《自动控制理论Ⅰ》课程教学大纲 英文名称: Automat ic Control Theory 课程编号 适用专业:自动化专业 学时:72学分:4 课程类别:学科大类基础课 课程性质:必修课 、课程的性质和目的 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 二、课程教学内容 第一章:自动控制的一般概念 主要内容:要求建立必要的基本概念:反馈、开环控制、闭环控制、控制器、被控对象;要 求学生能根据控制系统工作原理图绘制方块图, 第二章:控制系统的数学模型 主要内容:能够用理论推导的方法建立电路系统及力学系统的数学模型一微分方程,典型元 部件的传递函数的求取,结构图的绘制,由结构图等效变换求传递函数,由梅森公式求传递 函数。 重点:常用元部件传递函数的求取:系统传递函数的求取 难点:结构图等效变换;梅森公式的应用。 第三章:线性系统的时域分析法 主要内容:时域性能指标的定义,一阶和二阶系统性能指标的求取及二阶系统性能改善的方 法,用 Matlab求高阶系统动态性能指标,劳斯稳定判据及其应用,稳态误差的分析与计算, 减小或消除稳态误差的方法 重点:二阶系统动态性能计算及劳斯判据 难点:扰动作用下减小或消除稳态误差的措施 第四章:线性系统的根轨迹法 主要内容:根轨迹的概念,根轨迹方程,绘制根轨迹的基本法则,用根轨迹法分析系统;主 导极点 重点:由根轨迹分析系统性能 难点:广义根轨迹的分析与应用。 第五章:线性系统的频域分析法 主要内容:频域特性的物理意义及图形表示方法,奈氏判据,稳定裕度,用频率特性建立系 统的数学模型。 重点:复杂系统稳定裕度的确定
《自动控制理论 I》课程教学大纲 英文名称：Automatic Control Theory 课程编号： 适用专业：自动化专业 学时：72 学分：4 课程类别：学科大类基础课 课程性质：必修课 一、课程的性质和目的 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。 二、课程教学内容 第一章：自动控制的一般概念 主要内容：要求建立必要的基本概念：反馈、开环控制、闭环控制、控制器、被控对象；要 求学生能根据控制系统工作原理图绘制方块图。 第二章：控制系统的数学模型 主要内容：能够用理论推导的方法建立电路系统及力学系统的数学模型－微分方程，典型元 部件的传递函数的求取，结构图的绘制，由结构图等效变换求传递函数，由梅森公式求传递 函数。 重点：常用元部件传递函数的求取；系统传递函数的求取。 难点：结构图等效变换；梅森公式的应用。 第三章：线性系统的时域分析法 主要内容：时域性能指标的定义，一阶和二阶系统性能指标的求取及二阶系统性能改善的方 法，用 Matlab 求高阶系统动态性能指标，劳斯稳定判据及其应用，稳态误差的分析与计算， 减小或消除稳态误差的方法。 重点：二阶系统动态性能计算及劳斯判据。 难点：扰动作用下减小或消除稳态误差的措施。 第四章：线性系统的根轨迹法 主要内容：根轨迹的概念，根轨迹方程，绘制根轨迹的基本法则，用根轨迹法分析系统；主 导极点。 重点：由根轨迹分析系统性能。 难点：广义根轨迹的分析与应用。 第五章：线性系统的频域分析法 主要内容：频域特性的物理意义及图形表示方法，奈氏判据，稳定裕度，用频率特性建立系 统的数学模型。 重点：复杂系统稳定裕度的确定
难点: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。 第六章:线性系统的校正方法 主要内容:串联超前校正,串联滞后校正,串联滞后一超前校正基本概念。 重点:串联滞后一超前校正网络的设计及复合校正方法 难点:反馈校正方法及应用 第七章:线性系统的状态空间分析与综合 主要内容 1.状态空间的基本概念,状态空间的表达式,线性定常系统状态方程的求解方法 2.定常连续可控性与可观性的基本概念与判据,熟练掌握可控标准型与可观标准型。 3.传递函数的实现问题,状态反馈与输出反馈,极点配置,状态观测器设计方法 4.稳定性基本概念和李雅普洛夫意义稳定性概念,李氏第一法、李氏第二法 重点: 1.状态空间表达式的建立,状态转移矩阵和状态方程的求解,线性变换的基本性质,传递 函数矩阵的定义。要求熟练掌握通过传递函数、微分方程和结构图建立电路、机电系统的状 态空间表达式,并画出状态变量图,以及可控、可观、对角和约当标准型。 2.可控、可观的含义和定义,定常系统可控、可观的各种判据,线性变换的不变性。 3.