《自动控制》教学大纲(总11页)

自动控制教学大纲（2012版）课程编码：052839课程名称：机械控制工程基础学时/学分：51/2先修课程：高等数学、电工技术、电机与拖动适用专业：车辆工程开课教研室：电学基础教研室执笔： 审定：（教研室主任签字） （院系部负责人签字）一、课程性质与任务1课程性质：本课程是车辆工程专业的专业选修课。2课程任务：使学生正确理解和掌握本课程所涉及的基本概念、基本理论和基本分析方法，能独立地应用这些基本理论、基本方法来分析实际工程中提炼出来的各种控制理论问题，同时强化动态的、系统的思想方法，并使学生具有一定的工程计算和设计能力。二、课程教学基本要求自动控制是一门理论性很强的专业课程，需要较高的数学基础。教学中采用计算机辅助技术进行必要的仿真，以彰显本课程的实践意义，激发学生学习该课程的兴趣。通过本门课程教学，使学生掌握机械控制的基本理论和基本分析方法，并使学生能够结合生产实际情况，运用该理论分析和解决工程中的实际问题。成绩考核形式：末考成绩（闭卷考试）（70%）平时成绩（平时测验、作业、课堂提问、实验、课堂讨论等）（30)。成绩评定采用百分制，60分为及格。3、 课程教学内容第一章 绪论1.教学基本要求了解这门课程是一门理论性很强的专业课程，是分析和设计自动控制系统的基本理论，并激发起学生学习本课程兴趣。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，要求学生了解自动控制的基本概念，自动控制系统的基本构成，以及自动控制系统的分类，理解控制原理分析系统性能中对控制系统性能的基本要求：稳定性、快速性和准确性。3.教学重点和难点教学重点是了解这门课程的特点、研究对象、主要内容、学习方法，以及对一些自动控制系统实例的认识。即：关于自动控制的基本概念，自动控制系统的基本构成，以及对控制系统性能的要求。教学难点是对控制系统实例的了解。4.教学内容第一节 控制技术发展综述1.自动控制技术的萌芽2.自动控制技术在18世纪工业中的应用3.经典控制理论的形成和发展4.现代控制理论的形成和发展第二节 自动控制的基本原理及系统构成1.自动控制的基本概念及实例2.开环控制系统3.闭环控制系统第三节 控制系统的分类1.按有无反馈环节分类2.按控制系统内信号的类型不同分类3.按控制变量的多少分类4.按相同控制量的变化规律分类5.按系统本身的动态特性分类6.按系统采用的控制方法分类第四节 对控制系统的基本要求1.稳定性2.准确性3.快速性第二章 控制系统的数学模型1.教学基本要求了解和掌握自动控制系统数学模型建立的基本方法以及数学模型之间的相互转换。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，要求学生了解自动控制系统微分方程建立的步骤和方法，掌握利用拉氏变换求解线性微分方程的基本方法，了解绘制系统动态结构图的过程，掌握简化系统动态结构求系统传递函数的方法，并能根据系统的方块图求出系统不同的传递函数。3.教学重点和难点教学重点是数学模型微分方程、传递函数、方框图建立的方法和过程，以及它们之间的相互关系，动态结构图的简化以及系统几种传递函数求取的方法。教学难点是动态结构图简化求传递函数。4.教学内容第一节 拉普拉斯变换1.拉普拉斯变换及逆变换2.常用函数的拉普拉斯变换3.拉普拉斯变换主要定理4.拉普拉斯变换的应用第二节 传递函数1.传递函数的定义2.典型环节的传递函数第三节 传递函数的方块图表示及运算1.方框图的定义及组成2.闭环控制系统的方框图3.系统方框图的绘制4.方框图的等效变换及运算法则第四节 信号流图及梅逊公式1.信号流图的概念及术语2.信号流图的性质及化简3.梅逊公式第三章 控制系统的时域分析1.教学基本要求了解和掌握时域法分析控制系统性能的基本方法，即对控制系统稳定性、快速性和准确性的分析过程。