《自动控制原理综合实验》教学大纲

《自动控制原理综合实验》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：05146012课程性质：专业必修课学分：1学分学时：16学时（实验16学时）先修课程：大学物理、高等数学、复变函数与积分变换、电路分析基础、模拟电子技术等后续课程：现代控制理论、智能控制等适用专业：自动化开课单位：电气工程与自动化学院一、课程说明《自动控制原理综合实验》是自动化专业本科学生的专业必修课，课程结合自动控制原理理论课开设了一系列相应的实验，使学生理论与实践结合，更好的掌握控制理论。通过实验，学生可以掌握控制系统搭建，控制系统时域与频域特性分析的方法，以线性定常系统和线性离散系统为对象，研究自动控制系统数学模型建立，系统综合分析，包括串联校正和最小拍校正等控制器设计方法，以及系统调试的方法。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：掌握控制系统阶跃响应的测量与分析方法，掌握控制系统稳定性分析与频率特性分析方法，会进行正确的数据处理与分析，具备初步的科学精神和创新意识；掌握控制系统实验建模的方法，掌握线性系统串联校正和调试的方法，具有初步的系统设计的能力。课程目标2：形成预习和提前了解仪器使用规程的习惯，掌握实验仪器的基本性能，能够完成实验操作过程，具备基本动手能力、较强的综合应用能力。培养学生综合创新、解决问题的能力及良好的职业道德、社会公德、社会责任感。三、课程目标与毕业要求《自动控制原理综合实验》课程教学目标对理工类本科专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度4.研究4.3能够根据实验方案构建并开展实验，能够对实验结果进行分析和解释，并通过信息综合得到合理有效的结论。课程目标1：掌握控制系统阶跃响应的测量与分析方法，掌握控制系统稳定性分析与频率特性测量的方法，会进行正确的数据处理与分析，具备初步的科学精神和创新意识；掌握控制系统实验建模的方法，掌握线性系统综合校正和调试的方法，具有初步的系统设计的能力。H5.使用现代工具5.2能够选择和使用恰当的现代仪器、系统仿真与设计软件、信息技术工具对自动控制领域复杂工程问题进行分析、计算和设计。课程目标2：形成预习和提前了解仪器使用规程的习惯，掌握实验仪器的基本性能，能够完成实验操作过程，具备基本动手能力、较强的综合应用能力及一定的综合创新能力。H注：表中“H（高）、M（中）、L（弱）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2实验项目、实验内容与学时序号实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标实验要求1控制系统时域与频域特性分析实验内容：线性定常系统时域和频域性能分析。实验要求：构建典型环节，测量阶跃响应曲线，分析参数对环节时域特性的影响；利用典型环节设计二阶系统，改变二阶系统的阻尼比和无阻尼振荡频率，分析它们对二阶系统时域特性的影响；分析开环增益和某环节时间常数与闭环系统稳定性的关系，并与理论计算对比分析；设计惯性环节、二阶系统的频率特性测试实验，绘制它们的幅频和相频特性曲线，并与渐进频率特性曲线对比分析。61、2必做2线性定常系统模型建立及控制算法设计实验内容：线性定常系统建模与控制器设计。实验要求：以线性定常系统为研究对象，研究组成和工作原理，建立系统数学模型，根据数学模型，设计PID控制器（或进行串联校正）；利用Simulink搭建系统并进行仿真；最后进行实际系统调试，校核所得控制器，总结调试规律。41、2必做3非线性控制系统Matlab分析实验内容：非线性控制系统性能分析。实验要求：利用Matlab软件分析典型非线性环节的特性。利用相平面法和描述函数法对含有典型非线性环节的控制系统进行分析，分析非线性因素对系统性能的影响。21、2必做4线性离散系统模型建立及控制算法设计实验内容：线性离散系统建模与控制设计。实验要求：以数字控制系统为研究对象，研究组成和工作原理，建立系统数学模型，对模型进行离散化，得到数字随动系统离散数学模型；根据所得数学模型，利用Matlab搭建系统并进行仿真以及实验台进行电路设计仿真；最后进行实际系统调试，总结调试规律。41、2必做合计16五、教学方法及手段本课程采用教师讲授和学生动手操作的方法；在实验前学生应预习和掌握与本实验有关的教学内容、认真阅读实验指导书，并填写预习报告；老师讲授过实验内容以及实验仪器设备和软件的操作规程后，要求学生严格遵守实验纪律，以学生现场的实验操作为主，教师巡视指导，及课堂教学后期的实验注意事项总结等。