自动控制原理A课程教学大纲

自动控制原理A课程教学大纲学分：4 总学时：72理论学时：63 面向专业：电气工程及其自动化 大纲执笔人：赵法起 大纲审定人：李有安一、说明1.课程的性质、地位和任务自动控制原理是电气工程与自动化专业必修的技术基础课，是以原理为主的理论性课程；主要讲述自动控制原理与控制系统设计、实验等内容。本课程的任务主要是培养学生 ： 掌握经典控制论中，线性定常连续、单输入单输出闭环控制系统的工作原理、分析和综合，掌握反馈控制原理的应用以及分析和设计的一般规律，使其具有分析和设计自动控制系统的初步能力，使学生对系统的认识上升到更高的层次； 了解控制系统中常用的检测装置，常用执行机构的工作原理，数学模型的建立过程，以及自控原理、经典控制论在当今的发展状况； 了解并掌握对系统的仿真，其中包括模拟仿真和数字仿真，使学生建立起仿真的概念，并灵活应用于解决实际问题，掌握用模拟和数字仿真方法来进行原理实验，获得仿真实验技能的基本训练。2.课程教学的基本要求先修课程：高等数学、线性代数、复变函数、普通物理、电路原理、电子技术、电机原理及拖动基础等。在这些课程中应该注意讲授：电路的分析与计算；零输入和零状态响应的求法；拉氏变换、付氏变换。后续课程：自动控制系统、变频调速系统及应用，计算机控制系统等。在教学过程中应力求使学生掌握自动控制系统的基本概念、基本分析与设计方法，重在提高学生提出问题、分析问题、解决问题的能力和创新意识。要求授课教师在深刻理解教材内容的基础上，注意前后课程的衔接及本学科的发展，及时补充新内容，使学生及时了解到本学科的重要进展及发展动向。本课程的教学环节包括：课堂讲授、习题课、课外作业、实验。通过本课程各个教学环节的学习，重点培养学生对经典控制论，自动控制理论系统的掌握。注重培养学生的自学能力、动手能力、分析问题、解决问题的能力，培养学习设计计算以及利用已掌握的知识分析问题的能力。计算机知识和应用是培养学生能力的重要方面，本课程要适当安排学生采用计算机仿真（数字仿真）来模拟各种类型系统的工作，用MATLAB语言对系统进行计算，以及不同参数上的PID调节和对系统动态特性，静态特性的影响。3.课程教学改革总体设想：为解决授课学时少授课内容多的矛盾，在有限的教学时间里较好的完成授课任务，必须做到重点突出、精讲多练，尽量使用现代教学手段如多媒体教学等，在增加信息量的前提下也能保证教学质量。采用启发式教学，培养学生的自学能力，自动控制原理内容较多且繁，教学中力求把每章节的内容在结构上联系起来，系统起来。课堂上增加讨论，调动学生的学习兴趣，以及学习的主观能动性。二、教学大纲内容 课程理论教学第一章 自动控制概论（讲课4学时）1-1自动控制的基本方式开环控制；闭环控制、复合控制。1-2 自动控制系统的基本组成1-3 自动控制系统的类型1-4 对于自动控制系统的基本要求稳定性、稳态特性、动态特性、动态过程、稳态误差。要求：了解本课程的内容、性质和任务，掌握控制的基本方式、基本要求。本章重点：自动控制系统的基本要求和系统的组成。建议：课上至少举两个例子来说明自动控制系统的组成，以及系统动态调节的过程，至少布置两道作业题，帮助学生熟悉系统的组成和对控制系统的基本要求。思考题：1、自动控制系统的基本组成。 2、对自动控制系统的基本要求。 第二章 线性系统的数学模型（讲课8学时）2-1 系统的微分方程2-2 传递函数传递函数的概念、意义，传递函数的描述形式。2-3 非线性数学模型的线性化2-4 典型环节的数学模型比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、振荡环节、延迟环节。2-5 方框图方框图（结构图）的概念、方框图（结构图）绘制方法、方框图（结构图）等效变换和简化、闭环传递函数。2-6 信号流程图基本概念、常用术语、信号流程图的绘制、信号流程图的简化、梅逊公式及其应用。2-7 线性系统的状态变量描述状态、状态变量、状态方程、单变量系统状态变量描述、多变量系统状态变量描述。要求：对系统的讨论从定性到定量，建立起系统中各组成部分的数学模型：传递函数，并掌握自控原理中定量数学模型的表示法以及求一个自控系统的传递函数，并对非线性系统怎样进行线性化有一定的了解。要求理解掌握传递函数的本质，对于线性定常连续系统，怎样求一个系统的传递函数。本章重点：准确掌握传递函数的概念，以及系统中开环传递函数和闭环传递函数的概念；怎样由一个系统的方框图求系统的闭环传递函数。本章难点：系统微分方程的建立、梅逊公式的应用、系统状态变量描述。建议：典型环节的传递函数实验可帮助学生对系统中经常遇见的环节的传递函数以及在典型信号输入下环节的输出，以及这些环节在系统中的主要作用有一个清楚得了解，应加以重视。思考题：1、传递函数的意义。 2、自动控制系统典型环节。第三章 控制系统的时域分析(讲课10学时)3-1 典型输入信号和时域性能指标典型输入信号：阶跃函数、斜坡函数、抛物线函数、脉冲函数、正弦函数；系统时域性能指标。3-2 一阶系统分析一阶系统的数学模型、一阶系统的典型输入响应。3-3 二阶系统分析二阶系统数学模型的标准式、典型二阶系统的单位阶跃响应、典型二阶系统的动态性能指标。3-4 高阶系统分析高阶系统的数学模型、高阶系统的单位阶跃响应、高阶系统性能的分析方法。3-5 线性系统的稳定性分析及代数判据系统稳定的基本概念、系统稳定的充要条件、劳斯判据、劳斯判据的其他应用。