spContent=本课程是自动化、电气工程及其自动化和新能源科学与工程专业的专业必修课。课程内容主要包括经典控制的基础理论,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。结课采用闭卷或一纸开卷形式考试,总评成绩由期末考试、实验、线上学习和测试、作业等构成。
本课程是自动化、电气工程及其自动化和新能源科学与工程专业的专业必修课。课程内容主要包括经典控制的基础理论,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。结课采用闭卷或一纸开卷形式考试,总评成绩由期末考试、实验、线上学习和测试、作业等构成。
—— 课程团队
课程概述
《自动控制原理》是控制理论的入门课,主要讲述经典控制论的基本概念、原理和方法。
作为近代科学的标志性成果之一,控制理论并不探究系统的物质构成和能量转换方式,而是着眼于信息的反馈和调节。控制论横跨生产技术、生命生态和社会经济各个领域,运用统一的科学语言和科学方法,研究这些系统在信息方面的联系和规律,并通过数学模型进行定量描述和分析。今天,理解控制、反馈、系统、信息这些基本的控制概念和思路原理已经成为现代人的必修课。
对于自动化类相关专业的学生,这门课是同学们未来从事控制工程领域研究和实践的理论基础。我们拥有一个能力突出、经验丰富、充满创新精神和教学热情的课程团队,帮助同学们在经典控制理论的园地里,理解基本概念、掌握线性系统的机理建模和数学描述方法,以及线性系统的时域响应分析、根轨迹分析、频域分析方法;学习、理解和实现基本的系统校正调节。相信大家在课程结束时,能够建立起“系统思维”的习惯和方法;面对线性控制系统,具备全面的问题分析能力和初步的工程应用能力。
授课目标
1. 知识能力目标(能力导向、特定知识领域的新结构课程目标):具备对基本物理系统的建模、分析、设计能力,控制概念的识别和关联辨析能力,原理方法的解释、数学计算和识图绘图能力,建立对自动控制系统的分析、评价和实验仿真能力等。
2. 思维目标:具备以“功能-要素-连接”为特征的系统思维,以“结构、约束和取舍”为核心的工程思维,以“问题发现与解决”为特征的创新思维。
3. 价值目标:理解控制理论与社会发展的关系,坚定科技强国的信念,明确个人担当,初建职业荣誉感和责任感。
成绩 要求
本课程总评成绩由平时成绩和期末考核成绩两部分构成。平时成绩比例 40%,包括实验、课堂表现、课后作业、思维导图绘制以及线上学习(要求观看教学视频进行预习和复习)和测试;期末考试采用闭卷或者一纸开卷形式,应覆盖80%以上课程目标。
课程大纲
自控系统基本概念
课时目标: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。
1.1 初识控制
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
线性连续系统的数学模型
课时目标:通过本章学习,掌握控制系统中被控对象动态数学模型的建立方法。介绍几类数学模型,微分方程,传递函数。要求掌握控制系统典型环节的数学模型、结构图绘制和变换方法,利用结构图和信号流图求取系统传递函数的方法。
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
线性系统的时域分析
课时目标:通过本章学时,了解线性系统的时间相应的性能指标,掌握一、二阶和高阶系统的时域分析,线性系统稳定性的概念,稳定性判别的赫尔维茨判据和劳斯判据,以及稳态误差的分析方法。
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
实验一
实验二
根轨迹法
课时目标:通过本章学习,了解根轨迹的概念,掌握根轨迹绘制的原则,以及普通根轨迹、正反馈根轨迹和参数根轨迹绘制方法。
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
频域分析
课时目标:通过本章学习,了解控制系统频域分析的基本概念,掌握频域特性中幅相频率特性和对数频率特性的绘制方法,掌握基于频域方法的 奈奎斯特稳定性分析和闭环系统的频域指标等。
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
实验三
线性系统的校正方法
课时目标:通过本章学习,了解线性系统校正的基本概念和几种常用的校正装置及特性,掌握串联校正。期望频率特性校正和反馈校正等几种常用的校正方法。
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
实验四
线性离散系统
课时目标:线性离散系统的采样、量化和保持过程, 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;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、脉冲传递函数、动态结构图;线性离散系统稳定的充要条件,单输入系统的稳态误差。
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
实验五
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预备知识
参考资料
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)《自动控制原理实验指导书》 自控原理实验室,2020年9月
(3) 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.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
常见问题