《自动控制理论与设计》课程教学大纲
（2016年制订）
课程编号：1600410
英 文 名：The Principle and Design of Automatic Control
课程类别：任意选修课
前 置 课：电器自动化基础、线性代数
后 置 课：
学 分：2学分
课 时：34课时
课程负责人：
主讲教师：周林泉等
考核方式：开卷考试
成绩构成: 平时成绩、期末成绩
使用教材：鄢景华，《自动控制原理》，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006年
课程概述：
本课程主要使学生获得自动控制的基本概念、基本原理和与方法。培养学生分析问题和解决问题的能力。了解反馈控制系统的发展与应用，拓宽知识面，为以后的学习、创新和科学研究工作打下扎实的理论和实践基础。
本大纲适用于工业工程专业。
教学目的：
l、掌握自动控制的概念、基本控制方式及特点、对控制系统性能的基本要求。
2、掌握典型环节的传递函数、结构图化简以及控制系统传递函数的建立和表示方法。
3、掌握暂态性能指标、劳思判据、稳态误差、终值定理和稳定性的概念以及利用这些概念对二阶系统性能的分析。
4、了解根轨迹的概念和绘制法则，并能利用根轨迹对系统性能进行分析。
5、掌握频率特性的概念、开环系统频率特性Nyquist图和Bode图的画法和奈氏判据。
教学方法：
本课程的理论性较强，在教学方法上要注意课堂教学与计算机模拟仿真相结合，注意物理意义的阐述，培养学生既具有灵活的思维能力又具有解决实际问题的综合设计能力。
各章教学要求及要点
第一章 自动控制概论
课时分配：2课时
教学要求：
了解自动控制的研究对象与任务；掌握系统及其模型、反馈的概念；了解系统的分类及对控制系统的基本要求；熟悉控制系统中基本名词和基本变量；了解控制理论发展简史，熟悉本课程的特点与学习方法。
教学内容：
第一节 自动控制与自动控制系统的基本概念
一、 自动控制。
二、 自动控制系统。
三、 自动控制理论。
四、 自动控制系统的组成。
五、 自动控制的发展。
六、 控制系统的分类。
七、 常用术语。
第二节 开环控制与闭环控制
一、 开环控制
二、 闭环控制
第三节 控制系统举例
一、 电流随动系统稳定性。
二、 电压与电动势恒值控制系统快速性。
三、 准确性
第四节 控制系统的组成与对控制系统的基本要求
一、 控制系统的基本组成。
二、 对控制系统的基本要求。
思考题：
1、控制系统的研究对象和任务是什么？
2、对控制系统的基本要求有哪些？
3、日常生活中有许多开环和闭环控制系统，试举几个具体例子，并说明它们的工作原理。
第二章 控制系统的数学模型
课时分配：10课时
教学要求：
了解数学模型的基本概念，能运用动力学、电学等知识，列写机械系统、电网络的微分方程；掌握传递函数的概念、特点，会用分析法求系统传递函数；了解传递函数方框图的组成及意义，能根据系统微分方程，绘制系统传递函数方框图，并实现简化，从而求出系统传递函数；掌握典型环节的传递函数；掌握反馈控制系统的传递函数；了解相似原理的概念。
教学内容：
第一节 控制系统微分方程式的建立
一、 电气系统。
二、 机械系统。
三、 机电系统。
四、 液位系统。
第二节 传递函数
一、 用拉普拉斯变换求解线性微分方程。
二、 传递函数的定义。
三、 关于传递函数的几点说明。
四、 基本环节及其传递函数。
五、 电气网络的运算阻抗与传递函数。
第三节 控制系统的方块图和传递函数
一、 方块图的概念与绘制。
二、 方块图的变换规则。
三、 典型控制系统的传递函数。
四、 方块图的化简。
第四节 脉冲响应
思考题：
1、什么是线性系统？其最重要的特性是什么？
2、用分析法建立系统数学模型的原理是什么？
3、传递函数方框图的等效变换应遵循的原则是什么？
第三章 控制系统的时域分析法
课时分配：8课时
教学要求：
了解系统时间响应及其组成；了解常用典型输入信号及其特点；掌握一阶系统的定义和一般形式以及其单位脉冲响应、单位阶跃响应；掌握二阶系统的定义和一般形式以及其单位脉冲响应、单位阶跃响应；掌握二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系；了解高阶系统的概念；掌握系统误差的定义、系统误差与系统偏差的关系以及稳态误差的求法。
教学内容：
第一节 典型输入信号
一、 脉冲函数。
二、 阶跃函数。
三、 速度函数（或斜坡函数）。
四、 加速度函数。
五、 正弦函数。
第二节 一阶系统的过渡过程
一、 单位阶跃函数作用下一阶系统的过渡过程。