3-6 系统稳态误差分析及计算稳态误差的定义、给定输入作用下稳态误差的计算、扰动输入作用下稳态误差的计算、给定输入扰动共同输入作用下稳态误差的计算、减小稳态误差的方法。学习要求：了解对于线性定常连续系统的在时域上的分析的一般过程，典型输入信号的拉氏变换。一阶系统的过渡过程，掌握二阶系统的过渡过程和高阶系统的过渡过程，控制系统的稳定性分析，以及控制系统稳态误差的计算方法。掌握消除和减少稳态误差的办法以及了解用复合控制怎样可以减少系统的稳态误差。本章重点：时域上描述系统动态性能的特性指标；劳斯判据判断系统的稳定性；稳态误差计算以及减少误差、提高控制精度的方法。本章难点：高阶系统的单位阶跃响应。建议：教学过程中，应结合对控制系统的基本要求，使学生清楚的掌握对于自动控制系统的分析应从三个方面着手，并掌握时域上对系统分析的方法及思路，加强对系统要求的理解，进一步深化时域上对系统分析方法，思路以及分析的目的和意义，并清楚一个性能好的控制系统的特性指标和系统的开环结构中哪些特性参数有关。实验有典型系统的瞬态响应和系统稳定性的劳斯判据分析。思考题：1、系统稳定的意义。 2、系统稳定的充要条件。第四章根轨迹法（讲课8学时）4-1 根轨迹的基本概念4-2 绘制根轨迹的基本条件和基本规则根轨迹的幅值条件和相角条件、绘制根轨迹的基本规则。4-3 参量根轨迹4-4 系统性能的根轨迹分析系统稳定性分析、瞬态性能分析、开环系统参数的确定4-5 利用计算机求取系统的根轨迹（了解）学习要求：掌握绘制根轨迹的基本规则，并利用基本规则概要画出给定系统的根轨迹。并在此基础上用根轨迹法来分析系统的稳定性，动态性能的好坏和闭环主导极点在S平面上分布的关系。并掌握最小相位系统的参数根轨迹的画法。最后给出闭环极点，零点分布和控制系统性能指标之间的关系。本章重点：根轨迹的画法，参数根轨迹的画法，并学会用根轨迹的方法来分析控制系统，附加开环零极点对系统根轨迹的改造和对系统性能的影响。本章难点：用根轨迹的方法来分析控制系统 。建议：结合实际和实例进行教学，通过典型例题来理解概念。 思考题：1、系统稳定与主导极点的关系。 2、如何应用根轨迹法分析系统。第五章 控制系统的频域分析（讲课10学时）5-1 频率特性的基本概念频率特性的定义、频率特性与传递函数之间的关系。5-2 频率特性的表示方法实频特性、虚频特性、幅频特性、相频特性、极坐标图、伯德（Bode）图。5-3 典型环节的频率特性比例环节的频率特性、惯性环节的频率特性、积分环节的频率特性、微分环节的频率特性、振荡环节的频率特性、延迟环节的频率特性。5-4 系统开环频率特性绘制系统开环幅相频特性曲线（极坐标图）的绘制、伯德（Bode）图的绘制。5-5 用频率法分析系统的稳定性映射定理、奈奎斯特稳定性判据、开环系统含有积分环节时的奈氏判据、奈氏判据判稳的实际方法、对数频率特性的奈氏判据、系统的相对稳定性和稳定裕度。5-6 用频率法分析系统的稳态性能系统类型的确定、开环放大系数K的确定、正弦信号作用下的稳态误差计算。5-7用开环频率特性分析系统的动态性能开环频域性能指标、截止频率、中频宽度、频域性能与时域性能的关系。5-8用闭环频率特性分析系统性能闭环频域性能指标、闭环频率特性和系统过渡过程的关系。5-9利用计算机求取系统的频率特性（了解）学习要求：掌握系统开环传递函数的幅相曲线和波特图，并在此基础上利用系统的幅相曲线和波特图来分析系统的稳定性奈氏判据，用幅数曲线和波特图来分析系统的动态性能控制系统的相对稳定性。掌握开环频率特性与控制系统性能的关系。本章重点：用频率特性的方法来分析系统的稳定性，以及相对稳定性以及开环频率特性与控制系统性能指标间的关系。本章难点：用奈氏判据判断系统的稳定性中幅相曲线包围（-1，j0）点圈数情况，以及负数轴上（-1，j0）点以左正、负穿越的定义。控制系统的相对稳定性的含义。幅相曲线变化情况和开环结构参数关系。建议：结合实际和实例进行教学，通过典型例题来理解概念。思考题：1、系统频率特性的意义。 2、如何应用频率特性法分析系统。第六章 控制系统的综合与校正（讲课12学时）（习题课2学时）6-1 控制系统校正的概念系统性能指标、校正方式。6-2 线性系统的基本控制规律微分控制、积分控制、比例控制；并联支路反馈控制。6-3 串联校正比例（P）校正、比例-微分(PD)校正(相位超前校正)、比例-积分(PI)校正(相位滞后校正)、比例-积分-微分(PID)校正(相位滞后-超前校正)。6-4 反馈校正（并联校正）硬反馈校正装置、软反馈校正装置；局部反馈对系统的影响、局部反馈校正方法。6-5 根轨迹法在系统校正中的应用6-6 频率特性法在系统校正中的应用6-7 控制系统的计算机辅助设计（了解）学习要求：了解系统为什么需要校正，采用校正方式和方法的分类。并结合前面第三章、四章、五章对系统的分析的情况来分析控制系统的基本控制规律。掌握串联校正中的超前校正的综合过程，滞后校正的综合过程以及滞后-超前校正的综合过程，以及按系统的期望频率特性进行校正的综合过程，采用反馈校正参数的确定。重点：超前校正，滞后校正，滞后-超前校正的校正网络传递函数中零极点在S平面上分布情况以及参数结构是怎样对校正起作用的，串联校正和并联校正间的关系。难点：采用超前、滞后、滞后-超前校正对系统校正的方法和流程。建议：结合实际和实例进行教学，通过典型例题来理解概念。