附件1《自動控制原理A》課程教學計劃（執筆人：謝紅衛、謝海斌、白圣建審閱學院：智能科學學院）課程編號：170510008英文名稱：PrincipleofAutomaticControlA預修課程：電工與電路基礎，信號與系統，電子技術基礎學時安排：48學時，其中講授38學時，實驗10學時學分：3課程性質：專業選修課開課學期：秋3、春3一、課程性質地位本課程是學校非控制類專業的技術基礎課程，是一門與工程實際結合緊密的綜合性課程。本課程所覆蓋的知識面較寬，既有較深入的理論基礎知識，也有較廣泛的專業背景知識，因而，它在學員知識結構方面將起到加強理論深度和拓展知識廣度的重要作用。本課程主要介紹自動控制原理的基本概念和基本的分析與設計方法。課程采用“圍繞一個中心點，一縱三橫交錯”的設計思路，具體來說，“一個中心點”是抓住單輸入單輸出（SISO）線性系統這個主要對象；“一縱”就是在課程講授中貫徹自動控制系統的建模、分析及設計方法這條主線；“三橫”就是在方法講授中強調自動控制系統的穩定性、快速性和準確性這三個分析核心和設計歸宿。在課程講授中，貫徹少而精的原則，即對重點、難點講深講透；注意理論聯系專業實際，例子貼近生活，注重揭示抽象概念物理意義；注意傳統教法與現代教法有機結合，充分運用各種教學手段，特別注重發揮計算機輔助工具的作用。在課程教學中，注重閱讀教材、完成作業、課程實驗及討論問題等四個環節，深刻理解課程內容中的重點和難點。本課程將為學員從事自動化相關專業領域的工作和科學研究奠定基礎。二、課程目標（一）課程知識目標本課程的知識目標主要包括以下主要知識單元，即自動控制緒論、控制系統的數學模型、控制系統的時域分析、根軌跡方法、控制系統的頻域分析、狀態空間分析與設計、計算機控制系統分析與設計和課程實驗，學員應熟悉、了解或掌握不同知識單元的具體內容，達成課程標準的相應要求。（二）課程能力目標本課程要發展的能力目標對應在培養方案中對應的能力目標：1.一級能力目標：個人能力、軍人職業能力和態度；二級能力目標：分析、推理和解決問題、實驗中探尋知識、系統思維；2.一級能力目標：圍繞無人機裝備技術與保障、新型作戰力量的構思—設計—實施—運行全系統的工程綜合能力；二級能力目標：系統的構思與工程化、系統設計。三、教學方法通過課堂教學、課后作業與講解、課程實驗等一系列教學活動使學員達到預期學習目標，具體包括理論講授、互動研討、問題講解、答疑解惑等環節。本課程推薦主講教員采用兩類教學方法，一是問題導向學習（Problem-basedlearning），通過提出工程問題、啟發分析思路、建立數學模型、討論設計方法、反思問題求解成果等手段方法將學員完成問題分析、問題求解、問題反思的過程，加強學員解決實際工程問題的能力；二是探究式學習（Discoverylearning），通過案例教學，引導學員完成項目分析與分解、項目方案實施以及項目答辯等環節，鍛煉學員自主學習、團隊合作以及解決實際工程問題等方面的能力。四、課程學習目標和學習實現環節（一）知識學習目標和學習實現環節本課程的知識學習目標與相應實現環節采用表格方式進行描述，如下表1所示。表1知識目標與實現環節序號知識目標（知識單元）知識子目標（知識點）初始程度要求程度學習目標學習實現環節1自動控制緒論自動控制的基本概念L1L2理解控制的基本概念，了解控制的發展簡史、應用領域及未來方向課內講授

