《自動控制原理》課程教 案任課教師 所在學院 開課學期：二O二OO二一第(2)學期課程基本信息課程名稱自動控制原理學分：4.0課程學時理論學時：60實驗學時：8 上機學時： 實踐學時：開課單位物聯網工程學院適用專業自動化，電氣工程及其自動化課程類別通識教育課程通識必修（；通識選修（）學科平臺課程學科基礎（；集中性實踐（）專業教育課程專業核心（；專業選修（；集中性實踐（）能力拓展課程專業自主課程（；創新實踐環節（）課程目標1.能夠分析控制系統的基本組成，闡述其工作原理、控制方式，能夠利用牛頓定律、基爾霍夫定律和拉普拉斯變換等方法，對線性系統以及典型非線性環節進行建模和特性分析，并熟練掌握將多個關鍵環節綜合成信號流圖、結構圖和傳遞函數等數學模型的方法，掌握數學模型（1、2章,2-2）2.能夠利用時域法分析一階、二階和高階線性定常系統的動態性能和穩（33-1）3.理解根軌跡的定義，能夠根據根軌跡的繪制基本規則畫出系統的常規（44.能夠利用頻域分析法分析系統的穩定性，計算穩態性能指標，分析系（對應第5章，支撐畢業要求3-1,3-4）5.能夠針對系統的不同性能指標要求，選擇合適的串聯、反饋和復合校正設計方案和控制器結構，并能夠進行校正設計方案的分析和比較。（對應第6章，實驗二、三,支撐畢業要求指標點2-4、3-2、5-2）6.能夠利用描述函數法和相平面法分析典型非線性系統的穩定性，分析非線性系統中的自激振蕩現象，判斷系統的結構和參數變化對非線性（73-1）7.Matlab仿真軟件，進行控制系統的動態性能、穩態性能分析和控制系統的校正分析，明確與實際控制系統的區別和聯系，為實（234567章和仿真實訓,6-3）教學方法（（（（（）考核方式考試（）考查（）百分制（；五級制（；二級制（）課程資源教材：潘豐，徐穎秦.自動控制原理[M].北京：機械工業出版社，2015.參考書目：胡壽松.自動控制原理（第六版）[M].:科學出版社，2013.鄒伯敏.自動控制理論(3版)[M].北京:機械工業出版社，2008.[美]KatsuhikoOgataModernControlEngineering(FourthEdition)[M].北京：電子工業出版社,2007.課外導讀材料：控制科學家之錢學森；控制論之父諾伯特·維納（obtin；工業大數據時代的建模技術與藝術；科學家麥克斯韋；Evans；BodeNyquist；PID的通俗故事；控制科學家之顧毓琇；領袖數學家亨利.龐加萊（JulsniPoin說明：表中()選項請打“√”，其中，教學方法可以多選，其它僅單選。第1章緒論1.本章簡介本章主要學習自動控制的基本原理、自動控制系統的基本組成、基本要求和分類方法和本課程的主要任務。2.基本要求正確理解自動控制的基本概念、任務和控制方式；掌握負反饋的概念，能對開環控制和閉環控制過程進行簡單分析；掌握閉環控制系統的基本組成和各環節的作用；正確理解自動控制系統的基本要求；掌握控制系統的各種分類方法。3.教學方法小班上課，線上線下混合式教學線下：課堂精講+討論線上：中國大學MOOC網4.核心知識點1）（90分鐘：課堂精講討論①（）②自動控制系統的類型③控制系統性能的基本要求和本課程主要任務討論：自動控制系統舉例、工作原理和特點2）線上（45分鐘MC網①②完成第1章測試題。③思政導讀：錢學森、維納等科學家對本學科的貢獻。5.重點難點重點：自動控制系統的基本組成、基本要求和各種分類方法。難點：自動控制的基本原理和負反饋的基本概念。6.