西安石油大学教案(首页) 院(系) 电子工程学院 教研室(系):自动化系 必修课(√)限选课() 自动控制理论 课程类别 果程名称 公共任选课() 总学时72学分 讲授 上机 实验 学时 64 学时 学时 专业 自动化 班级 自04-1、2 任课教师 霍爱清 职称 副教授 本课程是自动化专业的学科大类基础课程,是一门必修课,是本专业主干课程。 通过本课程的学习,使学生建立经典控制理论部分的基本概念,学习现代控制理论 教学目的的基本内容,掌握反馈控制原理的应用以及分析和设计的一般规律,使其具有分析 和要求和设计自动控制系统的初步能力。同时,为专业基础课及专业课的学习打好基础 而且为以后从事实际工作和科研奠定一定的理论基础 重点:线性系统的时域分析法、线性系统的根轨迹法、线性系统的频域分析法以及 线性系统的状态空间分析与综合 教学重难点:结构图等效变换、梅森公式的应用、扰动作用下减小或消除稳态误差的措施 难点 阶系统动态性能分析、广义根轨迹的分析与应用、复杂系统稳定裕度的确定、多 环系统的开环幅相曲线、对数曲线的概略绘制及相应系统传递函数的确定、反馈校 正方法及应用、矩阵指数的计算、状态方程的求解、系统能控性、能观测性问题以 及稳定性概念的理解 [1]胡寿松主编,《自动控制原理》,第四版,科学出版社,2004年 [2]戴忠达主编,《自动控制理论基础》,清华大学出版社,2001年 [3]李友善主编,《自动控制原理》,,国防工业出版社,2000年 [4]胡寿松主编,《自动控制原理习题集》,国防工业出版社,2004年 教材和 [5]张子旭主编,《自动控制系统分析与设计》,陕西科技出版社,1999年 考书 [6] D K ANAND, INTRODUCTION TO CONTROL SYSTEMS [7]自编教材,《自动控制理论实验指导书》 [8]自编教材,《自动控制理论学习指导书》 [⑨]自编教材,《自动控制理论课程设计指导书》
西安石油大学教案(首页) 院(系)： 电子工程学院 教研室(系)：自动化系 课程名称 自动控制理论 课程类别 必修课（√ ）限选课（ ） 公共任选课（ ） 总学时 72 学分 4 讲授 学时 64 上机 学时 实验 学时 8 专 业 自动化 班 级 自 04-1、2 任课教师 霍爱清 职 称 副教授 教学目的 和要求 本课程是自动化专业的学科大类基础课程，是一门必修课，是本专业主干课程。 通过本课程的学习，使学生建立经典控制理论部分的基本概念，学习现代控制理论 的基本内容，掌握反馈控制原理的应用以及分析和设计的一般规律，使其具有分析 和设计自动控制系统的初步能力。同时，为专业基础课及专业课的学习打好基础， 而且为以后从事实际工作和科研奠定一定的理论基础。 教学重 点、难点 重点：线性系统的时域分析法、线性系统的根轨迹法、线性系统的频域分析法以及 线性系统的状态空间分析与综合 难点：结构图等效变换、梅森公式的应用、扰动作用下减小或消除稳态误差的措施、 高阶系统动态性能分析、广义根轨迹的分析与应用、复杂系统稳定裕度的确定、多 环系统的开环幅相曲线、对数曲线的概略绘制及相应系统传递函数的确定、反馈校 正方法及应用、矩阵指数的计算、状态方程的求解、系统能控性、能观测性问题以 及稳定性概念的理解 教材和参 考书 [1] 胡寿松主编，《自动控制原理》，第四版，科学出版社，2004 年 [2] 戴忠达主编，《自动控制理论基础》，清华大学出版社，2001 年 [3] 李友善主编，《自动控制原理》,，国防工业出版社，2000 年 [4] 胡寿松主编，《自动控制原理习题集》 ，国防工业出版社，2004 年 [5] 张子旭主编，《自动控制系统分析与设计》，陕西科技出版社，1999 年 [6] D.K.ANAND, INTRODUCTION TO CONTROL SYSTEMS [7] 自编教材，《自动控制理论实验指导书》 [8] 自编教材，《自动控制理论学习指导书》 [9] 自编教材，《自动控制理论课程设计指导书》