課外閱讀反饋（閉環）控制原理L1L3理解反饋控制原理，能夠建立控制系統的框圖模型預設提問

課內講授

討論總結控制系統的基本性能要求—L2理解控制系統的基本性能要求，能夠對控制系統進行定性分析課內講授

討論總結2控制系統的數學模型線性系統的概念和線性化L1L3理解線性系統的概念，能夠對簡單非線性系統進行線性化，得到線性近似模型課內講授

討論總結拉普拉斯變換（選講）L1L2理解拉普拉斯變換在自動控制原理中的作用，掌握常見的拉普拉斯變換對預設提問

課內講授傳遞函數模型—L3理解傳遞函數的概念和性質，能夠建立線性系統的傳遞函數模型預設提問

課內講授狀態空間模型—L3理解狀態空間模型的概念，能夠建立線性系統的狀態空間模型，熟悉傳遞函數與狀態空間模型之間的變換關系預設提問

課內講授

討論總結框圖模型及其化簡—L3掌握框圖模型化簡的基本方法，能夠進行系統微分方程模型、傳遞函數模型、框圖模型、狀態空間模型之間的變換預設提問

課內講授

討論總結控制系統的MATLAB建模工具L1L3掌握基于MATLAB的控制系統建模工具，能夠采用MATLAB建立線性系統的傳遞函數模型、狀態空間模型和Simulink仿真模型課內講授課外練習3線性系統的時域分析系統時間響應的性能指標—L2了解典型輸入信號的特點及其產生于使用方法，理解瞬態過程與穩態過程的概念課內講授一階系統的時間響應分析—L2能夠進行一階系統的時間響應分析與計算課內講授預設提問二階系統的時間響應分析—L4掌握二階線性系統瞬態性能指標的定義，能夠計算二階線性系統的瞬態性能指標課內講授預設提問高階系統性能指標分析—L3理解主導極點、偶極子等基本概念，能夠進行系統主導極點及其動態性能分析課內講授討論總結線性系統的穩定性分析—L4了解典型輸入信號的特點及其產生與使用方法，理解系統穩定性的概念，能夠采用穩定性判據判定線性系統的穩定性課內講授預設提問

討論總結線性系統的穩態誤差—L4理解穩態誤差的概念，能夠計算系統的穩態誤差預設提問

課內講授討論總結基于MATLAB的線性系統時間響應分析—L3能夠采用MATLAB分析和計算線性系統的時域性能指標課內講授課外練習4根軌跡法根軌跡的基本概念—L2理解根軌跡的概念及其在控制系統分析與設計中的作用，了解根軌跡作圖的一般規則課內講授

討論總結典型線性系統的根軌跡—L3熟悉一階、二階、三階系統的根軌跡運動規律課內講授

討論總結基于根軌跡的控制系統性能分析—L5能夠根據根軌跡分析線性系統的時域性能指標，并提出改進性能指標的措施預設提問

課內講授

討論總結基于MATLAB的根軌跡繪制—L3能夠采用MATLAB的控制工具箱繪制線性系統的根軌跡課內講授課外練習5線性系統的頻域分析頻率特性的基本概念—L2理解頻率特性的概念，了解頻率響應測量的一般方法課內講授

討論總結典型環節的開環頻率特性—L3理解伯德圖和奈奎斯特圖的概念，能夠繪制典型環節的伯德圖和奈奎斯特圖預設提問

課內講授頻域穩定性—L3理解頻率特性的概念，并利用奈奎斯特圖判斷線性系統的穩定性、能夠計算相角裕度和幅值裕度并據此判定系統的穩定性課內講授

討論總結頻域性能指標—L5理解頻率特性、最小相位系統、系統帶寬、諧振頻率、諧振峰值等基本概念課內講授

討論總結基于MATLAB的頻域分析—L3能夠采用MATLAB的控制工具箱繪制控制系統的頻率特性、分析頻域性能課內講授課外練習研討實踐6反饋控制系統設計反饋控制系統設計概述—L2理解反饋控制系統設計的基本概念與主要步驟預設提問

課內講授用伯德圖設計超前、滯后校正網絡—L6理解超前、滯后校正網絡的基本概念，能夠運用伯德圖設計超前、滯后校正網絡預設提問

課內講授

討論總結用根軌跡設計超前、滯后校正網絡（選講）—L6能夠采用更軌跡法設計超前、滯后校正網絡預設提問

課內講授

討論總結PID控制器（選講）—L4能夠應用根軌跡法設計PID控制器課內講授

討論總結基于MATLAB的控制器設計—L3能夠應用MATLAB設計反饋控制器預設提問

課內講授

討論總結7線性系統的狀態空間分析與設計狀態空間方程的解—L2了解狀態空間方程的求解方法，理解特征根與解的關系課內講授

討論總結線性系統的能控性與能觀性—L4理解能控性與能觀性的概念，能夠根據能控性矩陣和能觀性矩陣判斷系統的能控性和能觀性預設提問

課內講授線性系統的狀態反饋控制器設計—L5理解狀態反饋控制器的設計步驟，并能夠根據性能指標要求設計狀態反饋控制器預設提問

課內講授

討論總結線性系統的狀態觀測器設計—L5理解狀態觀測器的設計步驟，并能夠根據性能指標要求設計狀態觀測器預設提問

課內講授

討論總結李亞普諾夫穩定性與LQR設計方法（選講）—L6理解李亞普諾夫穩定性的概念，能夠采用LQR方法設計控制器預設提問

課內講授

討論總結基于MATLAB的狀態反饋控制器設計—L3能夠采用MATLAB設計狀態反饋控制器課內講授課外練習8計算機控制系統簡介計算機控制系統的基本概念—L2了解數字控制系統的組成及特性預設提問

