课程概述

课程简介:《自动控制原理》课程是高等院校自动化类、电气类专业的主干学科/专业基础必修课程,是电子信息、机械制造、计算机等相关专业的学科基础课程,也是控制理论与实际工程应用紧密结合的一门经典课程。通过本课程的学习,能够使学生了解自动化技术在现代生产和生活中的巨大作用以及在智能制造领域的重要地位,掌握有关自动控制系统的基本概念、原理、组成及分类,并熟练掌握各种控制方式、分析方法和设计思路,为后续进一步的专业课程学习打下牢固的理论基础。

课程特点:不仅对自动化领域专业课程的学习具有较强的引导作用,而且能够提高学生辩证思维能力、综合分析及解决问题能力和科学研究能力,同时能够加强学生针对实际工程问题进行方案设计、模型构建、测试分析等实践操作能力的锻炼。

课程目标:1.了解自动控制相关基本概念,认识工业自动化领域中的连续控制系统和离散控制系统,识别各类自动控制系统,建立系统数学模型,具备应用基本理论知识理解和描述实际复杂工程问题的能力;2. 能够结合实际生产和生活中的自动控制系统工作过程,熟练应用时域分析法、复数域分析法和频域分析法分析系统性能,判断复杂系统中某些关键环节的性能、计算性能指标,培养学生灵活应用知识,识别和分析自动化领域中的复杂工程问题能力;3. 能够根据系统要求,预测校正方式,提出合理的解决方案,设计有效的控制装置,改善系统性能,加强学生的工程应用能力;

课程资源:多媒体课件、教学视频、动画,单元作业,单元测试,期中测试、期末考试等。课程教材《自动控制原理》第3版(姜素霞、冯巧玲主编)。

学习方法:观看教师的授课视频和教学课件,学习课程的重点难点知识;参考配套教材全面仔细学习课程内容;再通过单元作业、单元测试、期中期末考试、课堂讨论、综合讨论等多种形式,充分实现在线开放课程资源共享!

证书要求

综合成绩100分:期末考试成绩占50%,期中考试成绩占10%,单元测试成绩占10%,单元作业成绩占10%,课程讨论占10%,域外占10%(课程实验)。当学生完成全部的课程学习,由任课教师签发课程结业证书,其中60分≤成绩<80分者获得合格证书,成绩≥80分者获得优秀证书。

预备知识

如果已经学过如下几门课程的基础知识,将更有利于《自动控制原理》课程的学习。普通物理(电学),电路基础,高等数学(微积分计算,常系数微分方程求解),线性代数(矩阵计算基本知识),复变函数基本知识,信号与系统等。



授课大纲

自动控制概论 (4学时)

1.了解自动控制理论的发展简史、现状及未来发展趋势。2.掌握自动控制的基本概念、自动控制系统的结构、控制系统的分类。3.能够熟练判断各类自动控制系统的控制方式,如开环控制、闭环控制和复合控制。4.能够熟练分析系统的基本性能,如动态性能和稳态性能。

课时

  • 1.1 自动控制的基本概念
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  • 1.2 控制系统组成及原理方框图
  • ,
  • 1.3 自动控制系统的分类
  • ,
  • 1.4 控制系统的基本性能要求


自动控制系统的数学模型 (8学时)

1.掌握建立控制系统的微分方程、传递函数和绘制系统结构图的方法。2.熟练分析各种典型环节的传递函数及其动态响应特性。3.能够根据微分方程,利用拉普拉斯变换求解系统传递函数。4.能够绘制系统的动态结构图和信号流图。5.熟练掌握利用动态结构图等效变换求传递函数,或者根据梅森增益公式求解传递函数。

课时

  • 2.1 控制系统数学模型基础知识
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  • 2.2 控制系统的复数域数学模型
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  • 2.3 控制系统结构图及等效变换原则
  • ,
  • 2.4.1 结构图等效化简的基本方法
  • ,
  • 2.4.2 结构图等效化简实例讲解
  • ,
  • 2.5.1 控制系统信号流图及梅森增益公式
  • ,
  • 2.5.2 利用梅森增益公式求系统传递函数
  • ,
  • 2.6 闭环系统的传递函数


控制系统的时域分析 (14学时)

1.掌握几种典型输入型号,如单位阶跃信号、单位脉冲信号、单位斜坡信号和单位加速度信号。2.能够熟练分析一阶系统的数学模型、时域响应,求解系统的性能指标。3.掌握二阶系统数学模型、单位阶跃响应、性能指标及改善二阶系统性能的措施。4.能够对控制系统的稳定性进行分析,掌握系统稳定的充分必要条件,熟练应用劳斯稳定判据判断系统稳定性。5.能够分析并计算系统的稳态误差,掌握减小或消除稳态误差的方法。