二、 单位速度函数作用下一阶系统的过渡过程。
三、 理想单位脉冲函数作用下一阶系统的过渡过程。
四、 线性定常系统的重要特性。
第三节 二阶系统的过渡过程
一、 二阶系统传递函数的标准形式。
二、 单位阶跃函数作用下二阶系统的过渡过程（简称阶跃响应）。
三、 二阶系统的性能指标。
四、 二阶系统的脉冲过渡过程。
五、 单位速度函数作用下二阶系统的过渡过程。
第五节 控制系统的稳定性
一、 稳定的概念和定义。
二、 稳定条件。
三、 劳斯稳定判据。
第六节 控制系统稳态误差的基本概念
一、 误差。
二、 稳态误差。
三、 误差与偏差。
第七节 稳态误差的计算
一、 阶跃输入作用下的稳态误差及静态位置误差系数。
二、 斜坡输入作用下的稳态误差及静态速度误差系数。
三、 抛物线输入作用下的稳态误差及静态加速度误差系数。
第八节 消除和减少稳态误差的办法
一、 增大系统开环增益或扰动作用点之前系统的前向通道增益。
二、 在系统的前向通道或主反馈通道设置串联积分环节。
思考题：
1、什么是时间响应？对于稳定的系统，其时间响应可分为哪两部分？
2、时间响应的瞬态响应反映哪方面的性能？而稳态响应反映哪方面的性能？
第四章 根轨迹法
课时分配：4课时
教学要求：
了解根轨迹法的基本概念，基本条件和基本规则
教学内容：
第一节 控制系统的根轨迹
一、 根轨迹图的基本概念。
二、 幅值条件和幅角条件。
第二节 刽制根轨迹的基本规则
一、 根轨迹的起点和终点。
二、 根轨迹的分支数。
三、 轨迹的对称性。
四、 根轨迹的渐近线。
五、 实轴上的根轨迹。
六、 实轴上根轨迹的分离点和汇合点。
七、 根轨迹的出射角和入射角。
八、 根轨迹和虚轴的交点及临界根轨迹增益值。
九、 闭环系统极点之和与闭环系统极点之积。
第三节 按根轨迹分析控制系统
思考题：
1、根轨迹是依据什么方程绘制出来的？
2、简略说明绘制根轨迹的基本法则。
第五章 频率特性法
课时分配：10课时
教学要求：
掌握频率特性的定义和代数表示法以及其与传递函数、微分方程之间的相互关系；掌握频率特性和频率响应的求法；掌握频率特性的Nyquist 图和Bode图的组成原理，熟悉典型环节的Nyquist 图和Bode图的特点和绘制；了解闭环频率特性和开环频率特性之间的关系；掌握频域中性能指标的定义和求法，了解频域中性能指标与系统性能的关系；了解最小相位系统和非最小相位系统的概念。
教学内容：
第一节频率特性
一、 极坐标频率特性图（奈奎斯特图）。
二、 对数坐标频率特性图（伯德图）。
第二节 典型环节的频率特性
一、放大环节。
二、积分环节。
三、 微分环节。
四、 惯性环节。
五、 一阶微分环节。
六、 振荡环节。
七、 二阶微分环节。
八、 延迟环节。
九、 最小相位系统。
第三节 Nyquist稳定判据
一、 幅角定理。
二、 奈奎斯特稳定性判据。
三、 开环系统含有积分环节时判据的应用。
四、 奈奎斯特稳定性判据在波德图中的表示形式。
第四节 控制系统的相对稳定性
一、 相角裕度。
二、 幅值裕度。
第五节 闭环频率特性图
思考题：
1、什么是频率特性？求频率特性的方法主要有哪几种？
2、叠加法绘制系统频率特性Bode图的一般步骤是什么？
3、什么是最小相位系统？产生非最小相位系统的环节有哪些？
参考书目
1、胡寿松主编.自动控制原理 [M]，北京：科学出版社，2013年
2、许丽佳主编.自动控制原理[M].北京：北京大学出版社，2013年.
3、孙炳达主编. 自动控制原理[M].北京：机械工业出版社，2011年.
4、李友善编著.自动控制原理（第3版）[M].北京：国防工业出版社，2005年.
5、曹军等.控制工程基础[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2002年.
6、梅晓榕.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2002年.
7、冯巧玲.自动控制原理[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003年.
8、[美]Katsuhiko ogata著，卢伯英等译.现代控制工程（第四版）[M]，北京：电子工业出版社，2003年
9、高国燊等，自动控制原理[M]，广州：华南理工大学出版社，，2003年
10、 刘明俊等.自动控制原理[M].长沙：国防科技大学出版社，2000年
11、 胡寿松，自动控制原理习题解析[M]，北京：科学出版社，2007年
执笔人：周林泉
审定人：孟秀丽
院负责人：刘军
