《自动控制理论》教学大纲 一、课程基本信息 课程编号 1070002063 课程中文名称 自动控制理论 课程英文名称 Automatic Control Theory 课程类别 大类学科基础与专业基础课 适用专业 自动化、测控技术与仪器 开课学期 第五学期 总学时 64学时，其中课内讲授64学时、实验0学时 总学分 4 开课模式 必修 先修课程 高等数学、复变函数与积分变换、大学物理、电路分析基础，信号与系统 本课程是自动化专业和测控技术与仪器的专业基础课，系统地讲授了自动控制 系统建模、分析和设计方法，主要内容包括：自动控制系统的基本概念、控制 课程简介 系统数学模型、线性控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、控 制系统的校正、线性离散系统的分析方法和非线性控制系统，是单列实验课程 “自动控制理论Malab仿真实验”的理论基础课。 建议教材 卢京潮.自动控制原理（第2版）.西安：西北工业大学出版社，2009 1]胡寿松，自动控制原理（第6版），北京科学出版社，2013 参考资料 C.Dorf.Robert H.Bishop著，谢红卫等.现代控制系统（第2 电子工业出版社， 2015 3]程鹏.自动控制原理（第2版），北京：高等教有出版社，2010 二、课程教学目标 1.认识自动控制系统的组成、分类和基本要求。 2.能够综合运用数学、物理等知识建立工业过程控制、飞行控制等复杂工程控制系统数学模型。 3.能够运用频率特性响应实验法确定控制系统的数学模型。 4.能够分析典型一阶、二阶系统参数变化对性能指标的影响，计算线性系统的性能指标。 5.能够运用典型时域、复数域和频域方法，分析复杂线性控制系统的稳定性、动态性能和稳态性 能 6.根据系统稳定性等性能要求，能够选择典型时域、复数域或频域方法设计系统参数。 7.根据复杂工程问题的实际要求，选择串联校正方式，并设计串联校正参数和实验方案。 8.能够分析线性离散系统的稳定性、动态性能和稳态性能。 9.能够分析非线性系统的时间响应特性、稳定性和自激振荡。 2
2 《自动控制理论》教学大纲 一、课程基本信息 课程编号 1070002063 课程中文名称 自动控制理论 课程英文名称 Automatic Control Theory 课程类别 大类学科基础与专业基础课 适用专业 自动化、测控技术与仪器 开课学期 第五学期 总 学 时 64学时，其中课内讲授64学时、实验0 学时 总 学 分 4 开课模式 必修 先修课程 高等数学、复变函数与积分变换、大学物理、电路分析基础，信号与系统 课程简介 本课程是自动化专业和测控技术与仪器的专业基础课，系统地讲授了自动控制 系统建模、分析和设计方法，主要内容包括：自动控制系统的基本概念、控制 系统数学模型、线性控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、控 制系统的校正、线性离散系统的分析方法和非线性控制系统，是单列实验课程 “自动控制理论Matlab仿真实验”的理论基础课。 建议教材 卢京潮. 自动控制原理（第 2 版）.西安：西北工业大学出版社，2009 参考资料 [1] 胡寿松. 自动控制原理（第 6 版）. 北京: 科学出版社， 2013 [2] Richard C. Dorf, Robert H. Bishop 著，谢红卫等. 现代控制系统（第 12 版）北 京: 电子工业出版社， 2015 [3] 程鹏. 自动控制原理（第 2 版）. 北京: 高等教育出版社，2010 二、课程教学目标 1. 认识自动控制系统的组成、分类和基本要求。 2. 