《自动控制理论A》教学大纲

课程名称及编号:  自动控制原理A     AU315		学分 / 学时：4/68
主讲教师（姓名、职称）:  李少远教授    席裕庚教授	授课语言:  中文
必修/选修:   必修	开课时间:  秋季
适用专业：自动化	开课单位：自动化系
授课方式: 课堂教学+实验教学	考核方式: 笔试
先修课程:  工程数学，电路理论，电子技术，信号与系统	后修课程：现代控制理论，过程控制系统
课程简介:    本课程是自动化专业本科学生的一门必修课，本课程主要内容包括：控制系统输入－输出关系模型的建立、线性系统的分析(根轨迹方法和频率特性方法)和控制系统的设计。    通过该课程的学习，使得学生掌握系统信号的自动检测、控制器的设计和对闭环控制系统的分析方法，为今后从事自动控制系统设计以及研究工作打下基础。
课程培养目标 ： 本课程主要包括三部分内容：控制系统输入－输出关系模型的建立、线性系统的分析(根轨迹方法和频率特性方法)和控制系统的设计。 2.2．能够针对一个系统或者过程选择一种数学模型，并能进行正确性推理，能给出正解 2.5．理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用 3.1．理解自动化专业系统控制和信息处理的意义及其在控制领域的主要体现 8.3．能表现出自我学习和探索的成效
教学要求： 经过本课程教学，学生必须具备如下能力： 1、应用线性代数、电路理论、信号与系统等前期课程内容对于控制系统建立数学模型，能够运用数学知识等处理与应用与工程问题的能；建模的能力； 2、针对具体实际工程系统进行控制系统设计、分析与开发，培养学生设计与综合应用能力； 3、对于涉及节能环保、安全运行的实际系统，培养学生运行系统分析与设计的基本理论方法进行创新探索、发展新技术的能力，并具有环境保护与持续发展的能力.
撰写者:  李少远                             发布时间:    2014.7

 

一、课程的性质和任务

在工程和科学技术发展过程中，自动控制担负着重要的角色。除了在宇宙飞船系统、导弹制导系统和机器人系统等领域中，自动控制具有特别重要的作用外，它已成为现代制造和工业生产过程中的重要而不可缺少的技术。自动控制系统从系统论的角度强调的是在一个系统的输入－输出关系的建模、系统信息的收集与处理以及为达到系统所设定目标的控制策略设计，由于这一理论的系统普遍性，因而在所涉及到系统信息处理的学科如自动化、电气工程、仪器仪表、电子工程等，均把《自动控制理论》这门课程作为主要的专业基础课开设。在自动化系是作为主要的一门专业基础课。

二、课程的教学内容和要求

第一章   绪  论

[要点]：掌握自动控制系统的基本概念和本门课程的基本内容。

[主要内容]：

一．概述

1． 自动控制的意义和作用

2． 自动控制理论的发展历史

3． 自动控制系统的组成

二．自动控制系统的分类

三．反馈控制系统的基本组成

四．对控制系统的基本要求

五．控制系统常用的典型测试信号

 

第二章  控制系统的数学模型

[要点]：掌握系统数学模型的基本概念和意义；掌握系统传递函数的定义，掌握系统方块图化简方法，熟练掌握用Mason公式化简系统的传递函数自动控制系统的基本概念和本门课程的基本内容。

[主要内容]：

一．系统微分方程式的建立

二．传递函数

1． 传递函数的性质

2． 传递函数的推导

三．方块图

1． 基本概念

2． 化简规则

四．信号流图

1． 基本概念和术语

2． 信号流图及状态图的绘制

3． Mason化简公式

 

第三章  物理系统及元件的数学模型

[要点]：了解建立系统数学模型的意义；掌握建立系统传递函数模型的基本方法；掌握典型物理系统传递函数模型的建立过程。

[主要内容]：

一．机械系统

1． 小车－弹簧－阻尼器系统

2． 倒摆系统

二．电气系统

1． 电阻－电容－电感系统

2． 电动机系统

三．液位系统

1． 单容系统

2． 双容系统

四．热力学系统

 

第四章  控制系统的时域分析

[要点]：本章涉及到控制系统分析的主要内容，应熟练掌握系统分析涉及到：系统稳定性，系统的稳态指标和系统的动态指标。掌握系统稳定性的本质，会用Routh判据进行系统稳定性分析；熟练掌握系统稳态指标的动态指标的计算。

