《自动控制原理》教学大纲

《自动控制原理》教学大纲课程编号：13220447英文名称：PrinciplesofAutomaticControl学分：2.5学时：总学时48学时，其中理论32学时，实践16学时先修课程：高等数学，复变函数与积分变换，电路原理，模拟电子技术课程类别：专业主干课程授课对象：电气工程及其自动化专业学生教学单位：机械与电气工程学院修读学期：第4学期一、课程描述和目标自动控制理论是工科类各相关专业的一门重要的专业基础课，它已经在大多数工科专业课程中占据了核心地位。学生获得控制理论的基础知识，分析自动控制系统的性能和设计控制系统的校正方案是课程教学的主要任务。本课程是为电气工程及其自动化类专业的二年级学生开设的专业必修课。学生能够综合应用自动控制的基本原理分析控制系统性能。能够评价线性定常系统的稳定性，计算分析系统稳态误差的，比较分析不同的系统稳定判据，计算分析控制系统性能指标，运用控制系统的校正方法提高系统的性能。学生具备对自动控制系统进行分析、设计、实验的基本能力，为专业课的学习和参加控制工程实践提供必要的理论基础。学生具备对自动控制系统进行分析与设计的综合能力。本课程拟达到的课程目标:课程目标1：能运用微分方程和传递函数描述系统的输入输出关系，能建立诸如电子系统（如RLC）、机械系统（如弹簧阻尼器）、电机系统（如直流电机）等具体控制系统的微分方程组和传递函数等数学模型；能应用等效变换原理和梅森增益公式化简得出系统的传递函数。课程目标2：能应用控制系统的劳斯稳定判据评价控制系统的稳定性；能应用时域分析法，计算控制系统动态性能指标（如超调量、调节时间、峰值时间）；能分析计算控制系统稳态误差；能绘制控制系统幅相频率特性曲线和对数频率特性曲线，分析计算控制系统相角裕度和幅值裕度等参数。课程目标3：能将控制理论知识应用于电气工程及其自动化相关领域工程问题解决方案的综合与比较，能够根据不同的控制对象设计合理控制方案。课程目标4：能运用控制理论知识分析各类复杂控制系统，识别和判断控制系统的各个环节的功能；能应用仿真软件或实验装置，分析控制系统各个环节的特性。二、课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求指标点课程目标权重1.2能针对具体的对象，运用时频域分析和相关方法，建立数学模型并求解；课程目标1M1.3能够将复变函数与积分变换、最优决策等相关知识和数学模型方法用于分析电气工程相关领域的专业工程问题；课程目标2H1.4能够将相关知识和数学模型方法用于电气工程相关领域专业工程问题解决方案的比较与综合；课程目标3M2.1能运用电路、电气、电力等相关科学原理，识别和判断复杂工程问题的关键环节；课程目标4M三、教学内容、基本要求与学时分配1．理论教学内容序号教学内容基本要求及重、难点（含德育要求）学时教学方式对应课程目标1控制系统的基本概念学习自动控制的任务、自动控制的基本方式、对控制系统的性能要求等。基本要求：掌握控制系统的工作原理、组成及其分类，理解对控制系统的基本要求，了解控制工程的发展概况。重点难点：控制系统的组成、控制系统的原理分析。德育要求：社会责任3集中讲授、讨论课程目标1课程目标42控制系统的数学模型学习控制系统的微分方程的建立、传递函数、动态结构图、典型环节的传递函数；控制系统传递函数的化简。基本要求：掌握控制系统数学模型的建立方法、传递函数的概念和性质、传递函数的等效变换与Mason公式；掌握常用拉氏变换表；理解开环传递函数和闭环传递函数的概念。重点难点：传递函数的等效变换和Mason公式。德育要求：细心细致9集中讲授、讨论课程目标1课程目标3课程目标43时域分析法讲授时域分析基础、一阶系统分析与计算、二阶系统分析与计算、系统稳定性分析、稳态误差分析及计算。基本要求：掌握一阶、二阶系统在典型输入信号作用下的时域响应和时域性能指标；掌握系统稳定的概念和分析、判别系统稳定的方法；掌握系统误差的概念和计算稳态误差的方法。重点难点：二阶欠阻尼系统的动态性能指标分析、系统稳定性分析、稳态误差计算德育要求：实践创新8集中讲授、讨论课程目标1课程目标2课程目标3课程目标44频率域方法学习频率特性、典型环节的频率特性、系统的开环频率特性、系统闭环频率特性与阶跃响应的关系、开环频率特性与系统阶跃响应的关系。基本要求：掌握频率特性的基本概念；掌握控制系统频率特性图的绘制方法；掌握系统稳定性的频率域分析方法；了解频域性能指标与时域性能指标之间的关系。重点难点：Bode图的绘制。德育要求：诚信考试8中讲授集、讨论课程目标1课程目标2课程目标3课程目标45控制系统的校正讲授系统校正设计基础、串联校正、串联校正的理论设计方法、反馈校正和复合校正。掌握超前、滞后及滞后—超前校正网络的特点、频率特性及其作用；掌握频率法设计和校正系统；了解并联校正和复合校正。4中讲授集、讨论课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4合计322．实验教学内容序号实验项目实验内容与要求学时类型对应课程目标1典型环节及其阶跃响应实验实验内容：获取典型环节实验数据,分析模型数据,掌握电路参数对环节特性的影响。实验要求：必修。2验证课程目标1课程目标42二阶系统阶跃响应实验实验内容：获取欠阻尼二阶系统阶跃响应数据,分析模型数据,建立二阶系统传递函数,掌握控制系统阶跃响应曲线确定传递函数。