能够综合运用数学、物理等知识建立工业过程控制、飞行控制等复杂工程控制系统数学模型。 3. 能够运用频率特性响应实验法确定控制系统的数学模型。 4. 能够分析典型一阶、二阶系统参数变化对性能指标的影响，计算线性系统的性能指标。 5. 能够运用典型时域、复数域和频域方法，分析复杂线性控制系统的稳定性、动态性能和稳态性 能。 6. 根据系统稳定性等性能要求，能够选择典型时域、复数域或频域方法设计系统参数。 7. 根据复杂工程问题的实际要求，选择串联校正方式，并设计串联校正参数和实验方案。 8. 能够分析线性离散系统的稳定性、动态性能和稳态性能。 9. 能够分析非线性系统的时间响应特性、稳定性和自激振荡
三、课程教学目标与毕业要求的对应关系 毕业要求 指标点 课程教学目 内容 H/L 标 1.工程知识：工程知识：能够 教学目标 将数学、自然科学、工程基础 13掌握自动化专业知识，能够将其应用 1、2、3 和专业知识用于解决自动控 于解决自动控制领域的复杂工程问题」 4、5、6、 制领域复杂工程问题。 7、8、9 2.问题分析：能够应用数学、 白然科学和工程科学的基本22能够根据白动化古业所学基本原理分 教学目标 原理，识别、表达并通过文献 析自动控制领域的复杂工程问题，研究求 4、5、6 研究分析自动控制领域的复 解过程。 8、9 杂工程问题并获得有效结论。 3.设计开发解决方案：能够 设计针对自动控制领域复充 工程问题的解决方案 ,设计满 3.1能够根据行业的特定需求，清晰描述 足特定需求的自动控制系统， 自动控制系统的设计任务，识别任务面临 教学目标 并能铭在设计环节中体现创 的各项制约条件，完成系统综合性设计。 6、7 新意识，考虑社会、健康、安 全法律、文化及环培禁因素 4研究：能够基于专业 41能够运用自动化专业理论 ,采用科学 识，采用科学方法对自动控制 方法对自动控制领域复杂工程问题进行 H 教学目标 领域的复杂工程问题进行研实验方案设计。 3、7 究，能够根据问题设计实验， 并对实验结果讲行综合分析 4.2能够运用自动化专业理论，对实验过程 L 教学目标 通过信息综合得到有效结论。 和实验数据进行分析和解释。 3、7 四、理论教学内容与要求 知识 计别古撞 知识点 棋块 教学要求 学时教学目标 (1)自动控制理论发展 学习控制理论的发展概况 0.5 学习自动控制系统的工作原理、自动控制 的任条： 1自动(2)自动控制系统的基 理解被控变量、被控对象、操纵变量、干 控制 本概念及基本组成 扰变量的概念 1.5 的 掌握自动控制的基本概念、自动控制系统 教学目标 般概 组成结构和基本要素。 今4 认识控制系统的分类方法： 学时) 理解按系统传输信号的性质分类、按系统 ()自动控制系统的分 的数学模型分类按信号的传递路径分类 1.5 类及控制系统示例列 按系统输入信号的变化规律分类： 掌握由系统工作原理图画出系统方块图的 方法。 3
3 三、课程教学目标与毕业要求的对应关系 毕业要求 指标点 课程教学目 内容 H/L 标 1. 工程知识：工程知识：能够 将数学、自然科学、工程基础 和专业知识用于解决自动控 制领域复杂工程问题。 1.3 掌握自动化专业知识，能够将其应用 于解决自动控制领域的复杂工程问题。 H 教学目标 1、2、3、 4、5、6、 7、8、9 2. 问题分析：能够应用数学、 自然科学和工程科学的基本 原理，识别、表达并通过文献 研究分析自动控制领域的复 杂工程问题并获得有效结论。 2.2 能够根据自动化专业所学基本原理分 析自动控制领域的复杂工程问题，研究求 解过程。 H 教学目标 4、5、6、 8、9 3. 