自动控制原理
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spContent=人类的许多希望和梦想,借助于自动控制技术变成了现实。从远洋巨轮到深水潜艇的控制,从电动假肢到机器人的控制,并从传统的工业领域扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他社会生活领域中,自动控制技术无所不在并已成为现代社会不可缺少的重要组成部分。
—— 课程团队
课程概述

“自动控制原理”课程是自动化和电气工程及其自动化专业的专业核心课,同时也适用于机械制造及自动化、测控技术与仪器以及系统工程、电力、冶金等专业。自动控制原理主要讲述自动控制的基本理论和分析、设计控制系统的基本方法。通过本课程的学习,加深学生对自动控制基础知识点的理解和掌握,学会利用基本的经典控制理论解决简单控制系统的建模、分析和设计问题。
本课程是江南大学自动化专业(国家特色专业,江苏省品牌专业A类)的卓越课程,课程组编写的教材是江苏省高等学校精品教材,“十二五”江苏省高等学校重点教材。

授课目标
本课程的任务是通过全部教学内容的学习,掌握自动控制的基本理论和自动控制系统的基本分析和设计方法,为后续专业课学习,毕业设计以及今后从事各项工程技术工作奠定必要的基础。
课程大纲


第1章 引论
知识点1.自动控制系统的基本原理
知识点2.自动控制系统的分类与基本要求
知识点3.自动控制的历史和发展
重点与难点:
掌握负反馈的概念,能对开环控制和闭环控制进行简单分析。
掌握闭环控制系统的基本组成和各关节的作用。
正确理解自动控制系统的基本要求。


第2章 控制系统的数学模型
知识点1.控制系统的数学模型

知识点2.传递函数的基本概念与性质
知识点3.控制系统结构图与绘制
知识点4.结构图的等效变换和简化
知识点5.控制系统 的传递函数
知识点6.信号流图和梅森增益公式
重点与难点:
掌握典型环节的传递函数一般表达形式。
掌握通过结构图变换和梅森公式求解控制系统的传递函数。


第3章 控制系统的时域分析法
知识点1. 系统的时域响应与性能指标
知识点2. 一阶系统的时域响应与性能指标
知识点3. 二阶系统的单位阶跃响应
知识点4. 二阶系统阶跃响应的性能指标
知识点5. 高阶系统的时域响应
知识点6. 线性定常系统的稳定性及劳斯判据(1)
知识点7. 线性定常系统的稳定性及劳斯判据(2)
知识点8. 控制系统的稳态误差(1)-稳态误差的计算
知识点9. 控制系统的稳态误差(2)-稳态误差的消除

重点与难点:
理解一阶和二阶系统的时域分析方法,重点掌握二阶系统的闭环极点与阻尼比及单位阶跃响应的关系;
掌握通过劳斯判据分析线性系统的稳定性;
掌握线性系统的稳态误差分析


第4章 根轨迹法
知识点1.根轨迹的基本概念
知识点2.绘制根轨迹的基本规则(1)
知识点3.绘制根轨迹的基本规则(2)
知识点4.广义根轨迹
知识点5.根轨迹法分析系统性能

知识点6.增加开环零、极点对控制系统性能的影响

重点与难点:
熟练掌握根轨迹绘制的基本法则;
理解和掌握利用根轨迹法分析控制系统的性能。



第5章 控制系统的频域分析
知识点1:频率特性的基本概念
知识点2:频率特性的计算与图示
知识点3:典型环节的频率特性
知识点4:奈奎斯特(Nyquist)图的绘制
知识点5:伯德(Bode)图的绘制
知识点6:最小相位系统与非最小相位系统
知识点7:传递函数的实验法
知识点8:奈奎斯特稳定判据
知识点9:稳定裕量的定义、表示与计算
知识点10:频率特性与系统性能的关系
重点与难点:
理解频率特性的基本概念和最小相位系统定义;
掌握频域分析法两种图式法:奈氏图和Bode图;
掌握系统稳定裕量的计算。


第6章 控制系统的校正
知识点1.校正的基本概念和方法
知识点2.串联超前校正原理
知识点3.超前校正设计
知识点4.串联滞后校正
知识点5.串联滞后超前校正
知识点6.期望频率特性法校正
知识点7.PID控制器
知识点8.反馈校正
知识点9.复合校正
重点与难点:
熟悉控制系统的常用校正方法和常用校正性能指标;
重点掌握串联校正的基本原理与设计方法;
理解反馈校正和复合校正的基本原理。


第7章 非线性系统分析
知识点1:非线性系统定义与特征
知识点2:典型非线性特性分析
知识点3:描述函数的定义与求法
知识点4:组合非线性特性的描述函数计算
知识点5:描述函数法分析非线性系统稳定性
知识点6:相平面法的基本概念和绘制方法
知识点7:奇点和奇线
知识点8:相平面法分析非线性系统
重点与难点:
熟悉和理解典型非线性系统特性及其描述函数;
重点掌握描述函数法和相平面法。


第8章 离散控制系统
知识点1. 信号采样与采样控制系统
知识点2. Z变换及其性质
知识点3. 常系数差分方程求解
知识点4. 脉冲传递函数
知识点5. 离散系统稳定性分析
知识点6. 离散系统的稳态误差
知识点7. 离散系统动态性能分析
重点与难点:
理解香农采样定理和零阶保持器特性;
熟练掌握脉冲传递函数及其结构图求闭环脉冲传递函数;
理解离散系统的稳定性条件,掌握双线性变换和劳斯稳定性判据及其稳态误差计算



预备知识

本课程先修课为:数学(含工程数学、线性代数、复变函数等)、电路(无源网络计算方法等)、电子技术基础、电机与拖动(机电检测和执行元件的基本原理、特性和基本方程)等。

证书要求


本课程教学环节通过课堂教学和互动讨论,利用数学知识表达和描述自动控制系统的工程问题,提高学生对自动控制原理基本知识点和设计方案的理解。具体要求如下:
(1)掌握自动控制的基本概念和基本原理;
(2)学会在时域和复域中建立线性定常控制系统数学模型的方法;
(3)学会控制系统数学模型的结构图和信号流图表示法及其传递函数的求取;
(4)掌握线性控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法;
(5)掌握线性控制系统的校正设计法;
(6)学会非线性控制系统的描述函数分析法;
(7)掌握线性离散系统的基本理论(模型、稳定性、稳态误差、动态特性)。

本课程平时讨论占20%,作业占30%,期末考试占50%。
合格证书:课程总成绩60分至80分;
优秀证书:课程总成绩81分至100分。

参考资料

1. 主教材:

《自动控制原理》,潘丰、徐颖秦主编,机械工业出版社,2012.1出版

2. 参考教材:

1 胡寿松. 自动控制原理(第五版)[M]. 北京: 科学出版社,2007.

2. 胡寿松. 自动控制原理简明教程[M]. 北京: 科学出版社,2005.

3. 王划一等. 自动控制原理[M]. 北京: 国防工业出版社, 2001.

4. [美]Katsuhiko Ogata著,杨艳娟缩编. Modern Control Engineering(Fourth Edition)[M]. 北京:电子工业出版社, 2007.

5. 胡寿松. 自动控制原理习题解析[M]. 北京: 科学出版社,2007.

6. 邹伯敏. 自动控制理论(第3版)[M]. 北京: 机械工业出版社,2008.