西安石油大学教案(章节备课) 学时:4h 章节 第1章自动控制的一般概念 1.自动控制 2控制系统的组成 和识点和分析方法 3负反馈控制原理 4.控制系统分类 5对控制系统的基本要求 1.自动控制和自动控制系统的含义。 2反馈和反馈控制系统的概念、反馈控制系统的特点 重点 3控制系统的组成和分类; 4确定控制系统的被控对象、被控量、调节量、给定量,绘制控制系统 的方块图,分析实际系统的控制原理。 (1)正确理解和掌握负反馈控制原理 (2)了解控制系统的组成与分类; 要求掌握内容 3)能确定控制系统的被控对象、被控量和控制量;掌握根据工作原理 图绘制系统方框图的方法。 教授思路,采用的 教学方法和辅助 多媒体教学。 手段,板书设计 重点如何突出,难结合工程实际系统,引出系统的组成,分析系统的反馈控制原理,确定实 点如何解决,师生际系统的被控对象、被控量、调节量、给定量,绘制控制系统的方块图。 互动等
西安石油大学教案(章节备课) 学 时： 4h 章节 第 1 章 自动控制的一般概念 知识点和分析方法 1.自动控制 2.控制系统的组成 3.负反馈控制原理 4. 控制系统分类 5.对控制系统的基本要求 重点 难点 1.自动控制和自动控制系统的含义。 2.反馈和反馈控制系统的概念、反馈控制系统的特点； 3.控制系统的组成和分类； 4.确定控制系统的被控对象、被控量、调节量、给定量，绘制控制系统 的方块图，分析实际系统的控制原理。 要求掌握内容 （1）正确理解和掌握负反馈控制原理； （2）了解控制系统的组成与分类； （3）能确定控制系统的被控对象、被控量和控制量；掌握根据工作原理 图绘制系统方框图的方法。 教授思路，采用的 教学方法和 辅助 手段，板书设计， 重点如何突出，难 点如何解决，师生 互动等 多媒体教学。 结合工程实际系统，引出系统的组成，分析系统的反馈控制原理，确定实 际系统的被控对象、被控量、调节量、给定量，绘制控制系统的方块图
1-1~1-3从实际系统抽象出系统的框图 1-4反馈加前馈系统框图,确定实际系统的被控对象、被控量、调节量、给 本章思考题和题定量,分析工作过程 1-5温度控制系统工作过程 1-7扰动系统研究 主要 参考资料 同前 备注
本章思考题和习题 1-1～1-3 从实际系统抽象出系统的框图 1-4 反馈加前馈系统框图，确定实际系统的被控对象、被控量、调节量、给 定量，分析工作过程 1-5 温度控制系统工作过程 1-7 扰动系统研究 主要 参考资料 同前 备注
西安石油大学教案(章节备课) 学时:8h 第2章控制系统的数学模型βh 2—1控制系统的时域数学模型 2-2控制系统的复数域数学模型 2-3控制系统的结构图与信号流图 章节 2-4数学模型的实验测定法 习题 补充: MATLAB概述 1.拉氏变换与拉氏反变换 2.微分方程的建立 识点和3.传递函数 析方法4.结构图 5.信号流图 6.梅逊公式 1.重点 建立微分方程的方法;运用拉氏变换解微分方程的方法;传递函数的概念和性质 传递函数和微分方程之间的关系;结构图的绘制和等效变换;结构图和信号流图 的关系;梅逊公式 重点 难点2.难点 (1)运用综合的基础知识(如电子、机械、物理等知识)建立正确的微分方程: (2)建立系统的结构图或信号流图 (3)结构图和信号流图等效变换的灵活运用:梅逊公式的应用 (1)掌握拉氏变换与拉氏反变换的定义与求取 (2)了解建立系统微分方程的一般方法 (3)掌握运用拉氏变换解微分方程的方法 (4)牢固掌握传递函数的概念、定义和性质: 要求掌握 (5)明确传递函数与微分方程之间的关系; 内容 (6)能熟练地进行结构图等效变换 (7)明确结构图与信号流图之间的关系; (8)能熟练运用梅逊公式求系统传递函数 (9)掌握从不同途径求传递函数的方法