实现与最小实现的特点和性质,状态反馈与输出反馈的基本结构、性质和有关定理,单 输入、多输出系统的极点配置,全维与降维观测器的设计,状态反馈与观测器的工程应用。 4.李雅普诺夫第一、第二法的主要定义与定理,李雅普诺夫函数,线性定常系统与非线性 系统稳定性定理与判别,李雅普诺夫方程,渐近稳定性的分析与判别 难点 1.状态变量选取的非唯一性,多输入多输出状态空间表达式的建立 讨论课内容:适当安排系统可控可观性概念、含义和判别的讨论,使学生对可控、可观 的概念了解得更深入,掌握得更牢固。 2.最小实现的定义和求解方法,状态反馈与输出反馈实现的充要条件,带观测器的闭环反 馈系统设计 3.李雅普诺夫函数的构造与选取。 课程教学的基本要求 本课课程的教学环节包括:课堂讲授、习题课、课外作业、实验、考试、课程设计。通 过本课程各个教学环节的学习,重点培养学生对经典控制论、现代控制理论及自动控制理论 系统的掌握,培养学生的自学能力、动手能力、分析问题、解决问题的能力,培养学习设计、 计算以及利用已掌握的知识分析问题的能力 (一)课堂讲授 1.教学方法 采用启发式教学,培养学生的自学能力,自动控制原理内容较多且繁,教学中力求把每 章节的内容在结构上联系起来,系统起来。课堂上增加讨论,调动学生的学习兴趣,以及学 习的主观能动性。 2.教学手段 采用课堂讲授和发挥多媒体教学的直观性,并开展电子教案,CAI课件的研制,引进和 应用,并研制多媒体教学系统 3.计算机的应用
难点：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。 第六章：线性系统的校正方法 主要内容：串联超前校正，串联滞后校正，串联滞后－超前校正基本概念。 重点：串联滞后－超前校正网络的设计及复合校正方法。 难点：反馈校正方法及应用。 第七章：线性系统的状态空间分析与综合 主要内容： 1．状态空间的基本概念，状态空间的表达式，线性定常系统状态方程的求解方法。 2．定常连续可控性与可观性的基本概念与判据，熟练掌握可控标准型与可观标准型。 3．传递函数的实现问题，状态反馈与输出反馈，极点配置，状态观测器设计方法。 4．稳定性基本概念和李雅普洛夫意义稳定性概念，李氏第一法、李氏第二法。 重点： 1．状态空间表达式的建立，状态转移矩阵和状态方程的求解，线性变换的基本性质，传递 函数矩阵的定义。要求熟练掌握通过传递函数、微分方程和结构图建立电路、机电系统的状 态空间表达式，并画出状态变量图，以及可控、可观、对角和约当标准型。 2．可控、可观的含义和定义，定常系统可控、可观的各种判据，线性变换的不变性。 3．实现与最小实现的特点和性质，状态反馈与输出反馈的基本结构、性质和有关定理，单 输入、多输出系统的极点配置，全维与降维观测器的设计，状态反馈与观测器的工程应用。 4．李雅普诺夫第一、第二法的主要定义与定理，李雅普诺夫函数，线性定常系统与非线性 系统稳定性定理与判别，李雅普诺夫方程，渐近稳定性的分析与判别。 难点： 1．状态变量选取的非唯一性，多输入多输出状态空间表达式的建立。 讨论课内容：适当安排系统可控可观性概念、含义和判别的讨论，使学生对可控、可观 的概念了解得更深入，掌握得更牢固。 2．最小实现的定义和求解方法，状态反馈与输出反馈实现的充要条件，带观测器的闭环反 馈系统设计 3．李雅普诺夫函数的构造与选取。 三、课程教学的基本要求 本课课程的教学环节包括：课堂讲授、习题课、课外作业、实验、考试、课程设计。通 过本课程各个教学环节的学习，重点培养学生对经典控制论、现代控制理论及自动控制理论 系统的掌握，培养学生的自学能力、动手能力、分析问题、解决问题的能力，培养学习设计、 计算以及利用已掌握的知识分析问题的能力。 （一）课堂讲授 1．教学方法 采用启发式教学，培养学生的自学能力，自动控制原理内容较多且繁，教学中力求把每 章节的内容在结构上联系起来，系统起来。课堂上增加讨论，调动学生的学习兴趣，以及学 习的主观能动性。 2．教学手段 采用课堂讲授和发挥多媒体教学的直观性，并开展电子教案，CAI 课件的研制，引进和 应用，并研制多媒体教学系统。 3．计算机的应用
