1、反饋控制理論（A）教學(xué)大綱學(xué) 時(shí)：81學(xué)時(shí) 學(xué) 分：4.5學(xué)分開課學(xué)期：第五學(xué)期課程類別：院系級(jí)必修課課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課先修課程：高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、普通物理學(xué)、電路原理、模擬電子技術(shù)、電機(jī)及其拖動(dòng)基礎(chǔ)。教 材：自動(dòng)控制原理，吳忠強(qiáng) 、張秀玲 主編 國(guó)防工業(yè)出版社一、課程的性質(zhì)、目的與任務(wù)：本課程是工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。通過本課程學(xué)習(xí)將為自動(dòng)化類后繼課程的學(xué)習(xí)打下理論基礎(chǔ)。為自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和綜合提供理論的工程計(jì)算方法。二、課程的基本內(nèi)容：1、緒論概述：自動(dòng)控制、自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念，自動(dòng)控制系統(tǒng)的兩種基本形式（開環(huán)控制與閉環(huán)控制）。自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類。自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)況

2、：反饋控制理論的研究對(duì)象和方法。自動(dòng)控制理論的研究?jī)?nèi)容：系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求。2、線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型概述：數(shù)學(xué)模型的基本概念、表達(dá)方式，建模方法。線性系統(tǒng)輸入輸出時(shí)間函數(shù)描述：線性系統(tǒng)微分方程的列寫，微分方程線性化的基本思想。線性系統(tǒng)輸入輸出傳遞函數(shù)描述：數(shù)學(xué)基礎(chǔ)拉氏變換，傳遞函數(shù)的概念。典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。控制系統(tǒng)的方框圖及梅遜增益公式：方框圖的概念，方框圖的化簡(jiǎn)，信號(hào)流圖的基本概念，方框圖與信號(hào)流圖的關(guān)系，梅遜增益公式。3、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析控制系統(tǒng)的典型輸入信號(hào)。線性定常系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)及暫態(tài)響應(yīng)的性能指標(biāo)。一階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。二階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)：暫態(tài)響應(yīng)與極點(diǎn)之間

3、的關(guān)系，暫態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)公式及計(jì)算，應(yīng)用舉例。高階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)：閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)、偶極子的概念。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性：穩(wěn)定的概念，線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件，RouthHurwitz穩(wěn)定判據(jù)（代數(shù)判據(jù)）及應(yīng)用。控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能分析：穩(wěn)態(tài)誤差定義、產(chǎn)生原因、分類，給定穩(wěn)態(tài)誤差和擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差的求取（誤差終值和誤差級(jí)數(shù)的計(jì)算），減小穩(wěn)態(tài)誤差的基本方法。4、根軌跡法根軌跡的基本概念：根軌跡的概念，意義，舉例。繪制常規(guī)負(fù)反饋系統(tǒng)根軌跡的基本條件和基本規(guī)則。參量根軌跡與多回路系統(tǒng)的根軌跡。正反饋根軌跡的繪制。遲后系統(tǒng)根軌跡。增加開環(huán)零極點(diǎn)對(duì)根軌跡的影響。利用根軌跡分析系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。5、控制系統(tǒng)的頻域分析頻率特性

4、：頻域響應(yīng)、頻率特性的概念，頻率特性的兩種主要描述方式幅相頻率特性圖（Nyquist圖）和對(duì)數(shù)頻率特性圖（Bode圖）。典型環(huán)節(jié)的頻率特性（包括典型環(huán)節(jié)的Nyquist圖和Bode圖）。系統(tǒng)開環(huán)頻率特性：Nyquist圖和Bode圖的繪制，最小相位系統(tǒng)的概念，利用實(shí)測(cè)開環(huán)幅頻特性確定最小相位系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的Nyquist穩(wěn)定判據(jù)（幾何判據(jù)）：包括利用幅相頻率特性曲線和對(duì)數(shù)頻率特性曲線進(jìn)行判斷。控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性：相角裕度、幅值裕度的概念及計(jì)算。閉環(huán)頻率特性及頻域性能指標(biāo)：閉環(huán)頻率特性，頻域性能指標(biāo)。頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系。6、控制系統(tǒng)的綜合與校正校正的基本概念：校正概念