设计/开发解决方案：能够 设计针对自动控制领域复杂 工程问题的解决方案，设计满 足特定需求的自动控制系统， 并能够在设计环节中体现创 新意识，考虑社会、健康、安 全、法律、文化及环境等因素。 3.1 能够根据行业的特定需求，清晰描述 自动控制系统的设计任务，识别任务面临 的各项制约条件，完成系统综合性设计。 L 教学目标 6、7 4.研究：能够基于专业理论知 识，采用科学方法对自动控制 领域的复杂工程问题进行研 究，能够根据问题设计实验， 并对实验结果进行综合分析， 通过信息综合得到有效结论。 4.1 能够运用自动化专业理论，采用科学 方法对自动控制领域复杂工程问题进行 实验方案设计。 H 教学目标 3、7 4.2 能够运用自动化专业理论，对实验过程 和实验数据进行分析和解释。 L 教学目标 3、7 四、理论教学内容与要求 知识 模块 知识点 教学要求 计划 学时 支撑 教学目标 1自动 控制 的一 般概 念(4 学时) (1) 自动控制理论发展 学习控制理论的发展概况。 0.5 教学目标 1 (2) 自动控制系统的基 本概念及基本组成 学习自动控制系统的工作原理、自动控制 的任务； 理解被控变量、被控对象、操纵变量、干 扰变量的概念； 掌握自动控制的基本概念、自动控制系统 组成结构和基本要素。 1.5 (3) 自动控制系统的分 类及控制系统示例 认识控制系统的分类方法； 理解按系统传输信号的性质分类、按系统 的数学模型分类按信号的传递路径分类、 按系统输入信号的变化规律分类； 掌握由系统工作原理图画出系统方块图的 方法。 1.5
(4)对控制系统性能的 理解对控制系统稳、准、快的要求： 基本要求 掌握控制系统动态特性的类型、控制系统0.5 稳定性、快速性和准确性的意义。 理解机理建模的步骤和非线性微分方程线 ()控制系统的微分方 性化的方法： 1 建立弹簧-质量阻尼器、无源网络、有源网 络等系统的微分方程橙型。 理解传递函数的性质和传梯函数与微分方 (2)控制系统的传递函 程之间的关系： 2控 掌握传递函数的概念和典型环节传递函数 2 数 制系 的表达式： 建立系统的传递函数模型。 统数 数学目标 学习结物图的定义、系统结构图建立的步 学 (③)控制系统的结构图 2 (8及等效变换 骤：理解控制系统结构图的意义： 利用结构图等效变换求系统传递函数 4)控制系统的信号流 学习信号流图的定义： 时) 理解控制系统信号流图的意义 2 图 利用梅逊公式求系统传递函数。 理解系统总输出的意义 (⑤)控制系统的传递函 掌握根据控制系统的结构图求取系统的开 1 数 环传递函数、闭环传递函数和误差传递函 。 学习曲型外作用与典型外作用下系统输山 之间的关系和线性系统的重要特性 理解阻尼比、无阻尼自然振荡频率对系纷 (1)一、 二阶系统的时间 性能的影响： 响应及性能指标 掌握一阶系统和二阶欠阻尼系统动态性能 指标的计算： 3控 分析系统特征参数与系统动态性能指标之 间的关系 制系 了解高阶系统动态性能的估算方法： 统的 理解闭环零点、极点分布与系统性能之间 时域 (2)增加零极点对二阶 的联系： 分析 系统响应的影响 掌握主导极点的概念 1 教学目标 4、6 法 分析增加闭环零极点对系统动态性能的影 (10 响。 理解稳定性的定义和稳定性的分析方法： 学 掌握系统稳定性的充分必要条件、影响系 时) ()系统稳定性分析 统稳定性的因素 2 利用劳斯判据分析系统的稳定性 认识减小、消除稳态误差的措施： (4)反馈控制系统的稳 理解误差和稳态误差的定义和影响稳态误 苏的因素： 态误差 掌握一般方法和静态误差系数法计算稳态 误差和静态误差系数法适用的条件。 4
