自动控制理论I课程教学大纲

自动控制理论I课程教学大纲

课程名称：自动控制理论I（ControlTheoryⅠ）课程编码：CX200120A学

分：6总学时：96（理论88学时，实验8学时）适用专业：自动化专业先修课程：《高等数学》、《工程数学》、《电路》、《电子技术》、《电机拖动》一、课程的性质、目的与任务：《自动控制理论》是自动化专业主要的技术基础课。学生通过学习本大纲规定的内容，将掌握自动控制的基本理论和基本技能，为学习自动化专业及其它电气信息类专业的后续课程打下必要的基础。二、教学基本要求：（一）要求理解和掌握的内容：理解自动控制的概念及术语；掌握传递函数的概念及方框图的等效变换；掌握一、二阶线性系统瞬态相应的指标计算及公式；掌握稳态误差的概念及计算方法；掌握稳定性的概念及劳斯判据；理解误差与系统型别的关系；理解根轨迹的概念；掌握常规根轨迹的绘制法则及应用；理解频率特性、极坐标图、对数幅相图的概念；掌握对数幅相图的绘制、稳定裕量的概念及其求法；掌握Nyquist稳定判据及其应用；掌握串联校正环节的特性、作用、设计方法；掌握描述函数法的概念、求法；掌握非线性系统的描述函数分析法；掌握脉冲传递函数的求法；掌握离散系统稳定性判据；掌握离散系统稳态误差分析方法；理解状态空间描述的概念；掌握相似变换、各种状态空间描述的转换；掌握转移阵的定义、求法；掌握线性定常系统的非齐次解；理解离散系统状态方程、连续系统离散化；理解能控性、能观性的概念；掌握能控性、能观性判据；理解李雅谱诺夫稳定性定义；掌握李雅谱诺夫稳定性定理（第二法）；掌握串联调节器及系统解耦；掌握状态反馈；掌握状态观测器的设计。（二）要求了解和学会的内容：了解自动控制理论的研究领域、分类、组成；了解信号流图、梅逊（Mason）公式并能够运用；了解非线性系统线性化方法；了解高阶系统动态响应指标的计算方法；会用劳斯判据及系统稳定性条件确定系统结构参数；了解扰动输入下的稳态误差、系统结构变化引起的稳态误差；了解广义根轨迹、零度根轨迹法则、有滞后环节的根轨迹法则；了解闭环系统频率特性曲线及频域性能指标的分析、计算；了解局部反馈及其他校正作用的分析；了解粉线性系统的相平面分析；了解采样定理；了解李雅谱诺夫稳定性定理（第一法）；了解带状态观测器的状态反馈。三、教学内容：（一）MATLAB工具软件学习

6学时

内容：MATLAB语言程序设计的基本技术；MATLAB的工具箱函数和功能。控制系统分析与设计。（二）控制理论概述

2学时内容：自动控制的概念、研究领域；控制系统的分类、组成；基本术语。要求：一般了解。（三）动态系统的数学模型

16学时内容：动态系统数学模型的初步知识；传递函数和脉冲传递函数；状态空间模型；动态系统的状态空间表达式；使用MATLAB进行数学模型的转换；电气系统、机械系统、流体系统、热力系统的数学建模；模拟结构图、方框图、信号流图、方框图的建立与化简；梅逊（Mason）公式。非线性数学模型的线性化。要求：重点掌握传递函数、状态空间表达式的求得方法及相互转换、各种动力系统的建模方法；控制系统的图形表示方法及化简。（四）瞬态响应和稳态响应分析

6学时内容：瞬态响应分析：一阶、二阶、高阶系统；线性系统瞬态响应指标及公式；用MATLAB求解瞬态响应。误差分析：稳态误差概念、型别的概念；参考输入下的稳态误差、扰动输入下的稳态误差、系统结构变化引起的稳态误差；稳定性分析：稳定性的概念、线性连续、离散系统稳定的充分必要条件；劳斯判据；劳斯判据的应用。要求：重点讲授二阶系统瞬态响应指标及公式、参考输入下的稳态误差的计算、劳斯判据的应用。（五）根轨迹分析