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，要求学生了解和掌握典型一阶系统和典型二阶系统单位阶跃响应和瞬态响应指标求取的步骤和方法，掌握利用劳斯稳定判据判断控制系统稳定性的基本方法，掌握给定信号作用下控制系统稳态误差求取的方法，了解扰动信号作用下控制系统稳态误差求取的方法。3.教学重点和难点教学重点是采用时域法分析控制系统性能的的基本思路，典型一阶系统和典型二阶系统单位阶跃响应和性能指标的求取，用劳斯判据判断系统稳定性的方法和过程，控制系统稳态误差的求取。教学难点是根据性能指标的要求确定系统的参数。4.教学内容第一节 典型信号1.阶跃信号2.斜坡信号3.抛物线信号4.脉冲信号5.正弦信号第二节 一阶系统的时间响应1.一阶系统的数学模型2.一阶系统的单位阶跃响应3.一阶系统的单位脉冲响应4.线性定常系统的重要特性第三节 二阶系统的时间响应1.二阶系统的数学模型2.二阶系统的单位阶跃响应3.二阶系统的瞬态响应指标第四节 控制系统的误差分析1.控制系统的分类2.误差与偏差3.偏差传递函数4.稳态偏差的计算5.干扰作用下的稳态偏差6.动态误差第五节 控制系统的稳定性分析1.稳定性的基本概念2.相同稳定的条件3.劳斯稳定判据 第四章 根轨迹法1.教学基本要求理解和掌握根轨迹的绘制方法，能够根据根轨迹图分析系统的动态性能。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，使学生了解根轨迹的基本概念，掌握绘制根轨迹的基本规则，能够根据根轨迹图分析系统的动态性能。3.教学重点和难点教学重点和难点是根轨迹法则绘制根轨迹草图，运用根轨迹分析系统的暂态响应。4.教学内容第一节 根轨迹的基本概念1.闭环特征方程式2.闭环特征方程式中s的取值意义3.闭环特征方程式中K的取值意义第二节 根轨迹的幅值条件和相角条件1.根轨迹方程2.幅值方程3.相角方程第三节 绘制根轨迹的基本规则1.根轨迹的连续性2.根轨迹的对称性3.根轨迹的起点、终点及条数4.实轴上的根轨迹5.根轨迹的渐近线第四节 参数根轨迹1.定义2.绘制方法第五节 控制系统的根轨迹分析1.绘制根轨迹2.确定根轨迹增益及闭环极点位置第五章 系统的频率特性分析1.教学基本要求了解和掌握频率特性分析法分析控制系统性能的基本方法，掌握用频率特性法对控制系统稳定性、快速性和准确性的分析过程。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，要求学生了解和掌握典型环节和系统频率特性曲线的绘制，掌握奈奎斯特稳定判据判断闭环系统稳定性的方法，熟悉系统的频率特性曲线与系统性能之间的关系，掌握根据控制系统频率特性分析系统性能的方法，并能求取系统的频域指标。3.教学重点和难点教学重点是采用频率法分析控制系统性能的基本思路，绘制开环系统的幅相频率特性曲线和对数频率特性曲线，利用奈奎斯特稳定判据判断闭环系统稳定性系统对数频率特性图的绘制。教学难点是系统对数频率特性图的绘制。4.教学内容第一节 频率特性1.频率特性的概念2.频率特性的图示方法第二节 典型环节的频率特性1.比例环节2.积分环节3.微分环节4.惯性环节5.一阶微分环节6.振荡环节7.二阶微分环节8.延迟环节第三节 系统的开环频率特性1.开环幅相曲线的绘制2.开环对数频率特性曲线的绘制3.最小相位系统与非最小相位系统第四节 频域稳定判据与稳定裕度1.奈氏判据的数学原理2.奈奎斯特稳定判据3.稳定裕度第五节 闭环频率特性的性能指标1.闭环频率特性图2.闭环频率特性的特征量3.闭环频域指标与时域指标的关系第六章 系统的性能指标与校正设计1.