課內講授信號的采樣與保持（選講）—L2理解信號采樣與保持的基本原理課內講授Z變換（選講）—L3理解Z變換的基本性質和定理，熟悉典型環節的Z變換課內講授討論總結差分方程與脈沖傳遞函數—L3理解差分方程、脈沖傳遞函數的基本概念，能夠根據框圖求解脈沖傳遞函數課內講授

討論總結計算機控制系統分析與設計—L4掌握計算機控制系統的分析方法，了解離散控制系統設計方法預設提問

課內講授

討論總結基于MATLAB的計算機控制器設計（選講）—L3能夠應用MATLAB設計離散控制器課內講授課外練習（二）能力培養目標和培養實現環節本課程的能力培養目標和培養實現環節如表2所示。表2能力目標分解及其學習目標、實現環節序號一級能力能力目標（二級能力）能力子目標

（三級能力）初始程度要求程度學習目標學習實現環節12個人能力、軍人職業能力和態度2.1分析、推理和解決問題2.1.1發現問題和表述問題L1L3能夠根據所學，準確判明控制系統的問題，并使用控制理論表述問題。課程講解交流研討綜合實驗22.1.2建立模型L1L4能夠建立控制系統模型課程講解交流研討實驗驗證32.1.3判斷和定性分析L1L4能夠根據所學對問題類別和模型類別給出定性分析。課程講解交流研討綜合實驗42.1.5解決方法和建議L1L3能夠對控制系統的問題給出解決方法和減壓。課程講解研討實踐52.2實驗中探尋知識2.2.1建立假設L1L3能夠分清主次提出假設簡化模型課程講解交流研討綜合實驗62.2.2查詢相關書刊或者電子文獻L1L2能夠查閱相關工具書和文獻課程講解交流研討綜合實驗72.2.3實驗探索L2L3能夠實驗驗證理論綜合實驗82.2.4假設檢驗和論證L1L3能夠根據實驗結果對假設進行檢驗和論證課程講解交流研討綜合實驗92.3系統思維2.3.1整體思維L1L2能夠以整體思維看待系統課程講解交流研討102.3.4解決問題時的妥協、判斷和平衡L1L3能夠根據任務對性能指標等要求妥協、判斷和平衡交流研討綜合實驗114構思-設計-實施-運行全系統的工程綜合能力4.3系統的構思與工程化4.3.1設立系統目標和要求L1L3能夠根據任務設立系統目標和要求課程講解交流研討綜合實驗124.4系統設計4.4.1設計過程L1L4能夠根據目標設計實驗過程交流研討綜合實驗134.5實施系統建構4.5.1設計實施過程L1L4能夠根據設計組織實施交流研討綜合實驗144.5.5測試、證實、驗證和認證L1L4能夠通過實驗測試和驗證相關理論課程講解交流研討綜合實驗（三）課程的學習目標對畢業標準和培養標準中知識-能力-素質相關學習結果的貢獻及程度等級學習目標對畢業標準、專業培養標準中知識—能力—素質相關學習結果的貢獻及程度等級，參見課程教學計劃附表。五、課程學習內容與時間節點各知識單元的學習內容和時間安排如表3所示。表3學習內容與時間安排知識單元內容課內學時數知識單元1自動控制緒論2知識單元2控制系統的數學模型6知識單元3線性系統的時域分析6知識單元4根軌跡法4知識單元5線性系統的頻域分析6知識單元6反饋控制系統設計6知識單元7線性系統的狀態空間分析與設計4知識單元8計算機控制系統簡介4實驗內容課內學時數實驗1控制系統平臺認知2實驗2控制對象參數測量與分析2實驗3頻率特性測量與分析2實驗4串聯校正控制系統設計與仿真4合計48六、課程綜合計分方法（一）考核結構設計與各教學環節比例分配考核方式：考試與考查相結合組織方式：筆試/現場測試，筆試部分采用閉卷形式成績評定：百分制記分標準：形成性考核占總成績比重不低于40%，終結性考試占總成績比重不高于60%（二）評分標準1.作業采用百分制進行評分，最后綜合評分進行相應比例折算。評分標準如表4所示。表4平時作業評分標準完成情況得分嚴格按照作業要求并及時完成，基本概念清晰，解決問題的方案正確、合理，能提出不同的解決問題方案80-100分基本按照作業要求并及時完成，基本概念基本清晰，解決問題的方案基本正確、基本合理60-79分不能按照作業要求，未及時完成，基本概念不清晰，解決問題的方案基本不正確、不合理40-59分不能按照作業要求，未及時完成，基本概念不清晰，不能制定正確和合理解決問題的方案0-39分2.實驗采用百分制進行評分，最后綜合評分進行相應比例折算。評分標準如表5所示。表5實驗評分標準評分標準0很差1較差2良好3優秀4突出能否按照要求預習實驗？[5分]能否熟練操作實驗所需軟件和硬件？[10分]能否準確理解和掌握實驗原理和方法、步驟和注意事項？[20]能否有效的進行實驗準備，獨立操作，完成整個實驗？[15分]能否掌握實驗所需理論知識，并正確運用，分析實驗結果，并根據問題特征提出恰當的見解？[20分]能夠根據實驗初步結果，提出完善意見，并不斷持續改進？[10分]能否以理論知識、實驗原理或實驗結果為依據，提出不同的見解？[20]3.期末考試：隨考試試卷制定評分標準4.其它：無七、教材及推薦參考書（一）教材《現代控制系統》，第12版，Dorf.R.C,BishopR.H.著，謝紅衛等譯，電子工業出版社，2015.02（二）推薦參考書1.《自動控制—建模?分析?設計》，宮二玲,沈輝著，北京：中國水利水電出版社,2016.102.《控制系統計算機輔助設計：MATLAB語言與應用》（第二版），薛定宇著，北京：清華大學出版社，2006.33.《自動控制原理實驗指導書》，自編教材