本章小結1）自動控制是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象自動地按照要求的運動規律變化的系統。2）3種：開環控制、閉環控制和復合控制。閉環控制也稱反饋控制，它的基本原理是利用偏差，糾正偏差。3個字：穩、快、準。7.下章提示在掌握本章基本知識的基礎上，下章主要學習控制系統的數學模型，包括建模方法、傳遞函數的基本概念、典型環節及控制系統傳遞函數，控制系統結構圖、信號流圖及等效計算等。8.本章作業課后作業：教材習題1-4、1-8。線上作業：第1章測試題第2章控制系統數的學模型1.本章簡介本章主要學習控制系統的建模方法、傳遞函數的基本概念、典型環節及控制系統傳遞函數，控制系統結構圖、信號流圖及等效計算等。2.基本要求1)正確理解數學模型的基本概念，掌握建立動態微分方程的一般方法；2)掌握傳遞函數的定義、性質和意義，以及開環傳遞函數、閉環傳遞函數的概念；了解幾種典型環節的傳遞函數及性質；掌握系統結構圖和信號流圖兩種數學模型圖形表示的定義和組成方法，并會用等效變換法則進行結構圖的簡化，熟練使用梅森公式求系統傳遞函數。3.教學方法小班上課，線上線下混合式教學線下：精講和討論（課堂）+課外實訓（機房）+實驗（實驗室）MOOC網4.核心知識點1)線下（360分鐘：課堂精講+討論①線性控制系統時域數學模型--微分方程②非線性數學模型的線性化討論1：不同類型系統數學模型的相似性③線性控制系統時域數學模型--傳遞函數（傳遞函數的概念、性質、典型環節傳遞函數）④控制系統的結構圖（結構圖的繪制、等效變換和簡化）⑤（討論2；完成第2章課后作業題；2）課外實訓（90分鐘：機房利用MATLAB工具建立控制系統的各類模型；3）線上（90分鐘：中國大學OOC網①控制系統的數學模型；傳遞函數的基本概念和性質；控制系統的結構圖及繪制；結構圖的等效變化和簡化。②控制系統的傳遞函數；信號流圖和梅森公式公式。③完成第2章測試題和第1次線上作業。4）實驗（90分鐘：實驗室實驗一、典型環節模擬研究5.重點難點重點：傳遞函數的基本概念，控制系統結構圖和信號流圖及等效變換法和簡化計算。6.本章小結1）系統的數學模型是描述其動態特性的數學表達式，它是對系2）3）傳遞函數是系統的復數域模型，它等于在零初始條件下，系統輸出的拉氏變換與輸入的拉氏變換之比。它和微分方程一樣反映系統的固有特性，傳遞函數只與系統結構和元件參數有關，與外施信號的大小和形式無關。4）結構圖是傳遞函數的圖形化，它能夠直觀地表示信號的傳遞關系。對結構圖進行等效變換時，要保持被變換部分的輸入量和輸出量之間的數學關系不變。5）信號流圖是另外一種用圖形表示系統信號流向和關系的數學模型，基于系統的信號流圖，通過運用梅森公式能夠簡便、快捷地求出系統的傳遞函數。7.下章提示在掌握本章基本知識的基礎上，下章主要學習控制系統的時域分析法，包括控制系統的穩定條件和判據、動態指標及計算、穩態誤差及計算等。8.本章作業課后作業：教材習題2-6、2-8、2-9、2-10、2-11c)、2-12。仿真作業：實踐與拓展題2-14、2-15。線上作業：第2章測試題和第1次線上作業。第3章控制系統數的時域分析法1.本章簡介2.基本要求53.教學方法小班上課，線上線下混合式教學線下：精講和討論（課堂）+課外實訓（機房）+實驗（實驗室）MOOC網4.核心知識點1）線下（360分鐘：課堂精講討論①控制系統時域響應及去其性能指標；一階系統時域響應（數學模型、階躍響應、性能指標；1：一階系統的建模。