思考题：1、系统校正的意义。 2、PID的含义。第七章线性离散控制系统（讲课12学时）7-1 离散控制系统概述采样控制、数字控制系统。7-2 采样过程及信号复现采样开关、采样过程、采样定理、采样信号的复现。7-3 Z变换Z变换的定义、Z变换的方法、Z变换的基本定理、Z反变换、差分方程。7-4 脉冲传递函数脉冲传递函数的定义、开环系统脉冲传递函数、闭环脉冲传递函数。7-5 离散控制系统稳定性分析离散系统的时域解、离散系统的稳定性。7-6 离散控制系统的稳态误差7-7 离散控制系统动态性能分析脉冲传递函数的零点、极点、动态性能估算。7-8 离散控制系统的频率特性法离散控制系统的频率特性、开环频率特性。7-9 离散控制系统的校正方法离散控制系统的校正与设计方法、 W域伯德图设计法。学习要求：了解离散控制系统的基本概念、离散控制系统的基本组成及其特点，了解采样过程及采样定理。掌握Z变换、Z反变换的方法、掌握脉冲传递函数的意义及求取方法；掌握离散控制系统稳态性能、稳态误差、动态性能的分析方法，掌握离散控制系统校正设计方法。重点：采样定理、Z变换、Z反变换、差分方程、脉冲传递函数、离散控制系统稳态性能、稳态误差、动态性能的分析方法。难点：Z变换、Z反变换、离散控制系统校正。建议：结合实际和实例进行教学，通过典型例题来理解概念。思考题：1、脉冲传递函数的意义。 2、采样过程及采样定理。 课程实验教学本课程实验学时共9学时，设4个实验，分别如下：实验一 典型环节的模拟（2学时）通过实验学习典型环节的模拟方法，研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响。学习使用XMN-2型实验仪、LZ3系列函数记录仪。实验二 二阶系统的阶跃响应（2学时）通过实验学习二阶系统的阶跃响应曲线的实验测试方法，研究二阶系统的两个重要参数对系统的阶跃响应的影响。学习使用XMN-2型实验仪、LZ3系列函数记录仪。实验三 线性系统稳定性的研究（2学时）通过实验研究线性系统的开环比例系数对稳定性的影响，研究线性系统的时间常数对稳定性的影响。学习使用XMN-2型实验仪、LZ3系列函数记录仪。实验四 控制系统的校正（3学时）通过实验研究校正装置对系统动态性能的影响，学习校正装置的设计和实现方法。学习使用XMN-2型实验仪、LZ3系列函数记录仪。三、考核方式、方法考试形式采用闭卷笔试，题型有：填空、选择题、问答题、绘图题、计算题四、建议教材及教学参考书1、胡寿松主编,自动控制原理自动控制原理习题集 清华大学出版社2、李友善主编,自动控制原理 国防工业出版社 3、戴忠达主编,自动控制理论基础 清华大学出版社4、夏德钤主编,自动控制理论 机械工业出版社5、自编教材,自动控制原理实验指导书自动控制原理B课程教学大纲学分：3 总学时：54理论学时：54 面向专业：建筑环境与设备工程 大纲执笔人：赵法起 大纲审定人：李有安一、说明1.课程的性质、地位和任务自动控制原理是电气工程与自动化专业必修的技术基础课，是以原理为主的理论性课程；主要讲述自动控制原理与控制系统设计、实验等内容。本课程的任务主要是培养学生 ： 掌握经典控制论中，线性定常连续、单输入单输出闭环控制系统的工作原理、分析和综合，掌握反馈控制原理的应用以及分析和设计的一般规律，使其具有分析和设计自动控制系统的初步能力，使学生对系统的认识上升到更高的层次； 了解控制系统中常用的检测装置，常用执行机构的工作原理，数学模型的建立过程，以及自控原理、经典控制论在当今的发展状况； 了解并掌握对系统的仿真，其中包括模拟仿真和数字仿真，使学生建立起仿真的概念，并灵活应用于解决实际问题，掌握用模拟和数字仿真方法来进行原理实验，获得仿真实验技能的基本训练。2.课程教学的基本要求先修课程：高等数学、线性代数、复变函数、普通物理、电路原理、电子技术、电机原理及拖动基础等。在这些课程中应该注意讲授：电路的分析与计算；零输入和零状态响应的求法；拉氏变换、付氏变换。后续课程：自动控制系统、变频调速系统及应用，计算机控制系统等。在教学过程中应力求使学生掌握自动控制系统的基本概念、基本分析与设计方法，重在提高学生提出问题、分析问题、解决问题的能力和创新意识。要求授课教师在深刻理解教材内容的基础上，注意前后课程的衔接及本学科的发展，及时补充新内容，使学生及时了解到本学科的重要进展及发展动向。本课程的教学环节包括：课堂讲授、习题课、课外作业、实验。通过本课程各个教学环节的学习，重点培养学生对经典控制论，自动控制理论系统的掌握。注重培养学生的自学能力、动手能力、分析问题、解决问题的能力，培养学习设计计算以及利用已掌握的知识分析问题的能力。计算机知识和应用是培养学生能力的重要方面，本课程要适当安排学生采用计算机仿真（数字仿真）来模拟各种类型系统的工作，用MATLAB语言对系统进行计算，以及不同参数上的PID调节和对系统动态特性，静态特性的影响。3.课程教学改革总体设想：为解决授课学时少授课内容多的矛盾，在有限的教学时间里较好的完成授课任务，必须做到重点突出、精讲多练，尽量使用现代教学手段如多媒体教学等，在增加信息量的前提下也能保证教学质量。采用启发式教学，培养学生的自学能力，自动控制原理内容较多且繁，教学中力求把每章节的内容在结构上联系起来，系统起来。课堂上增加讨论，调动学生的学习兴趣，以及学习的主观能动性。