4学时内容：根轨迹的概念；幅相条件、常规根轨迹绘制的一般规则；广义根轨迹；用MATLAB作根轨迹；根轨迹分析方法。要求：重点讲授根轨迹分析方法。（六）控制系统设计的根轨迹法

6学时内容：控制系统校正的基本概念；根轨迹法校正的思想；超前、滞后、滞后-超前校正、并联校正。要求：重点讲授串联超前、串联滞后校正的特性、作用和设计方法。（七）频率响应分析

10学时内容：频率特性的概念、求法；极坐标图（Nyquist图）的概念、绘制；Nyquist判据；对数幅相图（Bode图）的概念、绘制；Nyquist判据在Bode图上的表述；幅值穿越频率、相角穿越频率、相角稳定裕量、幅值稳定裕量的概念、求法；闭环系统频率特性简介。用MATLAB作频率特性图。要求：重点讲授对数幅相图（Bode图）的绘制及相角稳定裕量、幅值稳定裕量的求法。（八）控制系统设计的频率响应法

6学时内容：控制系统频率法校正的基本思想；超前、滞后、滞后-超前校正、并联校正。要求：重点讲授串联超前、串联滞后校正的特性、作用和设计方法。（九）控制系统的状态空间分析

12学时

内容：状态空间标准型表达式；特征值；特征向量；定常系统状态方程的解；状态转移矩阵eAt的定义、求法；离散系统状态方程、连续系统离散化；离散状态方程的解。

能控性、能观性的定义；能控性、能观性的判别（常规判据和观察性判据）。对偶原理。要求：重点讲授状态转移矩阵eAt的定义和求法；线性定常系统的非齐次解的形式及特点。（十）控制系统的状态空间设计

8学时内容：MIMO系统各种连接下的传递函数及状态方程；极点配置；用MATLAB解极点配置问题；串联调节器及系统解耦；状态反馈；状态观测器；带状态观测器的调节器系统设计。要求：重点讲授状态反馈调节器的设计及状态观测器的设计。（十一）非线性系统

4学时内容：非线性系统的概念、现象；典型非线性环节的特性；描述函数的概念及求法；非线性系统的描述函数分析；相平面法的概念及相平面图绘制；非线性系统的相平面分析。要求：重点讲授描述函数法。（十二）李雅普诺夫稳定性分析

6学时内容：李雅普诺夫稳定性定义；李雅普诺夫稳定性定理（第二法）；李雅普诺夫能量函数的选取；李雅普诺夫第一法。要求：重点讲授李雅普诺夫稳定性及第二法的含义；李雅普诺夫能量函数的选取几种方法。（十三）控制理论发展前沿介绍

2学时内容：任课教师对当前控制理论的新成果、新动态进行介绍。四、实验内容：8学时用MATLAB进行部分分式展开、求并联、串联和反馈系统传递函数、数学模型转换；线性系统的时域分析；控制系统的根轨迹分析；频域分析法；直流电动机转速控制系统设计。五、教学参考书：1.KatsuhikoOgata著，卢伯英等译《现代控制工程》，国内影印版，电子工业出版社，2003年.2.邹伯敏主编，自动控制理论，机械工业出版社，2002.33．吴麒，等，《自动控制原理》上册，清华大学出版社，2006年.4.吴麒，等，《自动控制原理》下册，清华大学出版社，2006年.5.薛定宇，《控制系统计算机辅助设计》，清华大学出版社，2006年.6.绪芳胜彦主编，现代控制工程，机械工业出版社7.张爱民，《自动控制原理》，清华大学出版社，2006年.

