《自动控制原理B》课程教学大纲

课程代码：0806303012

课程名称：自动控制原理B

英文名称：Theory of Automatic Control B

学分/学时：4学分/64学时（理论学时：56；实验学时：8）

适用专业：自动化、机器人工程、智能制造工程

开课单位：自动化学院

先修课程：高等数学、积分变换、大学物理、电路原理、模拟电子技术

一、课程简介

《自动控制原理B》是自动化类各专业的一门专业基础课。主要研究自动控制系统的基本概念、基本原理和基本分析与设计方法。本课程主要内容包括自动控制系统建模、自动控制系统分析和自动控制系统设计（校正）三个方面。通过本课程的教学，让学生掌握分析与综合SISO自动控制系统的经典控制理论与方法，并能初步结合实际，分析和设计控制系统，以及在MATLAB与Simulink支持下对控制系统进行计算机辅助分析和设计。为今后进一步深入学习和研究其他控制理论与控制系统设计打下坚实的基础。

二、课程目标

通过《自动控制原理B》的学习，让学生了解国内外控制论发展历程，增强学生的民族自信心和自豪感，激发学生的爱国热情，培养立志献身祖国的远大理想；理论教学过程中紧密联系实际，培养学生精益求精、创新的工程素养和工匠精神；实验教学中，严格要求操作规范，培养学生的责任意识、职业素养，以及良好的劳动习惯和品质，同时培养学生在实验劳动实践中发现新问题和解决问题的能力。本课程的主要课程目标有：

课程目标1：能够根据机电控制系统的工作原理识别其控制要求及组成部件，对于线性连续系统能根据约束条件建立其数学模型，并进行求解和分析。（支撑毕业要求1-2）

课程目标2：对于机电领域的复杂工程问题，能够应用数学和自然科学的基本原理利用时域分析方法、根轨迹分析法和频率特性法分析和表述系统的稳定性、快速性和准确性；能够根据被控对象特征和性能要求，合理选择补偿元件，通过校正手段对其进行有效改进，并找出复杂工程问题的内在规律，确定一套或多套有效的问题解决方案。（支撑毕业要求2-2）

课程目标3：能够按照实际需要搭建控制系统实验电路和MATLAB仿真平台，按照实验规程和步骤安全开展实验，准确获得实验数据，并能够对实验数据进行分析和解释，总结实验结果的影响因素和需要进一步改进完善的装置或元器件参数。（支撑毕业要求4-1）

三、课程的基本内容

3.1 理论课

3.1.1 概述（支撑课程目标1）

教学内容：

（1）课程的性质及任务；

（2）自动控制与自动控制系统；

（3）自动控制系统的分类；

（4）动态过程、对系统性能的要求；

（5）自动控制理论发展简述，重点回顾“中国自动化控制之父”钱学森鞠躬尽瘁，为国奉献的精神；

（6）自动控制理论的发展趋势与应用（超星发布学习资料，线上线下结合）。

思政元素：通过讲述我国控制理论发展的历程，剖析产生差距的深层次原因，拓展自动控理论发展趋势与应用，激发学生的爱国热情，树立为中华名族的伟大复兴而奋斗的信念；通过回顾老一辈科学家为祖国建设奉献毕生精力的事迹，培养学生的远大理想，实现个人价值与社会价值的统一。

预期学习成果：了解自动控制理论的发展历程，课程的性质及任务；理解自动控制及自动控制系统的组成；熟悉自动控制系统的分类；掌握自动控制系统的控制方式以及对控制系统性能的要求。通过单元学习，学生应能运用所学的基础知识对闭环控制系统的抗扰机理进行分析。

3.1.2自动控制系统的数学模型（支撑课程目标1、3）

教学内容：

（1）控制系统的微分方程；

（2）传递函数及其求取；

（3）动态结构图及其化简；

（4）系统开环传递函数、闭环传递函数及误差传递函数；

（5）控制系统数学模型建立举例（自主学习）；

（6）用MATLAB处理系统数学模型（自主学习）。

思政元素：同时在模型建立步骤的讲授中，充分说明科学的工程计算的重要性，培养学生精益求精的科学探索精神和工程素养。

预期学习成果：了解数学模型及其建立方法，熟悉微分方程的建立步骤，理解系统传递函数的定义及其性质，掌握系统动态结构图的化简。通过单元学习，学生应能对复杂系统的传递函数进行求取，为后续的系统分析设计打下基础。