二、教学大纲内容第一章 自动控制概论（讲课4学时）1-1自动控制的基本方式开环控制；闭环控制、复合控制。1-2 自动控制系统的基本组成1-3 自动控制系统的类型1-4 对于自动控制系统的基本要求稳定性、稳态特性、动态特性、动态过程、稳态误差。要求：了解本课程的内容、性质和任务，掌握控制的基本方式、基本要求。本章重点：自动控制系统的基本要求和系统的组成。建议：课上至少举两个例子来说明自动控制系统的组成，以及系统动态调节的过程，至少布置两道作业题，帮助学生熟悉系统的组成和对控制系统的基本要求。思考题：1、自动控制系统的基本组成。 2、对自动控制系统的基本要求。 第二章 线性系统的数学模型（讲课8学时）2-1 系统的微分方程2-2 传递函数传递函数的概念、意义，传递函数的描述形式。2-3 非线性数学模型的线性化2-4 典型环节的数学模型比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、振荡环节、延迟环节。2-5 方框图方框图（结构图）的概念、方框图（结构图）绘制方法、方框图（结构图）等效变换和简化、闭环传递函数。2-6 信号流程图基本概念、常用术语、信号流程图的绘制、信号流程图的简化、梅逊公式及其应用。2-7 线性系统的状态变量描述状态、状态变量、状态方程、单变量系统状态变量描述、多变量系统状态变量描述。要求：对系统的讨论从定性到定量，建立起系统中各组成部分的数学模型：传递函数，并掌握自控原理中定量数学模型的表示法以及求一个自控系统的传递函数，并对非线性系统怎样进行线性化有一定的了解。要求理解掌握传递函数的本质，对于线性定常连续系统，怎样求一个系统的传递函数。本章重点：准确掌握传递函数的概念，以及系统中开环传递函数和闭环传递函数的概念；怎样由一个系统的方框图求系统的闭环传递函数。本章难点：系统微分方程的建立、梅逊公式的应用、系统状态变量描述。建议：典型环节的传递函数实验可帮助学生对系统中经常遇见的环节的传递函数以及在典型信号输入下环节的输出，以及这些环节在系统中的主要作用有一个清楚得了解，应加以重视。思考题：1、传递函数的意义。 2、自动控制系统典型环节。第三章 控制系统的时域分析(讲课10学时)3-1 典型输入信号和时域性能指标典型输入信号：阶跃函数、斜坡函数、抛物线函数、脉冲函数、正弦函数；系统时域性能指标。3-2 一阶系统分析一阶系统的数学模型、一阶系统的典型输入响应。3-3 二阶系统分析二阶系统数学模型的标准式、典型二阶系统的单位阶跃响应、典型二阶系统的动态性能指标。3-4 高阶系统分析高阶系统的数学模型、高阶系统的单位阶跃响应、高阶系统性能的分析方法。3-5 线性系统的稳定性分析及代数判据系统稳定的基本概念、系统稳定的充要条件、劳斯判据、劳斯判据的其他应用。3-6 系统稳态误差分析及计算稳态误差的定义、给定输入作用下稳态误差的计算、扰动输入作用下稳态误差的计算、给定输入扰动共同输入作用下稳态误差的计算、减小稳态误差的方法。学习要求：了解对于线性定常连续系统的在时域上的分析的一般过程，典型输入信号的拉氏变换。一阶系统的过渡过程，掌握二阶系统的过渡过程和高阶系统的过渡过程，控制系统的稳定性分析，以及控制系统稳态误差的计算方法。掌握消除和减少稳态误差的办法以及了解用复合控制怎样可以减少系统的稳态误差。本章重点：时域上描述系统动态性能的特性指标；劳斯判据判断系统的稳定性；稳态误差计算以及减少误差、提高控制精度的方法。本章难点：高阶系统的单位阶跃响应。建议：教学过程中，应结合对控制系统的基本要求，使学生清楚的掌握对于自动控制系统的分析应从三个方面着手，并掌握时域上对系统分析的方法及思路，加强对系统要求的理解，进一步深化时域上对系统分析方法，思路以及分析的目的和意义，并清楚一个性能好的控制系统的特性指标和系统的开环结构中哪些特性参数有关。实验有典型系统的瞬态响应和系统稳定性的劳斯判据分析。思考题：1、系统稳定的意义。 2、系统稳定的充要条件。第四章根轨迹法（讲课9学时）4-1 根轨迹的基本概念4-2 绘制根轨迹的基本条件和基本规则根轨迹的幅值条件和相角条件、绘制根轨迹的基本规则。4-3 参量根轨迹4-4 系统性能的根轨迹分析系统稳定性分析、瞬态性能分析、开环系统参数的确定4-5 利用计算机求取系统的根轨迹（了解）学习要求：掌握绘制根轨迹的基本规则，并利用基本规则概要画出给定系统的根轨迹。并在此基础上用根轨迹法来分析系统的稳定性，动态性能的好坏和闭环主导极点在S平面上分布的关系。并掌握最小相位系统的参数根轨迹的画法。最后给出闭环极点，零点分布和控制系统性能指标之间的关系。本章重点：根轨迹的画法，参数根轨迹的画法，并学会用根轨迹的方法来分析控制系统，附加开环零极点对系统根轨迹的改造和对系统性能的影响。本章难点：用根轨迹的方法来分析控制系统 。建议：结合实际和实例进行教学，通过典型例题来理解概念。 思考题：1、系统稳定与主导极点的关系。 2、如何应用根轨迹法分析系统。第五章 控制系统的频域分析（讲课12学时）5-1 频率特性的基本概念频率特性的定义、频率特性与传递函数之间的关系。5-2 频率特性的表示方法实频特性、虚频特性、幅频特性、相频特性、极坐标图、伯德（Bode）图。5-3 典型环节的频率特性比例环节的频率特性、惯性环节的频率特性、积分环节的频率特性、微分环节的频率特性、振荡环节的频率特性、延迟环节的频率特性。