二階系統的時域響應（數學模型、階躍響應、性能指標；④高階系統的時域響應（閉環主導極點。2：參數變化對系統動態性能的影響⑤（⑥（。討論3：參數變化對系統穩定性和穩態性能的影響。2）課外實訓（90分鐘：機房利用MATLAB工具分析控制系統的動態和穩態時域性能。3）線上（90分鐘：中國大學OOC網1：系統的時域響應與性能指標；一階系統的時域響知識點2：線性定常系統的穩定性與勞斯判據知識點3：控制系統穩態誤差的計算；控制系統穩態誤差的消除。4）實驗（90分鐘：實驗室實驗二、二階系統和高階系統的瞬態響應和穩定性分析。5.重點難點難點：控制系統的動、穩態性能指標及其計算。6.本章小結1）時域分析是通過直接求解系統在典型輸入信號作用下的時域響應來分析系統性能的。通常是以系統階躍響應的超調量、調節時間和穩態誤差等性能指標來評價系統性能的優劣。2）二階系統在欠阻尼時的響應雖有振蕩，但只要阻尼比取值適當（如0.4~0.8過程的平穩性，因此在控制系統中常把二階系統設計為欠阻尼。3）如果高階系統中有一對閉環主導極點，則該系統的瞬態響應就可以近似地用這對主導極點所描述的二階系統來表征。4）穩定是系統能正常工作的首要條件。線性定常系統的穩定性是系統固有特性，它取決于系統的結構和參數，與外施信號的形式和大小無關。勞斯穩定性判據是一種不用求根的代數判據。穩定判據只回答特征方程式的根在S平面上的分布情況，而不能確定根的具體數值。5）穩態誤差是系統控制精度的度量，也是系統的一個重要性能指標。系統的穩態誤差即與其結構和參數有關，也與控制信號的形式、大小和作用點有關。7.下章提示8.本章作業課后作業：教材習題3-6、3-7、3-14、3-18。仿真作業：實踐與拓展題3-20、3-21。線上作業：第3章測試題和第2次線上作業。第4章控制系統數的根軌跡分析法1.本章簡介等。2.基本要求1）理解根軌跡的基本概念；2）掌握根軌跡方程及幅值條件與相角條件的應用；3）重點掌握常規根軌跡及其基本繪制規則；4）掌握參數根軌跡、零度根軌跡及其基本繪制規則；5）重點掌握應用根軌跡分析參數變化對系統性能的影響。3.教學方法小班上課，線上線下混合式教學線下：精講和討論（課堂）+課外實訓（機房）+實驗（實驗室）MOOC網4.核心知識點1）線下（270分鐘：課堂精講+討論①（；②根軌跡繪制的基本規則；③廣義根軌跡（參量根軌跡、零度根軌跡；④控制系統根軌跡分析法（穩定性分析、動態性能分析。討論：增加零極點對系統根軌跡圖及系統性能的影響。2）課外實訓（90分鐘：機房利用MATLAB工具繪制控制系統的根軌跡并分析根對系統性能的影響。3）線上（90分鐘：中國大學OOC網1：根軌跡的基本概念，根軌跡繪制的基本規則；2：廣義根軌跡；根軌跡分析系統性能；增加零極點對系統根軌跡圖及系統性能的影響。導讀：根軌跡方法提出者W.R.Evans4）實驗（90分鐘：實驗室實驗二、二階系統和高階系統的瞬態響應和穩定性分析。5.重點難點難點：利用根軌跡圖分析系統性能。6.本章小結1）根軌跡是指當系統開環傳遞函數中的某個參數（通常為開環根軌跡增益）由零變化到無窮時，閉環系統特征方程式的根在s平面上的運動軌跡。通常可利用基本規則來畫根軌跡。2）借助根軌跡圖可以比較簡單、直觀地分析參數的變化對系統性能的影響，諸如穩態性能、動態性能等，而且還可利用開3）根據確定的閉環極點和已知的閉環零點，還能給出系統的輸出響應和相應的系統性能指標值，這在一定程度上避免了求解高階微分方程的麻煩。7.