自動控制理論課程教學(xué)大綱

課程名稱：自動控制理論

英文名稱：AutomaticControlTheory

課程編號：

學(xué)時數(shù)；96

其中實(shí)驗(yàn)學(xué)時數(shù)：16課外學(xué)時數(shù)：0

學(xué)分?jǐn)?shù)：6.0

適用專業(yè)：測控技術(shù)與儀器

一、課程的性質(zhì)和任務(wù)

自動控制理論是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是該專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行控制系統(tǒng)分

析和設(shè)計(jì)最基本的理論基礎(chǔ)。本課程主要講授經(jīng)典控制理論及現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)的主要內(nèi)

容，它包括經(jīng)典理論的三種分析方法，即時域法，根軌跡法和頻域法，以及現(xiàn)代控制理論

的狀態(tài)空間法。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步講授控制系統(tǒng)的經(jīng)典設(shè)計(jì)方法與狀態(tài)空間設(shè)計(jì)方

法，即系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與綜合，并簡單介紹離散系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)方法的基本思

想。學(xué)習(xí)該課程的目的在于培養(yǎng)學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)際中的分析問題與解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)

生分析、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力。該課程為運(yùn)動控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、智能控制理論

等多門后繼課程打下了必需的理論基礎(chǔ)。

二、課程教學(xué)內(nèi)容的基本要求、重點(diǎn)和難點(diǎn)

1.自動控制的一般概念

基本要求：要求理解和掌握下面基本概念：反饋、開環(huán)控制、閉環(huán)控制、控制器、被控

對象；讓學(xué)生了解控制系統(tǒng)的基本性能要求。

2.控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

基本要求：掌握電路系統(tǒng)及力學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一微分方程的建立、典型元部件的傳遞

函數(shù)的求取、結(jié)構(gòu)圖的繪制，以及由結(jié)構(gòu)圖等效變換求傳遞函數(shù)、由梅遜公式求傳遞函數(shù)的

方法。并要求掌握由微分方程、傳遞函數(shù)及結(jié)構(gòu)圖建立控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述、畫狀態(tài)變

量圖，以及將狀態(tài)方程化為規(guī)范型的方法。

重點(diǎn)：系統(tǒng)傳遞函數(shù)的求取、狀態(tài)空間模型的求取、以及對角和約當(dāng)規(guī)范型。

難點(diǎn)：結(jié)構(gòu)圖等效變換：梅遜公式及其意義：將狀態(tài)方程化為規(guī)范型.

3.線性系統(tǒng)的時域分析法

基本要求：了解時域性能指標(biāo)的定義，掌握并熟練掌握一階和二階系統(tǒng)性能指標(biāo)的求取

及二階系統(tǒng)性能改善的方法，了解并理解高階系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的分析方法、主導(dǎo)極點(diǎn)的概

念。熟練掌握勞斯穩(wěn)定判據(jù)及其應(yīng)用，穩(wěn)態(tài)誤差的分析與計(jì)算，減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的方法。

重點(diǎn)：二階系統(tǒng)動態(tài)性能估算，穩(wěn)定性分析方法及穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算方法。

難點(diǎn)：二階系統(tǒng)性能改善的方法及擾動作用下減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的措施。

4.線性系統(tǒng)的根軌跡法

基本要求：了解并理解根軌跡的概念，根軌跡方程，熟練掌握繪制根軌跡的基本法則（常

規(guī)根紈跡、零度根就跡及參數(shù)根軌跡），掌握川根軌跡法分析系統(tǒng)的基本方法。

重點(diǎn)：用根軌跡分析系統(tǒng)。

難點(diǎn)：用根軌跡法設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)。

5.線性系統(tǒng)的頻域分析法

基本要求：了解頻域特性的物理意義，掌握系統(tǒng)頻率特性的圖文表示方法（開環(huán)幅相曲

線、對數(shù)頻率特性曲線），熟練掌握奈氏判據(jù)，穩(wěn)定裕度，以及用頻域特性分析控制系統(tǒng)性

能的方法。

重點(diǎn)：頻率特性的物理意義及圖文表示方法；奈氏判據(jù)應(yīng)用及穩(wěn)定裕度的確定。

難點(diǎn)：開環(huán)幅相曲線、對數(shù)頻率特性曲線的概略繪制，對應(yīng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的確定，及用

頻率法分析系統(tǒng)性能。

6.線性控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析法

基本要求：掌握線性控制系統(tǒng)的時域分析法，包括線性定常系統(tǒng)的自由運(yùn)動、矩陣指數(shù)

的計(jì)算方法、線性定常系統(tǒng)的受控運(yùn)動：掌握系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法，包括李雅普諾夫意義卜

的穩(wěn)定性、李雅普諾夫穩(wěn)定性定理、線性系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析方法；正確理解系統(tǒng)

能控性與能觀性的基本概念與判據(jù)，熟練掌握能控標(biāo)準(zhǔn)型與能觀標(biāo)準(zhǔn)型，對偶原理，規(guī)范分

解。

重點(diǎn)：狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和線性定常系統(tǒng)狀態(tài)方程的求解方法；線性系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定

