自动控制原理教学大纲 （自动化专业）

《自动控制理论A》课程教学大纲课程名称：自动控制理论A英文名称：AutomaticControlTheoryA课程代码：1学分/学时：3.5学分60学时（其中理论52学时、实验8学时）开课学期：第4学期适用专业：自动化专业先修课程：大学物理、电路分析基础、模拟电子技术等后续课程：自动化专业综合设计、自动化专业生产实习、自动化专业毕业设计等课程负责人：开课单位：电气与电子信息学院一、课程性质和课程目标1.课程性质自动控制理论是自动化、轨道交通信号与控制、电气工程及其自动化等专业的一门重要的专业基础必修课。通过本课程学习，使学生掌握自动控制理论的基本知识，具备应用控制的思想分析问题的意识，能够利用自动控制理论的相关知识分析、设计实际控制系统的能力，为后续控制类专业课程打下重要的基础。2.课程目标课程目标1：掌握系统数学模型的建立方法。课程目标2：掌握模拟控制系统分析的时域法、根轨迹法、频域法，离散控制系统的分析方法，掌握每种方法下对系统稳定性、准确性、快速性指标的计算。课程目标3：了解PID控制规律，掌握控制系统校正的串联超前、滞后、滞后-超前等手段，改善控制系统性能指标。课程目标4：通过使用MATLAB/SIMULINK仿真平台结合控制理论演示控制系统搭建与分析，掌握仿真平台分析控制系统的手段，拓展学生对控制理论的自我研究与探索。课程目标5：能根据提供的实验设备，搭建实验对象，在实验中验证控制系统分析的不同方法，通过调节调节器，改善系统性能指标并能对实验数据进行分析和解释，得出有效结论。二、课程目标与毕业要求指标点的对应关系课程目标毕业要求指标点课程目标1：掌握系统数学模型的建立方法。2.1掌握数学物理基本方法，能够将工程问题转化、表述为数学问题进行分析2.2能够应用专业基础知识，建立自动化工程对象的简单模型，并分析对象特性课程目标2:掌握模拟控制系统分析的时域法、根轨迹法、频域法，离散控制系统的分析方法，掌握每种方法下对系统稳定性、准确性、快速性指标的计算。2.3能够应用自动化工程专业知识，并通过文献，建立自动化工程对象的复杂模型，掌握对象特性课程目标3:了解PID控制规律，掌握控制系统校正的串联超前、滞后、滞后-超前等手段，改善控制系统性能指标。3.1掌握自动化专业基础知识，能够设计和开发简单工程问题的解决方案课程目标4:通过使用MATLAB/SIMULINK仿真平台结合控制理论演示控制系统搭建与分析，掌握仿真平台分析控制系统的手段，拓展学生对控制理论的自我研究与探索。5.2能够开发、选择与使用恰当的技术、资源和工具，特别是计算机设计与仿真工具，并用于复杂工程问题的设计与仿真5.3能够理解现代工具对复杂工程问题设计与仿真的优势和局限性。课程目标5:能根据提供的实验设备，搭建实验对象，在实验中验证控制系统分析的不同方法，通过调节调节器，改善系统性能指标并能对实验数据进行分析和解释，得出有效结论。4.1能掌握实验原理，并具有一定的实验方案设计能力。4.2能掌握并使用相关技术和方法，按合理步骤进行实验，能正确操作实验仪器（设备），获取实验数据。4.3能对实验数据进行分析和解释，并得出有效结论。三、教学内容、教学方式（环节）与课程目标的关系教学内容教学方式（环节）及学时课程目标授课实验上机（1）自动控制理论绪论自动控制理论的发展、分类、以及控制系统的基本性能指标2课程目标1（2）控制系统的数学模型控制系统的微分方程控制系统的传递函数典型输入信号和时域性能指标6作业一：用解析法列写系统微分方程及传递函数、动态结构图的等效变换、梅逊公式（3)时域分析法各阶系统的时域分析系统的稳定性分析及误差计算2作业二：二阶系统时域分析及其计算、劳斯判据、误差计算(4)根轨迹分析法根轨迹的概念及其绘制方法广义根轨迹2课程目标2作业三：绘制根轨迹、广义根轨迹的求解(5)频域分析法频率特性的概念奈奎斯特图和伯德图的分析与绘制奈奎斯特稳定判据相对稳定性和闭环频率特性2作业四：奈奎斯特图的分析与绘制、伯德图的分析与绘制、奈奎斯特稳定性判据、裕量的计算(6)控制系统的校正系统性能指标的分析串联超前校正、串联滞后校正、串联超前-滞后校正4课程目标3作业五：串联超前校正、串联滞后校正、串联超前-滞后校正的相关计算(7)离散控制系统离散控制系统的基本概念离散控制系统的数学模型离散控制系统的性能分析4作业六：差分方程、脉冲传递函数求解、离散系统的稳定性分析和判断（8）期末复习2实验一：二阶系统阶跃响应2课程目标4实验二：控制系统的稳定性分析2实验三：系统频率特性测量2实验四：连续系统串联校正2合计528四、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，结合实验和作业共同实施，辅以自学。