下章提示8.本章作業課后作業：教材習題4-5、4-7、4-11、4-12、4-13。仿真作業：實踐與拓展題4-17、4-20。線上作業：完成第4章測試題和第3次線上作業。第5章控制系統數的頻域分析法1.本章簡介本章主要學習控制系統的頻域分析法，包括頻率特性的基本概念、典型環節和開環系統頻率特性圖的繪制，奈氏圖和伯德圖的應用等。2.基本要求1）正確理解控制系統頻率特性的基本概念，掌握頻率特性的圖形表示方法。2）重點掌握典型環節的頻率特性及其特征。3）熟練掌握控制系統開環奈奎斯特圖和Bode圖的繪制方法。4）重點掌握奈奎斯特穩定判據、頻域性能指標的定義和計算。5）掌握系統開環對數頻率特性與系統性能之間的關系，正確理解“三頻段”的概念。6）掌握由最小相位系統的開環對數幅頻特性曲線確定系統開環傳遞函數的方法。3.教學方法小班上課，線上線下混合式教學線下：精講和討論（課堂）+課外實訓（機房）+實驗（實驗室）MOOC網4.核心知識點1）線下（540分鐘：課堂精講討論①頻率特性（基本概念，表示方法；②（典型環節的奈氏圖、Bode圖③控制系統的開環頻率特性（最小相位系統和非最小相位系統、延遲系統、傳遞函數的試驗法確定；討論1：Bode圖與系統性能的關系。④奈奎斯特穩定判據；⑤穩定裕量；⑥頻率特性與系統性能的關系。討論2：系統相對穩定性的影響因素。2）課外實訓（90分鐘：機房利用MATLAB工具繪制控制系統的Bode圖并分析性能；。3）線上（135分鐘：中國大學OOC網知識點1：頻率特性的基本概念；頻率特性的計算與圖示；典型環節的頻率特性；知識點3：奈氏穩定判據；穩定裕量的定義、表示與計算；頻率特性與系統性能的關系導讀：貝爾實驗室的工程師科學家Bode和Nyquist。5.重點難點重點：頻率特性的基本概念，奈氏圖和Bode圖的繪制，奈氏判據的應用，相位裕量和增益裕量的計算，Bode圖和系統性能的關系。難點：奈氏穩定判據的理解、對數頻率特性圖的繪制以及相位裕量的計算。6.本章小結1）頻域分析法是以正弦信號角頻率為自變量，利用頻率特性曲線分析系統性能的方法。頻率特性是線性定常系統在正弦輸入信號作用下的穩態輸出與輸入之比。頻率特性取決于系統本身的結構與參數，它表示了系統的固有特性，可以通過傳遞函數直接求取。所以，頻率特性和傳遞函數、微分方程一樣，是描述系統運動規律的又一種數學模型。2）頻率特性曲線主要包括幅相頻率特性曲線和對數頻率特性曲線。幅相頻率特性曲線又稱幅相曲線或奈氏曲線；對數頻率特性曲線包括對數幅頻特性曲線和對數相頻特性曲線。頻域分析法的兩個重要特點，一是根據系統的開環頻率特性分析Bode圖，進而得到系統的傳遞函數。3）開環傳遞函數中不包含s平面右半面零點和極點的系統稱為最小相位系統。由典型環節組成的系統都是最小相位系統。這類系統的對數幅頻特性和對數相頻特性一一對應，因而只要根據其對數幅頻特性曲線就能確定系統的開環傳遞函數和相應的性能。4）本章的難點之一是奈氏判據。奈氏穩定判據是根據開環奈氏曲線包圍j0)Ns平面右半面的極點數P來判別對應閉環系統的穩定性。而系統的相對穩定性則用相位裕量和增益裕量兩個指標來衡量。5）開環對數幅頻特性中“三頻段”的概念對系統的分析和設計都很重要。一個既有較好的動態響應，又有較高的穩態精度，既有理想的跟蹤能力，又有滿意的抗干擾能力的控制系統，γωcMrωb反映了系統的動σ%ts之間有一定的對應關系。γMrσ%ωc、ωb和ts相對應，反映了系統的動態快速性。7.下章提示PID及復合校正的基本原理等。