自动控制课程教学大纲64课时.docx
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自动控制课程教学大纲64课时
《自动控制原理》
课程教学大纲
山东农业工程学院
制定(修订)单位:
机械电子工程系
制定(修订)时间:
2015年8月
课程中文名称:
自动控制原理
课程英文名称:
TheoryofAutomaticControl
课程代码:
学时数:
64学时
学分数:
4学分
先修课程:
高等数学、电路分析、电子技术基础
适用专业:
电气自动化、通信技术
一、课程的性质和任务
1.课程性质
《自动控制原理》课程是机械电子工程、电气工程及其自动化的专业基础课,是电气自动化的专业必修课,是通信技术的专业选修课。
2.课程任务
通过本课程的学习,使学生掌握自动控制的基础理论,并具有对简单连续系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能力,为专业课学习和参加实践打下必要的基础。
学生将掌握自动控制系统分析与设计等方面的基本方法,如控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法等基本方法等。
为各类计算机控制系统设计打好基础。
二、本课程与其他课程的联系与分工
本课程的先修课程主要有高等数学、复变函数与积分变换、模拟电子基础和电路分析等。
本课程的很多内容都与电子技术基础、信号与系统有联系,是主要后续课程之一。
该课程是电气和通信专业最重要的专业基础课之一,也是其他专业的选修课程,学习一定要紧密结合工程背景,通过多练习有助于学生掌握课程内容,希望每章后多布置习题给同学们练习。
三、课程教学内容
第一章绪论
教学目的与要求:
掌握自动控制系统组成结构和基本要素,理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求,了解一些实际自动控制系统的控制原理。
掌握基本概念:
自动控制、反馈、控制系统的构成。
要求初步了解如何由系统原理图形成系统的原理方块图及判别控制方式的方法。
要求初步了解本门课程的意义与作用。
教学重点与难点:
重点:
基本控制方式及特点;对控制系统性能的基本要求
难点:
建立元件方块图的方法;自动控制系统实例
第一节 开环控制和闭环控制
一、开环控制
二、闭环控制
第二节 自控系统的组成及术语
一、系统组成:
(1)被控对象
(2)控制器(3)放大变换(4)校正装置
(5)反馈环节(6)给定环节
二、系统信号:
(1)输入信号
(2)输出信号(3)反馈信号(4)偏差信号
(5)误差信号(6)扰动信号
第三节 自控系统的类型
一、信号流向
二、输入信号
三、系统分类:
1、线性系统和非线性系统
2、定常系统和时变系统
3、连续系统和离散系统
4、单输入单输出系统和多输入多输出系统
第四节 自控系统性能基本要求
一、衡量尺度
1、稳定性
2、稳态精度
3、动态过程
第五节 自控课程的主要任务
一、任务
1、系统分析
2、系统综合
3、采用方法
二、典型输入信号
1、阶跃信号
2、斜坡函数
3、抛物线函数
4、脉冲函数
5、正弦函数
第二章自动控制系统的数学模型
教学目的与要求:
掌握传递函数及动态结构图的概念、意义、求取方法和简化方法;理解自动控制系统的建模方法和步骤;了解非线性微分方程的线性化方法。
掌握基本概念:
传递函数及动态结构图。
掌握求传递函数基本方法:
结构图的变换。
教学重点与难点:
重点:
典型环节及其传递函数;信流图和梅森公式
难点:
拉氏变换;小偏差线性化
第一节 线性系统的微分方程
一、建立系统的微分方程
二、相似系统和线性系统
第二节 微分方程的线性化