3.1.3 时域分析法（支撑课程目标2、3）

教学内容：

（1）控制系统性能指标；

（2）一阶系统性能分析；

（3）二阶系统的单位阶跃响应及性能分析；

（4）控制系统的稳定性分析；

（5）控制系统的稳态误差分析；

（6）用时域法分析系统性能实例（自主学习）；

（7）MATLAB用于时域分析（自主学习）。

思政元素：在探讨系统稳定性、快速性和准确性相互制约问题时，提出只有不断改革和技术创新才能提高系统的整体性能，培养学生的创新思维，激发学生的创新意识。

预期学习成果：了解控制工程中常用的五种典型输入信号以及它们的拉氏变换；理解控制系统性能指标的定义方法；熟悉一阶系统的分析方法；掌握二阶系统的单位阶跃响应及其性能指标的计算；掌握控制系统稳定性及稳态误差的分析方法。时域分析法是经典控制理论中三种分析方法之首，通过单元学习，应初步具有对控制系统的分析计算能力并为系统设计打下良好的基础。

3.1.4 根轨迹分析法（支撑课程目标2、3）

教学内容：

（1）根轨迹及根轨迹方程；

（2）绘制根轨迹的八大规则；

（3）用根轨迹法分析系统性能；

（4）MATLAB用于根轨迹分析（自主学习）。

思政元素：通过根轨迹的绘制与分析融入通过现象看本质的思想。教会学生在科研过程中要通过现象看本质，要善于总结归纳事物的发展规律。

预期学习成果：了解控制系统根轨迹的概念、原理；熟悉根轨迹绘制的八大规则；掌握用根轨迹分析系统性能的方法并能理解增加开环零极点对系统性能的影响。通过单元学习，应初步具有对控制系统的分析能力。

3.1.5 频率特性法（支撑课程目标2、3）

教学内容：

（1）频率特性及其几何表示法；

（2）典型环节与系统的频率特性曲线；

（3）根据最小相位系统的近似幅频特性求传递函数；

（4）用频率特性法分析系统稳定性；

（5）频率特性与系统性能的关系；

（6）用频率特性法分析系统性能实例（自主学习）；

（7）MATLAB用于频域分析（自主学习）。

思政元素：学习bode 图和 Nyquist 图的绘制与分析方法认识基本工程哲学，引导学生从工程的角度思考理论问题。讲述幅值裕量和相角裕量的计算时教育学生精益求精的科学态度。学习和工作中一定要精确计算、精益求精，否则将“差之毫厘，谬以千里”。

预期学习成果：了解控制系统频率特性的概念及其几何表示法；熟悉典型环节及控制系统频率特性曲线的绘制；理解频率特性与系统性能的关系；掌握用频率特性法分析系统的稳定性。通过单元学习，应具有对控制系统的分析能力并为系统的校正设计打下良好的基础。

3.1.6 控制系统的校正与设计（支撑课程目标2、3）

教学内容：

（1）串联超前校正；

（2）串联滞后校正；

（3）串联滞后—超前校正；

（4）PID控制器，拓展先进PID控制技术在工业控制中的应用；

（5）MATLAB用于系统校正与设计（自主学习）。

思政元素：通过分析不同校正装置的性能特点，要求学生辩证分析问题，培养勇于探索、善于钻研、不畏困难的工匠精神，通过案例教学提高学生的工程意识。

预期学习成果：了解系统校正的一般方法以及串联超前校正装置、串联滞后校正装置、串联滞后—超前校正装置的设计方法；理解以上三种校正装置改善控制系统性能的原理；掌握三种校正装置的特点及其在工程实际中的应用。通过单元学习，应初步具有利用（设计）校正装置改善控制系统性能的能力。

3.2 实验课（支撑课程目标3）

主要内容：

（1）测量出典型环节和系统的单位阶跃响应曲线，从而加深对时域分析法的理解；

（2）设计无源校正装置，对三阶系统的性能进行校正，改善系统的性能；

（3）运用MATLAB软件对系统的性能进行分析，绘制出各种阶次系统时域响应曲线；

（4）运用MATLAB软件对系统的性能进行分析，绘制出各种阶次系统根轨迹曲线和频率特性曲线。

思政元素：实验过程要求严格操作规范，安全有序；实验结果实事求是；实验后保持工作台和实验室的卫生整洁。培养学生自主劳动意识和习惯，锻炼学生在实验劳动实践过程中发现问题并解决问题的能力。增强学生的责任担当和大局意识，培养学生遵守职业道德和职业规范。