1.课堂讲授(1)采用多媒体教学与板书教学相结合，以老师讲授为主，并辅以课堂讨论、多媒体演示等教学手段，提高课堂教学信息量，增强学生的学习积极性和主动性。(2)采用启发式、案例式教学，通过提出问题、分析问题、给出解决措施，启发学生思维，激发学生主动学习的兴趣，引导学生独立思考和自主学习，培养学生思考、分析和解决复杂电气工程问题的能力。(3)采用互动式教学，以课堂提问、课内讨论、课堂作业等形式，通过对难点重点内容的讨论，使学生加深对基本理论及基本概念的理解。(4)充分利用课程网站、慕课等现代化网络信息技术，基于在线开放课程的翻转课堂学习模式，加强师生交流和沟通，形成课外互动，提高教学效果。2.课外作业通过课外作业，引导学生检验学习效果，进一步掌握课堂讲述内容，思考相关问题，巩固理论，提高分析问题，解决问题的能力。同时，引导学生阅读国内外相关科技期刊和资料，培养自学能力。3.实验教学通过实验，使学生进一步加深对系统数学模型建立及不同方法分析系统理论知识的理解，掌握分析控制系统的基本原理和方法，巩固课堂所讲授的内容，通过校正系统实验升华学生的理论知识，培养学生对复杂电气工程问题进行分析与设计的能力。学生应能按照实验指导书要求，独立完成实验预习、实验操作、实验报告的撰写。要求态度认真、原理清楚、方法正确、数据准确、实验报告工整。五、考核与成绩评定1.考核及成绩评定方式课程考核以课程目标的达成为主要目的，以检查学生对各知识点的掌握程度及能力的培养为主要内容，课程成绩包括3部分：平时成绩（10%）、实验成绩（20%）、期末考试成绩（70%）。2.课程目标与课程考核环节的关系课程目标考核与评价方式及成绩比例（%）成绩比例（%）平时表现实验期末考试作业课堂讨论课程目标1211518课程目标2224044课程目标321517课程目标411课程目标52020总计102070100注：该表格中比例为占课程整体成绩比例3.考核与评价标准（1）课外作业评价标准课程目标1掌握系统数学模型的建立方法。评分标准90~100能熟练掌握传递函数的计算方法，能准确无误进行框图简化得到正确传递函数，能正确使用MARSON公式得到正确传递函数。80~89传递函数的计算方法掌握较好，能进行框图简化得到传递函数，能使用MARSON公式得到传递函数，答案错误较少。70~79基本能熟练掌握传递函数的计算方法，基本能进行框图简化得到传递函数，基本能使用MARSON公式得到传递函数。60~69传递函数的计算方法掌握不熟练，不完全能准确无误进行框图简化得到传递函数，不完全能正确使用MARSON公式得到传递函数，答案错误较多。0~59未能掌握传递函数的计算方法，不能进行框图简化得到正确传递函数，不能正确使用MARSON公式得到正确传递函数。课程目标2掌握模拟控制系统分析的时域法、根轨迹法、频域法，离散控制系统的分析方法，掌握每种方法下对系统稳定性、准确性、快速性指标的计算。评分标准90~100正确掌握分析方法的流程与细节，计算正确，结论正确，图形符号准确。80~89较好掌握分析方法的流程与细节，计算大部分正确，结论较正确，图形符号较准确。70~79基本掌握分析方法的流程与细节，计算大部分正确，结论基本正确，图形符号基本准确。60~69基本掌握分析方法的流程与细节，计算不完全正确，结论基本正确，图形符号基本准确。0~59未掌握分析方法的流程与细节，计算不正确，结论不正确，图形符号不准确。（2）课堂讨论评价标准课程目标1掌握系统数学模型的建立方法。评分标准90~100能熟练掌握传递函数的计算方法，能准确无误进行框图简化得到正确传递函数，能正确使用MARSON公式得到正确传递函数。课堂讨论积极，表达能力好、逻辑严谨、主动回答和分析问题。80~89传递函数的计算方法掌握较好，能进行框图简化得到传递函数，能使用MARSON公式得到传递函数，课堂讨论积极，表达能力较好、有一定逻辑性、能主动回答问题。70~79基本能熟练掌握传递函数的计算方法，基本能进行框图简化得到传递函数，基本能使用MARSON公式得到传递函数。能参与课堂讨论，表达能力一般、逻辑性不强、被动回答问题。60~69传递函数的计算方法掌握不熟练，不完全能准确无误进行框图简化得到传递函数，不完全能正确使用MARSON公式得到传递函数，能参与课堂讨论，表达能力较差、逻辑性差、被动回答问题。0~59未能掌握传递函数的计算方法，不能进行框图简化得到正确传递函数，不能正确使用MARSON公式得到正确传递函数。表达能力差、逻辑性差、不能回答老师提出的问题。课程目标2掌握模拟控制系统分析的时域法、根轨迹法、频域法，离散控制系统的分析方法，掌握每种方法下对系统稳定性、准确性、快速性指标的计算。