实验做完后，组织学生对实验结果、方法等进行讨论，教师适当总结引导，培养学生对实验结果的分析能力。课后要求学生认真撰写实验报告，回答课后思考题。教师通过QQ、微信、钉钉等工具，随时在线为学生辅导答疑，加强和学生之间的交流和沟通。六、课程资源1.推荐教材：（1）潘丰,徐颖秦.自动控制原理（第2版）[M].北京:机械工业出版社,2020.2.参考书：（1）胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2019.（2）刘胜主.自动控制原理(第二版)[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2015.（3）张志涌，杨祖樱.MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.（4）薛定宇.控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言与应用(第3版)[M].北京：清华大学出版社，2012.（5）熊晓君.自动控制原理实验教程(硬件模拟与MATLAB仿真)[M].北京：机械工业出版社，2017.3.期刊文章：（1）郭亚琴.基于软硬件相结合的自动控制原理课程实验教学改革[J].农业工程与装备,2023,50(01):61-64.（2）郭海林.“新工科”背景下自动控制原理课程实验教学模式改革[J].造纸装备及材料,2022,51(08):219-221.（3）田思庆,侯强,王越男.基于LabVIEW的“自动控制原理”实验教学平台[J].电气电子教学学报,2019,41(02):135-138+151.（4）赵久强,冯毅萍.Labview在自动控制原理仿真实验教学中的应用[J].实验室科学,2018,21(01):85-88.（5）刘惠敏.基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验教学平台设计[J].实验室科学,2016,19(03):48-52.4.网络资源：（1）华中科技大学.王永骥.国家级精品课程《自动控制原理》./course/HUST-1001531001?tid=1001614004.（2）中国工控网./.七、课程考核对课程目标的支撑本课程成绩由多个实验报告成绩的平均分评定。每份实验报告成绩分为实验预习、操作过程、结果分析三个阶段，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表3。表3课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标12课程成绩实验预习30（1）根据课堂出勤情况和实验预习情况进行考核。（2）在报告模板中，依据完成程度不同在不同阶段打勾，批报告时给定总分。√√1515操作过程40（1）对每位学生的实验操作情况、小组协作情况进行评定。（2）对每位学生的实验操作结果和数据记录情况进行评定。（3）根据评定结果，在操作成绩栏对应的等级处打勾，批报告时给定总分。√√2020结果分析30（1）对每位学生的数据处理情况进行评定，包括数据表格整理、公式、图表、计算过程等。（2）对每位学生的结果表示和分析，及问题回答情况进行评定。（3）根据评定结果，在结果分析栏对应的等级处打勾，并给定报告总分。√√1515合计：100分5050八、考核与成绩评定1.考核方式考核方式：本课程主要以实验预习、实验操作、结果分析等方式对学生进行考核评价。自动控制原理综合实验最终总成绩由4个实验成绩的平均分评定。单次实验成绩主要由实验预习成绩、实验操作成绩和实验结果分析成绩来评定，其比例为实验预习成绩占实验成绩的30%，实验操作成绩占实验成绩的40%，实验结果分析成绩占实验成绩的30%。考核基本要求：每位学生必须按规定完成实验课，因故不能参加实验者，应课前向指导教师请假（必须经有关领导批准），对所缺实验要在期末课程考试时间之前补齐。每次实验课前，要求学生必须进行预习。每位学生必须按实验指导书的要求，独立编写实验报告，不得抄袭或借用他人的实验数据。实验报告要数据准确、条理清晰，抄袭别人的实验报告或不交实验报告的以本次实验0分计入总成绩。单次实验成绩低于50分者，该份实验报告成绩不计入期末总评中，即该份报告成绩等同于0分。2.考核成绩的标准考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表4。表4过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥7