北方工业大学：自动化（创新实验班）《现代控制工程基础》课程教学大纲.pdf_大学文库

2 目录 1 课程基本信息.............................................................................................................................. 3 2 毕业要求与课程目标.................................................................................................................4 2.1 本课程支撑的毕业要求观测点....................................................................................4 2.2 课程目标...........................................................................................................................4 2.3 毕业要求与课程目标的关系....................................................................................... 5 3 课程内容及安排..........................................................................................................................6 3.1 课程学时总体安排.........................................................................................................6 3.2 各知识单元内容和预期学习目标............................................................................... 6 4 课堂教学设计和实施载体....................................................................................................... 12 5 课程实验教学............................................................................................................................ 14 5.1 实验名称和安排........................................................................................................... 14 5.2 实验要求和教学组织.................................................................................................. 15 5.3 实验预习和实验报告要求....................................................................................... 19 5.4 实验教学在能力培养方面的具体措施................................................................... 19 6 课程考核方案和依据...............................................................................................................19 6.1 课程考核方案................................................................................................................20 6.2 课程各考核项评价依据和标准.................................................................................20 7 本次修订说明............................................................................................................................ 22 8 其他需要说明的问题...............................................................................................................22

1课程基本信息课程名称（中文）现代控制工程基础课程名称（英文） Foundation of Modern Control Engineering 课程计划学时 80 课外学时建议 108 计划学时构成线下理论学时44线上理论学时20实验学时16 课外学时要求线上学习要求：28 自主学习建议学时：80 先修课名称复变函数与积分变换适用专业年级自动化专业2021级及以后年级开课单位自动化系本课程是自动化专业的专业必修课。课程内容包括经典控制和现代控制两部分的基础理论，属于控制科学和工程领域。目标是让学生初步掌握控制理论的常用建模描述方法、系统时频域分析，以及系统校正、极点配置和系统镇定课程简介方法。课程为后续各类自动控制系统的深入学习、应用和研究莫定知识和方基础，为工程领域的控制系统建模、分析和设计提供理论指导。该门课理论性较强，需要一定的数学基础。结课采用闭卷考试，总评成绩由考试、实验、线上学习记录和平时练习成绩构成。基础资料： (1)《自动控制原理》（第七版）胡寿松.科学出版社.2019年1月 (2)《现代控制理论》（第三版）刘豹主编，机械工业出版社，2006年7月 (3)《自动控制原理实验指导书》自控原理实验室，2020年9月 (4)课程电子课件、配套线上测试题散材和学习资源参考资料： (1)《自动控制原理》（第二版）程鹏主编.高等教育出版社.2010.4 (2)《线性系统理论》（第二版）郑大钟.清华大学出版社2002.10 (3)Modern Control Systems,Eleventh Edition,Richard C.Dorf,Robe H.Bishop.Publication House of Electronics Industry.2009 (4)《自动控制原理实验教程》郑勇、徐继宁等，国防工业出版社.2010年 (5)教师推荐的其它M00C和课程资源遥大纲版本号 DG7328701-202111自动化前一版本号 DG7328701-201912自动化大纲修订人徐继宁、郑勇、刘蕾修订时间 2021.11

3 1 课程基本信息课程名称（中文）现代控制工程基础课程名称（英文） Foundation of Modern Control Engineering 课程计划学时 80 课外学时建议 108 计划学时构成线下理论学时 44 线上理论学时 20 实验学时 16 课外学时要求线上学习要求：28 自主学习建议学时：80 先修课名称复变函数与积分变换适用专业年级自动化专业 2021 级及以后年级开课单位自动化系课程简介本课程是自动化专业的专业必修课。课程内容包括经典控制和现代控制两部分的基础理论，属于控制科学和工程领域。目标是让学生初步掌握控制理论的常用建模描述方法、系统时频域分析，以及系统校正、极点配置和系统镇定方法。课程为后续各类自动控制系统的深入学习、应用和研究奠定知识和方法基础，为工程领域的控制系统建模、分析和设计提供理论指导。该门课理论性较强，需要一定的数学基础。结课采用闭卷考试，总评成绩由考试、实验、线上学习记录和平时练习成绩构成。教材和学习资源基础资料：（1）《自动控制原理》（第七版）胡寿松.科学出版社.2019 年 1 月（2）《现代控制理论》（第三版）刘豹主编，机械工业出版社，2006 年 7 月（3）《自动控制原理实验指导书》自控原理实验室，2020 年 9 月（4）课程电子课件、配套线上测试题参考资料：（1）《自动控制原理》（第二版）程鹏主编.高等教育出版社.2010.4 （2）《线性系统理论》（第二版）郑大钟.清华大学出版社.2002.10 （3）Modern Control Systems, Eleventh Edition, Richard C. Dorf, Rober H. Bishop. Publication House of Electronics Industry. 2009 （4）《自动控制原理实验教程》郑勇、徐继宁等，国防工业出版社.2010 年（5）教师推荐的其它 MOOC 和课程资源大纲版本号 DG7328701-202111 自动化前一版本号 DG7328701-201912 自动化大纲修订人徐继宁、郑勇、刘蕾修订时间 2021.11