六、考核说明：平时表现（课堂、作业、实验、考查等）占30%，课程结束考试占70%。

自动控制理论Ⅱ课程教学大纲

课程名称：自动控制理论Ⅱ（ControlTheoryⅡ）课程编码：CX205120A学

分：4总学时：64（授课60，实验4）适用专业：电气工程及其自动化专业先修课程：《高等数学》、《工程数学》、《电路》、《电子技术》、《电机学》、《信号与系统》等一、课程的性质、目的与任务：自动控制理论是电气工程及其自动化专业的重要技术基础课。学生通过学习本大纲规定的内容，将掌握自动控制的基本理论和基本技能，会分析和设计基本的控制系统。为学习本专业的后续课程打下必要的基础。二、教学基本要求：了解自动控制理论的研究领域、分类、组成；了解信号流图、梅逊（Mason）公式并能够运用；了解高阶系统动态响应指标的计算方法；了解扰动输入下的稳态误差、系统结构变化引起的稳态误差；了解广义根轨迹、零度根轨迹法则；了解闭环系统频率特性；了解采样定理；了解李雅谱诺夫稳定性定理（第一法）。理解自动控制的概念及术语；理解误差与系统型别的关系；理解根轨迹的概念；理解频率特性、极坐标图、对数幅相图的概念；理解状态空间描述的概念；理解能控性、能观性的概念；理解李雅谱诺夫稳定性定义。掌握传递函数的概念及方框图的等效变换；掌握一、二阶线性系统瞬态相应的指标计算及公式；掌握稳态误差的概念及计算方法；掌握稳定性的概念及劳斯判据；掌握常规根轨迹的绘制法则及应用；掌握对数幅相图的绘制、稳定裕量的概念及其求法；掌握Nyquist稳定判据及其应用；掌握串联校正环节的特性、作用、设计方法；掌握脉冲传递函数的求法；掌握离散系统稳定性判据；掌握相似变换、各种状态空间描述的转换；掌握转移阵的定义、求法；掌握线性定常系统的非齐次解；掌握能控性、能观性判据；掌握李雅谱诺夫稳定性定理（第二法）；掌握状态反馈极点配置。掌握MATLAB软件在自动控制系统分析中的应用。三、教学内容：（一）控制理论概述

2学时1.

自动控制系统的概念、研究领域2.

控制系统的分类、组成、术语3.

控制系统的应用（二）线性系统的数学模型

6学时1.

线性系统的动力学方程2.

线性系统的传递函数3.

典型环节的数学模型4.

线性系统的方框图及等效变换5.

线性系统的信号流图及梅森公式6.

使用MATLAB建立数学模型及模型转换方法（三）控制系统的时域分析法

6学时1.

典型输入信号2.

一阶、二阶、高阶系统的时域分析及时域性能指标3.

控制系统的稳态误差4.

线性系统的稳定性概念及充要条件5.

劳斯判据及其应用6.

使用MATLAB分析和计算系统性能（四）根轨迹分析法

4学时1.

根轨迹的概念及福相条件2.

绘制根轨迹的基本规则3.

参量根轨迹4.

根据根轨迹分析控制系统的性能5.

使用MATLAB绘制系统根轨迹（五）控制系统的频域分析法

8学时1.

频率特性的概念、求法2.

极坐标图的概念、绘制3.

bode的概念、绘制4.

nyquist稳定判据5.

稳定裕度及求法6.

闭环频率特性7.

使用MATLAB绘制系统频率特性（六）控制系统的综合与校正

4学时1.

校正的概念、作用、分类2.

串联超前校正的特性、作用、设计方法3.

串联滞后校正的特性、作用、设计方法4.

串联超前－滞后校正的特性、作用（七）采样控制系统

6学时1.

离散控制系统的概念、分类2.

采样过程分析、采样定理3.

脉冲传递函数的概念、基本公式4.

离散系统稳定性判据、W变换

（八）控制系统的状态空间描述

6学时1.

状态空间描述的概念、状态方程的建立2.

传递函数的实现（能控、能观、约当标准型）3.

相似变换、各种状态空间描述的转换4.

传递函数矩阵（九）状态空间表达式的求解

4学时1.

线性定常系统的齐次解2.

状态转移矩阵eAt的定义、求法3.

线性定常系统的非齐次解

（十）线性系统的能控性和能观性

4学时1.

能控性、能观性的定义2.

能控性、能观性的判别3.

结构分解（十一）李雅普诺夫稳定性分析

4学时1.

李雅普诺夫稳定性定义2.

李雅普诺夫稳定性定理（第二法）3.

李雅普诺夫第一法

（十二）线性系统设计初步