自动控制原理
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课程评价
spContent=自动控制原理是基于大类人才培养目标、新技术发展与应用的需求而开设,是自动化大类培养中的重要学科拓展课程。通过该课程的学习,学生可以掌握自动控制系统的基本概念和自动控制系统分析、设计(校正)的基本方法。
—— 课程团队
课程概述

该课程讨论了如何从时域、复域和频域分析自动控制系统的性能,以及如何根据系统性能指标要求校正控制系统。通过该课程的学习,培养学生对控制系统分析问题和解决问题的初步能力,进而为后续课程和今后工作,提供所必须的控制系统分析、设计的基本理论、方法和技能。

授课目标

通过该课程的学习使学生掌握自动控制系统的基本概念和自动控制系统分析、设计(校正)的基本方法。通过系统的实践教学锻炼,使学生初步掌握系统实验技能,具备利用计算机进行控制系统辅助分析设计的基本能力。


课程大纲

第一章 自动控制概述

1.0 导论

1.1 自动控制基本原理

1.2 自动控制系统的组成

1.3 控制系统分类(一)

1.3 控制系统分类(二)

1.3 自动控制理论发展简史

1.4 控制系统基本要求及本课程任务

 

第二章 数学模型

2.0  导论

2.1  控制系统的时域数学模型(一)

2.1  控制系统的时域数学模型(二)

2.2  控制系统的复数域数学模型

  2.2.1传递函数

       2.2.2典型环节

2.3  控制系统的结构图/方框图

  2.3.1 方框图的组成及等效变换(一)

  2.3.2方框图的等效变换(二)

  2.3.2方框图的等效变换(三) 

       2.3.2方框图的等效变换(四)

  2.3.2方框图简化求传递函数(一)

  2.3.2方框图简化求传递函数(二) 

       2.3.3几个基本概念及传递函数(一)

       2.3.3几个基本概念及传递函数(二)

  2.3.4方框图的绘制

2.4  梅森公式与信号流图

  2.4.1梅森公式(一)

       2.4.1梅森公式(二)

       2.4.1梅森公式(三)

       2.4.2信号流图及其等效变换(一)

       2.4.2信号流图及其等效变换(二)

 

第三章 线性系统时域分析法

3.1 导论及系统时间响应性能指标(一)

3.1 系统时间响应性能指标(二)

3.2 一阶系统时域分析

3.3 二阶系统时域分析(一)

3.3 二阶系统时域分析(二)

3.3 二阶系统时域分析(三)

3.3 二阶系统时域分析典型例题及单位脉冲响应

3.4高阶系统时域分析

3.5 线性定常系统的稳定性分析和稳定判据

       3.5.1线性定常系统的稳定性

       3.5.1劳斯判据(一) 

       3.5.1劳斯判据(二)

  3.5.1劳斯判据(三)  

       3.5.1劳斯判据的应用 

       3.5.2赫尔维茨(Hurwitz)稳定判据

3.6 线性系统的稳态误差

  3.6.1稳态误差 (一)

  3.6.1稳态误差 (二) 

       3.6.2终值定理求解稳态误差

  3.6.3静态误差系数求解稳态误差(一)

  3.6.3静态误差系数求解稳态误差(二)

  3.6.4动态误差系数和长除法求解稳态误差

  3.6.5通用公式法求解稳态误差

       3.6.6减小或消除稳态误差的措施(一)

  3.6.6减小或消除稳态误差的措施(二)

 

第四章 线性系统根轨迹法

4.0导论

4.1 根轨迹的基本概念

4.1 绘制根轨迹的基本方法     

4.2  180°根轨迹绘制方法

       4.2.1绘制180°根轨迹的基本规则(二)

       4.2.1绘制180°根轨迹的基本规则(三)

       4.2.1绘制180°根轨迹的基本规则(四)

       4.2.1绘制180°根轨迹的基本规则(五)

       4.2.1绘制180°根轨迹的基本规则(六)

  4.2.2根轨迹绘制例题(一)

       4.2.2根轨迹绘制例题(二)

4.3  0°根轨迹绘制方法(一)

4.3  0°根轨迹绘制方法(二)

4.3  非最小相位系统的根轨迹

4.4 参量根轨迹绘制方法(一)

4.4 参量根轨迹绘制方法(二)

 

第五章 线性系统的频域分析法

5.1 频率特性概述

5.2 幅相频率特性图(Nyquist图)

      5.2.1 nyquist图(一)

      5.2.2 nyquist图(二)

      5.2.3 nyquist图(三)

  5.2.4 nyquist图(四)

5.3 频率特性对数坐标图(Bode)

      5.3.1 bode图典型环节(一)

      5.3.2 bode图典型环节(二)

      5.3.3 bode图典型环节(三)

  5.3.4 bode图典型环节(四)

  5.3.5 bode图求传递函数

  5.3.6 bode图的绘制

  5.3.7最小相位系统

5.4 Nyquist稳定判据和相对稳定性

5.4.1对数幅相图和nyquist

5.4.2 nyquist稳定性判据

5.4.3系统的开环相频特性

5.5 闭环频率特性图

5.6 开环频率特性与控制系统性能的关系

 

第六章  线性系统的校正方法

6.1  系统的设计与校正问题

       6.1.1系统的设计与校正(一)

       6.1.2系统的设计与校正(二)

6.2  串联校正

       6.2.1串联超前校正(一)

       6.2.2串联超前校正(二)

       6.2.3串联滞后校正

       6.2.4串联滞后校正频域法的步骤

       6.2.5串联校正方法的比较

       6.2.6串联期望频域特性校正法

6.3  PID控制器

       6.3.1 PID控制器(一)

       6.3.2 PID控制器(含比例微分控制器)(二)

       6.3.3 PIPID控制规律

6.4  反馈校正

6.5  复合校正

 

第七章线性离散系统的分析与校正

7.1  线性离散系统的基本概念

7.2  A/D转换与采样定理及D/A转换

       7.2.1信号采样与保持(一)

       7.2.2信号采样与保持(二)

7.3  Z变换

       7.3.1 Z变换定义

       7.3.2 Z变换的方法

7.4  脉冲传递函数

       7.4.1离散系统的数学模型

       7.4.2离散系统传递函数

       7.4.3线性离散系统的开环脉冲传递函数

       7.4.4离散系统闭环传递函数

7.5  线性离散系统稳定性分析

       7.5.1离散系统稳定性分析(一)

       7.5.2离散系统稳定性分析(二)

7.6  线性离散系统的时域分析

       7.6.1离散系统稳态误差计算方法

 

第八章 非线性控制系统分析

8.1  非线性系统概述

8.2  几种典型的非线性特性

      8.2.1典型非线性系统特性(一)

      8.2.2典型非线性系统特性(二)

8.3  非线性特性的描述函数法

      8.3.1非线性系统描述函数法(一)

      8.3.2非线性系统描述函数法(二)

      8.3.3非线性系统的等效变化及描述

      8.3.4非线性系统结构图的简化

8.4  自持振荡


预备知识

微积分I、微积分II、线性代数与空间解析几何I、信号与系统、复变函数

证书要求

通过对本课程的学习,要求学生掌握自动控制系统的基本概念和自动控制系统分析、设计(校正)的基本方法,能够应用控制理论对自动控制系统进行性能分析,进而对系统进行校正和改善系统性能,具体要求有以下几点:

(1)掌握控制系统的任务、组成及自动控制的基本概念(被控对象,被控量,给定量,干扰量等);

(2)掌握用传递函数、结构图、信号流图等建立系统数学模型的方法;

(3)掌握常规控制器的基本规律、动态特性;

(4)对控制系统进行分析和综合的方法:时域分析法、频域分析法、根轨迹法;

(5)掌握控制系统的校正和设计方法。

本课程每章测验成绩占40%,期末考试占60%。

合格证书:课程总成绩60分至79分;

优秀证书:课程总成绩80分至100分。

参考资料

(一)教材:

 《自动控制原理》,邹见效等,机械工业出版社

(二)参考资料:

1.自动控制原理(第六版),胡寿松,科学出版社

2.自动控制原理,李友善,国防工业出版社,第三版

3.《现代控制系统》,R.C. 多尔夫, Richard C. Dorf 著, 电子工业出版社,第十一版

4.《现代控制工程》(第五版), Katsuhiko Ogata著, 电子工业出版社

知识点单元测验
第1周第一章 自动控制概述1.0导论第3周星期一10:00以前完成
1.1自动控制基本原理
1.2自动控制系统的组成
1.3控制系统分类(一)
1.3控制系统分类(二)
1.3自动控制理论发展简史
1.4控制系统基本要求及本课程任务
第2周第二章 线性系统的数学模型12.0导论第5周星期一10:00以前完成
2.1控制系统的时域数学模型
2.1 控制系统的时域数学模型(二)
2.2.1传递函数
2.2.2典型环节
2.3.1方框图的组成及等效变换(一)
2.3.1方框图的等效变换(二)
2.3.1方框图的等效变换(三)
2.3.1方框图的等效变换(四)
第3周第二章 线性系统的数学模型22.3.2方框图简化求传递函数(一)
2.3.2方框图简化求传递函数(二)  
2.3.3几个基本概念及传递函数(一)
2.3.3几个基本概念及传递函数(二)        
2.3.4方框图的绘制
2.4.1梅森公式(一)
2.4.1梅森公式(二)
2.4.1梅森公式(三)
2.4.2信号流图及其等效变换(一)
2.4.2信号流图及其等效变换(二)        
第4周第三章 线性系统时域分析法13.1 导论及系统时间响应性能指标(一)  第8周星期一10:00以前完成
3.1 系统时间响应性能指标(二)
3.2 一阶系统时域分析
3.3 二阶系统时域分析(一)
3.3 二阶系统时域分析(二)
3.3 二阶系统时域分析(三)
3.3 二阶系统时域分析典型例题及单位脉冲响应
3.4高阶系统时域分析
3.5.1线性定常系统的稳定性  
第5周第三章 线性系统时域分析法23.5.1劳斯判据(一)
3.5.1劳斯判据(二)
3.5.1劳斯判据(三)
3.5.1劳斯判据的应用  
3.5.2赫尔维茨(Hurwitz)稳定判据  
3.6.1稳态误差 (一)
3.6.1稳态误差 (二)  
第6周第三章 线性系统时域分析法33.6.2终值定理求解稳态误差
3.6.3静态误差系数求解稳态误差(一)
3.6.3静态误差系数求解稳态误差(二)        
3.6.4动态误差系数和长除法求解稳态误差        
3.6.5通用公式法求解稳态误差
3.6.6减小或消除稳态误差的措施(一)
3.6.6减小或消除稳态误差的措施(二)
第7周第四章 线性系统根轨迹法14.0导论第11周星期一10:00以前完成
4.1 根轨迹的基本概念
4.1绘制根轨迹的基本方法  
4.2.1绘制180°根轨迹的基本规则(二)
4.2.1绘制180°根轨迹的基本规则(三)
4.2.1绘制180°根轨迹的基本规则(四)
第8周第四章 线性系统根轨迹法24. 2.1绘制180°根轨迹的基本规则(五)  
4. 2.1绘制180°根轨迹的基本规则(六)
4.2.2根轨迹绘制例题(一)
4.2.2根轨迹绘制例题(二)
第9周第四章 线性系统根轨迹法34.3 0°根轨迹绘制方法(一)
4.3 0°根轨迹绘制方法(二)
4.3 非最小相位系统的根轨迹
4.4 参量根轨迹绘制方法(一)
4.4 参量根轨迹绘制方法(二)
第10周第五章 线性系统频域分析15.1 线性系统频域分析导论第13周星期一10:00以前完成
5.2 nyquist图(一)
5.2 nyquist图(二)
5.2 nyquist图(三)  
5.2 nyquist图(四)
5.3 bode图典型环节(一)
5.3 bode图典型环节(二)
5.3 bode图典型环节(三)
5.3 bode图典型环节(四)
第11周第五章 线性系统频域分析25.3 bode图求传递函数  
5.3 系统bode图的绘制
5.3 最小相位系统
5.4.1 nyquist图稳定判据及其相对稳定性(一)
5.4.2 nyquist图稳定判据及其相对稳定性(二)
5.4.3 nyquist图稳定判据及其相对稳定性(三)
5.4.4 nyquist图稳定判据及其相对稳定性(四)  
5.4.5 bode图稳定判据
5.4.6 系统的相对稳定性及稳定裕度
5.5 闭环系统频率特性图
5.6 开环频率特性与控制系统性能的关系
第12周第六章 系统的校正与设计16.1 系统的设计与校正1第15周星期一10:00以前完成
6.1 系统的设计与校正2
6.2 串联超前校正1        
6.2 串联超前校正2        
6.2 串联滞后校正3
6.2 串联滞后校正频域法的步骤        
第13周第六章 系统的校正与设计26.2 串联校正方法的比较  
6.2 串联期望频域特性法校正
6.3 PID控制器1  
6.3 PID控制器2
6.3 PIPID控制规律
6.4 反馈校正
6.5 复合控制  
第14周第七章 离散系统7.1 线性离散系统基本概念第16周星期一10:00以前完成
7.2 信号采样与保持1
7.2 信号采样与保持2        
7.3 Z变换定义
7.3 Z变换的方法
7.4 离散系统的数学模型  
7.4 离散系统传递函数  
7.5 离散系统稳定性分析1  
7.5 离散系统稳定性分析2  
7.6 离散系统稳态误差
第15周第八章 非线性系统8.1 非线性系统导论第18周星期一10:00以前完成
8.2 典型非线性系统特性1
8.2 典型非线性系统特性2
8.3 非线性系统描述函数法1        
8.3 非线性系统描述函数法2  
8.3 非线性系统的等效变换及描述  
8.3 非线性系统结构图的简化
8.4 自持振荡
注:结业考试将于第12月27号进行



常见问题

学习该课程的同时,建议自学MATLAB等数学工具在控制系统分析和设计中的应用,以此达到更好的学习效果。