计算机知识和应用是培养学生能力的重要方面,本课程要适当安排学生采用计算机仿 真(数字仿真)来模拟各种类型系统的工作,用 MATLAB语言对系统进行计算,以及不同参 数上的PID调节和对系统动态特性,静态特性的影响。 4.外语要求 给出各章节主要专业名词的英语单词以方便学生阅读英文同等程度的参考资料 Linear Control System(线性系统), Single input single output(单输入单输出), Laplace transform(拉普拉斯变换), Differential equations(微分方程), Transfer Functions(传递函数), Models of system(系统模型), Block Diagrams(方框图), Mason’s Gain formula(梅森公式), First- order System(一阶系统), Second- order System(二阶系 统), Higher- order System(高阶系统), Close- loop Control System(闭环控制系统) Stability(稳定性), Transient Response(瞬态响应), Routh- Hurwitz Stability Criterion(劳斯判据), Steady- state Accuracy(稳态精度),Root- locus(根轨迹) Root- locus Principles(根轨迹基本规则), Frequency Responses(频率响应),Bode Diagrams(波特图), Nyquist criterion(奈氏判据), Relative Stability(相对稳定性). (二)教学辅助资料 自动控制理论习题集,引导学生复习和自学,实验指导书,以及 MATLAB仿真软件。自 动控制理论试题库,自动控制理论课程设计指导书 三)实验环节 四个实验项目,由于硬件和软件设备的限制,先后拟增设至少两个模拟仿真实验项目, 并着手准备本课程的综合性实验 实验内容 (1)线性控制系统的典型环节 (2)二阶系统的时域响应 (3)系统的频率特性 (4)系统的串联校正 (四)作业方面 1)目的 ①巩固讲授过的基本理论知识;②培养解题能力和技巧;③学会对系统的分析:明了结 构参数和系统的稳定性,动、静态性能之间的关系;④培养学生的创新思维能力。 2)课外习题内容 第一章在叙述系统的工作原理和系统的组成方面布置2~3道作业题。 第二章在怎样求系统的传递函数方面,系统方框图划简,梅森公式的应用方面布置4~ 6道作业题。 第三章熟悉一阶、二阶典型系统的开环、闭环传递函数的结构参数和系统的动态性能 之间的联系,闭环主导极点的概念,劳斯判据的应用,熟悉典型系统在典型信号输入下的误 差计算以及减小稳态误差的措施和办法。使学生建立对控制系统在时域上分析的比较完整的 概念。应布置10~15道作业题左右。 第四章根据绘制根轨迹基本规则会绘制系统的根轨迹,并确定系统的闭环极点和零点 并分析系统的闭环主导极点。会画参量根轨迹,弄清楚闭环零极点分布和系统的性能指标之 间的关系。布置5~8道作业题左右。 第五章频率特性的基本概念、典型环节的波特图、奈奎斯特图,乃奎斯特稳定判据, 控制系统的相对稳定性,以及开环频率特性和系统的性能指标之间的关系。共应布置8~12 道作业题左右
计算机知识和应用是培养学生能力的重要方面，本课程要适当安排学生采用计算机仿 真（数字仿真）来模拟各种类型系统的工作，用 MATLAB 语言对系统进行计算，以及不同参 数上的 PID 调节和对系统动态特性，静态特性的影响。 4．外语要求 给出各章节主要专业名词的英语单词以方便学生阅读英文同等程度的参考资料。 Linear Control System(线性系统), Single Input Single Output(单输入单输出), Laplace Transform(拉普拉斯变换), Differential Equations(微分方程), Transfer Functions(传递函数), Models of System(系统模型), Block Diagrams(方框图), Mason’s Gain Formula(梅森公式), First-order System(一阶系统), Second-order System(二阶系 统), Higher-order System(高阶系统), Close-loop Control System(闭环控制系统), Stability(稳定性), Transient Response(瞬态响应), Routh-Hurwitz Stability Criterion(劳斯判据), Steady-state Accuracy(稳态精度), Root-locus(根轨迹), Root-locus Principles(根轨迹基本规则), Frequency Responses(频率响应), Bode Diagrams(波特图), Nyquist Criterion(奈氏判据), Relative Stability(相对稳定性). （二）教学辅助资料 自动控制理论习题集，引导学生复习和自学，实验指导书，以及 MATLAB 仿真软件。