处理能力，以及应用理论对数据进行分析计算并建立控制系统模型的能力。3.实验原理对控制对象进行阶跃信号激励，根据其阶跃响应曲线可估计系统的阶次和计算求解系统的参数，进而建立系统的模型。4.实验内容及要求（1）搭建带有带测控制系统的Simulink框图，进行编译和调试；（2）输入阶跃激励信号，测量和记录控制系统的阶跃响应曲线，根据曲线估计系统的阶次，求解控制对象的参数；改变阶跃信号的幅值，多次测量和记录系统的阶跃响应曲线，求解控制对象的参数。（3）根据估计的阶次和求解的参数建立系统的模型。5.实验结果及要求记录控制系统的阶跃响应曲线，根据曲线估计系统的阶次，求解控制对象的参数，建立控制对象的传递函数模型。实验3频率特性测量与分析1.实验目的与任务实验目的：掌握频率特性的基本测试方法，进一步理解频率特性的物理意义；实验任务：（1）测量控制系统的时域频率响应曲线；（2）绘制系统的频率特性曲线。2.训练的能力点对实际系统和仪表的操作能力，时域频率特性数据的处理和绘图能力，Matlab编程能力。3.实验原理控制系统或环节的频率测试是由正弦信号源提供不同频率的正弦信号，作用于被测系统，测取在不同频率时被测系统或环节的稳态输出信号与正弦输入信号的幅值比和相位差，从而求得系统或环节的频率特性曲线。4.实验内容及要求（1）搭建控制系统频率测试系统的Simulink框图，进行编译和调试；（2）记录不同频率正弦信号输入作用下的系统输出数据。调整输入正弦信号的频率，保存10组以上输入/输出信号的数据。（3）使用Matlab分析和处理实验数据，绘制幅频特性和相频特性曲线。5.实验结果及要求（1）绘制系统的幅频特性和相频特性曲线；（2）尝试根据幅频特性和相频特性曲线求解传递函数，可与时域实验中测得的模型进行对比。实验4串联校正控制系统设计与仿真1.实验目的与任务实验目的：理解超前校正、滞后校正和滞后—超前校正的作用及特点，设计串联校正控制器；实验任务：