《自动控制原理》教学大纲

《自动控制原理》教学大纲课程的性质、地位与任务本课程是电力系统自动化技术专业的基础课程。通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基础理论，并具有对简单连续系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能力，学生将掌握自动控制系统分析与设计等方面的基本方法，如控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、状态空间分析法、采样控制系统的分析等基本方法等。本课程系统地阐述了自动控制科学和技术领域的基本概念和基本规律，介绍了自动控制技术从建模分析到应用设计的各种思想和方法，内容十分丰富。通过自动控制理论的教学，应使学生全面系统地掌握自动控制技术领域的基本概念、基本规律和基本分析与设计方法，以便将来胜任实际工作，具有从事相关工程和技术工作的基本素质，同时具有一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力。二、教学基本要求了解自动控制的概念、基本控制方式及特点、对控制系统性能的基本要求。理解典型环节的传递函数、结构图化简或梅森公式以及控制系统传递函数的建立和表示方法，初步掌握小偏差线性化方法和通过机理分析建立数学模型的方法，以串联校正为主的根轨迹综合法，掌握常用校正装置及其作用。熟悉暂态性能指标、劳思判据、稳态误差、终值定理和稳定性的概念以及利用这些概念对二阶系统性能的分析，初步了解高阶系统分析方法、主导极点的概念，能利用根轨迹对系统性能进行分析，熟悉偶极子的概念以及添加零极点对系统性能的影响。频率特性的概念、开环系统频率特性Nyquist图和Bode图的画法和奈氏判据，了解绝对稳定系统、条件稳定系统、最小相位系统、非最小相位系统、稳定裕量、频指标的概念，以及频率特性与系统性能的关系。基本校正方式和反馈校正的作用，掌握复合校正的概念和以串联校正为主的频率响应综合法。三、教学学时分配表章教学内容教学时数教学方法或手段备注一自动控制系统的基本知识4讲授法和讨论二控制系统的数学模型8讲授法、演示、讨论三控制系统的时域分析8讲授法和多媒体四控制系统的频域分析8讲授法和演示五控制系统的校正与设计4讲授法和多媒体六简单控制系统的分析与设计举例4讲授法、多媒体、讨论实训一MATLAB的认识2讲授、演示、实操实训二MATLAB的运算与绘图2讲授、演示、实操实训三用MATLAB解决时域分析的问题4讲授、演示、实操实训四用MATLAB解决频率分析问题4讲授、演示、实操总计48四、教学内容与学时安排第一章自动控制系统的基本知识……4学时本章教学目的和要求：掌握自动控制系统组成结构和基本要素，理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求，了解一些实际自动控制系统的控制原理。掌握自动控制、反馈、控制系统的构成，要求初步了解如何由系统原理图形成系统的原理方块图及判别控制方式的方法。重点和难点：基本控制方式及特点；对控制系统性能的基本要求；建立元件方块图的方法；自动控制系统实例。第一节自动控制的一般概念一、自动控制技术二、自动控制理论的发展过程

第二节自动控制系统的组成一、自动控制系统的结构与反馈控制理论二、开环控制与闭环控制三、自动控制系统举例

第三节自动控制系统的类型一、恒值控制系统、程序控制系统与随动控制系统二、线性系统与非线性系统第四节对控制系统性能的要求一、控制系统的稳态、动态与过度过程二、对控制系统性能的要求及技术指标第二章控制系统的数学模型……8学时本章教学目的和要求：掌握传递函数及动态结构图的概念、意义、求取方法和简化方法；理解自动控制系统的建模方法和步骤；掌握拉氏变换解微分方程。掌握传递函数及动态结构图、传递函数基本方法和结构图的变换。重点和难点：典型环节及其传递函数；拉氏变换，传递函数的化简。第一节微分方程一、微分方程的建立二、微分方程的求解