一、线性化条件
二、线性化方法
三、注意事项
第三节 传递函数
一、传递函数的概念
二、传递函数的特点(性质)
三、典型环节的传递函数
1、比例环节
2、惯性环节
3、积分环节
4、微分环节
5、二阶震荡环节(二阶惯性环节)
6、延迟环节(迟滞环节)
第四节 方框图
一、方框图(动态结构图)
二、系统方框图的构成
三、环节间的连接
1、串联
2、并联
3、反馈
四、方框图的变换和化简
第五节 信号流图
一、信号流图的概念
二、系统信号流图的绘制步骤
三、信号流图的定义和术语
四、信号流图的性质
五、信号流图的化简
六、信号流图的增益公式(梅森公式)
七、课程实验
(一)MATLAB的基本操作
掌握MATLAB的基本使用方法,使用步骤,虚拟仪器的使用方法。
用MATLAB处理系统的数学模型,拉氏变换,反变换,多项式运算,微分方程的求解,传递函数及结构图的串并联与反馈的仿真方法
(二)本实验课程涉及的主要仪器设备(或场所设施)
嵌入式实验室MATLAB仿真软件
(三)本实验课程的实验内容
(1)控制系统的模型描述:
传递函数模型、零极点模型、系统状态空间模型
(2)模型转换
(3)系统连接:
并联、串联、反馈
(4)综合应用:
结构图化简及其闭环传递函数的求取
第三章控制系统的时域分析
教学目的与要求:
掌握系统微分方程的拉普拉斯变换解法及判定系统稳定性赫尔维茨判据、林纳德判据、劳思判据,理解针对一阶和二阶系统的分析计算以及稳态误差的分析计算,了解改善系统响应的措施。
掌握基本概念:
典型响应、渐近稳定性及时域性能指标、稳态误差。
教学重点与难点:
重点:
一、二阶系统的时间响应;稳定性概念;稳态误差
难点:
稳态误差的分析和计算
第一节 线性定常系统的时域响应
一、基本概念
第二节 控制系统时域响应的性能指标
一、稳态性能指标
1、稳态响应过程
2、稳态误差
二、动态性能指标
(1)上升时间
(2)峰值时间
(3)最大超调量
(4)调整时间
(5)震荡次数
第三节 线性定常系统的稳定性
一、稳定性的概念
1、系统的初始状态
2、稳定性的定义
二、线性定常系统稳定的充分必要条件
三、劳斯判据
1、代数判据
2、特别说明
四、赫尔维茨判据
五、参数系统对稳定性的影响
六、相对稳定性和稳定裕量
第四节 系统的稳态误差
一、误差及稳态误差的的定义
1、输入端定义
2、输出端定义
二、稳态误差的分析
三、稳态误差的计算
1、给定信号作用下的计算
2、扰动信号作用下的计算
3、给定信号和扰动信号同时作用下的计算
四、应用静态误差系数计算给定信号作用下的稳态误差
1、系统的类型
2、静态位置误差系数
3、静态速度误差系数
4、静态加速度误差系数
五、改善系统稳态精度的途径
第五节 一阶系统的时域响应
一、数学模型(一阶惯性环节)
二、单位阶跃响应
三、性能指标
1、调整时间
2、稳态误差
3、超调量
四、一阶系统的单位脉冲响应
第六节 二阶系统的时域响应
一、二阶系统的数学模型
二、二阶系统的工作状态
(1)欠阻尼状态
(2)临界阻尼状态
(3)过阻尼状态
(4)无阻尼状态
三、典型二阶系统的性能指标
1、快速性能指标
(1)上升时间
(2)峰值时间
(3)调整时间
2、相对稳定性能指标
(1)最大超调量
(2)震荡次数
四、课程实验
(一)基于MATLAB的时域分析
应用软件进行系统的输出响应及性能分析,稳定性分析,误差分析
(二)本实验课程涉及的主要仪器设备(或场所设施)
嵌入式实验室MATLAB仿真软件
(三)本实验课程的实验内容
(1)稳定性分析
(2)动态性能分析:
单位脉冲响应、单位阶跃响应、任意输入响应、零输入响应
(3)综合应用(系统时域动态性能分析)
第四章根轨迹分析法
教学目的与要求:
掌握根轨迹概念、闭环零极点与开环零极点的关系,理解绘制根轨迹的基本法则及其应用,了解系统闭环零极点分布与阶跃响应的关系。
掌握基本概念:
根轨迹、零极点、主导极点、偶极子。
掌握基本方法:
根轨迹草图的绘制。
掌握基本规律:
根轨迹方程及其应用;零极点分布与阶跃响应的关系。
教学重点与难点:
重点:
根轨迹的概念、原理、绘制法则
难点:
利用根轨迹对系统性能的分析
第一节 根轨迹与根轨迹方程
一、基本概念
二、根轨迹方程
第二节 绘制根轨迹的基本条件
一、绘制依据
二、对根轨迹的说明
第三节 绘制根轨迹的规则和方法
一、绘制规则与方法
1、规则一:
根轨迹的起点和终点
2、规则二:
根轨迹的分支数、对称性和连续性
3、规则三:
实轴上的根轨迹
4、规则四:
根轨迹的渐近线
5、规则五:
根轨迹的分离点
6、规则六:
根轨迹与虚轴的交点
(1)闭环特征方程求交点
(2)劳斯稳定判据求交点
7、规则七:
根轨迹的起始角和终止角
8、规则八:
根之和
第四节 控制系统根轨迹的性能分析
一、开环零极点对根轨迹的影响
1、增加开环零点对根轨迹的影响
2、增加开环零点对控制系统的影响
二、闭环零极点与阶跃响应关系
三、利用根轨迹确定系统参数
四、利用根轨迹分析系统的动态性能
五、课程实验
(一)基于MATLAB的根轨迹分析
应用MATLAB软件命令得到连续的单输入单输出的根轨迹,系统分析者可以方便的描绘出根轨迹图形。
(二)本实验课程涉及的主要仪器设备(或场所设施)
嵌入式实验室MATLAB仿真软件
(三)本实验课程的实验内容
(1)绘制零极点分布图
(2)绘制根轨迹图
(3)综合应用(系统性能复域分析)
第五章控制系统的频域分析
教学目的与要求:
掌握系统频率特性概念、一些典型环节的频率特性以及系统开环频率特性曲线的绘制方法,并掌握频率稳定性判据。
理解稳定欲度以及系统闭环、开环频率特性与阶跃响应的关系。
掌握基本概念:
频率特性、峰值、频带、截止频率、稳定裕度、三频段。
掌握基本方法、环节及开环系统对数频率特性曲线的绘制、稳定性的判别及裕度的计算。
掌握基本原理:
稳定判据、频率特性和时域响应的关系。
要明确单反馈的最小相位与非最小相位在计算中的差别。
教学重点与难点:
重点:
频率特性的概念;典型环节频率特性;开环频率特性Nyquist图和Bode图的绘制。
难点:
奈奎斯特稳定判据
第一节 频率特性
一、频率特性的概述
二、频率特性的求取
第二节 典型环节的频率特性
一、概述
1、极坐标图(幅相曲线或奈奎斯特图)
2、对数频率特性曲线(伯德图)
二、典型环节的频率特性
1、积分环节
2、惯性环节
3、微分环节
4、比例环节
5、一阶微分环节
第三节 系统的开环频率特性
一、系统的开环对数频率特性
二、系统开环极坐标图(奈氏图)
三、最小相位和非最小相位系统
第四节 奈奎斯特稳定判据及稳定裕量
一、开环频率特性和闭环特征式的关系
二、奈奎斯特稳定判据
三、对数判断依据
四、系统稳定裕量
(1)相位裕量
(2)增益裕量
第五节 用开环频率特性分析系统的性能
一、系统开环对数频率特性与闭环稳定性的关系
二、系统开环对数频率特性与闭环稳态误差的关系
1、0型系统
2、I型系统
3、II型系统
三、开环对数频率特性与系统时域性能之间的关系
1、伯德图的对数幅频特性曲线中频段与系统动态性能的关系
2、频域性能指标与时域性能指标的定量关系
(1)相位裕量与超调量之间的定量关系
(2)相位裕量与调整时间之间的定量关系
3、开环频率特性的高频段对系统性能的影响
四、课程实验
(一)基于MATLAB的频域分析
应用MATLAB软件进行频率特性图的绘制,幅值和相位裕量的求解。
(二)本实验课程涉及的主要仪器设备(或场所设施)
嵌入式实验室MATLAB仿真软件
(三)本实验课程的实验内容