4 (4) 对控制系统性能的 基本要求 理解对控制系统稳、准、快的要求； 掌握控制系统动态特性的类型、控制系统 稳定性、快速性和准确性的意义。 0.5 2 控 制系 统数 学模 型（8 学 时） (1) 控制系统的微分方 程 理解机理建模的步骤和非线性微分方程线 性化的方法； 建立弹簧-质量-阻尼器、无源网络、有源网 络等系统的微分方程模型。 1 教学目标 2 (2) 控制系统的传递函 数 理解传递函数的性质和传递函数与微分方 程之间的关系； 掌握传递函数的概念和典型环节传递函数 的表达式； 建立系统的传递函数模型。 2 (3) 控制系统的结构图 及等效变换 学习结构图的定义、系统结构图建立的步 骤；理解控制系统结构图的意义； 利用结构图等效变换求系统传递函数。 2 (4) 控制系统的信号流 图 学习信号流图的定义； 理解控制系统信号流图的意义； 利用梅逊公式求系统传递函数。 2 (5) 控制系统的传递函 数 理解系统总输出的意义； 掌握根据控制系统的结构图求取系统的开 环传递函数、闭环传递函数和误差传递函 数。 1 3 控 制系 统的 时域 分析 法 （10 学 时） (1) 一、二阶系统的时间 响应及性能指标 学习典型外作用与典型外作用下系统输出 之间的关系和线性系统的重要特性； 理解阻尼比、无阻尼自然振荡频率对系统 性能的影响； 掌握一阶系统和二阶欠阻尼系统动态性能 指标的计算； 分析系统特征参数与系统动态性能指标之 间的关系。 3 教学目标 4、6 (2) 增加零极点对二阶 系统响应的影响 了解高阶系统动态性能的估算方法； 理解闭环零点、极点分布与系统性能之间 的联系； 掌握主导极点的概念； 分析增加闭环零极点对系统动态性能的影 响。 1 (3) 系统稳定性分析 理解稳定性的定义和稳定性的分析方法； 掌握系统稳定性的充分必要条件、影响系 统稳定性的因素； 利用劳斯判据分析系统的稳定性。 2 (4) 反馈控制系统的稳 态误差 认识减小、消除稳态误差的措施； 理解误差和稳态误差的定义和影响稳态误 差的因素； 掌握一般方法和静态误差系数法计算稳态 误差和静态误差系数法适用的条件。 3
理解反馈校正和复合校正的作用： (5)线性系统时域校正 1 堂握利用这些手段提高系统性能的方法。 理解根轨迹、根轨迹方程的有关概念： ()根轨迹的基本概念 掌握开环传递函数的几种表达形式： 根轨迹方程及相角条件 认识开环增益 根迹增益的概念。 模（幅）值条件 重点掌握根轨迹方程，绘制根轨迹的幅值 条件及幅角条件。 学习绘制根轨迹的基本规则 2)绘制常规根轨迹的越 4根 本规则 掌握利用根轨迹定性分析系统性能随参数 2 轨迹 变化的趋势 认识正反馈系统根轨迹绘制规则、非最小 法(8 教学目标 相位系统根轨迹绘制规则： 学 5、6 理解参数根轨迹和零度根轨迹的有关概 时) (3③)广义根轨迹 掌提最小相位系统、非最小相位系统的 念和以非开环增益为参变量的系统根轨边 的绘制。 (4)利用根轨迹定性分析 认识增加开环零、极点对根轨迹的影响： 系统性能 掌握系统闭环特征根的分布对系统性能的 2 (1)频率响应及频率特 掌握频率特性的概念，微分方程、传递函 数、频率特性三种数学模型的关系： 性。 理解频率特性的物理意义。 5 认识极坐标图和波德图的意义： 性系 然悉典型环节频率特性的特点： 统的 (2)系统开环频率特性的 掌握绘制开环幅相特性、开环对数频率特 4 频域 图形表示 性的方法： 掌握由最小相位系统的开环对数幅频特性 教学目标 分析 确定系统开环传递函数的方法 35、6 法 (3)奈奎斯特稳定判据、 理解奈奎斯特稳定判据的原理： 掌握运用奈奎斯特稳定判据和对数频率判 对数频率稳定判据及其 据判定系统稳定性的方法。 4 时) 应用 (4)稳定裕度的概念及计 认识相对稳定性的意义： 理解稳定裕度的概念及意义： 2 掌握计算稳定裕度的方法。 6线()开环对数频率特性与 理解三频段的概念 性系 系统稳态性能、动态性能 掌握开环对数幅频特性与系统稳态性、动 1 统的 的关系 态特性之间的关系。 校正 教学目标 (2)开环频域指标（稳定 理解开环频域指标（稳定度）、闭环烦 7 方法 裕度)、闭环频率特性的 特性的特征量与时域性能指标之间的头 特征量与时域指标之间 学 的关系