5、，校正實(shí)質(zhì)，校正方法，校正方式。校正裝置及特性：相位超前校正、相位滯后校正、相位滯后-超前裝置。利用根軌跡法確定串聯(lián)校正裝置。利用頻率特性法確定串聯(lián)校正裝置。反饋校正：反饋校正的作用，反饋校正裝置的設(shè)計(jì)復(fù)合控制：含給定量順饋校正的復(fù)合控制，含擾動(dòng)量前饋校正的復(fù)合控制，復(fù)合控制舉例。7、采樣控制系統(tǒng)采樣控制系統(tǒng)的基本概念。信號(hào)的采樣和保持：采樣過程，采樣定理，保持器。Z變換和Z反變換。采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：差分方程及脈沖傳遞函數(shù)。采樣系統(tǒng)的性能分析：穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析及暫態(tài)性能分析。最小拍采樣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例。三、課程的教學(xué)要求：1、緒論使學(xué)生對(duì)古典反饋控制的基本理論和方法有一全

6、面、整體的了解。了解自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)況及反饋控制理論的研究對(duì)象和方法。掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、術(shù)語，了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類，及對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快三方面的基本要求。2、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一般了解數(shù)學(xué)模型的概念、表達(dá)方式，建模的方法。能夠列寫一般物理系統(tǒng)的微分方程。熟悉拉氏變換的定義、性質(zhì)，記住常見的簡(jiǎn)單時(shí)間函數(shù)的拉氏變換式，能根據(jù)拉氏變換的性質(zhì)求解較復(fù)雜時(shí)間函數(shù)的拉氏變換式，會(huì)求拉氏反變換。掌握傳遞函數(shù)的概念及典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。重點(diǎn)掌握控制系統(tǒng)的方框圖及方框圖的化簡(jiǎn)方法。重點(diǎn)掌握用梅遜公式求取系統(tǒng)傳遞函數(shù)。3、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析了解控制系統(tǒng)的典型輸入信號(hào)。了解線性定常系統(tǒng)的時(shí)

7、域響應(yīng)組成，熟悉控制系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)的定義。掌握一階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)及性能指標(biāo)。掌握二階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)分析及其與極點(diǎn)之間的關(guān)系，重點(diǎn)掌握二階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)公式及計(jì)算。一般了解高階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)，掌握閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的概念。了解穩(wěn)定的概念，掌握線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件。重點(diǎn)掌握判斷穩(wěn)定性的Routh代數(shù)判據(jù)及應(yīng)用，對(duì)Hurwitz判據(jù)有一般了解。了解穩(wěn)態(tài)誤差的概念、定義、產(chǎn)生原因、類型。重點(diǎn)掌握給定穩(wěn)態(tài)誤差終值的計(jì)算，掌握擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差終值的計(jì)算及減小穩(wěn)態(tài)誤差的方法，一般了解穩(wěn)態(tài)誤差級(jí)數(shù)的計(jì)算。4、根軌跡法了解根軌跡的概念、意義。重點(diǎn)掌握繪制常規(guī)負(fù)反饋系統(tǒng)根軌跡的基本條件和基本規(guī)則。掌握參

8、量根軌跡的繪制和正反饋根軌跡的繪制。了解多回路控制系統(tǒng)的根軌跡和遲后系統(tǒng)根軌跡。掌握增加開環(huán)零極點(diǎn)對(duì)根軌跡的影響。了解利用根軌跡分析系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。5、控制系統(tǒng)的頻域分析掌握頻率特性的基本概念，幅相頻率特性圖與對(duì)數(shù)頻率特性圖的建立。熟悉典型環(huán)節(jié)的頻率特性及其Nyquist圖與Bode圖。掌握系統(tǒng)開環(huán)頻率特性（Nyquist圖和Bode圖）的繪制。了解最小相位系統(tǒng)的概念。重點(diǎn)掌握利用實(shí)測(cè)開環(huán)幅頻特性確定最小相位系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的方法。重點(diǎn)掌握判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的幾何判據(jù)：乃奎斯特穩(wěn)定判據(jù)（包括利用幅相頻率特性曲線和對(duì)數(shù)頻率特性曲線進(jìn)行判斷）。熟悉控制系統(tǒng)相角裕度、幅值裕度的基本定義和概念及計(jì)算方法