实验要求：必修。2验证课程目标2课程目标43系统频率特性测量实验实验内容：获取系统频域特性数据，分析系统模型数据，掌握控制系统及元件频率特性的测量方法。实验要求：必修。2验证课程目标1课程目标2课程目标44连续系统串联校正实验实验内容：实现控制系统串联校正，掌握控制系统过渡过程的测量方法。实验要求：必修。4验证课程目标1课程目标2课程目标45调速系统的控制设计实验内容：设计直流电机调速系统，掌握电机调速系统的控制实现方法。实验要求：必修。6设计课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4合计16注：实验要求包括必修、选修；实验类型包括演示、验证、综合、设计等。四、课程教学方法1．理论学习以集中授课的形式为主，讨论为辅，线上线下相结合的方式；2．综合项目设计以小组形式，课外分散完成，集中答疑，集中评价；3．实验教学以分组分批形式组织，实验指导教师实时指导。五、学业评价和课程考核（一）考核方式及具体要求1.课程成绩构成与要求课程考核注重形成性和终结性评价相结合，考核内容主要由平时作业、课程实验、线上测试、综合项目设计、期末考核组成，均按百分制计分，其中期末考核成绩占50%、平时作业成绩占20%、课程实验成绩占15%、平时测试成绩占15%。2.课程目标达成考核与评价序号教学环节课程目标1（分值）课程目标2（分值）课程目标3（分值）课程目标4（分值）合计1平时作业51050202课程实验00015153平时测试51000155期末考试7.5402.5050课程目标对应分值17.5607.515100注：(1)考勤不加分，但旷课1次扣平时分1分，扣满5分为止；(2)期末总成绩不能低于50分；低于50分者，其总评成绩为不及格。（二）考核与评价标准1.平时作业考核与评价标准作业成绩平时以优、良、中、及格、不及格五个等级登记，期末时折算为百分制计入总分。等级观测点优（90-100分）良（80-89分）中（70-79分）及格（60-69分）不及格（0-59分）作业能够很好地应用自动控制理论分析被控对象稳定性、准确性，计算控制系统动态性能指标，按时完成，解答答案正确或合理，字迹工整，完成质量高。能够较好应用自动控制理论分析被控对象稳定性、准确性，计算控制系统动态性能指标，计算基本正确，解答答案基本正确或合理，字迹工整，完成质量较高。能够应用自动控制理论分析被控对象稳定性、准确性，计算控制系统动态性能指标，计算有错误，解答答案大部分正确或合理，字迹比较工整，完成质量一般。能够大部分应用自动控制理论分析被控对象稳定性、准确性，计算控制系统动态性能指标，计算、解答答案错误较多，字迹基本工整，完成质量尚可。能够小部分应用自动控制理论分析被控对象稳定性、准确性，计算控制系统动态性能指标，计算、解答答案错误较多或者不答，字迹潦草，完成质量差，或有抄袭行为。2.课程实验考核与评价标准课程实验成绩平时以优、良、中、及格、不及格五个等级登记，期末时折算为百分制计入总分。等级观测点优（90-100分）良（80-89分）中（70-79分）及格（60-69分）不及格（≤59分）课程实验能根据要求搭建实验装置，圆满完成实验任务，准确处理获得的数据，体现出优秀的系统分析和设计实现能力。能根据要求搭建实验装置，自行完成实验任务，较为准确处理获得的数据，具有较好的系统分析和设计实现能力。能根据要求搭建实验装置，自行完成大部分实验任务，能处理获得的数据，具有一定的系统分析和设计实现能力。能根据要求完成部分实验任务，系统分析和设计实现能力较弱，处理数据能力一般。无法根据要求完成部分实验任务，不具备系统分析和设计实现能力。3.平时测试与评价标准平时测试根据题目分值直接评分（百分制）。等级观测点90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分平时测试很好掌握控制系统基本概念，很好掌握数学模型建立方法，很好掌握控制系统的分析方法和校正方法。较好掌握控制系统基本概念，较好掌握数学模型建立方法，较好掌握控制系统的分析方法和校正方法。掌握控制系统基本概念，掌握数学模型建立方法，掌握控制系统的分析方法和校正方法。基本掌握控制系统基本概念，基本掌握数学模型建立方法，基本掌握控制系统的分析方法和校正方法。掌握部分控制系统基本概念，掌握部分数学模型建立方法，掌握部分控制系统的分析方法和校正方法。4.期末试卷考核与评价标准分值观测点90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分期末考试自动控制原理基本概念描述准确。准确建立控制系统数学模型，准确应用自动控制理论计算分析控制系统稳定性、准确性、快速性等。准确绘制Bode图等。自动控制原理基本概念描述较准确。较准确建立控制系统数学模型，较准确应用自动控制理论计算分析控制系统稳定性、准确性、快速性等。较准确绘制Bode图等。自动控制原理基本概念描述大部分准确。建立控制系统数学模型，应用自动控制理论计算分析控制系统稳定性、准确性、快速性等大部分准确。绘制Bode图等大部分准确。自动控制原理基本概念描述基本准确。建立控制系统数学模型，应用自动控制理论计算分析控制系统稳定性、准确性、快速性等基本准确。绘制Bode图等基本准确。没掌握自动控制原理基本概念。不具备自动控制理论分析能