《信号检测与自动控制原理》课程教学大纲

《信号检测与自动控制原理》课程教学大纲课程名称：信号检测与自动控制原理SignalDetectionandAutomaticControlTheory课程编号：081050203课程性质：□必修□选修课程类别：□通识课程□专业课程£实践教学适用专业：智能采矿工程课程学时：总学时32学时，全部为理论教学学时课程学分：2应开课学期：第6学期先修课程：复变函数、矿山电工学、电工电子技术、离散数学、大学物理、线性代数等课程任课学院、系部：能源科学与工程学院采矿系一、课程简介《信号检测与自动控制原理》为专业选修课，教学对象为采矿工程专业、智能采矿工程专业、采矿工程专业（卓越）。本课程是一门讲述信号检测与自动控制原理的课程。通过本课程的学习，旨在拓宽学生在传感器及自动控制方面的基础知识、增加学生在智能开采方面的知识储备、使学生了解传感器与自动控制技术在社会发展中的作用及与煤矿智能化开采的关系，增强献身煤炭工业的事业心和责任感，为今后从事矿业工作或能源领域工作奠定基础。二、课程教学的目标及与毕业要求的关系（一）课程目标课程总目标：通过本课程的学习，学生能够对传感器的原理及常用方法，对自动控制原理有着基础性认识，了解自动控制的数学模型，增强献身煤炭工业的事业心和责任感，为学生今后从事采矿工程设计、生产技术管理及科学研究奠定基础。课程目标1：掌握常规控制器和自动控制系统的组成及其相互关系；课程目标2：了解对自动控制系统的性能要求及分析系统性能的方法；课程目标3：掌握用传递函数，方框图，信号流图及状态空间描述建立系统数学模型的方法；课程目标4：掌握对控制系统进行分析和综合的方法:时域分析法、频域分析法、根轨迹法及状态空间分析法；课程目标5：初步掌握控制系统的校正和设计方法，为解决实际问题打好基础；课程目标6：具备利用传感器技术解决一些工业生产和日常生活中自动化系统应用的初步能力。（二）课程目标与毕业要求的对应关系本课程目标支持的主要毕业要求如下表（各专业根据实际情况使用此表，非工程认证专业可删除“指标点”列）：课程目标毕业要求指标点1.掌握常规控制器和自动控制系统的组成及其相互关系毕业要求2：问题分析：能够运用专业技能识别、表达、并通过文献研究分析采矿工程与智能开采技术中的实际问题，以获得有效结论。指标点2.2：具有运用自然科学知识进行采矿工程与智能开采相关物理力学变量测定、数据采集与分析等能力。2.了解对自动控制系统的性能要求及分析系统性能的方法毕业要求2：问题分析：能够运用专业技能识别、表达、并通过文献研究分析采矿工程与智能开采技术中的实际问题，以获得有效结论。指标点2.2：具有运用自然科学知识进行采矿工程与智能开采相关物理力学变量测定、数据采集与分析等能力。3.掌握用传递函数，方框图，信号流图及状态空间描述建立系统数学模型的方法毕业要求2：问题分析：能够运用专业技能识别、表达、并通过文献研究分析采矿工程与智能开采技术中的实际问题，以获得有效结论。指标点2.2：具有运用自然科学知识进行采矿工程与智能开采相关物理力学变量测定、数据采集与分析等能力。4.掌握对控制系统进行分析和综合的方法:时域分析法、频域分析法、根轨迹法及状态空间分析法毕业要求2：问题分析：能够运用专业技能识别、表达、并通过文献研究分析采矿工程与智能开采技术中的实际问题，以获得有效结论。指标点2.2：具有运用自然科学知识进行采矿工程与智能开采相关物理力学变量测定、数据采集与分析等能力。5.初步掌握控制系统的校正和设计方法，为解决实际问题打好基础毕业要求4：研究：能够基于科学原理，采用科学方法对采矿工程、智能开采中的工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。