自 动控制理论试题库，自动控制理论课程设计指导书。 （三）实验环节 四个实验项目，由于硬件和软件设备的限制，先后拟增设至少两个模拟仿真实验项目， 并着手准备本课程的综合性实验。 实验内容： （1) 线性控制系统的典型环节 (2）二阶系统的时域响应 （3）系统的频率特性 （4）系统的串联校正 （四）作业方面 1）目的 ①巩固讲授过的基本理论知识；②培养解题能力和技巧；③学会对系统的分析；明了结 构参数和系统的稳定性，动、静态性能之间的关系；④培养学生的创新思维能力。 2）课外习题内容 第一章 在叙述系统的工作原理和系统的组成方面布置 2～3 道作业题。 第二章 在怎样求系统的传递函数方面，系统方框图划简，梅森公式的应用方面布置 4～ 6 道作业题。 第三章 熟悉一阶、二阶典型系统的开环、闭环传递函数的结构参数和系统的动态性能 之间的联系，闭环主导极点的概念，劳斯判据的应用，熟悉典型系统在典型信号输入下的误 差计算以及减小稳态误差的措施和办法。使学生建立对控制系统在时域上分析的比较完整的 概念。应布置 10～15 道作业题左右。 第四章 根据绘制根轨迹基本规则会绘制系统的根轨迹，并确定系统的闭环极点和零点 并分析系统的闭环主导极点。会画参量根轨迹，弄清楚闭环零极点分布和系统的性能指标之 间的关系。布置 5～8 道作业题左右。 第五章 频率特性的基本概念、典型环节的波特图、奈奎斯特图，乃奎斯特稳定判据， 控制系统的相对稳定性，以及开环频率特性和系统的性能指标之间的关系。共应布置 8～12 道作业题左右
第六章熟悉基本控制规律,超前、滞后,超前-滞后校正参数的确定,按系统的期望 频率特性确定系统的校正参数,共应布置5~8道作业题左右。 第七章掌握状态空间的基本概念,熟练掌握状态空间的表达式,线性定常系统状态方 程的求解方法,正确运用可控性与可观性判矩,熟练掌握状态反馈与输出反馈,极点配置, 状态观测器设计方法,熟练掌握李氏第一法,李氏第二法,掌握线性系统渐近稳定性分析。 共应布置15~20道作业题左右 (五)考试环节 平时成绩占20%,实验占10%,期末考试占70% 考试形式采用笔试,题型有:填空、选择题、问答题、计算题等。 (课程设计)(另记学分) 课程设计一周,熟悉 Matlab在自动控制中的应用,采用所学系统设计校正方法(频域 法、根轨迹法),利用 MATLAB完成至少一种校正设计。 四、课程学时分配 讲 课 内 谷 学时 1、自动控制的一般概念 2、控制系统的数学模型 3、线性系统的时域分析法 4888 4、线性系统的根轨迹法 「5.、线性系统的频域分析法 线性系统的校正方法 7、线性系统的状态空间分析与综合 402 实验4项 五、建议教材与教学参考书 [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》 制订者(签字):霍爱清 校对者(签字):程为彬 审定者(签章):汤楠 批准者(签章):穆向阳
第六章 熟悉基本控制规律，超前、滞后，超前-滞后校正参数的确定，按系统的期望 频率特性确定系统的校正参数，共应布置 5～8 道作业题左右。 第七章 掌握状态空间的基本概念，熟练掌握状态空间的表达式，线性定常系统状态方 程的求解方法，正确运用可控性与可观性判矩，熟练掌握状态反馈与输出反馈，极点配置， 状态观测器设计方法，熟练掌握李氏第一法,李氏第二法，掌握线性系统渐近稳定性分析。 共应布置 15～20 道作业题左右。 （五）考试环节 平时成绩占 20％，实验占 10％，期末考试占 70％。 考试形式采用笔试，题型有：填空、选择题、问答题、计算题等。 （课程设计）（另记学分） 课程设计一周，熟悉 Matlab 在自动控制中的应用，采用所学系统设计校正方法（频域 法、根轨迹法），利用 MATLAB 完成至少一种校正设计。 四、课程学时分配 讲 课 内 容 学 时 1、自动控制的一般概念 4 2、控制系统的数学模型 8 3、线性系统的时域分析法 8 4、线性系统的根轨迹法 8 5、线性系统的频域分析法 14 6、线性系统的校正方法 10 7、线性系统的状态空间分析与综合 12 实验 4 项 8 合 计 72 五、建议教材与教学参考书 [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》 制订者（签字）：霍爱清 校对者（签字）：程为彬 审定者（签章）：汤楠 批准者（签章）：穆向阳