5 (5) 线性系统时域校正 理解反馈校正和复合校正的作用； 掌握利用这些手段提高系统性能的方法。 1 4 根 轨迹 法（8 学 时） (1) 根轨迹的基本概念， 根轨迹方程及相角条件、 模(幅)值条件 理解根轨迹、根轨迹方程的有关概念； 掌握开环传递函数的几种表达形式； 认识开环增益、根迹增益的概念； 重点掌握根轨迹方程，绘制根轨迹的幅值 条件及幅角条件。 2 教学目标 5、6 (2) 绘制常规根轨迹的基 本规则 学习绘制根轨迹的基本规则。 掌握利用根轨迹定性分析系统性能随参数 变化的趋势。 2 (3) 广义根轨迹 认识正反馈系统根轨迹绘制规则、非最小 相位系统根轨迹绘制规则； 理解参数根轨迹和零度根轨迹的有关概 念； 掌握最小相位系统、非最小相位系统的概 念和以非开环增益为参变量的系统根轨迹 的绘制。 2 (4) 利用根轨迹定性分析 系统性能 认识增加开环零、极点对根轨迹的影响； 掌握系统闭环特征根的分布对系统性能的 影响。 2 5 线 性系 统的 频域 分析 法 （10 学 时） (1) 频率响应及频率特 性。 掌握频率特性的概念，微分方程、传递函 数、频率特性三种数学模型的关系； 理解频率特性的物理意义。 2 教学目标 3、5、6 (2) 系统开环频率特性的 图形表示 认识极坐标图和波德图的意义； 熟悉典型环节频率特性的特点； 掌握绘制开环幅相特性、开环对数频率特 性的方法； 掌握由最小相位系统的开环对数幅频特性 确定系统开环传递函数的方法。 4 (3) 奈奎斯特稳定判据、 对数频率稳定判据及其 应用 理解奈奎斯特稳定判据的原理； 掌握运用奈奎斯特稳定判据和对数频率判 据判定系统稳定性的方法。 4 (4) 稳定裕度的概念及计 算 认识相对稳定性的意义； 理解稳定裕度的概念及意义； 掌握计算稳定裕度的方法。 2 6 线 性系 统的 校正 方法 （8 学 (1) 开环对数频率特性与 系统稳态性能、动态性能 的关系 理解三频段的概念； 掌握开环对数幅频特性与系统稳态性、动 态特性之间的关系。 1 教学目标 7 (2) 开环频域指标（稳定 裕度）、闭环频率特性的 特征量与时域指标之间 的关系 理解开环频域指标（稳定裕度）、闭环频率 特性的特征量与时域性能指标之间的关 系。 1
时) 认识超前、迟后网络的特性： (3)频率法串联（超前， 理解串联（超前、迟后、迟后一超前）校正设 迟后，迟后-超前和PID 计的原理： 6 校正的作用及方法。 掌握根据具体情况确定合适的串联校正形 式和频率法串联校正的步骤及方法。 认识采样周期的选择。 ()离散系统、信号的采理解采样过程及其数学描述和保持器的作 样与保持 用；掌握采样定理和零阶保持器的传递函 7线 性离 认识采样系统差分方程的形式和差分方程 散控 (2)离散系统的数学模型 据脉冲传递函数的定义和系统脉冲传逆 函数的建立 教学目标 制系 认识离散控制系统的本应 8 统(8（③）离散系统稳定性分析 掌握离散控制系统的稳定性分析和稳态误 2 学 及稳定误差计算 的求取。 时) 认识采样系统动态性能估算的一般方法和 (4)离散系统动态性能分 采样周期等因素对系统性能的影响： 析 理螺闭环极占分布与系统动态响应之间的 2 关系 了解非线性系统的特点和研究非线性系统 (1)非线性控制系统概述 1 的意义：掌握研究非线性系统的方法。 