5-4 系统开环频率特性绘制系统开环幅相频特性曲线（极坐标图）的绘制、伯德（Bode）图的绘制。5-5 用频率法分析系统的稳定性映射定理、奈奎斯特稳定性判据、开环系统含有积分环节时的奈氏判据、奈氏判据判稳的实际方法、对数频率特性的奈氏判据、系统的相对稳定性和稳定裕度。5-6 用频率法分析系统的稳态性能系统类型的确定、开环放大系数K的确定、正弦信号作用下的稳态误差计算。5-7用开环频率特性分析系统的动态性能开环频域性能指标、截止频率、中频宽度、频域性能与时域性能的关系。5-8用闭环频率特性分析系统性能闭环频域性能指标、闭环频率特性和系统过渡过程的关系。5-9利用计算机求取系统的频率特性（了解）学习要求：掌握系统开环传递函数的幅相曲线和波特图，并在此基础上利用系统的幅相曲线和波特图来分析系统的稳定性奈氏判据，用幅数曲线和波特图来分析系统的动态性能控制系统的相对稳定性。掌握开环频率特性与控制系统性能的关系。本章重点：用频率特性的方法来分析系统的稳定性，以及相对稳定性以及开环频率特性与控制系统性能指标间的关系。本章难点：用奈氏判据判断系统的稳定性中幅相曲线包围（-1，j0）点圈数情况，以及负数轴上（-1，j0）点以左正、负穿越的定义。控制系统的相对稳定性的含义。幅相曲线变化情况和开环结构参数关系。建议：结合实际和实例进行教学，通过典型例题来理解概念。思考题：1、系统频率特性的意义。 2、如何应用频率特性法分析系统。第六章 控制系统的综合与校正（讲课12学时）（习题课2学时）6-1 控制系统校正的概念系统性能指标、校正方式。6-2 线性系统的基本控制规律微分控制、积分控制、比例控制；并联支路反馈控制。6-3 串联校正比例（P）校正、比例-微分(PD)校正(相位超前校正)、比例-积分(PI)校正(相位滞后校正)、比例-积分-微分(PID)校正(相位滞后-超前校正)。6-4 反馈校正（并联校正）硬反馈校正装置、软反馈校正装置；局部反馈对系统的影响、局部反馈校正方法。6-5 根轨迹法在系统校正中的应用6-6 频率特性法在系统校正中的应用6-7 控制系统的计算机辅助设计（了解）学习要求：了解系统为什么需要校正，采用校正方式和方法的分类。并结合前面第三章、四章、五章对系统的分析的情况来分析控制系统的基本控制规律。掌握串联校正中的超前校正的综合过程，滞后校正的综合过程以及滞后-超前校正的综合过程，以及按系统的期望频率特性进行校正的综合过程，采用反馈校正参数的确定。重点：超前校正，滞后校正，滞后-超前校正的校正网络传递函数中零极点在S平面上分布情况以及参数结构是怎样对校正起作用的，串联校正和并联校正间的关系。难点：采用超前、滞后、滞后-超前校正对系统校正的方法和流程。建议：结合实际和实例进行教学，通过典型例题来理解概念。思考题：1、系统校正的意义。 2、PID的含义。三、考核方式、方法考试形式采用闭卷笔试，题型有：填空、选择题、问答题、绘图题、计算题四、建议教材及教学参考书1、胡寿松主编,自动控制原理自动控制原理习题集 清华大学出版社2、李友善主编,自动控制原理 国防工业出版社 3、戴忠达主编,自动控制理论基础 清华大学出版社4、夏德钤主编,自动控制理论 机械工业出版社5、自编教材,自动控制原理实验指导书 自动控制系统课程教学大纲学分：3 总学时：54理论学时：48 面向专业：电气工程及其自动化 大纲执笔人：赵法起 大纲审定人：李有安一、说明1.课程的性质、地位和任务自动控制系统是电气工程及自动化专业的专业必修课。本课程应用自动控制理论解决系统的分析与设计问题，以系统的控制规律为主线，主要讲述电力拖动自动控制系统的静、动态性能分析和设计方法。本课程的任务主要是培养学生 ：掌握用系统的观点如何分析电力拖动自动控制系统；具备设计电力拖动自动控制系统的能力；正确运用理论解决实际问题。2.课程教学的基本要求先修课程：普通物理、电路原理、电子技术、电机原理及拖动基础、电力电子电路、自动控制原理等。在这些课程中注意讲授：直流电动机的运行特性；异步电动机的运行特性；异步电动机的定子频率、转子旋转频率、转差频率之间的关系等。在教学过程中应力求使学生掌握自动控制系统的基本概念、基本分析与设计方法，重在提高学生提出问题、分析问题、解决问题的能力和创新意识。要求授课教师在深刻理解教材内容的基础上，注意前后课程的衔接及本学科的发展，及时补充新内容，使学生及时了解到本学科的重要进展及发展动向。本课程的教学环节包括：课堂讲授、课外作业、实验等。通过本课程各个教学环节的学习，重点培养学生应用自动控制理论分析和设计调速系统方法的掌握。注重培养学生的自学能力、动手能力、分析问题、解决问题的能力，培养学习设计计算以及利用已掌握的知识分析实际问题的能力。3.课程教学改革总体设想：为解决授课学时少授课内容多的矛盾，在有限的教学时间里较好的完成授课任务，必须做到重点突出、精讲多练，尽量使用现代教学手段如多媒体教学等，在增加信息量的前提下也能保证教学质量。采用启发式教学，对重点内容讲深、讲透，鼓励学生自学和课上讨论，调动学生的学习主动性，通过讲解应用实例，提高学生的学习兴趣，扩大学生在本学科领域的知识面。二、教学大纲内容 课程理论教学第一章 闭环控制的直流调速系统（讲课8学时）1-1直流调速系统用可控直流电源旋转变流机组、静止可控整流器、直流斩波器、脉宽调制变换器。1-2 晶闸管-电动机系统的特殊问题触发脉冲相位控制、电流波形的连续和断续。