指标点4.2：能够针对复杂采矿工程和智能开采问题进行研究，包括设计实验、数据采集与分析等6.具备利用传感器技术解决一些工业生产和日常生活中自动化系统应用的初步能力毕业要求4：研究：能够基于科学原理，采用科学方法对采矿工程、智能开采中的工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。指标点4.2：能够针对复杂采矿工程和智能开采问题进行研究，包括设计实验、数据采集与分析等三、课程教学的基本内容及教学安排（课程内容需细化到章、节和知识点，并说明授课学时、实验项目及类型或实践教学具体安排）（一）课程教学的内容及学时安排知识单元知识点学时数课程目标线下授课线上授课实验/实践1.自动控制系统的基本原理及主要类别知识点1.1：自动控制系统的基本工作原理；知识点1.2：自动控制系统的反馈形式；知识点1.3：自动控制系统的分类；知识点1.4：对控制系统的基本要求；知识点1.5：控制工程中的外作用函数类型。2课程目标22.拉普拉斯变换知识点2.1：拉氏变换的基本概念；知识点2.2：拉氏变换的基本性质；知识点2.3：拉普拉斯逆变换；知识点2.4：拉普实例设计。2课程目标23.自动控制系统的时域分析知识点3.1：控制系统的微分方程；知识点2.2：非线性微分方程的线性化；知识点3.3：传递函数的定义和性质；知识点3.4：传递函数的零点和极点及其对输出的影响；知识点3.5：典型环节的传递函数。2课程目标24.控制系统结构图知识点4.1：系统结构图的绘制；知识点4.2：结构图的等效变换和简化；知识点4.3：信号流图的组成与绘制；知识点4.4：结构图与信号流图的转化；知识点4.5：梅森增益公式。2课程目标25.线性系统的时域分析知识点5.1：系统时间响应的性能指标；知识点5.2：一阶系统的时域分析；知识点5.3：二阶系统的时域分析；知识点5.4：高阶系统的时域分析。2课程目标26.线性系统的稳定性分析知识点6.1：线性系统稳定的充要条件；知识点6.2：劳斯-赫尔维茨稳定判据；知识点6.3：线性系统稳态误差的计算2课程目标27.自动控制系统的根轨迹分析法知识点7.1：根轨迹法的基本概念；知识点7.2：普通根轨迹绘制的基本原则；知识点7.3：参数根轨迹绘制方法；知识点7.4：零度根轨迹的绘制法则；2课程目标28.线性系统的频域特性曲线知识点8.1：频率特性的基本概念；知识点8.2：开环幅相频率特性曲线的绘制；知识点8.3：开环对数频率特性曲线的绘制；2课程目标29.线性系统频域稳定分析知识点9.1：频率域稳定判据；知识点9.2：奈奎斯特稳定判据；知识点9.3：稳定裕度；知识点9.4：闭环频域特性。2课程目标210.线性系统的矫正设计知识点10.1：综合与矫正的基本概念；知识点10.2：期望频率特性法矫正；知识点10.3：串联校正；知识点10.4：反馈矫正。2课程目标411.PID控制系统知识点11.1：PID控制的原理；知识点11.2：PID控制的传递函数；知识点11.3：PID控制器设计方法。2课程目标412.信号检测技术的基本概念知识点12.1：测量的基本概念及方法；知识点12.2：测量误差及数据处理；知识点12.3：传感器及其基本特征。2课程目标213.光电传感器知识点13.1：光电式原件工作原理；知识点13.2：光电编码器的内部结构；知识点13.3：光电编码器测量数据的计算。2课程目标414.电阻传感器知识点14.1：电阻传感器的原理；知识点14.2：电阻传感器的类型；知识点14.3：电阻传感器在检测系统中的应用。2课程目标415.电容传感器知识点15.1：电容传感器的工作原理及结构形式；知识点15.2：电容传感器的误差分析；知识点15.3：电容传感器在压力、液位和流量方面的实际应用。2课程目标416.