认识描述函数的求取，多重非线性的描述 函数的求取， 8非 (2)描述函数法 理解描述函数的概念和典型非线性特性的 3 线性 描述函数： 堂握用描述函数法分析非线性系统的稳定 系统 性、自根分析以及自根参数的计算。 教学目标 理论 认识相平面法适用的系统和相轨迹的橱 (8 9 学 (3)相平面法 理解奇点与极限环的概念、分类： 3 时) 理解相轨迹与系统时域响应特征的关系 掌握相轨迹的绘制方法。 (4④)改善非线性系统性能 的措施及非线性特性的 认识改造非线性特性的和利用非线性特书 善系统性能的方法。 应用 五、实验教学内容与要求 无。 6
6 时） (3) 频率法串联（超前， 迟后，迟后-超前和 PID） 校正的作用及方法。 认识超前、迟后网络的特性； 理解串联(超前、迟后、迟后—超前)校正设 计的原理； 掌握根据具体情况确定合适的串联校正形 式和频率法串联校正的步骤及方法。 6 7 线 性离 散控 制系 统（8 学 时） (1) 离散系统、信号的采 样与保持 认识采样周期的选择。 理解采样过程及其数学描述和保持器的作 用；掌握采样定理和零阶保持器的传递函 数。 2 教学目标 8 (2) 离散系统的数学模型 认识采样系统差分方程的形式和差分方程 的求解； 掌握脉冲传递函数的定义和系统脉冲传递 函数的建立。 2 (3) 离散系统稳定性分析 及稳定误差计算 认识离散控制系统的瞬态响应； 掌握离散控制系统的稳定性分析和稳态误 差的求取。 2 (4) 离散系统动态性能分 析 认识采样系统动态性能估算的一般方法和 采样周期等因素对系统性能的影响； 理解闭环极点分布与系统动态响应之间的 关系。 2 8 非 线性 系统 理论 （8 学 时） (1) 非线性控制系统概述 了解非线性系统的特点和研究非线性系统 的意义；掌握研究非线性系统的方法。 1 教学目标 9 (2) 描述函数法 认识描述函数的求取，多重非线性的描述 函数的求取； 理解描述函数的概念和典型非线性特性的 描述函数； 掌握用描述函数法分析非线性系统的稳定 性、自振分析以及自振参数的计算。 3 (3) 相平面法 认识相平面法适用的系统和相轨迹的概 念； 理解奇点与极限环的概念、分类； 理解相轨迹与系统时域响应特征的关系； 掌握相轨迹的绘制方法。 3 (4) 改善非线性系统性能 的措施及非线性特性的 应用 认识改造非线性特性的和利用非线性特性 改善系统性能的方法。 1 五、实验教学内容与要求 无
六、考核要求及考核方式 1.考核要求 (1)课程考核内容应能够切实考核是否达成各项课程目标： (2)考核内容至少覆盖本课程知识点的60%： (3)同一学期试卷中(4、B)试题重复率不超过20%，近三个学年试卷试题重复率不超过20%： (4)考核难度：基本难度盟约60%，中等难度趣约30%，高等难度题约10%。 2、考核方式 考核环节 权重(%)备注 期末考试 80 闭卷考试 作业等 平时 作业 10% 出勤 考核 5% 课堂表现5% 课堂小测验、课堂回答问题等
7 六、考核要求及考核方式 1. 考核要求 (1)课程考核内容应能够切实考核是否达成各项课程目标； (2)考核内容至少覆盖本课程知识点的60%； (3)同一学期试卷中(A、B)试题重复率不超过20%，近三个学年试卷试题重复率不超过20%； (4)考核难度：基本难度题约60%，中等难度题约30%，高等难度题约10%。 2、考核方式 考核环节 权重（%） 备注 期末考试 80 闭卷考试 平 时 考核 作业 10% 作业等 出勤 5% 课堂表现 5% 课堂小测验、课堂回答问题等