自动控制原理
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spContent=南京航空航天大学《自动控制原理》课程建设经过几代人的努力,先后获得首届国家精品课程、首届国家教学名师、国家级教学团队、国家级实验示范中心、国家级系列精品课程教材、国家级教学成果奖等多项殊荣。本开放课程是在国家精品资源共享课程基础上的再次推陈出新。
—— 课程团队
课程概述

自动控制原理”是南京航空航天大学多个本科专业的必修技术基础课,是通信、信息、计算机科学与技术等本科专业中的一门重要的专业基础理论课程。该课程以原理性讲授为主,主要包括自动控制原理与控制系统设计、实现等内容。

通过该课程的学习,使学生掌握线性定常连续系统、线性定常离散系统、非线性控制系统的分析与综合方法,掌握反馈控制原理的应用以及分析和设计的一般规律,具备分析和设计自动控制系统的初步能力。

    本课程共64学时,主要为理论教学学时,其知识结构主要包括:控制系统的基本概念、控制系统的数学建模、控制系统的分析和控制系统的综合。和本课程相配套,还有一门独立的实验课程,为16学时。


课程大纲

课程教学内容及学时分配(含课堂教学、自学、作业、讨论等的内容及要求)

1、自动控制系统的一般概念 (2学时

1.1 自动控制的基本概念:反馈、开环控制、闭环控制、控制器、被控对象

1.2 根据控制系统工作原理图绘制方块图

目标及要求:通过一般概念的学习,使学生对自动控制系统的工程应用背景、研究目的及基本概念、问题和解决方法建立基本认识,为后续教学内容的学习作铺垫。

 

2、控制系统的数学模型(8学时)

2.1 数学模型的基本形式

2.2 控制系统的时域数学模型

2.3 拉普拉斯变换

2.4 控制系统的复域数学模型

2.5 控制系统的图形数学模型

2.6 梅森公式

2.7 利用MATLAB建模实例

目标及要求:数学模型是控制系统性能分析和控制器设计的基础。通过本章节的学习,学生应该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、传递函数、结构图和信号流图,能够由结构图等效变换求传递函数,由梅森公式求传递函数。本章内容有助于学生掌握从实际问题到数学模型抽象过程的基本原理和基本方法。

 

3、线性系统的时域分析法(10学时

3.1 线性系统的时域性能指标

3.2 线性系统的稳定性分析

3.3 线性系统的快速性分析

3.4 线性系统的准确性分析

3.5 线性系统的时域法校正

3.6 利用MATLAB进行时域分析的实例

目标及要求:通过本章节的学习,学生应该能够建立起分析系统特性的概念及方法,围绕控制系统要解决的三大问题,知道怎样从动态性能、稳态性能及稳定性三方面衡量控制系统。掌握一阶、二阶系统的典型输入信号响应;参数变化对系统性能的影响,尤其是二阶系统参数与特征根的关系;系统稳定性的概念及判据;控制精度,即稳态误差的分析方法。本章内容有助于学生掌握正确的科学思维方法和科学研究方法。

 

4、线性系统的根轨迹法(8学时) 

4.1 根轨迹的基本概念

4.2 根轨迹绘制的基本法则

4.3 广义根轨迹

4.4 利用根轨迹进行控制性能分析

4.5 线性系统的根轨迹法校正

4.6 利用MATLAB进行根轨迹分析的实例

目标及要求:通过本章节的学习,学生应该能够理解根轨迹的概念,熟悉根轨迹方程,了解根轨迹与系统性能的关系,掌握根轨迹的绘制法则,能够根据开环传递函数绘制系统的根轨迹,用根轨迹法分析系统性能。掌握参数根轨迹、零度根轨迹的概念。本章内容有助于学生掌握正确的科学思维方法和科学研究方法。

 

5、线性系统的频域分析法(18学时) 

5.1 频率特性的基本概念

5.2 典型环节的频率特性

5.3开环系统的频率特性

5.4 频率稳定判据

5.5 闭环系统的频域性能指标

5.6 线性系统的频域法校正

5.7 利用MATLAB进行频域分析的实例

目标及要求:通过本章节的学习,学生应该能够理解频率特性的定义及其与微分方程和传递函数的关系,熟悉频率特性的几何表示方法。熟悉典型环节的频率特性曲线,掌握开环幅相曲线与开环对数频率特性曲线的绘制方法。理解奈氏判据的数学基础,掌握极坐标及对数坐标下奈氏判据的内容及应用。理解幅值裕度与相角裕度的物理意义和计算方法,了解频域性能指标和时域性能指标之间的关系。掌握串联超前校正和串联滞后校正的思想和设计方法。本章内容有助于学生掌握正确的科学思维方法和科学研究方法,以及良好的系统综合分析素养。

 

6、线性离散系统的分析(10学时)

6.1 离散系统的基本概念

6.2 信号的采样与保持

6.3 Z变换理论

6.4 离散系统的数学模型

6.5 离散系统的稳定性分析

6.6 利用MATLAB进行离散系统分析的实例

目标及要求:通过本章节的学习,学生应该能够掌握连续系统离散化的方法。理解采样控制系统的基本原理、采样过程和采样定理及其数学描述。结合线性连续系统的分析方法,充分理解Z闭环、Z反变换、脉冲传递函数的概念。熟练掌握离散控制系统的稳态性能及稳定性的分析方法。本章内容有助于学生掌握正确的科学思维方法和科学研究方法。

 

7、非线性控制系统分析(8学时) 

7.1 非线性系统的基本概念

7.2 常见的非线性特性及其对系统性能的影响

7.3 描述函数法

7.4利用MATLAB进行非线性系统分析的实例

目标及要求:通过本章节的学习,学生应该能够认识非线性系统区别于线性系统的运动过程特点。掌握描述函数法的定义、特点和应用范围,熟悉典型非线性环节的描述函数和负倒描述函数。掌握用描述函数法分析非线性系统稳定性,以及分析自振、计算自振参数的方法。本章内容有助于学生掌握正确的科学思维方法和科学研究方法。

预备知识

高等数学、电路

证书要求

暂时无证书

参考资料

教材:

《自动控制原理》(第二版) 陈复扬,姜斌,陆宁云北京:国防工业出版社,2013.08

• Modern Control Systems(英文版)Richard C. Dorf,Robert H. Bishop 著电子工业出版社 2012年

自动控制原理 (第六版) 胡寿松主编科学出版社 2013