9、。一般了解閉環(huán)幅頻特性（等M圓）的求解方法，掌握頻域性能指標(biāo)及頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系。6、控制系統(tǒng)的綜合與校正了解控制系統(tǒng)校正的概念、校正的實(shí)質(zhì)、校正的方法、校正方式。熟悉串聯(lián)相位超前校正、相位滯后校正、相位滯后-超前校正裝置及特性。重點(diǎn)掌握利用頻率特性法確定串聯(lián)校正裝置參數(shù)的方法。簡(jiǎn)單了解反饋校正、前饋校正及復(fù)合控制。7、采樣控制系統(tǒng)了解采樣控制系統(tǒng)的基本概念、采樣過程，掌握采樣定理的內(nèi)容和零階保持器。熟悉Z變換和Z反變換的計(jì)算方法。掌握求解采樣控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型：差分方程及Z脈沖傳遞函數(shù)的方法。掌握采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和穩(wěn)態(tài)誤差分析，了解其暫態(tài)性能分析。重點(diǎn)掌握采樣控制系統(tǒng)的最小拍設(shè)計(jì)方法

10、（包括廣義被控對(duì)象在單位圓上、圓外無零極點(diǎn)和有零極點(diǎn)）。四、課程學(xué)時(shí)分配：講 課 內(nèi) 容學(xué) 時(shí)1、緒論32、線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型83、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析104、根軌跡法105、控制系統(tǒng)的頻域分析146、控制系統(tǒng)的綜合與校正87、采樣控制系統(tǒng)128、實(shí)驗(yàn)109、習(xí)題課6合 計(jì)81注：習(xí)題課安排在每章結(jié)束做作業(yè)總結(jié)時(shí)，從第二章至第七章每章1學(xué)時(shí)的習(xí)題課，學(xué)時(shí)分配里單列出習(xí)題課是為了強(qiáng)調(diào)此課必須有習(xí)題講解的學(xué)時(shí)安排。五、課程習(xí)題要求：習(xí)題的基本要求是：鞏固和加深理解課堂所學(xué)內(nèi)容，提高計(jì)算能力，運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)分析和計(jì)算從工程實(shí)際中簡(jiǎn)化出來的控制理論問題、培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。設(shè)有3學(xué)時(shí)的習(xí)題

11、課，目的是將一些解題思路和技巧介紹給學(xué)生，引導(dǎo)和培養(yǎng)他們的解題技能。六、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求：1、典型環(huán)節(jié)的模擬實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）。2、典型系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)和性能（2學(xué)時(shí)）。3、計(jì)算機(jī)繪制根軌跡和Nyquist圖、Bode圖及與階躍響應(yīng)的關(guān)系（2學(xué)時(shí)）。4、控制系統(tǒng)的綜合與校正（2學(xué)時(shí)）。5、采樣控制系統(tǒng)（2學(xué)時(shí)）。實(shí)驗(yàn)為重要的輔助教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)的基本要求是：（1）通過自己動(dòng)手組裝各種電路模擬控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)與系統(tǒng)。（2）利用計(jì)算機(jī)軟件，將抽象的根軌跡圖和Nyquist圖、Bode圖與形象的響應(yīng)曲線圖聯(lián)系起來。這些均為了驗(yàn)證所學(xué)內(nèi)容，鞏固所學(xué)知識(shí)，使學(xué)生初步掌握實(shí)驗(yàn)方法和操作技能，訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力和整理資料、編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力，培養(yǎng)嚴(yán)格的科學(xué)作風(fēng)。七、課程主要參考書：1、李友善，自動(dòng)控制理論，國(guó)防工業(yè)出版社，1990年2、蔡尚峰，自動(dòng)控制理論，機(jī)械工業(yè)出版社，1981年3、戴忠達(dá)，自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)，清