《自动控制原理B》课程教学大纲

ADDINCNKISM.UserStyle《自动控制原理B》课程教学大纲（理论课程）一、课程基本信息课程号3023S05005开课单位国际学院课程名称（中文）自动控制原理B（英文）PrinciplesofAutomaticControlB课程性质必修考核类型考试课程学分3课程学时51课程类别专业发展课程（专业核心课）先修课程高等数学，电路分析基础，模拟电路、信号与系统适用专业（类）电气工程及其自动化二、课程描述及目标（一）课程简介《自动控制原理B》课程是本专业的一门专业核心课程，旨在使学生熟悉控制系统组成、建立反馈思想、掌握基本控制概念和要求；具备利用时域、频域、根轨迹三种方法分析控制系统稳定性，动、静态性能的能力，以及根据性能要求为系统设计控制器的能力。为《现代控制》《过程控制》等后续课程奠定必要的理论基础。教学过程中再现理论体系演化形成的过程，从而培养学生创新思维意识，激励学生了解前沿科学技术，为祖国繁荣富强奋斗终生。（二）教学目标通过本课程理论学习使学生建立控制系统的基本概念，掌握控制系统基本分析和设计方法，培养学生利用数学语言描述分析系统特性的抽象表达及分析能力，使学生具备系统分析及设计的专业思维方式。课程目标及能力要求具体如下：课程目标1：掌握控制系统的基本构成，控制基本要求，理解反馈的重要性，建立控制理论知识架构。课程目标2：掌握机理建模法及时域、频域模型形式，能够基于模型抽象表达系统特性，从而分析系统的稳定性、动态特性和静态性能。课程目标3：掌握系统设计的逆向思维方式，利用所学分析工具，根据控制要求反推，逐步设计出控制器，并能够利用计算机仿真进行辅助设计和效果验证。三、课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求指标点课程目标权重1-3能将相关知识和数学模型方法用于推演、分析专业相关工程问题，并能够用于工程问题解决方案的比较与综合课程目标32-1能运用相关科学原理，识别和判断复杂工程问题的关键环节课程目标2四、教学方式与方法1、导向式预习题：通过网络课程平台布置与课程内容相关的引导性预习题目，启发学生自主发现问题，进而寻求解决问题的方法，为课堂授课的顺利进行，成功互动做好准备。2、贯穿性例题剖析：磁盘驱动系统的实例贯串整个课程，从系统模型建立到稳定性、动静态特性的分析，再到系统的控制器设计，统一的实例更方便学生建立系统的整体观念，对比各种方法的关系和作用。3、客观细化成绩评定：平时成绩的评定由预习、习题、在线考试、课上抢答、在线讨论、PBL任务等多个模块组成，各模块的成绩按权重求和，实现客观化过程式成绩评定。4、总结性综合讨论：为避免学生只注重方法而忽视基本概念和控制思想，设计阶段性的总结性思考题，在学生掌握了基本知识点的基础上，引导他们站到一定的高度重新审视学习的内容，突出“控制”的目的性，明确普适性方法在控制前提下应用的特点，避免只见树木不见森林。5、多方位课程管理：网络——课堂——实验室三种途径有机结合，形成立体化的授课体系。充分利用网络课程平台，培养学生独立思考、互相沟通和协作解决问题的能力：通过网络课程平台布置课前预习题；建立课程论坛，完成课后思考题的讨论；建立作业和仿真专区，方便学生交流经验，分享资源。课堂教学主要完成知识体系的传授和实例剖析，帮学生建立系统性的知识构架，讨论和解决学生在作业和实践中的主要问题。实验教学本着理论联系实际的宗旨，配套的系统性实验和学生的自发实验相结合，在学以致用的过程中深化课程内容的理解。五、教学重点与难点（一）教学重点线性连续定常系统的分析与设计，主要包括以下内容：1. 数学模型的建立（微分方程，传递函数，框图，信号流图）2. 时域分析系统的稳定性及其分析（稳定性的基本概念，稳定性的判定方法）系统的动态性能（一阶、二阶系统的性能分析，高阶系统的降阶）系统的稳态误差系统的校正（校正的基本结构、PID控制器）3. 系统的根轨迹分析方法（根轨迹的基本概念，根轨迹动态性能和静态性能的关系，根轨迹的绘制方法，基于根轨迹的系统校正）4. 系统的频域分析方法（频率分析法的基本思想，频率特性图的绘制，基于频率特性图的系统性能分析，基于频率特性图的系统设计）（二）教学难点系统的运动组成及稳定性概念；系统频域分析思想及方法；系统校正方法步骤。六、教学内容、基本要求与学时分配序号教学内容基本要求学时教学方式对应课程目标1自动控制基本概念开环与闭环单闭环控制系统的基本结构正反馈与负反馈控制系统的分类控制系统基本要求能够结合不同领域实例说明控制定义中的各个基本要素（被控对象，控制目标，被控量，控制量、扰动量）能区分两种控制结构并掌握各种的特点能够辨认单闭环控制系统的基本组成部分及它们的连接方式能够判断系统的正负反馈状态和稳定性。能按照不同分类方法进行系统分类理解各个指标含义及其在实际系统中的具体意义4讲授讨论练习案例分析课程目标1，32数学模型的基本概念建模的基本方法机理建模法步骤传递函数方框图理解数学模型定义及系统的抽象性，掌握数学模型种类。能够区分机理法和实验法能够根据机理建立系统微分方程掌握传递函数定义、性质能够灵活转换微分方程及传递函数；能够将传递函数写为四种基本表达形式，明确每种形式参数名称和意义。