课时

  • 3.1 控制系统的时域性能指标
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  • 3.2 一阶系统的单位阶跃响应分析
  • ,
  • 3.3.1 典型二阶系统的数学模型
  • ,
  • 3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应
  • ,
  • 3.3.3 欠阻尼二阶系统的动态指标计算
  • ,
  • 3.3.4 改善二阶系统性能的措施
  • ,
  • 3.4.1 高阶系统分析——闭环零点对系统性能的影响
  • ,
  • 3.4.2 高阶系统分析——闭环极点对系统性能的影响
  • ,
  • 3.5.1 控制系统稳定的充分必要条件
  • ,
  • 3.5.2 控制系统的劳斯稳定判据
  • ,
  • 3.5.3 劳斯判据应用举例
  • ,
  • 3.6.1 稳态误差的定义与计算方法
  • ,
  • 3.6.2 利用静态误差系数法求稳态误差
  • ,
  • 3.6.3 系统稳态误差的综合应用举例


控制系统的复数域分析 (6学时)

1.熟练掌握常规根轨迹绘制规则和方法,并能够利用该方法分析自动控制系统的动态性能和稳态性能。2.了解参数根轨迹及零度根轨迹的绘制规则。

课时

  • 4.1 根轨迹的基本概念
  • ,
  • 4.2 绘制根轨迹的基本法则
  • ,
  • 4.3.1 绘制常规根轨迹
  • ,
  • 4.3.2 绘制参数根轨迹
  • ,
  • 4.3.3 绘制零度根轨迹
  • ,
  • 4.4 利用根轨迹分析系统性能


控制系统的频域分析 (14学时)

1.熟练掌握各种典型环节的频率特性。2.能够概略绘制系统的开环幅相曲线、对数频率特性曲线。3.能够根据对数幅频特性曲线确定相应系统传递函数。4.能够应用频域稳定判据判断闭环系统的稳定性。5.熟练掌握计算系统的幅值裕度和相位裕度方法,并能够运用相位裕度判断系统稳定性。

课时

  • 5.1 频率特性的基本概念
  • ,
  • 5.2 典型环节的频率特性分析
  • ,
  • 5.3.1 开环幅相频率特性曲线——奈氏图
  • ,
  • 5.3.2 绘制开环幅相频率特性曲线应用举例
  • ,
  • 5.4.1 开环对数频率特性曲线——波德图
  • ,
  • 5.4.2 绘制开环对数频率特性曲线举例
  • ,
  • 5.5 根据波德图求系统的传递函数
  • ,
  • 5.6.1 奈奎斯特稳定判据的数学基础
  • ,
  • 5.6.2 奈奎斯特稳定判据
  • ,
  • 5.6.3 奈奎斯特稳定判据判据的特殊情况
  • ,
  • 5.7 对数频率稳定判据
  • ,
  • 5.8.1 稳定裕度的基本概念
  • ,
  • 5.8.2 求幅值裕度及相位裕度
  • ,
  • 5.9 控制系统的闭环频率特性


线性系统的校正方法 (8学时)

1.熟练掌握PID控制规律及其特性。2.掌握串联超前校正,串联滞后校正,串联滞后-超前校正的无源电路、特点和设计方法。3.了解复合校正和反馈校正方法。

课时

  • 6.1 线性系统校正的基本概念
  • ,
  • 6.2.1 频率法串联超前校正——基本原理
  • ,
  • 6.2.2 频率法串联超前校正——设计步骤
  • ,
  • 6.3.1 频率法串联滞后校正——基本原理
  • ,
  • 6.3.2 频率法串联滞后校正——设计步骤
  • ,
  • 6.4 频率法串联滞后超前校正
  • ,
  • 6.5 频率法反馈校正
  • ,
  • 6.6 PID 控制特性分析


线性离散系统 (6学时)

1.熟练掌握理解采样过程与采样定理。2.掌握绘制离散系统结构图的方法,并能够根据结构图化简求解离散系统的传递函数。3.计算离散控制系统的动态性能指标,求解系统的稳态误差。

课时

  • 7.1 采样过程及采样定理
  • ,
  • 7.2 信号恢复与信号保持
  • ,
  • 7.3 离散系统的脉冲传递函数
  • ,
  • 7.4 如何求离散系统的脉冲传递函数
  • ,
  • 7.5 线性离散系统的稳定性分析
  • ,
  • 7.6 线性离散系统的稳态误差计算

参考资料

1.《自动控制原理》第3版,姜素霞、冯巧玲主编,北京航空航天大学出版社,2018.08

2.《自动控制原理》第六版,胡寿松主编,北京航空航天大学出版社,2017.06   

3.《自动控制原理与设计》第六版,(美)富兰克林,李中华译,电子工业出版社2014.07