预期学习成果：对常用自动控制原理的实验方法有所了解，并掌握各实验原理、步骤和常用实验仪器设备、仪表的操作方法及一些基本环节和系统性能的分析计算。综合性实验则充分发挥学生的个性，要求学生自己选择实验方法和步骤，选用仪器设备，提出实验预案，经指导老师同意后，独立操作完成综合性实验，写出实验报告。

实验具体内容和要求见附录1。

四、各教学环节学时分配表

五、教学组织与方法

1、针对不同教学内容的特点采用不同的教学方法，同时又可将授课重点放在具有实际工程应用背景的案例上，实施启发式、任务驱动式、讨论式教学，案例式等多元化教学，突出对学生创新思维和创新意识的培养，提高学生的独立思考和工程实践能力，亦符合应用型本科院校人才培养方案和专业认证的要求。

2、对于课程的理论部分，采用启发式教学，调动学生学习的主观能动性，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，以“少而精”为原则，精选教学内容，精讲多练；通过各章的课外习题及习题课，培养学生分析问题、解决问题的能力。本课程主要内容采用板书与多媒体课件合理结合的方式进行课堂教学，控制系统实例及MATLAB应用以自主学习为主。同时将MATLAB仿真与面对面教学模式相结合，激发学生学习兴趣，引导学生主动学习。

3、秉承立德树人的教学理念，将专业知识和课程思政有机统一，在理论授课过程中，潜移默化地融入课程思政要素，激发学生的爱国热情和创新思维，树立正确的人生观和价值观，让学生在掌握专业知识的同时，培养其精益求精、勇于钻研的科学探索精神和工匠精神。并引导学生利用所学知识和技能服务他人、服务社会，感受劳动创造价值，感受劳动的重要性。同时，在相应章节增加了对新理论新技术新应用的既定任务自主学习以及课堂讨论环节，激发学生学习兴趣，树立为中华民族的伟大复兴而奋斗的信念。

4、实验环节在实验室进行，组织学生完成典型环节及系统性能的模拟、自动控制系统性能的校正、计算机仿真时域法和计算机仿真根轨迹法及频率法四个实验。在实验过程中，要以学生为中心，注重对实验规范的指导，使学生在实验中体验课堂所学知识的应用，从而培养学生理论联系实际以及动手能力。同时引导学生养成认真负责的工作态度，增强学生的责任担当，有大局意识。培养学生遵守职业道德和规范，以及自主劳动意识，独立完成实验，同时在实验过程中锻炼发现问题、解决问题的能力。

课程目标与教学内容和教学方法（环节）对应关系如下。

六、课程目标达成评价

1、课程目标1的达成情况通过结课考试、项目设计、过程考核综合考评。

2、课程目标2的达成情况通过结课考试、项目设计、过程考核综合考评。

3、课程目标3的达成情况通过课程实验进行考评。

七、课程考核与成绩评定 

自动控制原理B的课程考核应以考核学生能力是否达成为主要目的，通过对课程考核结果的分析促进课程教学的持续改进。课程成绩包括3个部分，分别为过程考核（30%）、实验（10%）和结课考试（60%）。具体要求及成绩评定方法如下：

1、过程考核：过程考核主要考察学生出勤、课堂表现、作业，按30%计入总成绩，各环节占课程总成绩的权重分别为出勤（5%），课堂表现（10%）和作业（5%），项目设计（10%）。项目设计主要考察学生对实际控制系统进行分析与校正的能力，能够针对自动化系统有关控制器设计等复杂工程问题提出解决方案。项目设计占课程总成绩的权重为10%。

2、实验：要求学生认真准备，全程参与，独立完成并按时提交实验报告。未通过自主劳动，独立完成实验或未按时提交实验报告以及实验报告有抄袭现象的，该次实验成绩按零分记。根据每个实验的实验情况和实验报告质量每次单独评分，再将全部实验的成绩求平均值，实验占课程总成绩的权重为10%。