西安石油大学教案(章节备课) 学 时： 8h 章节 第 2 章 控制系统的数学模型 8h 2—1 控制系统的时域数学模型 2—2 控制系统的复数域数学模型 2—3 控制系统的结构图与信号流图 2—4 数学模型的实验测定法 习题 补充：MATLAB 概述 知识点和 分析方法 1. 拉氏变换与拉氏反变换 2. 微分方程的建立 3．传递函数 4. 结构图 5. 信号流图 6. 梅逊公式 重点 难点 1. 重点 建立微分方程的方法；运用拉氏变换解微分方程的方法；传递函数的概念和性质； 传递函数和微分方程之间的关系；结构图的绘制和等效变换；结构图和信号流图 的关系；梅逊公式。 2. 难点 （1）运用综合的基础知识(如电子、机械、物理等知识)建立正确的微分方程； （2）建立系统的结构图或信号流图； （3）结构图和信号流图等效变换的灵活运用；梅逊公式的应用。 要求掌握 内容 （1） 掌握拉氏变换与拉氏反变换的定义与求取； （2） 了解建立系统微分方程的一般方法； （3） 掌握运用拉氏变换解微分方程的方法； （4） 牢固掌握传递函数的概念、定义和性质； （5） 明确传递函数与微分方程之间的关系； （6） 能熟练地进行结构图等效变换； （7） 明确结构图与信号流图之间的关系； （8） 能熟练运用梅逊公式求系统传递函数； （9） 掌握从不同途径求传递函数的方法：
教授思 咯,采用 的教学方 法和辅 助手段,多媒体教学及黑板板书结合 板书设重点突出:贯穿于每堂课的教学中,讲到重点时语言警示、文字用加粗加重提醒 重点 难点:讲透讲清,多举实例。重要的概念、公式希望学生在理解的基础上记忆 如何突 师生互动:新课前的复习提问,重点内容请学生复述,到黑板前解题 难点 如何解 决,师生 互动等 2-2机械系统模型建立 2-3相似系统证明 本章思考题2-10拉氏变换及传递函数的概念 和题 2-15位置随动系统方框图建立 2-17结构图等效化简(6小题) 2-19信号流图应用 主要 参考资料 同前 备注 LAB概述:主要介绍 MATLAB软件应用的基础
教授思 路，采用 的教学方 法和 辅 助手段， 板书设 计，重点 如何突 出，难点 如何解 决，师生 互动等 多媒体教学及黑板板书结合。 重点突出：贯穿于每堂课的教学中，讲到重点时语言警示、文字用加粗加重提醒 难点：讲透讲清，多举实例。重要的概念、公式希望学生在理解的基础上记忆 师生互动：新课前的复习提问，重点内容请学生复述，到黑板前解题 本章思考题 和习题 2-2 机械系统模型建立 2-3 相似系统证明 2-10 拉氏变换及传递函数的概念 2-15 位置随动系统方框图建立 2-17 结构图等效化简（6 小题） 2-19 信号流图应用 主要 参考资料 同前 备注 MATLAB 概述：主要介绍 MATLAB 软件应用的基础
西安石油大学教案(章节备课) 学时 第3章线性系统的时域分析法10h 3-1系统时间响应的性能指标 3-2一阶系统的时域分析 3-3二阶系统的时域分析 章节3-4高阶系统的时域分析 线性系统的稳定性分析 3—6线性系统的稳态误差计算 习题 1.稳定性 (1)定义 (2)系统稳定的充要条件 (3)代数稳定判据 (4)系统的稳定性只与系统自身结构参数有关,而与初始条件、外作用大小无关 系统稳定性只取决于系统特征根(极点),而与系统零点无关。 2.误差及稳态误差 (1)误差的两种定义及其相互关系 知识点和 (2)稳态误差e 析方法 (3)计算稳态误差的方法 3.系统动态性能计算 (1)一阶系统特征参数(时间常数T)与动态指标之间的关系。 (2)复极点位置的表示方法及其关系。 (3)典型欠阻尼二阶系统特征参数(5,On)与动态指标间的关系(p,%1,计算公 (4)系统动态性能随极点位置变化的规律。 (5)附加开环零极点与附加闭环零极点的区别及对系统性能的影响。 (6)附加闭环零点、闭环极点对系统性能的影响。 (7)主导极点、非主导零极点和偶极子的概念
西安石油大学教案(章节备课) 学 时： 10h 章节 第 3 章 线性系统的时域分析法 10h 3—1 系统时间响应的性能指标 3—2 一阶系统的时域分析 3—3 二阶系统的时域分析 3—4 高阶系统的时域分析 3—5 线性系统的稳定性分析 3—6 线性系统的稳态误差计算 习题 知识点和 分析方法 1. 稳定性 （1）定义 （2）系统稳定的充要条件 （3）代数稳定判据 （4）系统的稳定性只与系统自身结构参数有关，而与初始条件、外作用大小无关； 系统稳定性只取决于系统特征根（极点），而与系统零点无关。 2. 误差及稳态误差 （1）误差的两种定义及其相互关系 （2）稳态误差 ss e （3）计算稳态误差的方法 3. 系统动态性能计算 （1）一阶系统特征参数（时间常数 T）与动态指标之间的关系。 （2）复极点位置的表示方法及其关系。 （3）典型欠阻尼二阶系统特征参数 ( , ) n 与动态指标间的关系（ p s t , %,t 计算公 式）.（4）系统动态性能随极点位置变化的规律。 （5）附加开环零极点与附加闭环零极点的区别及对系统性能的影响。 （6）附加闭环零点、闭环极点对系统性能的影响。 （7）主导极点、非主导零极点和偶极子的概念