性分析方法；系統(tǒng)能控性與能觀性的基本概念與判據(jù)；能控標(biāo)準(zhǔn)型與能觀標(biāo)準(zhǔn)型。

難點(diǎn)：線性定常系統(tǒng)的受控運(yùn)動；李雅普諾夫穩(wěn)定性分析；能控標(biāo)準(zhǔn)型與能觀標(biāo)準(zhǔn)型的

轉(zhuǎn)化。

7.線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

基本要求：了解并掌握經(jīng)典理論的校正方法，包括頻率法校正，期望頻率特性法校正，

反饋校正，復(fù)合控制校正。掌握現(xiàn)代控制理論基本設(shè)計(jì)方法-一狀態(tài)反饋系統(tǒng)的極點(diǎn)配置法,

狀態(tài)重構(gòu)問題，觀測器的極點(diǎn)配置，帶觀測器的閉環(huán)反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

重點(diǎn)：串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，期望頻率特性法校正，狀態(tài)反饋系統(tǒng)的極點(diǎn)配

置法。

難點(diǎn)：串聯(lián)超前、滯后校正網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，帶觀測器的閉環(huán)反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

8.線性離散系統(tǒng)分析方法

基本要求：理解信號的離散化與保持器作用，掌握Z變換定理，脈沖傳遞函數(shù)的求法，

了解離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差分析方法。

重點(diǎn)：開環(huán)、閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的求取。

難點(diǎn)：采樣過程的描述，閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的求法。

9.非線性控制系統(tǒng)分析方法

基本要求：了解非線性系統(tǒng)的相平面分析法，掌握描述函數(shù)法，會用描述函數(shù)法分析非

線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性及自振參數(shù)的確定。

重點(diǎn)：用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性及自振參數(shù)的確定。

難點(diǎn)：描述函數(shù)的確定。

三、教學(xué)方式及學(xué)時分配

本課程教學(xué)方式主要分為理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分，采用以基礎(chǔ)理論的講授為.主，實(shí)驗(yàn)作

為輔助手段，主要幫助學(xué)生加深對所講內(nèi)容的理解，掌握所學(xué)知識的應(yīng)用。再通過課內(nèi)習(xí)題

課和課內(nèi)、課外一定數(shù)量的輔導(dǎo)與練習(xí)，提高學(xué)生的分析問題、解決問題的能力，達(dá)到理解、

掌握、鞏固所學(xué)理論知識的目的。

主要教學(xué)輔導(dǎo)

主要內(nèi)容

號學(xué)時答疑比例

方式分

配

-1.自動控制的一般概念講授22:1

講授及

-2.控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型122:1

練習(xí)

講授及

二3.線性系統(tǒng)時域分析法102:1

練習(xí)

實(shí)驗(yàn)一二階系統(tǒng)的階躍

實(shí)驗(yàn)4

響應(yīng)分析

講授及

4.線性系統(tǒng)的根軌跡法82:1

-練習(xí)

實(shí)驗(yàn)二控制系統(tǒng)根軌跡

實(shí)驗(yàn)4

的計(jì)算機(jī)輔助分析

5.線性系統(tǒng)的頻域分析講授及

102:1

法練習(xí)

實(shí)驗(yàn)三頻域法的計(jì)算機(jī)

)實(shí)驗(yàn)4

輔助分析

6.線性控制系統(tǒng)的狀態(tài)講授及

)122:1

空間分析法練習(xí)

7.線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)講授及

-142:1

方法練習(xí)

實(shí)驗(yàn)四線性控制系統(tǒng)的

實(shí)驗(yàn)4

―?設(shè)計(jì)與仿真

8.線性離散系統(tǒng)的分析講授62:1

9.非線性控制系統(tǒng)分析

講授62:1

方法簡介

合計(jì)96

四、課程其他教學(xué)環(huán)節(jié)要求

本課程要求在理論教學(xué)方面，重點(diǎn)講授以三種經(jīng)典分析方法為基礎(chǔ)的線性連續(xù)定常單

輸入單輸出系統(tǒng)的分析和綜合的基本理論和以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論，粗略講

授采樣系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的分析方法。在授課過程中，應(yīng)有一定的習(xí)題課或討論課，作業(yè)

要有一定的量（每次課可留1-2道習(xí)題），在課后加強(qiáng)輔導(dǎo)，以使學(xué)生更好地掌握所學(xué)內(nèi)

容；實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生認(rèn)真做，上交實(shí)驗(yàn)報告。對于作業(yè)及實(shí)驗(yàn)未完成者不得參加考試。

五、本課程與其他課程的聯(lián)系

本課程的先修課程為高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、線性代數(shù)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和

電路原理，后續(xù)課程有計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、運(yùn)動控制系統(tǒng),智能控制導(dǎo)論。

六、教學(xué)參考書目

1、《自動控制原理》第五版胡壽松主編科學(xué)出版社2007.6

2、《自動控制原理》