利用传递函数求系统零状态响应。根据微分方程组绘制方框图化简方框图4讲授讨论练习测验案例分析课程目标13梅森公式线性系统运动特征系统模态零极点的作用能够将方框图转化为信号流图，并用梅森公式进行化简单回路系统的几个常用闭环传递函数和开环传递函数明确系统运动两个基本组成部分能根据微分方程特征根判断系统响应的运动特征。能够根据传递函数零极点判断系统响应的运动特征。4讲授讨论练习课程目标14稳定性定义及条件、Routh稳定判据Routh稳定判据应用明确平衡点及其稳定性定义，能够区分大范围稳定、局部稳定、不稳定。能够正确列些Routh表进行系统稳定性判定能够Routh稳定判据确定参数的稳定区域（以及留有裕量的情况）4讲授练习测验课程目标25系统的稳态与动态；掌握动态性能指标定义及作用；一阶系统阶跃响应二阶系统运动分类高阶系统降阶能够区分系统的稳态与动态能够根据阶跃响应曲线求取性能指标明确惯性环节阶跃响应形态，能够根据时间常数求取系统的过渡过程时间。明确参数意义，能区分不同阻尼情况及运动特征。熟悉欠阻尼二阶系统特征根位置与参数的关系、并能利用性能指标公式确定期望特征根位置。掌握降阶基本思想，能够根据传递函数进行系统降阶。4讲授讨论练习案例分析课程目标26输入端与输出端定义的误差稳态误差的定义稳态误差的求取稳态误差表%内模原理%区分两种误差，并了解两者关系从运动角度，理解稳态误差是误差响应的受迫运动部分。明确系统稳定是稳态误差存在的前提能够利用定义法或终值定理求取系统稳态误差熟记，并能利用其求解稳态误差，分析如何减小和消除稳态误差4讲授讨论练习课程目标27时域控制器设计根轨迹定义根轨迹方程根轨迹基本绘制规则能够根据控制要求用时域相关方法结论设计控制器明确是闭环特征根在某一参量（不一定是根轨迹增益）变化时，位置变换形成的轨迹明确其实质是系统特征方程，能根据不同情况判断该应用模条件还是角条件。理解规则，熟练应用4分组任务讲授讨论练习课程目标3课程目标18根轨迹绘制练习0度根轨迹、参量根轨迹根轨迹设计能够根据系统开环传递函数绘制闭环根轨迹概略图能够分辨属于哪种情况，并利用响应方法进行更轨迹绘制。能根据控制要求利用根轨迹方法完成控制器设计4讲授讨论练习分组任务课程目标1，2课程目标39信号与频谱的关系频域分析思想频率特性函数Nyquist图掌握信号形态与其频谱的关系能用此思想解释实际系统阶跃响应速度和形态不同的原因掌握定义、能用传递函数求出频率特性函数、幅频特性、相频特性；能够利用其含义求系统的稳态正弦响应。熟悉频率变化对复数模与角的影响4案例分析讲授练习测验课程目标110Nyquist图绘制Nyquist稳定判据能熟练绘制系统开环Nyquist图掌握判据内容，了解由来4课程目标211稳定判据应用稳定裕量应用判据根据系统开环频率特性判断系统稳定性理解定义，能够根据传递函数求系统的稳定裕量，并在Nyquist图中标出4讲授讨论练习课程目标212Bode图定义Bode图绘制熟悉对数坐标及其优势；掌握折线图绘制方法；理解最小相位系统斜率与相位近似对应关系；4讲授讨论练习测验课程目标113Bode图系统性能分析频域校正利用开环Bode图分析闭环系统的稳态和动态性能。利用开环Bode图分析系统稳定性，计算系统的稳定裕量；能够根据控制要求利用频域方法设计控制器3讲授讨论练习分组任务案例分析课程目标2课程目标3合计=SUM(ABOVE)51六、学业评价和课程考核（一）考核类型：考试考查（二）考核方式：开卷考试闭卷考试课程论文课程报告其它：（三）成绩评定：考核依据建议分值（百分比）考核/评价细则对应课程目标平时考核50%课堂表现40借助学习平台的课堂讨论、抢答等功能，及时反馈基本概念和方法的教学效果。随堂练习（35分）（0-21分）能够完成0%~60%课堂练习，（26-30分）能够完成60%~80%课堂练习，（31-35分）能够完成80%~100%所有课堂练习；课堂互动（5分）积极参与课堂问卷、抢答等活动；能够积极思考，针对课程内容提出建设性观点。课程目标1作业30每周以线上作业形式考察应用基本理论分析系统性能的能力。根据完成度、正确性和书写规范进行评分，分5个等级。（25-30）：全部完成、作答正确、解题步骤完整、字迹工整排版美观；（20-24）：完成100%~80%、作答正确率100%~80%、主要解题步骤完整、字迹清晰；（15-19）：完成80%~60%、作答正确率80%~60%、缺少主要解题步骤，字迹可读性差；（0-14分）：完成度不足60%、正确率不足60%，解题步骤严重缺失，字迹潦草；注：确认抄袭计0分；课程目标2小测30线上发布3.4.5三章的章节小测，要求学生设计控制器使单回路系统满足给定的控制要求。分别考察应用时域法、根轨迹法、频域法的系统设计能力。将多次小测的平均分折算为30分。课程目标3实验考核期末考核50%填空题30考察基本概念课程目标1计算题30考察分析方法的应用能力课程目标2分析设计题40考察利用相关理论结果设计控制器的能力。课程目标3七、课程目标达成评价课程目标的实际达成效果计算方式如下，达成值越高，教学效果越好。课程目标达成度毕业要求指标点达成度八、教材与教学参考书（一）教材《自动控制原理(双语教材)》，摆玉龙，清华大学出版社，(第2版)（二）教学参考