第二节拉普拉斯变换与反变换一、拉普拉斯变化的基本概念二、拉普拉斯反变换第三节传递函数一、传递函数定义与求取二、传递函数的性质第四节动态结构图一、动态结构图的组成与绘制二、动态结构图的等效变化与化简第五节反馈控制系统的重要传递函数第六节MATLAB基础知识及其在结构图绘制与部分分式再开中的应用第三章控制系统的时域分析……8学时本章教学目的和要求：掌握系统微分方程的拉普拉斯变换解法及判定系统稳定性赫尔维茨判据、林纳德判据、劳思判据，理解针对一阶和二阶系统的分析计算以及稳态误差的分析计算，了解改善系统响应的措施。掌握典型响应、渐近稳定性及时域性能指标、稳态误差。重点和难点：一、二阶系统的时间响应；稳态误差的分析和计算第一节线性定常系统的时域响应第二节线性定常数的稳定性分析一、稳定性的基本概念二、线性系统稳定的充要条件第三节线性系统的稳态误差一、稳态误差的计算二、稳态误差与系统结构参数及输入量的关系三、提高系统稳态精度的方法第四节一阶系统的时域分析一、一阶系统的数学模型二、一阶系统的响应第五节二阶系统的时域分析一、二阶系统的数学模型二、二阶系统的单位阶跃响应及性能指标三、二阶系统性能的改善第六节应用MATLAB进行系统时域分析

第四章控制系统的频域分析……8学时本章教学目的和要求：掌握系统频率特性概念、一些典型环节的频率特性以及系统开环频率特性曲线的绘制方法，并掌握频率稳定性判据。理解稳定欲度以及系统闭环、开环频率特性与阶跃响应的关系，稳定性的判别及裕度的计算。掌握稳定判据、频率特性和时域响应的关系。重点和难点：频率特性的概念；典型环节频率特性；开环频率特性Nyquist图和Bode图的绘制；奈氏稳定性判据。

第一节控制系统频率特性的概念一、控制系统频率特性概述二、频率特性的表示方法三、频域性能指标四、典型环节的频率特性第二节系统的开环频率特性曲线绘制一、系统开环幅相频率特性曲线的画法二、系统开环对数频率特性曲线的绘制第三节频域的稳定性判据一、奈氏稳定性判据二、对数频率稳定判据三、控制系统的稳定量第四节闭环系统性能与开环频率特性关系一、频率特性与系统性能的关系第五章控制系统的校正与设计……4学时本章教学目的和要求：理解控制系统的组成，掌握执行器的选择、基本控制规律、串级控制系统。要求学生掌握基本概念，学会相关的设计。

重点和难点：控制装置的选择；串联控制系统的设计。

第一节控制系统的预期数学模型一、典型系统二、两种预期数学模型的比较第二节控制系统的校正一、调节器二、控制系统的工程校正方法第六章简单控制系统的分析与设计举例……6学时本章教学目的和要求：通过单闭环直流调速系统和双闭环直流调速系统两个实例，分别从系统分析和系统设计的角度对经典控制理论的基本知识加以综合应用。对控制理论的分析方法以及工程设计方法有一个系统认识。

重点和难点：单闭环无静差直流调速系统的性能分析；双闭环直流调速系统的工程设计。

第一节单闭环无静差直流调速系统的性能分析一、系统数学模型的建立二、系统动态性能和稳态性能分析第二节双闭环直流调速系统的工程设计一、双闭环直流调速系统及其数学模型五、上机内容与学时分配实训一MATLAB的认识（2学时）1.目的要求：学会编程软件的安装，掌握通信参数的设置，掌握MATLAB常用的操作指令和操作键2.掌握要点：编程软件的安装，MATLAB常用的操作指令和操作键，MATLAB中的简单运算3.实训内容（1）安装MATLAB软件按步骤安装软件和汉化软件（2）通信参数的设置（3）编程软件的使用1）创建项目或打开已有项目2）选择默认的编程语言和指令助记符3）确定程序的结构，指令的输入，定义符号地址4）程序的注释，编译程序5）下载程序，运行和调试程序，保存程序实训二MATLAB的运算与绘图（2学时）1.目的要求：学会编程软件的安装，掌握MATLAB绘图2.掌握要点：编程软件的安装，函数的运算，M文件的使用，MATLAB绘图3.实训内容（1）安装MATLAB软件（2）菜单的使用；（3）绘图工具的使用（4）绘图的注释实训三用MATLAB解决时域分析的问题（4学时）1.目的要求：掌握MATLAB常用的操作指令和操作键2.掌握要点：MATLAB常用的操作指令和操作键，MATLAB中时域响应曲线的绘制、二阶系统性能指标的计算3.实训内容（1）安装MATLAB软件（2）通信参数的设置（3）编程软件的使用（4）绘图工具的使用（5）根据图列出性能指标