8.本章作業5-13(3)5-15(1)(2)(4)5-17(b)(e)(g)5-24，5-26，5-29，5-31，5-32。仿真作業：實踐與拓展題5-35、5-37。線上作業：完成第5章測試題和第4次線上作業。第6章控制系統的校正1.本章簡介本章主要學習控制系統的校正，包括系統校正的基本概念、三種基本串聯校正的基本原理及應用、期望頻率特性法校正設計及PID控制器、反饋校正及復合校正的基本原理等。2.基本要求1）正確理解控制系統校正的基本含義。2）熟練掌握系統校正的基本要求、常用的性能指標及其計算。3）熟練掌握常用的3種校正裝置及其特點。4）重點掌握利用開環對數幅頻特性曲線進行串聯校正常用的基本方法。4）理解利用開環對數幅頻特性曲線進行綜合法校正的原理及特點。6）掌握PID控制的特點及工程校正的設計原理及方法。7）正確理解反饋校正的原理及特點。8）正確理解復合校正的原理及特點。3.教學方法小班上課，線上線下混合式教學線下：精講和討論（課堂）+課外實訓（機房）+實驗（實驗室）MOOC網4.核心知識點1）線下（360分鐘：課堂精講討論①校正的基本概念和方法（校正概念、常用方法及特點、校正系統性能指標；②串聯超前校正（原理、特點、設計步驟；③串聯滯后校正（原理、特點、設計步驟；④串聯滯后超前校正（原理、特點、設計步驟；⑤PID控制器；⑥期望特性法校正；⑦反饋校正；⑧復合校正。討論：工程法校正的應用舉例2）課外實訓（90分鐘：機房利用MATLAB工具對控制系統進行串聯校正設計并進行校正前后系統性能分析。3）線上（135分鐘：中國大學OOC網/滯后校正原理；串聯超前/滯后校正設計。知識點2：串聯滯后-超前校正、期望頻率特性法校正。知識點3：PID控制器、反饋校正、復合校正導讀：PID的通俗故事。4）實驗（180分鐘：實驗室實驗三、線性定常系統的幾種常用串聯校正設計方法；實驗四、控制系統的綜合性設計。5.重點難點重點：系統校正的基本概念，常用的性能指標及要求，3種校正裝置及其特點，三種串聯校正的基本原理及設計方法，PID控制器及應用，反饋校正和復合校正的基本原理。難點：校正的基本原理及應用，串聯校正裝置的設計方法。6.本章小結PID“先穩態后動態”的順序完成對校Bode圖，然后考慮滿足動態性能的補償問題。1）串聯校正-超前校正三種形式，它們都是根據系統提出的穩態和動態頻域或時域性能指標要求，環對數頻率特性形狀，使校正后系統頻率特性的低、中、高3個頻段都能滿足指標要求。超前校正一般設置在原系統中頻段，用于改善系統動態性能；滯后校正一般設置在系統低頻段，用于改善系統穩態性能，也可以用來提高系統的相對穩定性，但要以犧牲快速性為代價；滯后-超前校正一般設置在系統低、中頻段，用于改善系統的綜2）PID控制現代控制系統中，大多是利用對系統誤差信號的比例（P積分（I）和微分（D）PID控制。在PID制指標的不同要求，再分別引入積分控制或微分控制，因而有PI控制、PDPID控制。PID控制和串聯校正有著內在聯系，PI控制是一種滯后校正，PD控制是一種超前校正，PID控制是一種滯后-PID控制器參數調節范圍大，在生產過程控制中得到廣發應用。3）期望特性法校正據是閉環系統性能指標與開環對數頻率特性之間確定的對應關4）反饋校正5）復合校正Simulink進行系統校正，可以增強對系統（1）校正裝置的選擇不是唯一的。本章介紹了幾種常用的（2）校正裝置的設計方法與步驟不是唯一的。可以根據需-超前校正裝置的設計中，可以先確定超前部（3）“試湊”7.