教学基本要求掌握控制系统校正装置设计的基本方法，了解各种串联校正装置的特点，并能根据控制系统的实际情况和对系统性能的要求来选择和设计校正装置。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，要求学生了解系统的性能指标，掌握控制系统校正装置设计的基本方法，了解各种串联校正装置的特点，并能根据控制系统的实际情况和对系统性能的要求来选择和设计校正装置。3.教学重点和难点教学重点是串联校正装置的基本设计方法，PID控制器的特点和性能分析。教学难点是对校正装置设计步骤的理解。4.教学内容第一节 系统的性能指标1.概述2.综合性能指标第二节 系统的校正1.校正的概念2.校正的方式第三节 串联校正设计1.相位超前校正2.相位滞后校正3.相位滞后 超前校正第四节 PID校正设计1.P控制器2.PD控制器3.PI控制器4.PID控制器5.常用无源校正网络与有源校正网络第五节 反馈校正设计1.反馈校正的原理2.反馈校正的功能3.反馈校正装置的设计第六节 顺馈校正设计1.顺馈校正的原理2.顺馈校正的功能3.顺馈校正装置的设计第七章 非线性系统（自学）1.教学基本要求掌握非线性系统的分析方法。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，要求学生了解典型非线性系统，掌握非线性系统的描述函数分析法和相平面分析法。3.教学重点和难点教学重点是非线性系统的描述函数分析法和相平面分析法。教学难点是相平面图的绘制方法。4.教学内容第一节 概述1.典型非线性特性2.非线性控制系统的特性3.非线性控制系统的分析方法第二节 非线性系统的描述函数分析法1.描述函数的概念2.典型非线性特性的描述函数3.用描述函数分析非线性系统第三节 非线性系统的相平面分析1.相平面法的概念2.相轨迹的性质3.相平面图的绘制方法4.奇点和奇线5.两个非线性系统的相平面分析第八章 系统辨识（自学）1.教学基本要求掌握非线性系统的分析方法。2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章学习，要求学生了解典型非线性系统，掌握非线性系统的描述函数分析法和相平面分析法。3.教学重点和难点教学重点是非线性系统的描述函数分析法和相平面分析法。教学难点是相平面图的绘制方法。4.教学内容第一节 概述1.系统辨识的定义2.系统辨识的基本内容3.系统辨识的研究目的第二节 线性静态模型的最小二乘参数估计1.最小二乘法的基本原理和算法2.最小二乘法的性质4、 学时分配章序内容课时备注一绪论2二控制系统的数学模型12三控制系统的时域分析12四根轨迹法2五系统的频率特性分析13六系统的性能指标与校正设计4七非线性系统自学八系统辨识自学合计452.实践内容及学时分配序号项目名称内容提要学时必/选开1二阶系统的时域分析11初识MATALAB。2利用MATALAB绘制并观察二阶系统的阶跃响应曲线。3分析的变化对系统性能的影响和性能指标的变化。2必开2二阶系统的时域分析21利用MATALAB绘制并观察二阶系统的阶跃响应曲线。2求各系统的时域性能指标。3.分析参数的变化对系统性能的影响和性能指标的变化。2必开3控制系统的根轨迹分析1. 绘制系统的根轨迹图。2.分析各系统开环零极点对系统性能的影响。2必开合计6五、教材及参考书教材：机械控制工程基础主编：陈小异，孔晓红 出版社：高等教育出版社 出版时间：2010年。参考书：1.自动控制原理及其应用主编：黄坚 出版社：高等教育出版社 出版时间：2009年。2.自动控制原理（第四版）主编：胡寿松 出版社：科学出版社 出版时间：2002年。3.控制工程基础主编：董景新 出版社：清华大学出版社 出版时间：2002年。4.机械工程控制基础（第五版）主编：杨叔子、杨克冲 出版社：华中科技大学出版社 出版时间：2005年。