3、结课考试：结课考试占课程总成绩的权重为60%。

课程目标与课程考核权重关系表如下，课程考核环节评分标准参见附录2。

八、推荐教材和教学参考书目与文献

推荐教材：《自动控制原理及其应用》，黄坚主编，高等教育出版社，2016年。

参考书目与文献：《自动控制原理》，王卫江等编著，北京理工大学出版社，2017年。

《自动控制原理》（第七版），胡寿松编著，科学出版社，2019年。

课程相关主要网站：zdkzyl.chd.edu.cn

大纲编制人：刘坤

课程负责人：刘坤

签  发  人：刘娣

制订日期：2021年9月1日

附录1：

《自动控制原理B》课程课内实验说明

一、教学目标与基本要求

要求学生掌握常用的自动控制原理的试验方法，能够针对时域分析法、根轨迹分析法和频率特性法进行实验和研究，并掌握各实验原理、步骤和常用实验仪器设备、仪表的操作方法及一些基本环节和系统性能的分析计算，能够正确采集实验数据，并对实验结果进行分析和解释，并且通过信息综合得到合理有效的结论。在此基础上，要求学生根据系统性能和实际需求，自己设计实验方法和步骤，选用仪器设备，提出校正方案，最终使得系统满足实际需求。实验教学中，严格要求操作规范，培养学生的责任意识、职业素养，以及良好的劳动习惯和品质，同时培养学生在实验劳动实践中发现新问题和解决问题的能力。

二、基本理论与实验方法

本课程实验属于技术基础实验，主要针对自动控制原理中的时域分析法、根轨迹分析法和频率特性法进行实验和研究，要求学生掌握自动控制原理的基本理论、基本知识和实验仪器使用基本技能。

1、基本操作技能

正确使用自动控制原理实验装置，训练学生基本的实验技能，掌握基本的控制系统性能分析方法、试验方法及数据处理的方法；验证所学的科学知识、加深和巩固对所学知识的认识和理解。

2、综合性实验

在已具备实验技能的前提下，根据实验室现有设备情况，完成自动控制系统校正装置的电路设计和参数选择。学生根据实验指导书的提示确定实验方案，设计实验电路并选择参数，独立操作完成综合性实验，写出实验报告。

综合性实验主要培养学生查阅文献、确定实验方法、选择仪器设备等方面的能力。

三、安全教育

在实验开始前，指导教师需要给学生进行安全教育，了解实验有用电设备和电器开关，存在火灾和触电的危险，掌握安全用电标识，学生明确实验操作规范要求：

1、正确使用各种自动控制原理实验仪器和工具。实验接线前，要仔细检查导线和工具绝缘部分是否损坏，以免触电伤人。

2、在实验过程中，要严格执行安全操作技术规程，听从指导教师指挥，未经指导教师许可，不得擅自合闸送电。

3、在检查和排除电路故障前，要用测量工具检查电路是否带电，严禁用手触摸，切断电源后，方可排除故障。

4、实验中工具箱摆放在安全区域，工具用后要及时放入工具箱，不能随意乱放。

5、注意实验中导线线头、或其他配件放在专门区域，不要随意丢弃。

6、实验操作过程中，保持双手干燥。在使用示波器等电子仪器设备时，应先了解其性能，按操作规程操作。

7、完成实验后应做到：切断电源，整理工具、材料等，打扫实验室环境卫生。

四、主要仪器设备

ZK—III型自动控制原理模拟实验装置。

五、实验项目的设置与内容提要

六、实验报告要求

每次实验提交实验报告。实验报告由实验原理、实验内容及数据的记录及处理组成，附有实验原始数据。

七、考核方式与成绩评定

八、其他说明

1、《自动控制原理》实验的先修课程是《自动控制原理B》，学生通过理论学习后，已经初步了解了自动控制原理的基本理论。

2、在《自动控制原理B》教学中，应注意不断深化和扩展教学内容，注意向学生介绍新技术，激发学生的学习兴趣和热情。

3、在实验室全面开放的条件下，提出可供学生选做的课题，加强学生创新能力的培养，注意学生的个性。

附录2：

一、过程考核评分标准

二、课堂表现评分标准表

三、作业评分标准表

四、实验考核标准

五、结课试卷设计方案