下章提示在掌握本章基本知識的基礎上，下章主要學習非線性系統分析方法，包括典型的非線性特性，描述函數法和相平面分析法。8.本章作業課后作業：教材習題6-8、6-10、6-11。仿真作業：實踐與拓展題6-21、6-23、6-24。線上作業：完成第6章測試題和第5次線上作業。第7章非線性系統分析1.本章簡介本章主要學習非線性系統的分析方法，包括典型的非線性特性，描述函數法和相平面分析法等。2.基本要求1）掌握非線性系統的定義。2）熟悉幾類常見的非線性特性及一般非線性系統的基本特征。3）4）重點掌握用描述函數法判別非線性系統的穩定性和自激振蕩的分析與計算。5）掌握相平面法、奇點和奇線的基本概念。6）了解相軌跡圖的繪制法則及用相平面法分析非線性系統。7）掌握MATLAB在非線性系統分析中的應用。3.教學方法小班上課，線上線下混合式教學線下：精講和討論（課堂）+課外實訓（機房）+實驗（實驗室）MOOC網4.核心知識點1）線下（360分鐘：課堂精講討論①引言；②典型非線性特性；③（；討論：典型非線性特性及其應用④相平面法（利用相平面法分析非線性系統）2）課外實訓（90分鐘：機房利用MATLAB工具繪制非線性系統的相平面圖并分析自激振蕩現象。3）線上（135分鐘：中國大學OOC網知識點1：非線性系統定義與特征；典型非線性特性分析；描述函數的定義與求法。知識點2：組合非線性特性的描述函數計算；描述函數法分析非線性系統穩定性。知識點3：相平面法的基本概念和繪制方法；奇點和奇線；相平面法分析非線性系統。導讀：控制領域科學家顧毓琇先生在科學技術上的創新開拓，領袖數學家亨利·龐加萊。4）實驗（180分鐘：實驗室實驗五、繼電型非線性系統的性能分析。5.重點難點重點：典型非線性特性分析、描述函數的定義與求法、描述函數法分析非線性系統穩定性。難點：相平面法的基本概念和繪制方法；奇點和奇線的概念。6.本章小結1）非線性系統與線性系統的本質差別在于是否滿足疊加原理。非線性系統有許多線性系統所沒有的特點，自激振蕩就是其中的一種。這是一種穩定的周期運動，即使受到一定范圍內擾動的影響，振蕩也能夠維持。研究自激振蕩，是非線性系統理論的一個重要內容。2）本章介紹了非線性系統的三種分析方法：描述函數法、相平面法以及基于Simulink的系統分析。3描述函數法是分析非線性系統穩定性和自激振蕩的常用方法，但由于沒有考慮外作用的影響，不能用來求解系統的響應。它適用于非線性程度較低，線性部分低通濾波特性較好的系統。在應用時應注意其限制條件，否則，可能得到錯誤的結論。4）相平面法內容包括相平面與相軌跡、奇點與極限環等。它適用于一階和二階的系統，可以用來判定系統的穩定性與自激振蕩，計算動態響應。Simulink力的輔助分析設計工具。7.下章提示在掌握本章基本知識的基礎上，下章主要學習離散控制系統的分析方法，包括離散控制系統的基本概念及特點，信號的采樣與復現，z變換與反變換，離散控制系統數學模型及性能分析。8.本章作業課后作業：教材習題7-8，7-10，7-11，7-17。線上作業：完成第7章測試題。第8章離散控制系統1.本章簡介本章主要學習離散控制系統的分析方法，包括離散控制系統的基本概念及特點，信號的采樣與復現，z變換與反變換，離散控制系統數學模型及性能分析等。2.基本要求正確理解離散控制系統基本概念和特點。掌握z變換及z反變換的定義、定理和應用。熟練掌握脈沖傳遞函數及根據結構圖求閉環脈沖傳遞函數，理解離散系統暫態響應與z學會在時域內用輸出脈沖