1-3 反馈控制闭环调速系统的稳态分析和设计转速控制的要求和调速指标、反馈控制规律、反馈控制闭环调速系统的主要部件、稳态参数计算、电流截止负反馈。1-4反馈控制闭环调速系统的动态分析和设计反馈控制闭环调速系统的动态参数模型、稳定条件、PI调节器设计。1-5 无静差调速系统和积分、比例积分控制规律积分调节器、积分控制规律、比例积分控制规律、稳态抗扰误差分析。学习要求：了解本课程的内容、性质和任务，掌握自动控制系统的基本概念，基本分析方法。掌握反馈控制闭环调速系统的稳态、动态分析；积分、比例积分控制规律；无静差调速系统；电压反馈电流补偿控制的调速系统。本章重点：反馈控制闭环调速系统的稳态、动态分析。本章难点：反馈控制闭环调速系统的动态分析。建议：结合实例说明自动控制系统的组成，以及系统动态调节的过程，说明稳态、动态分析方法。至少布置两道作业题，帮助学生熟悉系统的组成和对控制系统的基本要求。思考题：1、何谓生产机械的负载转矩特性，分为几类。 2、无静差调速系统中，包含哪些控制环节。 第二章 多环控制的直流调速系统（讲课8学时）2-1 转速、电流双闭环调速系统及其静特性系统组成、稳态结构图、静特性、稳态工作点。2-2 双闭环调速系统的动态性能动态数学模型、动态性能、调节器设计。2-3 非线性数学模型的线性化2-4 调节器的工程设计方法工程设计方法的基本思路、典型系统、动态性能指标、调节器结构的选择、调节器最佳整定方法。2-5 按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器电流调节器的设计、转速调节器的设计、转速超调量的计算。2-6 转速超调的抑制转速微分负反馈基本原理、退饱和时间、退饱和转速、带转速微分负反馈双闭环调速系统的抗扰性能。2-7 三环调速系统2-8 弱磁控制的直流调速系统电枢电压与励磁配合控制、弱磁调速。要求：掌握转速、电流双闭环调速系统及其静特性；双闭环系统调速系统的动态特性；调节器的工程设计方法；按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器。了解转速超调的抑制；三环调速系统；弱磁控制的直流调速系统。本章重点：双闭环系统调速系统的动态特性；调节器的工程设计方法；按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器。本章难点：双闭环系统调速系统的动态特性，调节器的工程设计方法。建议：强调一般工程方法的典型应用，结合工程实例突出概念。思考题：1、转速调节器和电流调节器如何改善系统的稳态动态性能。 2、工程设计方法的基本思路是什么。第三章 可逆调速系统(讲课4学时)3-1 晶闸管-电动机系统的可逆线路电枢反接可逆线路、励磁反接可逆线路。3-2晶闸管-电动机系统的回馈制动整流、逆变、回馈制动、V-M系统。3-3 有环流可逆调速系统环流及其种类、静态环流、动态环流、可控环流。3-4 无环流可逆调速系统逻辑控制无环流可逆调速系统、错位控制无环流可逆调速系统。学习要求：掌握晶闸管电动机系统的可逆线路、回馈制动；两组晶闸管可逆线路中的环流；有环流、无环流可逆调速系统。本章重点：有环流、无环流可逆调速系统。本章难点：有环流、无环流可逆调速系统。建议：教学过程中，结合实际和实例进行讲授，通过典型例题来理解概念。思考题：1、动态环流产生的原因。 2、错位无环流系统中，如何防止动态环流。第四章直流脉宽调速系统（讲课4学时）4-1 脉宽调制变换器PWM变换器、直流斩波器。4-2 脉宽调速系统的开环机械特性4-3 脉宽调速系统的控制电路脉宽调制器、逻辑延时环节、基极驱动器。4-4 晶体管脉宽调速系统的特殊问题电流脉动量、转速脉动量、PWM变换器的传递函数、晶体管安全工作区。学习要求：掌握脉宽调制变换器；脉宽调速系统的开环机械特性；脉宽调速系统的控制电路。了解晶体管脉宽调速系统的特殊问题。本章重点：脉宽调制变换器。本章难点：晶体管脉宽调速系统的特殊问题。建议：结合实际和实例进行教学，通过典型例题来理解概念。 思考题：1、PWM调速系统的特点。 2、脉宽调速系统的开环机械特性的含义。第五章 位置随动系统（讲课4学时）5-1 位置随动系统概述位置随动系统的应用、组成、分类、工作原理。5-2 位置信号的检测自整角机、旋转变压器、感应同步器、光电编码盘。5-3自整角机位置随动系统及其设计自整角机位置随动系统的组成、数学模型、位置随动系统的稳态误差分析、位置随动系统的动态校正。学习要求：掌握位置随动系统的工作原理；位置信号的检测；自整角机位置随动系统的设计方法。本章重点：自整角机位置随动系统分析与设计。本章难点：自整角机位置随动系统设计。建议：结合实际和实例进行教学，通过典型例题来理解方法和思路，突出概念。思考题：1、位置随动系统与调速系统的不同。 2、影响位置随动系统稳态误差的因素。第六章 交流调速的基本类型和交流变压调速系统（讲课2学时）6-1 交流调速的基本类型6-2 闭环控制的交流变压调速系统异步电动机改变电压时的机械特性、闭环控制的交流变压调速系统、动态结构图。学习要求：了解交流调速传动的发展过程及其应用领域，了解交流调速的基本方法。重点：变频调速的特点。交流调速系统的类型；交流变压调速的特点。建议：结合实际和实例进行教学，通过典型例题来理解概念。思考题：1、交流调速系统的类型。 2、闭环控制的交流变压调速的特点。