5 微分（差分）方程，（脉冲）传递函数、结构图、状态空间描述等。 XDKZGC-3：理解并应用时域响应法和根轨迹法进行线性系统分析描述和举例、解释基于激励-响应方法的线性系统时域分析法原理，进行稳定性、动态特性和稳态特性的数学计算和图形表达。解释、描述、计算根轨迹和系统性能的关系，正确绘制根轨迹，基于根轨迹进行性能分析。 XDKZGC-4：基于状态空间描述进行线性连续系统分析能够理解状态转移矩阵的概念，能够计算控制系统状态空间表达式的解；能够理解、解释、判定线性系统的能控性、能观性和李雅普诺夫稳定性。 XDKZGC-5：理解和应用频域响应法进行线性系统分析举例、解释和描述线性系统幅频关系、相频关系，以及与传递函数、频率特性之间的关系，正确绘制线性系统 Bode 图、Nyquist 图，理解、解释 Nyquist 稳定判据并可运用其解决判稳问题，完成 SISO 系统频域响应和频域性能指标的数学计算问题。 XDKZGC-6：基于系统思维进行系统性能改善和系统设计能够从“功能（或目的）、要素、链接”的系统视角解构分析对象。能够复述、分辨不同的校正方法。能从系统性能改善的角度理解并解释串联超前校正和串联滞后校正的工作原理；并能根据性能指标要求正确选择和运用合适的方法，达到校正目标。能够理解和正确运用闭环系统极点配置方法，以及基于全维状态观测器的系统设计方法。 XDKZGC-7：能够进行基本线性离散系统的性能分析能够使用线性离散系统数学模型进行稳定性和稳态性能的分析和计算，仿真和分析辨别时域动态响应的性能。 XDKZGC-8：建立科学世界观 XDKZGC-9：建立符合社会主义道德要求的价值观 2.3 毕业要求与课程目标的关系毕业要求观测点支撑程度支撑权重课程目标贡献度

学习内容：自动控制、系统、信号、激励和响应：模第1章型、系统建模、时域和频域、系统性能指标、稳定性自控系统基本概念动态特性、稳态特性等学习经典控制理论所需的基才 XDKZGC-1 XDKZGC-6 11初始控制概念。 1.2认识系统 XDKZGC-8 4 6 预期要求：(1)能够识记和复述：模型相关概念，性 XDKZGC-9 1.3系统分类 .4基本控制方式能指标相关的概念(2)能够解释和举例：自动控制 1.5系统评价方法系统、信号(3)概念关联分辨：系统、激励和响应时域和频域 (1)数学模型建立：能够运用机理建模方法，针对常见机-电控制系统或相关研究对象，将线性连续系统物第2章里模型转化为数学模型，如微分方程、传递函数：(2 线性连续系统的数学模型型转化：能够使用拉氏变换、图表绘制等数学工具，实现线性SIS0连续系统不同数学模型之间的转化：微 2.1系统模型 2.2数学基础方程、传递函数、动态结构图、信号流图： (3)图XDKZGC-1 23传递函数 XDKZGC-28 16 2.4典型环节表解析和图表绘制：能够从动态结构图、信号流图中XD球2CC-8 2.5动态结构图的读出MI0系统结构和输入输出信息；也可根据系统 2.6信号流图描述性信息绘制动态结构图和信号流图(4)方法应用习顾课实验1 和数学计算：能使用等效变换进行动态结构图的简化、使用梅森公式进行MMO线性系统的解析计算，得到系统传递函数：第3章线性系统时域分制对概念和原理的理解要求(1)复述线性系统时域分法的激励-响应分析方法的常用做法，解释原因。(2 3.1时域响应分书方法和性能指标能够举例说明和分辨时域响应分析中各种概念：典型 3.2线性一阶系充信号和响应的关系：线性一阶、二阶系统典型响应的XDKZGC-】时域响应 XDKZGC-312 18 3.3线性阶一系统形响因素(3)完成线性一阶和二阶系统主要动态性能XDK2CC-8 时域响应指标的计算；(4)能复述线性连续系统稳定的充要条 3.4稳定性分析 3.5稳态误差件，对其进行不同方式的描述、解释和转化，并列举习题课实例进行说明：能区分充要条件和代数稳定判据的适实验课2