评分标准90~100能准确回答分析方法，能准确给出充分理由，给出公式正确，绘图符号准确，能提出自己的见解。课堂讨论积极，表达能力好、逻辑严谨、主动回答和分析问题。80~89能较好回答分析方法，能准确给出相应理由，给出公式较正确，绘图符号较准确。课堂讨论积极，表达能力较好、有一定逻辑性、能主动回答问题。70~79能较好回答分析方法，相应理由不够充分，给出公式基本正确，绘图符号基本准确。能参与课堂讨论，表达能力一般、逻辑性不强、被动回答问题。60~69能回答分析方法，没有相应理由，给出公式有错误，绘图符号基本准确。能参与课堂讨论，表达能力较差、逻辑性差、被动回答问题。0~59不能回答分析方法，无相应理由，给出公式不正确，绘图符号不准确。表达能力差、逻辑性差、不能回答老师提出的问题。课程目标3了解PID控制规律，掌握控制系统校正的串联超前、滞后、滞后-超前等手段，改善控制系统性能指标。评分标准90~100准确掌握各种校正手段，深入理解校正手段原理，对具体对象能进行具体分析选择正确的校正手段得到改善性能。课堂讨论积极，表达能力好、逻辑严谨、主动回答和分析问题。80~89较准确掌握各种校正手段，理解校正手段原理较好，对具体对象能进行具体分析选择较正确的校正手段得到改善性能。课堂讨论积极，表达能力较好、有一定逻辑性、能主动回答问题。70~79基本掌握各种校正手段，能理解校正手段原理，对具体对象能进行具体分析选择校正手段，性能改善不明显。能参与课堂讨论，表达能力一般、逻辑性不强、被动回答问题。60~69基本掌握各种校正手段，基本理解校正手段原理，对具体对象能进行粗略分析选择校正手段，性能改善不明显。能参与课堂讨论，表达能力较差、逻辑性差、被动回答问题。0~59未掌握各种校正手段，未理解校正手段原理，不能对具体对象能进行粗略分析选择校正手段。表达能力差、逻辑性差、不能回答老师提出的问题。课程目标4通过使用MATLAB/SIMULINK仿真平台结合控制理论演示控制系统搭建与分析，掌握仿真平台分析控制系统的手段，拓展学生对控制理论的自我研究与探索。评分标准90~100准确认知相关指令或组件，正确掌握控制系统搭建方法，正确理解仿真结果，并能提出自己的结论。80~89较好认知相关指令或组件，较好掌握控制系统搭建方法，较好理解仿真结果。70~79较好认知相关指令或组件，基本掌握控制系统搭建方法，基本理解仿真结果。60~69基本认知相关指令或组件，基本掌握控制系统搭建方法，基本理解仿真结果。0~59未能认知相关指令或组件，未能掌握控制系统搭建方法，不能理解仿真结果。（3）实验评价标准课程目标5能根据提供的实验设备，搭建实验对象，在实验中验证控制系统分析的不同方法，通过调节调节器，改善系统性能指标并能对实验数据进行分析和解释，得出有效结论。评分标准（占总成绩）90~100完全掌握实验原理，并具有一定的实验方案设计能力；实验步骤合理，能正确操作实验设备，能对实验现象进行分析和解释，得出有效结论。80~89较好的掌握实验原理，有一定的实验方案设计能力；实验步骤合理，能正确操作实验设备，能较好的对实验现象进行分析和解释，得出有效结论。70~79掌握实验原理，实验步骤较为合理，能正确操作实验设备，并能对实验现象进行分析和解释，有效结论。60~69基本掌握实验原理，实验步骤基本合理，基本能正确操作实验设备，基本能对实验现象进行分析和解释。0~59未能掌握实验原理，实验步骤不合理，不能正确操作实验设备，不能对实验现象进行分析和解释。（4）期末考试评价标准课程目标1掌握系统数学模型的建立方法。评分标准90~100能熟练掌握传递函数的计算方法，能准确无误进行框图简化得到正确传递函数，能正确使用MARSON公式得到正确传递函数。80~89传递函数的计算方法掌握较好，能进行框图简化得到传递函数，能使用MARSON公式得到传递函数，答案错误较少。70~79基本能熟练掌握传递函数的计算方法，基本能进行框图简化得到传递函数，基本能使用MARSON公式得到传递函数。60~69传递函数的计算方法掌握不熟练，不完全能准确无误进行框图简化得到传递函数，不完全能正确使用MARSON公式得到传递函数，答案错误较多。0~59未能掌握传递函数的计算方法，不能进行框图简化得到正确传递函数，不能正确使用MARSON公式得到正确传递函数。课程目标2掌握模拟控制系统分析的时域法、根轨迹法、频域法，离散控制系统的分析方法，掌握每种方法下对系统稳定性、准确性、快速性指标的计算。评分标准90~100正确掌握分析方法的流程与细节，给出公式正确，计算正确，结论正确，图形符号准确。80~89较好掌握分析方法的流程与细节，给出公式正确，计算大部分正确，结论较正确，图形符号较准确。70~79基本掌握分析方法的