[主要内容]：

一．系统稳定性的基本概念

二．Routh判据

三．控制系统的稳态分析

1． 终值定理的运用

2． 误差系数和稳态误差的计算

四．控制系统的动态特性分析

1． 一阶系统

2． 二阶系统

3． 控制系统的基本控制作用

 

第五章  根轨迹法分析

[要点]：掌握系统根轨迹所揭示出的系统极零点对系统性质的影响，熟练掌握系统根轨迹图的作图步骤，会根据系统的根轨迹分析系统的性质。

[主要内容]：

一．系统根轨迹的定义与幅角条件

二．系统根轨迹的绘制原则

1． 作图规则

2． 作图步骤

三．变量参数不以相乘因子形式出现时的作图方法

四．正反馈系统根轨迹的作图方法

五．开环极零点位置对根轨迹影响的一般规律

六．滞后环节的根轨迹

 

第六章  频率响应分析

[要点]：掌握系统频率特性分析与系统幅角之间的关系，掌握Nyquist图和Bode图的绘制方法，根据系统的Nyquist图和Bode图分析系统的性质。本章的难点是Nyquist稳定性分析。

[主要内容]：

一．频率特性的性质

二．典型环节的Nyquist图

三．Bode图方法

1． 典型环节的Bode图

2． 系统Bode图的作图方法

3． 最小相位系统和非最小相位系统

四．Nyquist稳定性分析

1． s平面和F(s)平面的映射

2． Nyquist稳定性判据

3． 多回路系统

4． 具有纯滞后环节的系统稳定性

五． Bode图与Nyquist稳定性判据

六．系统稳态性能分析

七．系统相对稳定性分析

八．二阶系统动态响应指标与频率特性的关系

 

第七章  控制系统设计

[要点]：在给定系统性能指标(控制要求)下，通过串联、并联、局部反馈以及前馈等控制结构对闭环系统进行设计，以期达到设计要求，本章系统设计所依赖的主要方法是根轨迹法和频率特性法。

[主要内容]：

一．控制系统的品质指标

二．控制系统设计的一般方法

三．Bode图方法

1． 串联校正

2． 并联校正

3． 前馈与反馈校正

四．相位超前校正

1． 超前网络

2． 利用超前网络进行系统校正(Bode图法)

3． 利用超前网络进行系统校正(根轨迹图法)

4． 相位超前校正的作用及限制

五． 相位滞后校正

1． Bode图法

2． 根轨迹图法

六．相位超前－滞后校正

七．不希望极点的对消校正

八．并联校正

九．前馈控制结构

十．PID控制器

 

三．实验（上机）内容和基本要求

本课程有三个基本试验，在自动控制理论实验室进行。除此之外，要求学生掌握Matlab工具，对控制系统进行分析和设计。

四．对学生能力培养的要求

《自动控制理论》这门课主要包括三部分内容：控制系统输入－输出关系模型的建立、线性系统的分析(根轨迹方法和频率特性方法)和控制系统的设计。由于原来这门课原来主要是为自动化专业的本科生开设的，在原有的体系结构下主要是针对过程控制的对象进行讲授，要求的学生背景也主要是自动控制系统，培养的目标也主要是要求学生掌握系统信号的自动检测、控制器的设计和对闭环控制系统的分析。在国内越来越多的高校把自动化这个专业融入到与国外许多大学EEE学院相一致的教学体系形势下，《自动控制理论》课程也已成为适应电子科学与技术、信息工程、测控技术与仪器、计算机科学与技术等本科专业的基础课程。对系统的概念将加以拓展，从单一的控制系统拓展到一般信息处理系统，从对控制系统的分析拓展为对信息与控制的关系进行分析，从系统论的角度讲述系统信息的采集与处理、全局系统的分析与设计，突出培养学生对系统的分析能力，加强学生对系统问题的认识与设计能力，以适应信息处理与控制这一发展方向对本课程的要求。

 

五、教材、教学参考书

《自动控制理论与设计》(新世纪版)徐薇莉，曹柱中，田作华编，上海交通大学出版社

《Modern Control Systems》(Ninth Edition)  by Richard C. Dorf, and Robert H., Pearson Education 

 

大纲撰写人:  李少远