《自动控制原理》教学大纲

课程编号：

课程名称：自动控制原理                    英文名称：The Principle of Automatic Control

学分/学时：48/3                           课程性质：  必修           

适用专业：空间科学与技术、探测制导与控制  建议开设学期： 第六学期                         

先修课程：  线性代数、概率论与数理统计、场论与复变函数、电路分析、电子线路（模电和数电）、信号与系统

开课单位：空间科学与技术学院                             

一、课程的教学目标与任务

本课程是空间科学与技术、探测制导与控制专业的主要专业核心课程之一（必修课）。目的是使学生掌握经典控制理论，掌握控制系统数学模型的建立和经典线性控制系统分析设计方法（时域法、根轨迹法和频域法），学会分析和构建反馈控制系统的基本理论和基本方法，并能根据期望的性能指标对系统进行校正。

通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基本理论、基本概念，分析和设计方法，通过教学，注重培养学生理论联系实际能力，为解决实际控制问题提供理论和方法，为更深入地学习现代控制理论、自动控制系统、计算机控制系统、制导与控制原理等后续课程和研究分析各种自动控制系统奠定基础。

二、课程具体内容及基本要求

（一）自动控制的基本概念（4学时）

内容提要:自动控制的基本概念；自动控制理论的发展历史；反馈控制的原理；反馈控制系统的构成；自动控制系统的基本类型；对自动控制系统的基本要求等。

1.基本要求

（1）了解控制系统的任务、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）；建立起系统地概念，初步掌握由系统工作原理画出系统方块图的方法；

（2）掌握控制的基本方式（开/闭环控制）、负反馈原理；

（3）掌握并正确理解对控制系统的稳、准、快的基本要求；

2.重点、难点

重点：自动控制系统的组成；开/闭环控制的基本原理和特点；自动控制系统中的有关概念名词及术语。

难点：闭环（反馈）控制；对控制系统稳、快、准的要求。

3.作业及课外学习要求：

选做教材和习题集相应章节习题。

（二）控制系统的数学模型（8学时）

 内容提要: 动态(微分)方程的建立及线性化；拉普拉斯变换；拉普拉斯反变换；线性系统的传递函数；元部件的传递函数、典型环节；结构图的建立及等效变换；信号流图，梅森公式；自动控制系统的传递函数。

1.基本要求

（1）熟悉微分方程建立和非线性方程线性化的方法；

（2）熟练掌握传递函数的概念、定义、性质及局限性；

（3）了解零初始条件的物理含义；明确传递函数与微分方程之间的关系；

（4）掌握典型环节的概念；熟悉常用元部件的传递函数，掌握系统常用的传递函数形式；

（5）掌握由系统微分方程建立系统结构图；

（6）熟练掌握用拉普拉斯变换方法求解线性常微分方程的方法；熟练掌握利用结构图等效变换和梅森公式求系统传递函数的方法。

2.重点、难点

重点：传递函数的概念、结构图的建立与等效变换、梅森公式。

难点：梅森公式。

3.作业及课外学习要求：

选做教材和习题集相应章节习题。

（三）时域分析法（10学时）

 内容提要:线性控制系统时域分析的基本概念；典型输入信号；系统的时域性能指标；控制系统的稳定性；一阶系统的时域分析；二阶系统时域分析；高阶系统的时域分析；线性系统的稳态误差分析；改善系统性能的措施。