电涡流传感器知识点16.1:电涡流传感器的工作原理；知识点16.2:电涡流传感器的结构及特性；知识点16.3:接近开关及应用。2课程目标4合计32四、本课程与其他课程的联系本课程的先修课程为复变函数、矿山电工学、电工电子技术、离散数学、大学物理、线性代数等课程。五、教材与其他教学资源（含教学参考书或在线资源）（一）建议教材（建议选用新出版的国家级规划教材）（1）胡寿松主编，《自动控制原理》（第七版），科学出版社，ISBN:978-7-03-057291-2，普通高等教育“十二五”规划教材（2）《自动检测技术及应用》，（第3版），梁森主编，机械工业出版社，2018年。（二）其他教学资源（1）王化祥，崔自强.《传感器原理及应用》（第五版），天津大学出版社（2）《传感器检测与应用》，王斌主编，国防工业出版社，2013年。（3）《自动检测与仪表》，刘玉长主编，冶金工业出版社，2016年。（4）中国大学MOOC六、教学方法与学习建议建议重点掌握以下内容：1、掌握自动控制系统设计的基本理论和主要方法。2、初步建立信号检测与自动控制原理的整体知识框架，掌握传感器与检测技术的基本概念、原理和特性，能够运用相关知识对自动检测系统中的复杂工程问题的解决方案进行比较。3、使学生能理论联系实际，将抽象的数学模型与实际系统联系，根据性能指标的要求，合理地选择参数，对系统进行综合与校正。4、能够根据实际应用情况，正确采集与处理分析传感器的数据及现象，得到合理有效结论。同时，课中及课后可观看由任课老师的提供的教学视频，加深对所学内容的理解。七、课程考核及成绩评定方式（一）课程考核（说明考核方式及占总成绩的比例）本课程成绩满分100分，由平时考核、过程考核、期末考查成绩构成：（1）平时考核成绩，占总成绩的10%，每个知识点后面有10题，总计320题，题型为：单项选择题、多项选择题和判断题。（2）过程考核，占总成绩的40%，发布20条，每条超过20字具有实际意义的评论获满分。（3）期末考查，占总成绩的50%。（二）课程目标与考核内容的关系课程具体目标与知识单元和考试内容的关系如下：课程目标知识单元考试内容1：掌握常规控制器和自动控制系统的组成及其相互关系1.自动控制系统的基本原理及主要类别自动控制系统的基本工作原理；自动控制系统的反馈形式；自动控制系统的分类；对控制系统的基本要求；控制工程中的外作用函数类型。2：了解对自动控制系统的性能要求及分析系统性能的方法2.拉普拉斯变换3.自动控制系统的时域分析拉氏变换的基本概念；拉氏变换的基本性质；拉普拉斯逆变换；拉普实例设计；控制系统的微分方程；非线性微分方程的线性化；传递函数的定义和性质；传递函数的零点和极点及其对输出的影响；典型环节的传递函数。3：掌握用传递函数，方框图，信号流图及状态空间描述建立系统数学模型的方法4.控制系统结构图系统结构图的绘制；结构图的等效变换和简化；信号流图的组成与绘制；结构图与信号流图的转化；梅森增益公式。4：掌握对控制系统进行分析和综合的方法:时域分析法、频域分析法及根轨迹法5.线性系统的时域分析6.线性系统的稳定性分析7.自动控制系统的根轨迹分析法8.线性系统的频域特性曲线9.线性系统频域稳定分析系统时间响应的性能指标；一阶系统的时域分析；二阶系统的时域分析；高阶系统的时域分析；线性系统稳定的充要条件；劳斯-赫尔维茨稳定判据；线性系统稳态误差的计算根轨迹法的基本概念；普通根轨迹绘制的基本原则；参数根轨迹绘制方法；零度根轨迹的绘制法则；频率特性的基本概念；开环幅相频率特性曲线的绘制；开环对数频率特性曲线的绘制；频率域稳定判据；奈奎斯特稳定判据；稳定裕度；闭环频域特性。5：初步掌握控制系统的校正和设计方法，为解决实际问题打好基础10.线性系统的矫正设计11.PID控制系统综合与矫正的基本概念；期望频率特性法矫正；串联校正；反馈矫正