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《自动控制原理》课程教学大纲
课程编号：2020161 课程类别：必修 授课对象：本科三年级
先修课程：复变函数，积分变换，信号与系统。 学分：4
总学时：56 课内学时：48 实验学时： 8 一、课程性质、教学目的与任务
课程性质：专业基础课，专业知识链条中的关键环节之一，自动控制原理是仪器仪表类、测控类专业的重要基础课之一，这些专业主要学习信号传感（获取）、信号处理、控制及光机电系统等知识，而控制是知识链条中的重要一环，随着科技发展，自动化、智能化已成为仪器、产品、系统等的重要功能，这就要求学生必须具备自动控制方面的知识。
教学目的与任务：培养学生自动控制原理的基础知识，学习掌握经典控制的基本理论、基本方法和控制系统的基本设计方法，重点学习分析和设计线性控制系统的基本理论、基本方法及控制系统设计方法。主要内容包括：控制系统的数学模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹法、控制系统的频域分析法、控制系统的常用校正方法等。
二、教学基本要求
学习经典控制的基本理论和基本方法，重点学习分析和设计线性控制系统的基本理论和基本方法。主要内容包括：控制系统的数学模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹法、控制系统的频域分析法、控制系统的常用校正方法等。
三、教学内容
第一章 控制系统的一般要概念 （4课时）
自动控制的基本原理与方式，自动控制系统示例，自动控制系统的分类，对自动控制系统的基本要求 1、 基本概念；
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2、 反馈系统基本组成； 3、 基本控制方式；
4、 控制系统分类：开环、闭环、复合控制； 第二章 控制系统的数学模型 （8课时）
控制系统的时域数学模型，拉普拉斯变换，控制系统的复域数学模型，控制系统的状态空间模型，控制系统的结构图与信号流图 2-1 时域模型、微分方程表示方法； 2-2 复域模型
1、 传递函数的定义与性质；
2、 传递函数的零、极点表示，开环增益、根轨迹增益等； 3、 典型环节的传递函数（比例、惯性、微分、积分、振荡）； 2-3 控制系统的结构图与信号流图
1、 结构图的等效变换与化简 2、 信号流图组成与性质 A．性质、术语（理解） B．由结构图转化为信号流图方法 C．梅逊公式
第三章 线性系统的时域分析法 （10课时）
线性系统时间响应的性能指标，一阶系统的时域分析，二阶系统的时域分析，高阶系统的时域分析，线性系统的稳定性分析，线性系统的稳态误差计算。 3-1 线性系统时间响应的性能标 tr，tp，ts，?%
3-2 一阶系统的单位阶跃响应， 3-3 二阶系统的时域响应
1、二阶系统的标准数学模型 闭环传递函数形式，表示为单位反馈系统形式 2、二阶系统单位阶跃响应（重点：欠阻尼情形） tr，tp，ts，?% 3、二阶系统性能改善
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A、比例一微分控制 掌握原理、特点
B、测速反馈控制 掌握原理、特点及性能参数计算 3-4 高阶系统时域分析，主导闭环极点概念 3-5 线性系统稳定性分析
劳斯判据及其应用 3-6 线性系统的稳态误差
1、误差传递函数计算 2、利用终值定理求稳态误差 3、系统类型（型别）
4、典型参考信号输入下的稳态误差；误差系数
5、减小稳态误差方法：提高型别、提高开环增益、采用复合控制 6、扰动误差的传函、减小扰动误差方法 A、增加扰动作用点之前积分环节数目 B、增加扰动作用点之前环节的增益 C、采用复合控制技术
第四章 根轨迹 （6课时）
根轨迹方程，根轨迹绘制的基本法则，广义根轨迹，系统性能的分析与估算，基于根轨迹的控制系统校正方法，MATLAB语言根轨迹分析法。 4-1 根轨迹方程 （ 相角、幅值条件） 4-2 根轨迹绘制的基本法则，绘制根轨迹
第五章 线性系统的频域分析 （10课时）
频率特性，典型环节和开环系统频率特性，奈奎斯特稳定判据，稳定裕度， 闭环频率特性，系统时域指标估算，传递函数的实验确定法，MATLAB语言频域分析法。 5-2 频率特性
1、基本概念 系统频率特性与传函间关系
2、频率特性表示方法 幅相曲线；幅频特性；对数幅频特性曲线；相频特性曲线；对数相频特性曲线
5-3 典型环节和开环系统频率特性
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1、典型环节的幅频、相频特性
2、开环对数幅频、幅相曲线绘制 对数幅频特性采用渐近线法 3、由幅频曲线或相频曲线确定最小相位系统传递函数的方法 5-4 奈奎斯特稳定性判据
1、奈代判据，实际使用判据，幅相曲线对称性
2、对数频率特性稳定性判据 I型以上辅助线作法
5-5 稳定裕度 概念：截止频率；相角交界频率；相角裕度；幅值裕度 5-6 闭环频率特性（了解） 5-7 系统时域指标与频域指标关系
了解它们之间的联系；
第六章 线性系统的校正方法 （10课时）
系统的设计与校正问题，常用校正装置及其特性，串联校正，反馈校正，复合校正，PID调节器，基于MATLAB语言的校正分析法。
6-1 校正方法 串联，反馈，前馈，复合，原理，特性 6-2 常用校正装置及其特性（传函，特性，重要公式）
1、无源超前 2、无源迟后 3、无源迟后—超前 6-3 串联校正
1、串联超前 方法，实用范围 2、串联迟后 方法，实用范围 3、串联迟后—超前 方法，实用范围 6-4 反馈校正 （原理，优点） 6-5 复合校正
A．按扰动补偿 （原理，扰动误差传函推导，误差全补偿条件） B．按输入补偿 （原理，误差传函推导，误差全补偿条件） 6-6 PID控制原理（P，PD，I，PI，PID的特点）
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实验安排：
实验二 直流电机速度控制实验 （8课时） 1、开环控制、闭环控制系统设计 2、控制系统的校正设计 3、PID调节器
开放性、综合设计实验，要求学生独自完成实验前准备工作（实验目的、原理分析，实验设计、实验步骤、参数计算等），实际动手实验，实验结果分析等。 四、学时分配
总学时 56学时 讲课48学时 实验8学时 课外学时 64学时
五、教材与参考资料
胡寿松等，《自动控制原理》，国防工业出版社，第4版，2002 [1] 自动控制原理，清华大学出版社，吴麒主编； [2] 自动控制原理，中国科学技术大学出版社，庞国仲编；
[3] 自动控制原理试题精选与答题技巧，哈尔滨工业大学出版社，王彤主编；
[4] 自动控制原理常见题型解析及模拟题，西北工业大学出版社，史忠科，卢京潮编著； [5] MATLAB 语言工具箱—TOOLBOX实用指南，西北工业大学出版社，施阳 李俊等编著； [6] MATLAB 语言—演算纸式的科学工程计算语言，中国科学技术大学出版社，张培强主编；
[7] 系统分析与仿真—MATLAB语言及应用，国防科技大学出版社，黄文梅 杨勇等编著。
六、成绩评定
期末成绩80%，平时成绩（作业、平时测验及课堂情况）及综合实验能力20%。
大纲撰写人：段发阶、吴斌 大纲批准人：段发阶
制定日期：2011年6月
文案
2020161自动控制原理（中英文）