(1)伯德图
(2)奈奎斯特图
(3)综合运用(系统稳定性的频域分析)
第六章控制系统的综合与校正
教学目的与要求:
理解系统校正和设计概念,掌握系统校正的基本方式和方法。
掌握基本概念:
串联(超前、滞后、PID)、反馈及复合校正的特性及其作用。
掌握基本方法:
串联校正计算的对数频率法(二阶最佳模型法)校正器参数的计算。
教学重点与难点:
重点:
校正的基本概念;基本校正方式。
难点:
各种校正方式对系统性能的影响。
第一节 控制系统综合与校正概述
一、控制系统校正的概念
二、控制系统的校正方法
三、控制系统的性能指标
四、控制系统的校正方式
1、串联校正
2、反馈校正
3、复合校正
第二节 串联校正
一、串联超前校正(PD校正)
1、相位超前网络
2、用频率法设计超前校正网络
二、串联滞后校正(PI校正)
1、相位滞后网络
2、用频率法设计滞后校正网络
三、串联滞后—超前校正(PID校正)
第三节 反馈校正
一、常用反馈校正方法
1、比例负反馈
2、正反馈
3、微分负反馈
二、负反馈校正设计
三、课程实验
(一)基于MATLAB的系统校正
应用MATLAB软件进行超前、滞后校正装置的设计及调节器的设计
(二)本实验课程涉及的主要仪器设备(或场所设施)
嵌入式实验室MATLAB仿真软件
(三)本实验课程的实验内容
(1)串联校正
(2)复合校正
四、学时分配表
章次
章名
实验名称
学时分配
备注
理论
实践
第一章
绪论
4
0
4
第二章
自动控制系统的数学模型
MATLAB的基本操作
10
1
11
第三章
控制系统的时域分析
基于MAT的时域分析
12
2
14
第四章
根轨迹分析法
基于MAT的根轨迹分析
10
2
12
第五章
控制系统的频域分析
基于MAT的频域分析
12
2
14
第六章
控制系统的综合与校正
基于MAT的系统校正
8
1
9
合计
56
8
64
五、课程教学基本要求
1.课堂讲授:
传统教学与多媒体教学相结合。
2.实验:
MATLAB数学应用软件控制系统工具箱使用及仿真实验
3.作业:
鉴于课时量的限制,没有开设专项的讨论课,关于学法和教法改进与适应性问题的讨论放在课间或课余。
加强学生对作业的训练,并做到详细批改每个学生所作的每道作业题,适时发现并及时纠正学生的错误以加强学生对所学知识的理解。
六、建议教材及主要参考资料
1.建议教材
[1]黄坚.《自动控制原理及其应用》[M].北京:
高等教育出版社,2004年.
2.主要参考资料
[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京:
科学出版社,2001.
[2]蒋大明等.自动控制原理[M].北京:
清华大学出版社/北方交通大学出版社,2003.
[3]翁思义等.自动控制原理[M].北京:
中国电力出版社,2001.
[4]周其节等.自动控制原理[M].广州:
华南理工大学出版社,1996.
3.网址
七、课程成绩考核
课程成绩考核包括平时考核和期末考核。
平时考核包括:
出勤、作业、课堂表现、实验报告等。
期末考核采取闭卷考试形式。
平时考核成绩占总成绩的30%,期末考核成绩占总成绩的70%。
具体考核内容及所占比例,详见下表。
考核内容
占总成绩的比例
平时考核
出勤、回答问题、课堂练习、课后作业、实验报告
30%
期末考核
闭卷考试
70%
各系部可根据专业要求和课程特点,选择适合的考试考核形式和成绩比例,报教务处审批备案。
大纲制(修)订人:
王锋
大纲审定人:
校对:
日期:
2015年8月
- 配套讲稿:
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- 自动控制 课程 教学大纲 64 课时