《自動控制原理A》課程簡介課程編號：170510008課程名稱（英文）：自動控制原理A（PrincipleofAutomaticControlA）學時安排：48學時，其中講授38學時，實驗10學時預修課程：電工與電路基礎，信號與系統，電子技術基礎內容簡介：本課程是學校非控制類專業的技術基礎課程，是一門與工程實際結合緊密的綜合性課程。包括八個知識單元：自動控制緒論、控制系統的數學模型、線性系統的時域分析、根軌跡法、線性系統的頻域分析、反饋控制系統設計、線性系統的狀態空間分析與設計、計算機控制系統簡介，還包括課內實驗環節。本課程所覆蓋的知識面較寬，既有較深入的理論基礎知識，也有較廣泛的專業背景知識，因而，它在學員知識結構方面將起到加強理論深度和拓展知識廣度的重要作用。學員通過本課程的學習，將具備一定的控制系統建模、分析和設計能力，為從事相關專業的工作和科學研究奠定基礎。

《自動控制原理A》實驗教學計劃（執筆人：薛小波、白圣建審閱學院：智能科學學院）課程編號：170510008課程名稱：自動控制原理A總學時：48學時實驗學時：10學時實驗地點：智能科學學院控制技術與工程實驗室一、任務背景與目標（一）任務背景描述本實驗課程旨在通過驗證性和設計性實驗使學員進一步理解和掌握自動控制理論的基本概念、基本原理，掌握控制系統分析與設計的基本方法，提高基本實驗技能和實踐動手能力，培養嚴肅認真的科學態度和勇于探索的創新精神。具體包括：（1）通過時域部分典型系統的參數測量實驗，使學生深刻理解典型系統的性能指標的相關概念、性能指標與模型參數之間的關系、以及部分性能指標的測量方法；（2）通過頻域部分頻率特性測量與分析實驗，加深掉頻域特性的理解，掌握頻率特性的測量方法，以及頻域測量相關參數與系統模型之間的關系；（3）通過串聯校正的設計學習和掌握控制系統的計算機輔助分析、設計與仿真的一般方法。（二）技術目標一是使用理論和原理分析控制系統的組成、模型框圖，結合其它要求搭建正確的控制系統；二是運用工具對實驗數據測量，然后進行分析，達成理論與實踐互為驗證的目標。（三）能力目標培養學員分析和解決現實問題的能力，包括三個方面：一是對實際系統進行參數測量和分析建模的能力；二是使用Matlab對控制系統進行建模、分析的能力；三是在建模與分析的基礎上使用Matlab進行設計和仿真，并以此解決實際控制系統問題的能力。二、主要內容與基本要求實驗1控制系統平臺認知1.實驗目的與任務實驗目的：通過本實驗，使學員了解后續實驗對象實物的工作原理、操作方法和注意事項，鍛煉實踐動手能力。實驗任務：（1）熟悉控制系統實驗平臺的組成，了解各模塊功能、連接方法和操作方法；（2）掌握控制系統實驗平臺中的相關數據測量方法和調試方法。2.訓練的能力點對實際控制系統工作原理的理解能力、實物和儀表的操作能力。3.實驗原理典型反饋控制系統實驗平臺由多個模塊組成：執行器、傳感器、比較器、驅動器以及相關軟件。