1.重点 (1)时间响应的基本概念; (2)一阶系统的时间响应、性能指标和参数的求取 (3)二阶系统的时间响应、欠阻尼状态下性能指标的计算 (4)极点、零点位置变化的规律对系统动态性能影响; 重点 (5)代数稳定性判据; 难点 6)输入信号和扰动作用下稳态误差。 2.难点 (1)二阶系统的时间响应 (2)改善系统动态性能的指标方法 (3)输入信号和扰动信号同时作用时,稳态误差的计算 1.稳定性判断 正确理解系统稳定性概念及稳定的充要条件:能熟练运用代数稳定判据判定系统 的稳定性,并进行有关的分析计算 2.稳态误差计算 正确理解有关稳态误差的概念;了解终值定理应用的限制条件;牢固掌握计 算稳态误差的一般方法;牢固掌握静态误差系数法及其应用的限制条件。 要求掌握 内容 3.动态性能计算 牢固掌握一阶系统、二阶系统的数学模型和典型响应特点:能熟练确定一阶 系统、二阶系统特征参数,牢固掌握一阶系统、二阶欠阻尼系统动态性能计算方 法及应用限制条件;掌握典型欠阻尼二阶系统特征参数、极点位置与动态性能间 的相互关系:了解附加闭环零极点对动态性能的影响:正确理解主导极点的概念, 会估算高阶系统动态性能
重点 难点 1. 重点 (1) 时间响应的基本概念； (2) 一阶系统的时间响应、性能指标和参数的求取； (3) 二阶系统的时间响应、欠阻尼状态下性能指标的计算； (4) 极点、零点位置变化的规律对系统动态性能影响； (5) 代数稳定性判据； (6) 输入信号和扰动作用下稳态误差。 2. 难点 （1）二阶系统的时间响应； （2）改善系统动态性能的指标方法； （3）输入信号和扰动信号同时作用时，稳态误差的计算。 要求掌握 内容 1. 稳定性判断 正确理解系统稳定性概念及稳定的充要条件；能熟练运用代数稳定判据判定系统 的稳定性，并进行有关的分析计算。 2. 稳态误差计算 正确理解有关稳态误差的概念；了解终值定理应用的限制条件；牢固掌握计 算稳态误差的一般方法；牢固掌握静态误差系数法及其应用的限制条件。 3. 动态性能计算 牢固掌握一阶系统、二阶系统的数学模型和典型响应特点；能熟练确定一阶 系统、二阶系统特征参数，牢固掌握一阶系统、二阶欠阻尼系统动态性能计算方 法及应用限制条件；掌握典型欠阻尼二阶系统特征参数、极点位置与动态性能间 的相互关系；了解附加闭环零极点对动态性能的影响；正确理解主导极点的概念， 会估算高阶系统动态性能
教授思 咯,采用 的教学方 法和辅 助手段,多媒体教学及黑板板书结合 板书设重点突出:贯穿于每堂课的教学中,讲到重点时语言警示、文字用加粗加重提醒 重点 难点:讲透讲清,多举实例。重要的概念、公式希望学生在理解的基础上记忆 如何突 师生互动:新课前的复习提问,重点内容请学生复述,到黑板前解题 难点 如何解 决,师生 互动等 3-6闭环性质求系统阻尼比、自然频率 3-8 MATLAB绘图,比较阻尼比、自然频率及系统性能 3-9测速反馈系统与比例微分系统比较 和题3-11 RUOTH判据、 HERWEIZCH判据应用 3-13 RUOTH判据应用 3-15稳态误差计算 3-18扰动下稳态误差计算 主要 参考资料 前 备注