7 第 1 章自控系统基本概念 1.1 初始控制 1.2 认识系统 1.3 系统分类 1.4 基本控制方式 1.5 系统评价方法学习内容：自动控制、系统、信号、激励和响应；模型、系统建模、时域和频域、系统性能指标、稳定性、动态特性、稳态特性等学习经典控制理论所需的基本概念。预期要求：（1）能够识记和复述：模型相关概念，性能指标相关的概念（2）能够解释和举例：自动控制、系统、信号（3）概念关联分辨：系统、激励和响应、时域和频域 XDKZGC-1 XDKZGC-6 XDKZGC-8 XDKZGC-9 4 6 第 2 章线性连续系统的数学模型 2.1 系统模型 2.2 数学基础 2.3 传递函数 2.4 典型环节 2.5 动态结构图 2.6 信号流图习题课实验 1 （1）数学模型建立：能够运用机理建模方法，针对常见机-电控制系统或相关研究对象，将线性连续系统物理模型转化为数学模型，如微分方程、传递函数；（2）模型转化：能够使用拉氏变换、图表绘制等数学工具，实现线性 SISO 连续系统不同数学模型之间的转化：微分方程、传递函数、动态结构图、信号流图；（3）图表解析和图表绘制：能够从动态结构图、信号流图中的读出 MIMO 系统结构和输入输出信息；也可根据系统描述性信息绘制动态结构图和信号流图（4）方法应用和数学计算：能使用等效变换进行动态结构图的简化、使用梅森公式进行 MIMO 线性系统的解析计算，得到系统传递函数； XDKZGC-1 XDKZGC-2 XDKZGC-8 8 16 第 3 章线性系统时域分析 3.1 时域响应分析方法和性能指标 3.2 线性一阶系统时域响应 3.3 线性阶二系统时域响应 3.4 稳定性分析 3.5 稳态误差习题课实验课 2 1 对概念和原理的理解要求（1）复述线性系统时域分析法的激励-响应分析方法的常用做法，解释原因。（2）能够举例说明和分辨时域响应分析中各种概念：典型信号和响应的关系；线性一阶、二阶系统典型响应的影响因素（3）完成线性一阶和二阶系统主要动态性能指标的计算；（4）能复述线性连续系统稳定的充要条件，对其进行不同方式的描述、解释和转化，并列举实例进行说明；能区分充要条件和代数稳定判据的适 XDKZGC-1 XDKZGC-3 XDKZGC-8 12 18

