1、物理電子工程學院自動控制原理課程教學大綱課程編號：課程性質：專業必修課 先修課程：高等數學、函數變換、模擬電路、電路分析總學時數：76 學分：4適合專業：電子信息工程、機械與電子工程、機械自動化、電器自動化、通信、包裝工程等專業(一) 課程教學目標自動控制理論是電子信息科學與技術專業的一門重要的專業基礎課程。它側重于理論角度，系統地闡述了自動控制科學和技術領域的基本概念和基本規律，介紹了自動控制技術從建模分析到應用設計的各種思想和方法，內容十分豐富。通過自動控制理論的教學，應使學生全面系統地掌握自動控制技術領域的基本概念、基本規律和基本分析與設計方法，以便將來勝任實際工作，具有從事相關工程和技

2、術工作的基本素質，同時具有一定的分析和解決有關自動控制實際問題的能力。(二) 課程的目的與任務本課程是電子通信工程、機電一體化、包裝工程等專業、工科及相關理科的必修基礎課程。通過本課程的學習，使學生掌握自動控制的基礎理論，并具有對簡單連續系統進行定性分析、定量估算和初步設計的能力，為專業課學習和參加控制工程實踐打下必要的基礎。學生將掌握自動控制系統分析與設計等方面的基本方法，如控制系統的時域分析法、根軌跡分析法、頻域分析法、狀態空間分析法、采樣控制系統的分析等基本方法等。為各類計算機控制系統設計打好基礎。(三) 理論教學的基本要求1、熟練掌握自動控制的概念、基本控制方式及特點、對控制系統性能的

3、基本要求。2、熟練掌握典型環節的傳遞函數、結構圖化簡或梅森公式以及控制系統傳遞函數的建立和表示方法，初步掌握小偏差線性化方法和通過機理分析建立數學模型的方法。3、熟練掌握暫態性能指標、勞思判據、穩態誤差、終值定理和穩定性的概念以及利用這些概念對二階系統性能的分析，初步掌握高階系統分析方法、主導極點的概念。4、熟練掌握根軌跡的概念和繪制法則，并能利用根軌跡對系統性能進行分析，初步掌握偶極子的概念以及添加零極點對系統性能的影響。5、熟練掌握頻率特性的概念、開環系統頻率特性Nyquist圖和Bode圖的畫法和奈氏判據，掌握絕對穩定系統、條件穩定系統、最小相位系統、非最小相位系統、穩定裕量、頻域性能指

4、標的概念，以及頻率特性與系統性能的關系。6、熟練掌握校正的基本概念、基本校正方式和反饋校正的作用，初步掌握復合校正的概念和以串聯校正為主的頻率響應綜合法，了解以串聯校正為主的根軌跡綜合法，掌握常用校正裝置及其作用。 (四) 教學學時分配數章次各章名稱總學時學 時 分 配講課實驗上機課外小計一自動控制的一般概念22二自動控制系統的數學模型1212三時域分析法1414四根軌跡法1010五頻率域方法1212六控制系統的校正1010七非線性系統分析1010八系統采樣理論66總計7676(五) 大綱內容第一章 自動控制的一般概念1、教學目的: 掌握自動控制系統組成結構和基本要素，理解自動控制的基本控制方

5、式和對系統的性能要求，了解一些實際自動控制系統的控制原理。2、基本要求： 掌握基本概念：自動控制、反饋、控制系統的構成。 要求初步了解如何由系統原理圖形成系統的原理方塊圖及判別控制方式的方法。 要求初步了解本門課程的意義與作用。3、教學提示：透徹分析自動控制系統的反饋原理。4、教學內容：a、自動控制的任務b、自動控制的基本方式c、對控制系統的性能要求5、教學重點與難點：重點：基本控制方式及特點；對控制系統性能的基本要求難點：建立元件方塊圖的方法；自動控制系統實例6、小結：本章內容包括自動控制的定義、基本控制方式及特點，對控制系統性能的基本要求，建立元件方塊圖的方法，自動控制系統的分類，自動控制

6、系統實例。 7、作業：1-1、1-2、1-3第二章 自動控制系統的數學模型 1、教學目的：掌握傳遞函數及動態結構圖的概念、意義、求取方法和簡化方法；理解自動控制系統的建模方法和步驟；了解非線性微分方程的線性化方法。2、基本要求：掌握基本概念：傳遞函數及動態結構圖。 掌握求傳遞函數基本方法：結構圖的變換。3、教學內容：a、自動控制系統微分方程的建立b、非線性微分方程的線性化 c、傳遞函數d、動態結構圖e、系統的脈沖響應函數f、典型反饋系統的傳遞函數4、教學提示：著重闡明拉普拉斯變換與傳遞函數、動態結構圖的關系。5、教學重點與難點：重點：典型環節及其傳遞函數；信流圖和梅森公式難點：拉氏變換；小偏差