教授思 路，采用 的教学方 法和 辅 助手段， 板书设 计，重点 如何突 出，难点 如何解 决，师生 互动等 多媒体教学及黑板板书结合。 重点突出：贯穿于每堂课的教学中，讲到重点时语言警示、文字用加粗加重提醒 难点：讲透讲清，多举实例。重要的概念、公式希望学生在理解的基础上记忆 师生互动：新课前的复习提问，重点内容请学生复述，到黑板前解题 本章思考题 和习题 3-6 闭环性质求系统阻尼比、自然频率 3-8 MATLAB 绘图，比较阻尼比、自然频率及系统性能 3-9 测速反馈系统与比例微分系统比较 3-11 RUOTH 判据、HERWEIZCH 判据应用 3-13 RUOTH 判据应用 3-15 稳态误差计算 3-18 扰动下稳态误差计算 主要 参考资料 同前 备注
西安石油大学教案(章节备课) 学时:8h 第四章线性系统的根轨迹法8h 4-1根轨迹法的基本概念 4—2根轨迹绘制的基本法则 章节4-3广义根轨迹 4-4系统性能的分析 习题 1.根轨迹 2.轨迹增益K与开环增益K之间的关系 3.根轨迹方程 (1)模值条件 知识点和 (2)相角条件 析方法 4.闭环零点 5.绘制根轨迹的基本法则 6.关于0°根轨迹 7.参量根轨迹(关于等效开环传递函数) 1.重点 (1)常规根轨迹的绘制 重点 (2)增加开环零点、极点对根轨迹和系统性能的影响 难点 (3)利用根轨迹分析系统性能的方法 2.难点 利用根轨迹分析系统性能 (1)正确理解根轨迹的概念; (2)掌握根轨迹的绘制法则,并能熟练绘制系统的根轨迹 要求掌握 (3)熟练应用等效开环传递函数概念,绘制非K参数根轨迹 内容 (4)正确区分并绘制0°根轨迹: (5)能根据根轨迹定性分析系统指标随参数变化的趋势 (6)掌握确定闭环零极点及计算系统动态指标的方法
西安石油大学教案(章节备课) 学 时： 8h 章节 第四章 线性系统的根轨迹法 8h 4—1 根轨迹法的基本概念 4—2 根轨迹绘制的基本法则 4—3 广义根轨迹 4—4 系统性能的分析 习题 知识点和 分析方法 1. 根轨迹 2. 轨迹增益 K *与开环增益 K 之间的关系 3. 根轨迹方程 （1） 模值条件 （2）相角条件 4. 闭环零点 5. 绘制根轨迹的基本法则 6. 关于 0°根轨迹 7. 参量根轨迹（关于等效开环传递函数） 重点 难点 1. 重点 （1）常规根轨迹的绘制； （2）增加开环零点、极点对根轨迹和系统性能的影响； （3）利用根轨迹分析系统性能的方法。 2. 难点 利用根轨迹分析系统性能。 要求掌握 内容 （1）正确理解根轨迹的概念； （2）掌握根轨迹的绘制法则，并能熟练绘制系统的根轨迹； （3）熟练应用等效开环传递函数概念，绘制非 K*参数根轨迹； （4）正确区分并绘制 0°根轨迹； （5）能根据根轨迹定性分析系统指标随参数变化的趋势； （6）掌握确定闭环零极点及计算系统动态指标的方法
教授思 咯,采用 的教学方 法和辅 助手段,多媒体教学及黑板板书结合 板书设重点突出:贯穿于每堂课的教学中,讲到重点时语言警示、文字用加粗加重提醒 重点 难点:讲透讲清,多举实例。重要的概念、公式希望学生在理解的基础上记忆 如何突 师生互动:新课前的复习提问,重点内容请学生复述,到黑板前解题 难点 如何解 决,师生 互动等 4-3根轨迹概略绘制 4-4根轨迹精确绘制(计算分离点、与虚轴交点等) 4-7证明带开环零点的二阶系统根轨迹一定是圆或圆弧。 4-10根轨迹精确绘制(计算分离点、与虚轴交点、临界开环增益、临界阻尼增益等) 和题 4-14参数根轨迹 4-160°根轨迹(重根、纯虚根对应开环增益) 4-17根轨迹定性分析系统指标 主要 参考资料 同前 备注
教授思 路，采用 的教学方 法和 辅 助手段， 板书设 计，重点 如何突 出，难点 如何解 决，师生 互动等 多媒体教学及黑板板书结合。 重点突出：贯穿于每堂课的教学中，讲到重点时语言警示、文字用加粗加重提醒 难点：讲透讲清，多举实例。重要的概念、公式希望学生在理解的基础上记忆 师生互动：新课前的复习提问，重点内容请学生复述，到黑板前解题 本章思考题 和习题 4-3 根轨迹概略绘制 4-4 根轨迹精确绘制（计算分离点、与虚轴交点等） 4-7 证明带开环零点的二阶系统根轨迹一定是圆或圆弧。 4-10 根轨迹精确绘制（计算分离点、与虚轴交点、临界开环增益、临界阻尼增益等） 4-14 参数根轨迹 4-16 0°根轨迹（重根、纯虚根对应开环增益） 4-17 根轨迹定性分析系统指标 主要 参考资料 同前 备注