1.基本要求

（1）了解典型输入信号；

（2）熟悉系统时域性能指标；掌握控制系统的稳定性判定；

（3）掌握典型输入信号（单位阶跃函数、单位斜坡函数、单位脉冲函数）作用下一阶、二阶系统的响应和时域分析动态性能；

（4）了解高阶系统的时域分析方法，掌握主导极点的概念；了解估算高阶系统动态性能的零点极点法；

（5）掌握误差和稳态误差的基本概念、分析方法，了解减小、消除稳态误差的措施。

2.重点、难点

重点： 稳定性、一、二阶系统阶跃响应的特点及动态性能与系统参数间的关系等有关概念、计算方法，稳态误差分析。

难点：稳定性判定、稳态误差分析。

3.作业及课外学习要求：

选做教材和习题集相应章节习题。

（四）根轨迹法（6学时）

 内容提要：根轨迹的基本概念；根轨迹方程；绘制常规根轨迹的基本法则；控制系统的根轨迹分析；广义根轨迹。

1.基本要求

（1）了解根轨迹、根轨迹方程的有关概念。

（2）掌握绘制根轨迹的方法；

（3）掌握利用根轨迹定性分析系统性能随参数变化的趋势；

（4）了解参数根轨迹和零度根轨迹的有关概念，熟悉其判别、解决问题的要点。

2.重点、难点

重点：根轨迹的概念、根轨迹方程、常规根轨迹的绘制及系统性能分析。

难点：根轨迹的绘制及系统性能分析。

3.作业及课外学习要求：

选做教材和习题集相应章节习题。

（五）频域分析法（12学时）

 内容提要：频率特性的基本概念与表示方法；典型环节的频率特性；系统开环频率特性；奈奎斯特稳定性判据和对数频率稳定性判据；稳定裕度；闭环频率特性；

1.基本要求

（1）了解频率特性的基本概念与表示方法；

（2）熟悉典型环节频率特性的特点，掌握绘制开环幅相特性、开环对数频率特性的方法；

（3）熟悉奈奎斯特稳定判据的原理，掌握运用奈奎斯特稳定性判据和对数频率稳定性判据判定系统稳定性的方法。

（4）掌握稳定裕度的概念及意义，掌握计算稳定裕度的方法；

（5）掌握闭环频域指标与时域暂态指标的关系；

2.重点、难点

重点：频率特性的概念及物理意义，奈奎斯特稳定判据和对数频率判据。

难点：频率特性、稳定性判据、稳定裕度。

3.作业及课外学习要求：

选做教材和习题集相应章节习题。

（六）控制系统的设计与校正（6学时）

 内容提要：系统设计与校正的基本概念；串联校正；反馈校正；复合控制与前馈校正；系统实验及传递函数估算。

1.基本要求

（1）了解控制系统设计与校正的基本概念；

（2）熟悉串联(超前、滞后、滞后—超前、PID)校正设计的原理，能根据具体情况确定合适的串联校正形式，掌握串联校正的步骤和方法；

（3）熟悉反馈校正和复合校正的作用，并掌握利用这些手段提高系统性能的方法；

（4）掌握系统实验与传输函数计算方法；

2.重点、难点

重点：常用校正方式的优点与缺点；

难点：串联校正（超前校正，滞后校正，滞后—超前校正、PID校正）。

3.作业及课外学习要求：

选做教材和习题集相应章节习题。

三、教学安排及方式

总学时  +  学时，其中：讲授  学时，实验（或上机或综合练习或多种形式）  学时。

注：教学方式填写“讲授、实验或实践、上机、综合练习、多种形式”。

四、本课程对培养学生能力和素质的贡献点

要求围绕人才培养目标，从课程体系的角度说明本课程对培养学生能力素质的贡献点，与人才培养方案中的知识、能力、素质矩阵相对应。

本课程是空间科学与技术、探测指导与控制专业所必修的一门重要的技术基础课。该课程理论严密、逻辑性强，有广阔的工程背景。对培养学生的科学思维能力，树立理论联系实际的工程观点和提高学生分析问题及解决问题的能力起着重要的作用。

通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基本理论和基本的分析方法，进一步培养学生的思维推理能力和分析运算能力，为学习制导与控制原理、现代控制理论等后续课程奠定理论基础知识。

五、考核及成绩评定方式

最终成绩由平时成绩（包括：作业，小测试，课外综合训练等）、期末成绩组合而成。各部分所占比例如下：

平时成绩：≤30%。每次课均安排课后作业，主要考核对每堂课知识点的复习、理解和掌握程度。随堂小测试主要考核对所学概念的理解、分析和解决问题的能力。课外综合训练主要考核计算机运用能力、获取整理信息的能力以及理论联系实际的能力，学生可根据自己的专业方向及研究兴趣自拟题目或根据任课教师提出的题目，可以自由组成三人小组，仿真计算或搭建实际控制系统，给出一定形式的仿真或测试结果及说明。

期末考试成绩：≥70%。主要考核自动控制原理课程基础知识的掌握程度。书面考试形式。题型为：选择题、填空题、计算题等。

六、教材及参考书目

教材：1.《自动控制理论》，刘丁主编，机械工业出版社

参考书目：

1．《自动控制原理》（第2版），千博，杨庚辰，过润秋主编，西安电子科技大学出版社

2．《自动控制原理》（第6版），胡寿松主编，科学出版社

3．《自动控制原理》（第2版），卢京潮主编，西北工业大学出版社

4. 《自动控制原理》（第2版）（上册），吴麒主编，清华大学出版社

5.《Feedback control of dynamic systems》 (6th Edition) Gene F. Franklin, J. David Powell, Abbas Emami-Naeini,  Prentice Hall

七、说明

（一）与相关课程的分工衔接

本课程的先修课程包括:《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《信号与系统》等课程。拉普拉斯变换、稳定性分析、系统函数、梅森公式、采样、z变换等内容在信号与系统课程已经有所学习，本课程侧重于上述理论在自动控制系统稳定性分析和系统设计中的工程应用，也为后续《制导与控制原理》等课程的学习奠定基础。

（二）其他说明

（执笔人：吴宪祥     审核人：×××）

2017年  3  月  31 日

[1] KatsuhikoOgata（尾形克彦）Modern control engineering,  Fifth Edition，电子工业出版社。

[2] 《自动控制原理》（第6版），胡寿松主编，科学出版社

[3] 《自动控制原理》（第2版）（上册），吴麒主编，清华大学出版社

[4] 《自动控制原理》（第2版），千博主编，西安电子科技大学出版社