第七章异步电动机变压变频调速系统（讲课12学时）7-1 变频调速的基本控制方式基频以下调速、基频以上调速。7-2 静止式变频装置交-直-交变频装置、交-交变频装置、电压源和电流源变频器。7-3 正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器SPWM逆变器的工作原理、SPWM逆变器的同步调制和异步调制、SPWM的控制模式及其实现。7-4 异步电动机电压、频率协调控制的稳态机械特性恒压恒频时异步电动机的机械特性、电压、频率协调控制的稳态机械特性。7-5 转速开环、恒压频比控制的变频调速系统转速开环交-直-交电压源变频调速系统、转速开环交-直-交电流源变频调速系统。7-6 转速闭环、转差频率控制的变频调速系统转差频率控制的基本概念、转差频率控制规律、转差频率控制的变频调速系统。7-7 异步电动机的多变量数学模型和坐标变换异步电动机动态数学模型的性质、三相异步电动机的多变量数学模型、坐标变换和变换阵。7-8 矢量控制的变频调速系统矢量控制系统的构想、矢量控制基本方程式、矢量控制的交-直-交电流源变频调速系统、矢量控制系统中调节器的设计。学习要求：掌握异步电动机的变频运行方式、运行特性，了解异步电动机在非正弦电源供电情况下的运行特点，掌握PWM逆变器的工作原理和脉宽调制技术。重点：异步电动机的变频运行方式、运行特性，脉宽调制技术。难点：矢量控制的变频调速系统。建议：结合实际和实例进行教学，通过典型例题来理解概念。思考题：1、异步电动机的变频运行特性。 2、静止式变频装置的类型、特点。 课程实验教学本课程实验学时共6学时，设3个实验，分别如下：实验一 典型环节与典型系统的模拟（2学时）观察典型环节阶跃响应曲线，定性了解参数变化对典型环节动态特性的影响；观察不同阶数线性系统对阶跃输入信号的瞬态响应。实验二 二阶系统的阶跃响应特性（2学时）通过实验学习二阶系统的阶跃响应曲线的实验测试方法，研究二阶系统的两个重要参数对系统的阶跃响应的影响。实验三 自动控制系统稳定性的实验（2学时）观察线性系统稳定和不稳定的运动状态。验证理论上的稳定判别的正确性。通过实验研究线性系统的开环比例系数对稳定性的影响，研究线性系统的时间常数对稳定性的影响。三、考核方式、方法考试形式采用闭卷笔试，题型有：填空、选择题、问答题、绘图题、计算题四、建议教材及教学参考书教材：陈伯时主编，电力拖动自动控制系统机械工业出版社参考书： 1张燕宾著，SPWM变频调速应用技术 机械工业出版社 2朱震莲编，现代交流调速系统 西北工大出版社 3吴铁坚译， 现代交流调速 水利电力出版社 4B.K.BOSS著 朱仁初译，电力电子学与交流传动 西安交大出版社5、自编教材,自动控制系统实验指导书建筑供配电工程课程教学大纲学分：3 总学时：54理论学时：54 面向专业：建筑环境与设备工程 大纲执笔人：赵法起 大纲审定人：李有安一、说明1.课程的性质、地位和任务建筑供配电工程是电气工程与自动化专业一门主要的专业必修课，它以专业基础课为基础，是一门与实际工程应用联系紧密的专业课。其主要任务是使学生对供配电系统的各种电气设备有清晰、完整、比较深入的了解，并了解其控制方式，能在工程分析、设计、施工安装等方面的能力上得到训练和培养，为今后的进一步学习和实际工程应用打下坚实的基础。本课程的任务主要是培养学生 ：了解电气设备的用途、分类、结构原理、工作特点及其在电力系统中的布置；了解掌握电气设备的操作和选择原则及方法；具有进行电气设备运行、巡检、维护的能力；具有运用标准、规范、手册及相关技术资料进行供配电工程设计及供配电工程基本的施工安装能力。2.课程教学的基本要求先修课程：普通物理、电路原理、电机原理及拖动基础、电子技术等。在这些课程中应该注意讲授：三相电路的分析与计算；变压器结构与原理；三相异步电动机结构与原理。后续课程：电气照明、电气工程施工，电气安装工程预算等。在教学过程中，应力求使学生掌握供配电工程的基本概念、基本分析与设计方法，重在提高学生提出问题、分析问题、解决问题的能力和创新意识。要求授课教师在深刻理解教材内容及国家相关电气设计规范的基础上，紧密联系工程实际，注重应用能力的培养并注意本学科的发展，及时补充新内容，使学生及时了解到本学科的重要进展及发展动向。本课程的教学环节包括：课堂讲授、习题课、课外作业、课程设计等。通过本课程各个教学环节的学习，重点培养学生工程应用能力的提高。3.课程教学改革总体设想：为解决授课学时少授课内容多的矛盾，在有限的教学时间里较好的完成授课任务，必须做到重点突出、精讲多练，尽量使用现代教学手段如多媒体教学等，在增加信息量的前提下也能保证教学质量。采用启发式教学，培养学生的自学能力，供配电工程内容较多且繁，教学中力求把每章节的内容在结构上联系起来，系统起来。课堂上增加讨论，调动学生的学习兴趣，以及学习的主观能动性。二、教学大纲内容第一章 绪论（讲课6学时）1-1 建筑供配电系统电力系统的基本概念：发电厂、变电所、电力线路、电能用户；建筑供配电系统的组成；现代建筑用电的特点。1-2 电力系统的额定电压电力系统的额定电压：电网（线路）的额定电压、用电设备的额定电压、发电机的额定电压、电力变压器的额定电压、电压高低的划分；建筑供配电系统配电电压的选择：各种电压等级的适用范围、高压配电电压的选择、低压配电电压的选择。