7、線性化6、小結：典型環節及其傳遞函數、結構圖及化簡、信流圖和梅森公式，控制系統傳遞函數的表示方法，小偏差線性化，分析建模法。 7、作業：2-4、2-8、2-12、1-15。第三章 時域分析法 1、教學目的: 掌握 系統微分方程的拉普拉斯變換解法及判定系統穩定性赫爾維茨判據、林納德判據、勞思判據，理解針對一階和二階系統的分析計算以及穩態誤差的分析計算，了解改善系統響應的措施。 2、基本要求：掌握基本概念：典型響應、漸近穩定性及時域性能指標、穩態誤差。3、教學內容a、時域分析介紹b、一階和二階系統分析與計算c、系統穩定性分析d、穩態誤差分析及計算4、教學提示：一、二階系統的時間響應，暫態性能指標，

8、主導極點的概念，穩定性概念，勞思判據，穩態誤差及終值定理。著重闡明穩定性判據和穩態誤差計算。5、教學重點與難點重點：一、二階系統的時間響應；穩定性概念；穩態誤差難點：穩態誤差的分析和計算6、小結：掌握基本方法：一、二階系統性能指標的計算和參數選擇；系統穩定性和穩態誤差的分析和計算。 典型響應以階躍響應為主。 7、作業：3-2、3-10、3-15、3-25第四章 根軌跡 1、教學目的: 掌握根軌跡概念、閉環零極點與開環零極點的關系，理解繪制根軌跡的基本法則及其應用，了解系統閉環零極點分布與階躍響應的關系。2、教學要求掌握基本概念：根軌跡、零極點、主導極點、偶極子。 掌握基本方法：根軌跡草圖的繪制

9、。掌握基本規律：根軌跡方程及其應用；零極點分布與階躍響應的關系。 3、教學內容a、根軌跡與根軌跡方程b、繪制根軌跡的基本法則c、廣義根軌跡d、系統閉環零、極點分布與階躍響應的關系e、系統階躍響應的根軌跡分析4、教學提示: 著重闡述根軌跡基本法則及其應用。5、教學重點與難點：重點：根軌跡的概念、原理、繪制法則難點：利用根軌跡對系統性能的分析6、小結、基本知識點： 根軌跡的概念、原理、繪制法則，利用根軌跡對系統性能的分析，偶極子和主導極點的概念、添加零極點對系統性能的影響。 7、作業：-2、4-7、4-11、4-14、4-19第五章 頻率域方法 1、教學目的：掌握系統頻率特性概念、一些典型環節的頻

10、率特性以及系統開環頻率特性曲線的繪制方法，并掌握頻率穩定性判據。理解穩定欲度以及系統閉環、開環頻率特性與階躍響應的關系。2、教學基本要求：掌握基本概念：頻率特性、峰值、頻帶、截止頻率、穩定裕度、三頻段。 掌握基本方法、環節及開環系統對數頻率特性曲線的繪制、穩定性的判別及裕度的計算。掌握基本原理：穩定判據、頻率特性和時域響應的關系。 要明確單反饋的最小相位與非最小相位在計算中的差別。3、教學內容a、頻率特性b、典型環節的頻率特性 c、系統開環頻率特性 d、頻率穩定性判據 e、系統閉環頻率特性與階躍響應的關系 f、系統開環頻率特性與階躍響應的關系 4、教法提示：著重講解傅立葉變換與頻率特性的聯系以

11、及頻率特性的求法。5、教學重點與難點重點：頻率特性的概念；典型環節頻率特性；開環頻率特性Nyquist圖和Bode圖的繪制難點：奈氏判據6、小結：基本知識點：頻率特性的概念，典型環節頻率特性，最小相位系統，非最小相位系統，開環頻率特性Nyquist圖和Bode圖的繪制，奈氏判據，穩定裕量，頻域性能指標，頻率特性與系統性能的關系。 7、作業：5-1、5-6、5-13、5-16、5-20、5-26第六章 控制系統的校正 1、教學目標：理解系統校正和設計概念，掌握系統校正的基本方式和方法。2、教學基本要求：掌握基本概念：串聯(超前、滯后、PID)、反饋及復合校正的特性及其作用。 掌握基本方法：串聯校

