自动控制原理教学大纲

自动控制原理 I 教学大纲 一 课程的性质 任务 基本要求和条件 一 课程的性质和特点 自动控制原理是高校电类学科各专业的一门重要专业基础课 是从事系统分析与设计的技术人员所必 须掌握的一门专业课 本课程的主要任务是 系统地介绍自动控制系统和反馈控制的基本概念 学习建立控制系统数学模 型的基本方法 以及分析控制系统稳定性 动态性能和稳态性能的时域和频域方法 介绍校正控制系统 的常用方法 二 本课程的基本要求 1 理解自动控制系统的基本构成和基本控制原理 2 掌握线性定常控制系统 含连续时间系统和离散时间系统 的输入输出描述 运动方程 传 递函数 频率特性函数 方法 能够对简单的机电系统进行机理建模 3 掌握线性定常系统 含连续时间系统和离散时间系统 稳定性的基本概念和常用分析方法 代数判据 根轨迹法 频率特性法 4 掌握线性定常连续时间控制系统的动态性能分析 二阶系统为主 和稳态性能分析 5 了解单输入单输出系统的常用校正方法 根轨迹法和频率特性法 教学的重点与难点 第一章 概述 第二章 控制系统的数学描述 第三章 控制系统的稳定性分析 第四章 控制系统的运动性能分析 第五章 系统校正方法 难点 控制系统不同数学模型之间的关系以及数学模型的建立 稳定性的频域分析方法 三 本课程与相关课程的联系 本课程的先修课程为 高等数学 电路分析 信号与系统 二 教学内容及学时分配 各章节主要内容 重点难点 第一章 概述 3 学时 1 1 引言 自动控制理论发展的历史简述 1 2 自动控制系统的构成 1 3 闭环控制与开环控制 1 4 控制系统的分类 1 4 1 恒值调节系统和随动系统 1 4 2 线性系统和非线性系统 1 4 3 定常系统和时变系统 1 4 4 连续时间和离散系统 做实验一 闭环电压控制 单独 3 学时 教学目的和要求 使学生了解自动控制原理产生的历史背景及其发展简史 通过举例使 学生认识反馈控制的基本概念以及开环控制与闭环控制的区别 介绍控制系统的分 类方法以及本课程学习的重点 教学重点 使学生建立闭环控制的概念 了解一些简单的实际控制系统的工作原理 第二章 控制系统的数学描述 12 学时 2 1 引言 控制系统数模型的种类和常用建模方法简介 2 2 列写输入 输出运动方程 2 2 1 常见机电系统运动方程的列写 2 2 2 非线性模型的线性化 2 3 传递函数与系统框图 2 3 1 传递函数 2 3 2 方框图 2 3 3 典型环节的传递函数 2 3 4 方框图化简 2 4 信号流图与梅逊公式 2 5 频率特性函数 2 5 1 频率特性函数的定义 2 5 2 频率特性的图示方法 2 5 3 典型环节的频率特性 2 5 4 复杂频率特性的绘制 2 6 采样控制系统的数学描述 2 6 1 采样控制系统 2 6 2 信号采样与恢复 2 6 3 采样控制系统的差分方程描述 2 6 4 脉冲传递函数 做实验二 频率特性测试 单独 3 学时 教学目的和要求 使学生熟悉描述控制系统的几种方法以及相互关系 学会对一些常见 的机电控制系统建立数学模型 教学重点 线性定常控制系统的输入 输出模型及其建立方法 第三章 控制系统的稳定性分析 12 学时 3 1 稳定性的概念和定义 3 2 线性系统稳定的充分必要条件 3 2 1 连续时间系统稳定的充分必要条件 3 2 2 离散时间系统稳定的充分必要条件 3 3 系统稳定性的代数判据 3 3 1 连续时间系统稳定性的代数判据及其应用 3 3 2 离散时间系统稳定性的代数判据 3 4 根轨迹图及系统稳定性分析 3 4 1 根轨迹图的基本概念 3 4 2 根轨迹图的绘制规则 3 4 3 用根轨迹图分析系统稳定性举例 3 5 奈奎斯特稳定性判据 3 5 1 幅角原理与奈奎斯特稳定性判据 3 5 2 开环系统含有积分环节时判据的应用 3 5 3 奈奎斯特稳定性判据在波德图中的表现形式 3 5 4 稳定裕度 教学目的和要求 使学生掌握分析控制系统稳定性的基本方法 特别是学会如何利 用开环传递函数分析闭环系统的稳定性 教学重点 劳斯判据 奈奎斯特判据及其应用方法 第四章 控制系统的运动性能分析 9 课时 4 1 分析控制系统所用的几种典型输入信号 4 2 控制系统瞬态性能分析 4 2 1 瞬态性能指标 4 2 2 一阶系统瞬态性能分析 4 2 3 典型二阶系统瞬态性能分析 4 2 4 高阶系统瞬态性能分析 4 3 控制系统稳态性能分析 4 3 1 控制系统的误差与稳态误差 4 3 2 稳态误差分析 静态误差系数与系统型别 4 3 3 控制系统的动态误差与动态误差系数 4 3 4 扰动输入下的稳态误差 4 3 5 离散时间系统的稳态误差 教学目的和要求 使学生理解控制系统瞬态性能与稳态性能的概念 掌握典型二阶 系统主要动态性能指标的计算和分析方法 掌握分析和计算稳态误差的方法 了解动态误差的概念 教学重点 典型二阶系统主要动态性能指标 系统型别的概念 系统型别与系统信 号跟踪能力之间的关系 第五章 系统校正方法 9 课时 5 1 引言 校正时所用的性能指标与常用校正方式 5 2 系统校正的根轨迹法 5 2 1 增加零 极点对根轨迹的影响 5 2 2 根轨迹法校正举例 滞后 超前 滞后 超前校正 5 2 3 校正装置的电路实现 5 3 系统校正的频率特性法 5 3 1 开环频率特性与时域性能指标间的关系 5 3 2 频率特性法校正举例 滞后 超前 滞后 超前校正 5 4 基本控制规律 PID 控制 分析 5 5 局部反馈校正 5 6 离散系统的数字校正简介 三 考核办法 课程考核办法 期末考试 笔试 闭卷 总评成绩构成 平时作业和实验占 20 考试成绩占 20 四 教学环节的学时分配 学 项 时 目 数 章 节 讲课 实验 第一章 3 3 第二章 12 3 第三章 12 第四章 9 第五章 9 3 复习 3 总计 48 9 五 教材及参考书 教材 田玉平主编 自动控制原理 第二版 北京 科学出版社 2006 参考书 1 吴麒主编 自动控制原理 北京 清华大学出版社 1992 2 胡寿松主编 自动控制原理 北京 国防工业出版社 1994 3 K Ogata Mordern Control engineering Third edition Prentice Hall 1998