1-3 供电质量供电可靠性：负荷分级、各级用电负荷对供电电源的要求；电压：电压偏差与电压调整、电压波动及其抑制；频率；波形：电网谐波的有关概念、电网谐波的抑制。1-4 电力系统的中性点运行方式概述；中性点不接地系统；中性点经消弧线圈接地系统；中性点直接接地系统。1-5 建筑供配电设计的内容、程序与要求建筑供配电设计的内容：输电线路设计、变配电所设计、电气照明设计、电力设计、防雷与接地设计、电气信号与自动控制设计；建筑供配电设计的程序与要求：初步设计、施工图设计。学习要求：了解课程的学习目的和主要内容；了解我国电力工业概况，以及发电厂、变电所类型，电能质量指标，电力系统的中性点运行方式。本章重点：电能质量指标，电力系统的中性点运行方式。本章难点：电力系统的中性点运行方式。建议：教学过程中，结合实际和实例进行讲授，通过典型工程实例说明一般概念。思考题：1、电能质量指标。 2、电力系统的中性点运行方式各适用于什么场合。第二章 高低压电气设备（讲课6学时）2-1 供电系统中电气设备的分类2-2 电弧概述；电弧的产生：产生电弧的原因、游离及游离方式；电弧的熄灭：去游离、电弧熄灭的条件；电气设备中常用的灭弧方法。2-3 高低压熔断器概述；高压熔断器：RN1、RN2型户内高压管式熔断器、RW4型户外高压跌开式熔断器；低压熔断器：RT0型有填料封闭管式熔断器、RM10型无填料封闭管式熔断器。2-4 高低压开关设备概述；高压隔离开关；高压负荷开关；高压断路器；低压开关设备：低压刀开关、刀熔开关和负荷开关、低压断路器。2-5 电压互感器和电流互感器概述；电压互感器；电流互感器。2-6 高低压成套配电装置概述；高压开关柜；低压配电屏；动力和照明配电箱。2-7 电力变压器电力变压器的结构类型；电力变压器的连接组别。学习要求：了解电力系统中常用设备的结构和工作原理，掌握典型设备在系统中的地位及其功能。本章重点：高压断路器、低压断路器、高低压成套配电装置的结构，原理、功能、使用。建议：教学过程中，结合实物进行讲授，通过典型工程应用说明设备的结构，原理、功能、运行。思考题：1、高压断路器、低压断路器的功能。 2、常用电气设备使用注意事项。第三章 电力负荷计算与无功功率补偿（讲课8学时）3-1 电力负荷和负荷曲线电力负荷与电量；负荷计算的内容与目的；计算负荷的意义；用电设备的工作制；电力负荷曲线；与负荷计算有关的几个物理量：年最大负荷和最大负荷利用小时数、平均负荷和负荷系数、需要系数、利用系数。3-2 计算负荷的实用计算方法设备容量的计算；单个用电设备的计算负荷；按需要系数法确定计算负荷：基本公式、多个用电设备组计算负荷的确定；按二项式系数法确定计算负荷：基本公式、多个用电设备组计算负荷的确定。3-3 单相用电设备组计算负荷的确定概述；单相设备组等效三相负荷的计算：单相设备接于相电压时的负荷计算、单相设备接于线电压时的负荷计算、单相设备分别接于线电压和相电压时的负荷计算3-4 供配电系统的功率损耗和电能损耗供电线路的功率损耗：有功功率损耗、无功功率损耗；变压器功率损耗：有功功率损耗、无功功率损耗；供配电系统的电能损耗：线路的电能损耗、变压器的电能损耗、年电能消耗量的计算。3-5 民用建筑负荷计算变配电所计算负荷的确定：按逐级计算法确定变配电所计算负荷、按需要系数法确定变配电所计算负荷、变配电所计算负荷的估算方法；民用建筑负荷计算。3-6 尖峰电流的计算单台用电设备尖峰电流的计算；多台用电设备尖峰电流的计算。3-7 功率因数与无功功率补偿供配电系统中常用的功率因数；改善功率因数的必要性；改善功率因数的途径；无功功率补偿装置的设计：并联电容器的接线、无功功率补偿方式、并联电容器的控制、并联电容器的运行维护、补偿容量的确定、无功补偿后的计算负荷。学习要求：掌握计算负荷的意义、供电系统中负荷计算的方法；掌握系统中功率损耗的计算、尖峰电流的计算；掌握功率因数的计算及无功功率补偿的方法。本章重点：负荷计算、功率损耗和电能损耗计算、无功功率补偿计算。本章难点：功率损耗和电能损耗计算、尖峰电流计算。建议：教学过程中，注意讲透计算负荷的物理意义，结合实际和实例进行讲授，通过典型例题说明一般计算方法。思考题：1、计算负荷的物理意义。 2、无功功率补偿的重要性。第四章 供配电系统一次接线（讲课8学时）4-1 变电所的类型工业企业变电所的类型：室内变电所、室外变电所；高层建筑变电所的类型：楼内变电所、辅助建筑变电所。4-2 电力变压器的选择电力变压器的额定容量和过负荷能力：电力变压器的额定容量、电力变压器的正常过负荷能力、电力变压器的事故过负荷能力；变电所主变压器台数的选择；变压器容量的确定、变压器型号的选择、变压器连接组的选择。4-3 变配电所电气主接线对电气主接线的基本要求；电气主接线的基本形式：单母线接线、单母线分段接线、双母线接线、桥形接线、线路变压器单元接线；工厂变电所常用电气主接线：基本原则、总降压变电所典型接线；民用建筑变电所常用主接线：一般民用建筑变电所主接线、高层民用建筑变电所主接线。4-4 变配电所的结构与布置变配电所的所址选择；变配电所的总体布置：变配电所总体布置的要求、变配电所总体布置的方案；变配电所的结构：变压器室和室外变压器台的结构、高低压配电室、电容器室和值班室的结构、柴油发电机室；对建筑、采暖、通风和给排水的要求。4-5 电能节约与变压器经济运行电能节约的意义；电能节约的一般措施；电力变压器的经济运行：经济运行与无功功率经济当量的概念