12、正計算的對數頻率法(二階最佳模型法)校正器參數的計算。 3、教學內容 a、系統校正設計基礎b、串聯校正c、串聯校正的理論設計方法d、反饋校正e、復合校正4、教法提示：重點闡明串聯校正及其各種方法。5、教學重點與難點重點：校正的基本概念；基本校正方式難點：各種校正方式對系統性能的影響。6、小結：基本知識點：校正的基本概念，常用校正裝置及作用，基本校正方式，以串聯校正為主的頻率響應綜合法和根軌跡綜合法，反饋校正的作用，復合校正的概念。 7、作業：6-2、6-5、6-11、6-16、6-18第七章 非線性系統分析 1、教學目標：掌握相平面法和描述函數法，掌握相平面結構和奇點類型，了解非線性系統的穩定

13、性分析方法。2、教學基本要求：掌握基本概念：串聯(超前、滯后、PID)、反饋及復合校正的特性及其作用。掌握基本方法：串聯校正計算的對數頻率法(二階最佳模型法)校正器參數的計算。 3、教學內容 a、非線性問題概述 b、常見非線性因素對系統運動特性的影響 c、相平面法基礎 d、非線性系統的相軌跡分析 e、描述函數 f、用描述函數法分析非線性系統 4、教法提示：著重闡明相平面法和描述函數法及其應用。5、教學重點與難點：常見非線性因素對系統運動特性的影響、非線性系統的相軌跡分析、用描述函數法分析非線性系統。6、小結：本章主要介紹工程上常用的相平面法和描述函數法，并通過這兩種方法揭示非線性系統的一些出別

14、于線性系統的現象。 7、作業：6-2、6-5、6-11、6-16、6-18第八章 系統采樣理 1、教學目的：理解采樣過程、采樣定理以及脈沖傳遞函數的意義、掌握Z變換及其反變換方法，并能對采樣系統進行性能分析和數字校正。2、教學基本要求：學習數字系統的數學模型、分析與設計方法， 重點掌握差分方程和脈沖傳遞函數數學模型，主要掌握數字控制系統的分析，學會模擬控制器的數值化方法。3、教學內容a、采樣過程和采樣定理 b、信號的恢復和零階保持器c、Z變換及其反變換d、脈沖傳遞函數e、采樣系統的性能分析f、采樣系統的數字校正4、教法提示：重點講明采樣過程分析和Z變換及其反變換方法。5、教學重點和難點教學重點

15、：采樣過程與采樣定理，信號保持，Z變換及Z反變換。教學難點：開環及閉環脈沖傳遞函數，采樣系統的性能分析。6、小結：概述。采樣過程及采樣定理。變換。脈沖傳遞函數。采樣系統時域分析。*采樣系統根軌跡法。采樣系統的穩態誤差。7、作業：7-2、7-6、7-11、15、7-16(六) 課程有關說明本課程的先修課程主要有高等數學、復變函數與積分變換、信號與系統、模擬電子線路和電路分析基礎等。本課程的很多內容都與信號與系統有聯系，是信號與系統的主要后續課程之一。所以，與信號與系統課程有重復的內容可以只做簡要講解，以突出重點。該課程是自動化專業最重要的專業基礎課之一，也是其他專業的選修課程，學習一定要緊密結合

16、工程背景，通過多練習有助于學生掌握課程內容，希望每章后多布置習題給同學們練習。這門課是 “自動控制原理實驗課”的理論基礎，因而該課要覆蓋實驗課所要用到的理論知識，而通過實驗課則能幫助學生更好的掌握課程內容，加深對理論知識的理解，建立自動控制系統框架。該課程由于學時限制，數字控制系統與非線性系統理論的內容學生只有通過初步自學與老師輔導相結合，進一步深入可通過后續課程計算機控制系統和研究生課程非線性系統來學習和提高。(七) 主要教學方法與媒體要求傳統教學與多媒體教學相結合；matlab數學應用軟件與相應的自動控制實驗裝置。(八) 使用教材及主要參考書本課程的使用教材：程鵬. 自動控制原理M. 北京：高等教育出版社，2003.可供參考的教材：1 胡壽松. 自動控制原理M. 北京：科學出版社，2001.2 蔣大明等. 自動控制原理M. 北京：清華大學出版社/北方交通大學出版社，2003. 3 翁思義等. 自動控制原理M. 北京：中國電力出版社，2001. 4 周其節等. 自動控制原理M.廣州：華南理工大學出版社，1996.5 美Katsuhiko Ogata 著 盧伯英, 于海勛等譯. 現代控制工程(第四版)M. 北京：電子工業出版社，2003.(九) 推薦的教學網站和相關專業文獻網站