大学说课(自动控制原理)详细版教材课程

大学自动控制原理详细版教材课程

教师：

教研室：电子信息工程教研室

自动控制原理是电子信息工程专业的一门基础课程。它不仅需要扎实的电

路分析和高等数学基础知识，而且作为今后学习计算机控制技术的前提起着承

上启下的作用。因此，对本专业的学生来说，学好这门课程是非常重要的。让

我从以下几个方面谈谈如何讲授自动控制原理课程。

1、教材

1.教材：

《自动控制原理》工科院校控制类系列教材

主编：张飞、李丽

从实际工程应用的角度出发，该教材注重基础性'系统性和实用性，深入

介绍了自动控制系统的数学描述方法、时域分析和频域分析方法。本书共分八

-1-

章（具体内容在教学设计过程中详细介绍）。每章后面都有相应的练习，书中

还提供了一些练习参考答案，供学生参考和比较。

另外，《自动控制原理》课程是计算机控制技术课程的一门必修课。只有

学好这门课程，我们才能更好地学习计算机控制技术（这门课程将由这名学生

在下学期学习）。

2.辅助教材：《自动控制原理》，科学出版社

现代控制理论，清华大学出版社

3.后续课程：

先修课程：电路分析，复变函数

跟进：现代控制理论、计算机控制技术、嵌入式技术

2、教学方法与教学设计过程

（1）课程简介

-2-

1、自动控制原理课程本身使用了大量的拉普拉斯变换和复变函数理论，所

以如果你想学好自动控制原理，首先必须看看你在大学数学中是否有坚实的基

础（特别是复变函数和积分变换）。

2、除了所需的数学基础之外，你还需要具备处理相关专业知识的能力。例

如，要建立实际系统的物理模型，就需要对电路（主要是模拟电路）、大学物

理和力学原理有很好的了解。同时，还需要具备一定的数学建模能力。

说到这个，有良好基础的学生暗暗高兴，但对那些基础较差的学生来说，

这可能是一个打击。这些学生可能有一种不想学的心理，所以他们不得不收回

自己的话。有一个好的基础是好的，但不要对那些基础差的人失去信心。在上

课的过程中，我们会遇到与以前学科相关的地方，如果你忘记或不明白，你会

详细解释）

3.正是因为这门课程充满了数学，所以不要把自动控制原理当成数学来学

习。这样，你就会更加困惑，甚至怀疑控制理论的科学性。因为作为一门数学

课程，你只掌握一些方程的运算和图形的绘制。你不明白为什么实际系统会遵

循控制理论所描述的规律（比如水位可以精确控制），这会让你觉得它完全是

数学的功用，忽略了自动控制的基本思想和这些数学方程受物理定律支配的事

实。许多过去擅长数学的学生学不好控制理论。他们都犯了把自控理论课当成

数学课的思想错误。

-3-

4.学习自动控制原理，掌握基本的控制思想是最重要的（它不同于数学思

想和物理思想）。高校学习的自动控制原理主要涉及经典控制理论，因此其最

基本的控制思想是负反馈思想。许多稳定性理论都是基于这一思想。因此，尽

管数学非常重要，但数学只是自动控制理论的有力工具。

5.珍惜每一次锻炼的机会。没有多少确切的话题。一般来说，你可以掌握

书中每一章后面的所有练习（第一次做不到并不重要，关键是要理解）。即使

你已经达到了基本的掌握水平。

6.谈论仿真软件时要仔细听。每次编程都要用自己的脑子，不要按照老师

的步骤机械地把它输入电脑，而是要有自己的编程方法。例如，在由多极运算

放大器构成的电路控制系统中，我们应该思考为什么某些参数的变化（如电容

的变化）会导致控制量（如电压）的不稳定或控制精度的下降。

7.要树立学好自动控制原理的信心。能够接触到19世纪著名的革命思想，

特别是20世纪著名的理论，我们应该感到自豪。19.20世纪革命性的著名理论:

进化论、资本论、相对论、量子论、信息论、控制论和系统论。我主修文科，

学习马克思的经典著作《资本论》。那么理工科的学生应该自豪地说，你学到

了最先进的科学思想和控制论，现代技术科学的三大支柱之一（现代技术科学

的三大支柱是信息论'控制论和系统论）。

（2）教学内容的组织

-4-

1.控制系统的定性描述上升为控制系统的定量描述。这是非常重要的。使

学生学会工程技术的一般方法，学会如何从大量实际的、具体的物理或化学系

统中，通过系统中的机理关系，建立统一的数学模型，把个别问题普遍化，把

具体问题抽象化，从而运用教学方法进行定量研究，回归实际系统。

2.稳定性、稳态和动态“三态”来描述系统的性能。“三态”思想应贯穿

于课程教学之中，围绕系统的三态进行分析和设计。

3.讲解代数描述与几何描述的关系与转换，使学生学会运用数学工具从多

角度描述和看待问题。在《自动控制原理》课程中，需要用到微分方程模型、

传递函数模型、框图模型、根轨迹模型、脉冲响应模型、波特图、奈奎斯特图

等模型的表示形式，这些模型之间有着非常有意义的联系。例如，控制系统的

根轨迹图不仅可以定量地描述控制系统的模型，而且可以直接反映控制系统的

性能；控制系统的Bode图不仅反映了系统的数量关系，而且反映了系统的性能;

等待通过对这些方法的讲解，可以引导学生学习和思考如何运用工具将实际问

题与抽象描述相结合，对学生分析问题的能力有很大的帮助。

4.应重视时域分析方法。以往，由于计算工具简单，计算复杂不方便，传

统的方法主要集中在一阶和二阶系统的时域分析，而高阶系统的动力学分析主

要是简单介绍。随着计算手段的改进，特别是Matlab工具平台的完善，复杂的

计算不再困难。在课堂教学中可以考虑Matlab工具平台。一般系统的动力分析

-5-

和计算不再受系统阶次的限制。

5.要与实践紧密联系。参考一些网上资源和国外优秀教材，介绍控制原理

的应用背景，即学习过程中理论与实践的结合。

(3)教学方法与形式

1.黑板教学。

本课程的理论知识比较复杂，较多地运用了高等数学和复变函数的知识。

如果采用多媒体课件进行教学，学生只知道公式是什么，而不能深刻理解公式

或方法的推导、推导及具体应用。在课堂上用板书与学生讨论，我们会印象深

刻，记忆力更强。同时，对于那些打算考研的学生来说，这样的教学方式也可

以提高他们的逻辑思维和推理能力，因为我们的大学生有一个非常坏的习惯：

吃饭等饭。教师不能独立思考，不能独立思考。就这样，他们在参加数学研究

生入学考试时吃了不少苦头。通过本课程，学生的独立思考能力也得到了一定

程度的锻炼。这在05年级已经毕业的学生中取得了初步的成绩。

2.讨论式教学

在教授一些公式或方法时，可以让学生自己动手或用自己的方法验证，这

样可以大大提高学生的学习积极性和积极性。

-6-

3.运动课教学方法的改革

尽量少留作业，拿出一个或几个典型问题，或解决多个问题，让学生独立

完成，最大限度地减少抄袭的发生。

4.期末考试

增加常规测试的强度。例如，设计了一个系统。在学习了第一章之后，对

系统进行了定性分析。在学习了第二章的内容后，建立了系统的数学模型。在

学习了第三章之后，对其进行了时域分析。在第四章之后，利用根轨迹分析了

它的性能。第五章采用频域方法对系统进行了分析。这样，学生不仅要练习具

体的方法，还要学会将所学知识与实际系统相结合，还要在一个系统中比较不

同的方法。期末考试采用开卷考试的形式，重点是掌握基本方法，学生不必背

诵公式。

3、整本书的结构

这本书有八章。由于课时的限制，我们只能谈第五章，共五章的理论知识。

由于我校没有自动控制原理实验箱，本课程只能进行模拟实验，实验将在下学

期的《计算机控制技术》课程中进行。

-7-

第一章自动控制系统概述（4学时）

1.1简介

1.2开环控制和闭环控制

1.3自动控制及自动控制系统

1.4自动控制理论的发展

第二章控制系统数学描述方法（共12学时）

2.1控制系统微分方程

2.2非线性微分方程的线性化

2.3拉普拉斯变换及其应用（关键）

2.4传递函数

2.5动态结构图

-8-

2.6一般反馈控制系统

练习

第三章控制系统时域分析（共14学时）

3.1时域分析的一般方法

3.2一阶系统分析

3.3二阶系统分析

3.4高阶系统分析

3.5控制系统稳定性分析

3.6控制系统稳态误差分析

练习

第四章根轨迹法（共14学时）

-9-

4.1根轨迹的基本概念

4.2绘制根轨迹的基本规则（要点）

4.3控制系统根轨迹图

4.4控制系统的根轨迹分析

练