8 用条件；能够从数学模型和物理现象的不同角度解释说明系统结构参数与性能指标之间的关系；（5）可根据传递函数熟练识别系统结构和参数，正确分析不同位置扰动作用下系统稳态误差； 2 对规则应用和数学计算能力的要求：（1）能够运用特征方程求根、Routh 判据等方法进行系统稳定性判别；（2）能够正确使用终值定理和静态误差系数法计算稳态误差，熟练计算单输入系统的稳态误差；能计算系统结构参数与性能指标之间的关系 3 对图表绘制和图表解析能力的要求：能够根据系统性能指标绘制响应曲线；能够熟练读取系统响应曲线中的系统性能指标信息第 4 章线性系统根轨迹分析 4.1 根轨迹方程 4.2 根轨迹绘制方法 4.3 零度和参数根轨迹 4.4 用根轨迹分析系统习题课（1）能够结合实例解释根轨迹和系统性能的关系，并据此分析总结根轨迹法的特点和目标；（2）能分析运用根轨迹方程的相角条件、幅值条件，及其与根轨迹的关系，解释零度根轨迹、参数根轨迹的概念，并能正确判别根轨迹类型；（3）方法应用和图表绘制：能够正确运用根轨迹绘制法则绘制根轨迹。（4）图表解析：能从根轨迹图上读取系统特性信息，选定符合期望性能的系统极点（5）数学计算：能够计算选定极点的位置和以及对应的系统增益参数 XDKZGC-1 XDKZGC-3 XDKZGC-8 6 12 第 5 章线性系统频域分析 5.1 频率特性概念及表达 5.2 典型环节频率特性 5.3 频率特性曲线（1）解释理解线性系统幅频关系、相频关系与传递函数、频率特性之间的关系；能运用其解决系统响应有关的数学计算问题。能够识别并分辨各种开闭环系统频域性能指标、时域性能指标，能够解释他们之间的关系，以及与系统结构参数之间的关系；（2）熟练记 XDKZGC-1 XDKZGC-5 XDKZGC-8 12 20

的绘制忆并可以复现各种典型环节的频率特性及其Bode图、 5.4 Nyquist稳定性判据 yquist图表示；(3)理解并能正确运用频率特性的 5.5系统的稳定衫实验测定法：(4)理解并可以解释、澄清Nyquist稳 56闭环频率特定判据的数学基础、含义和使用准则，能够正确绘制性，系统频域寸增补曲线，能够运用稳定判据解决判稳问题：(5) 域指标的估算习题课图绘图和数学计算：能够理解和正确运用Bode图分实哈3 段法、Wyquist图绘制方法，正确绘制开环频率特性曲线。能够熟练完成系统频率特性和Bode图、Nyquist 劉之间的信息提取和转化：能够用Bode图、Nyquist 图分析、解释系统特性，可以解释、澄清稳定裕量和图形的关系，实现相角裕量和幅值裕量的读取和计算 (1)能够识别、分辨不同的校正方法，理解其概念内第6章线性系统的校正涵和使用场合，包括：分析法、综合法、根轨迹法：串联校正、反馈校正、复合校正等： 6.1校正概述 6.2常用校正环节(2)熟练识记并可以复现常用串联校正环节的结构、 6.3串联校正（超特性和参数，包括：无源超前网络、无源滞后网络 XDKZGC-1 前、滞后、滞后- XDKZGC-610 12 超前) ID环节：(3)能理解并解释串联超前校正和串联滞DK2cC-8 6.4工程最优系统后校正的原理，并能根据校正要求正确选择和运用：综合设计习题课 (4)计算和评价：能根据选定的串联校正方法计算校实验4 正环节参数，校验其合理性和一致性，对校正前后系实验5 统做出评价。第7章 (1)数学模型建立：能够理解、分辨线性离散系统的线性离散系统 7.1离散系统概述采样、量化和保持过程，类比线性连续系统，通过计 7.22变换及系统差分方程算得到不同结构离散系统的脉冲传递函数模型，包括XDKZGC--1 .3脉冲传递函数怀节串并联、开环与闭环系统、采样开关的不同位置、 XDKZGC-2 6 8 XDKZGC-7 74采样系统时域分析和稳态误差零阶保持器和采样周期的影响等(2)模型转化：能XDKZGC--8 习题课够使用乙变换、图表绘制等数学工具，实现线性离散实验6 系统不同数学模型之间的转化：差分方程、脉冲传递