比較器對輸入和反饋信號減法運算后，再經驅動器放大驅動執行器帶負載工作。相關數據的測量可以通過軟件和儀表測量。4.實驗內容及要求（1）繪制控制系統的模型框圖；（2）按設備要求打開和操作實驗平臺；（3）測量傳感器輸出，分析傳感器零位的位置、系統輸出及傳感器輸出的正負與實際運動方向的對應關系，思考測量數據正負號的原因和意義以及與系統反饋極性之間的關系。5.實驗結果及要求（1）控制系統模型框圖，要求信號流正確。（2）確定傳感器零位是絕對零位還是相對零位，測得的系統輸出和傳感器輸出的數據大小范圍與符號正確。實驗2控制對象參數測量與分析1.實驗目的與任務實驗目的：通過本實驗，使學員掌握使用階躍響應測量建立控制系統模型的方法和注意事項；理解和鞏固系統的時域指標與模型參數之間的關系；實驗任務：（1）測量控制系統的階躍響應曲線；（2）根據階躍響應曲線建立系統的模型。2.訓練的能力點對實際系統和儀表的操作能力，數據的采集與處理能力，以及應用理論對數據進行分析計算并建立控制系統模型的能力。3.實驗原理對控制對象進行階躍信號激勵，根據其階躍響應曲線可估計系統的階次和計算求解系統的參數，進而建立系統的模型。4.實驗內容及要求（1）搭建帶有帶測控制系統的Simulink框圖，進行編譯和調試；（2）輸入階躍激勵信號，測量和記錄控制系統的階躍響應曲線，根據曲線估計系統的階次，求解控制對象的參數；改變階躍信號的幅值，多次測量和記錄系統的階躍響應曲線，求解控制對象的參數。（3）根據估計的階次和求解的參數建立系統的模型。5.實驗結果及要求記錄控制系統的階躍響應曲線，根據曲線估計系統的階次，求解控制對象的參數，建立控制對象的傳遞函數模型。實驗3頻率特性測量與分析1.實驗目的與任務實驗目的：掌握頻率特性的基本測試方法，進一步理解頻率特性的物理意義；實驗任務：（1）測量控制系統的時域頻率響應曲線；（2）繪制系統的頻率特性曲線。2.訓練的能力點對實際系統和儀表的操作能力，時域頻率特性數據的處理和繪圖能力，Matlab編程能力。3.實驗原理控制系統或環節的頻率測試是由正弦信號源提供不同頻率的正弦信號，作用于被測系統，測取在不同頻率時被測系統或環節的穩態輸出信號與正弦輸入信號的幅值比和相位差，從而求得系統或環節的頻率特性曲線。4.實驗內容及要求（1）搭建控制系統頻率測試系統的Simulink框圖，進行編譯和調試；（2）記錄不同頻率正弦信號輸入作用下的系統輸出數據。調整輸入正弦信號的頻率，保存10組以上輸入/輸出信號的數據。（3）使用Matlab分析和處理實驗數據，繪制幅頻特性和相頻特性曲線。5.實驗結果及要求（1）繪制系統的幅頻特性和相頻特性曲線；（2）嘗試根據幅頻特性和相頻特性曲線求解傳遞函數，可與時域實驗中測得的模型進行對比。實驗4串聯校正控制系統設計與仿真1.實驗目的與任務實驗目的：理解超前校正、滯后校正和滯后—超前校正的作用及特點，設計串聯校正控制器；實驗任務：