9 的绘制 5.4 Nyquist 稳定性判据 5.5 系统的稳定裕量 5.6 闭环频率特性，系统频域、时域指标的估算习题课实验 3 忆并可以复现各种典型环节的频率特性及其 Bode 图、 Nyquist 图表示；（3）理解并能正确运用频率特性的实验测定法；（4）理解并可以解释、澄清 Nyquist 稳定判据的数学基础、含义和使用准则，能够正确绘制增补曲线，能够运用稳定判据解决判稳问题；（5）识图绘图和数学计算：能够理解和正确运用 Bode 图分段法、Nyquist 图绘制方法，正确绘制开环频率特性曲线。能够熟练完成系统频率特性和 Bode 图、Nyquist 图之间的信息提取和转化；能够用 Bode 图、Nyquist 图分析、解释系统特性，可以解释、澄清稳定裕量和图形的关系，实现相角裕量和幅值裕量的读取和计算。第 6 章线性系统的校正 6.1 校正概述 6.2 常用校正环节 6.3 串联校正（超前、滞后、滞后— 超前） 6.4 工程最优系统综合设计习题课实验 4 实验 5 （1）能够识别、分辨不同的校正方法，理解其概念内涵和使用场合，包括；分析法、综合法、根轨迹法；串联校正、反馈校正、复合校正等；（2）熟练识记并可以复现常用串联校正环节的结构、特性和参数，包括：无源超前网络、无源滞后网络、 PID 环节；（3）能理解并解释串联超前校正和串联滞后校正的原理，并能根据校正要求正确选择和运用；（4）计算和评价：能根据选定的串联校正方法计算校正环节参数，校验其合理性和一致性，对校正前后系统做出评价。 XDKZGC-1 XDKZGC-6 XDKZGC-8 10 12 第 7 章线性离散系统 7.1 离散系统概述 7.2 Z 变换及系统差分方程 7.3 脉冲传递函数 7.4 采样系统时域分析和稳态误差习题课实验 6 （1）数学模型建立：能够理解、分辨线性离散系统的采样、量化和保持过程，类比线性连续系统，通过计算得到不同结构离散系统的脉冲传递函数模型，包括环节串并联、开环与闭环系统、采样开关的不同位置、零阶保持器和采样周期的影响等；（2）模型转化：能够使用 Z 变换、图表绘制等数学工具，实现线性离散系统不同数学模型之间的转化：差分方程、脉冲传递 XDKZGC-1 XDKZGC-2 XDKZGC-7 XDKZGC-8 6 8

10 函数、动态结构图；（3）解释理解：能理解线性离散系统稳定的充要条件，进行不同方式的描述、解释和转化，并可以列举实例进行说明；能够从数学模型和物理现象的不同角度理解和解释系统结构参数与性能指标之间的关系；（4）方法应用和数学计算：能够运用特征方程求根进行系统稳定性判别；能够正确使用终值定理和静态误差系数法计算稳态误差，熟练计算单输入系统的稳态误差。第 8 章控制系统的状态空间表达式 8.1 状态变量及状态空间表达式 8.2 状态空间方程建立 8.3 状态空间方程线性变换（坐标变换） 8.4 状态空间表达式与传递函数的相互转换（1）数学模型建立：能理解状态、状态变量、状态空间表达式的概念，能够运用状态空间的概念，由系统框图、系统的物理或化学机理、微分方程或传递函数建立系统的状态空间模型；（2）模型转化：能够使用坐标变换等数学工具，实现状态空间数学模型之间以及状态空间表达式与传递函数之间的转化；（3）图表解析和图表绘制：能够从模拟结构图读出系统结构和输入输出信息；也可根据系统描述性信息绘制模拟结构图。 XDKZGC-1 XDKZGC-2 4 8 第 9 章控制系统状态空间表达式的解 9.1 线性定常齐次状态方程的解 9.2 矩阵指数函数 ——状态转移矩阵 9.3 线性定常系统非齐次方程的解 1 对概念和原理的理解要求（1）能够理解状态转移矩阵的概念和性质；（2）能够运用定义法、特征值法、拉氏变换法计算系统的状态转移矩阵；2 能够熟练计算线性定常系统齐次、非齐次状态空间表达式的解。 XDKZGC-4 XDKZGC-8 4 8 第 10 章线性控制系统的能控性和能 1 对概念和原理的理解要求（1）能够理解线性控制系统的能控性和能观性的基本概念；（2）能够运用秩判 XDKZGC-1 XDKZGC-4 XDKZGC-8 4 8