山东农业大学：电工电子实验教学中心（教学大纲）自动控制原理（A）

《自动控制原理A》课程教学大纲AutomaticControlPrinciple总学时：72总学分：463理论学时：实验学时：9面向专业：电气工程及其自动化、自动化课程代码：BB024329大纲执笔人：闫银发大纲审定人：侯加林一、大纲说明1.课程的性质、地位和任务自动控制原理是电气工程与自动化专业必修的技术基础课，是以原理为主的理论性课程；主要讲述自动控制原理与控制系统设计、实验等内容。本课程的任务主要是培养学生：（1）掌握经典控制论中，线性定常连续、单输入单输出闭环控制系统的工作原理、分析和综合，掌握反馈控制原理的应用以及分析和设计的一般规律，使其具有分析和设计自动控制系统的初步能力，使学生对系统的认识上升到更高的层次；（2）了解控制系统中常用的检测装置，常用执行机构的工作原理，数学模型的建立过程，以及自控原理、经典控制论在当今的发展状况；（3）了解并掌握对系统的仿真，其中包括模拟仿真和数字仿真，使学生建立起仿真的概念，并灵活应用于解决实际问题，掌握用模拟和数字仿真方法来进行原理实验，获得仿真实验技能的基本训练。2.课程教学的基本要求先修课程：高等数学、线性代数、复变函数、普通物理、电路原理、电子技术、电机原理及拖动基础等。在这些课程中应该注意讲授：电路的分析与计算；零输入和零状态响应的求法；拉氏变换、付氏变换。后续课程：自动控制系统、变频调速系统及应用，计算机控制系统等。在教学过程中应力求使学生掌握自动控制系统的基本概念、基本分析与设计方法，重在提高学生提出问题、分析问题、解决问题的能力和创新意识。要求授课教师在深刻理解教材内容的基础上，注意前后课程的衔接及本学科的发展，及时补充新内容，使学生及时了解到本学科的重要进展及发展动向。本课程的教学环节包括：课堂讲授、习题课、课外作业、实验。通过本课程各个教学环节的学习，重点培养学生对经典控制论，自动控制理论系统的掌握。注重培养学生的自学能力、动手能力、分析问题、解决问题的能力，培养学习设计计算以及利用已掌握的知识分析问题的能力。计算机知识和应用是培养学生能力的重要方面，本课程要适当安排学生采用计算机仿真（数字仿真）来模拟各种类型系统的工作，用MATLAB语言对系统进行计算，以及不同参数上的PID调节和对系统动态特性，静态特性的影响

《自动控制原理 A》课程教学大纲 Automatic Control Principle 总 学 时： 72 总 学 分： 4 理 论 学 时 ： 63 实 验 学 时 ： 9 面 向 专 业 ： 电气工程及其自动化、自动化 课 程 代 码 ： BB024329 大纲执笔人： 闫银发 大纲审定人： 侯加林 一、大纲说明 1.课程的性质、地位和任务 自动控制原理是电气工程与自动化专业必修的技术基础课，是以原理为主的理论性课 程；主要讲述自动控制原理与控制系统设计、实验等内容。本课程的任务主要是培养学生 ： ⑴ 掌握经典控制论中，线性定常连续、单输入单输出闭环控制系统的工作原理、分析和综 合，掌握反馈控制原理的应用以及分析和设计的一般规律，使其具有分析和设计自动控制系 统的初步能力，使学生对系统的认识上升到更高的层次；⑵ 了解控制系统中常用的检测装 置，常用执行机构的工作原理，数学模型的建立过程，以及自控原理、经典控制论在当今的 发展状况；⑶ 了解并掌握对系统的仿真，其中包括模拟仿真和数字仿真，使学生建立起仿 真的概念，并灵活应用于解决实际问题，掌握用模拟和数字仿真方法来进行原理实验，获得 仿真实验技能的基本训练。 2.课程教学的基本要求 先修课程：高等数学、线性代数、复变函数、普通物理、电路原理、电子技术、电机 原理及拖动基础等。在这些课程中应该注意讲授：电路的分析与计算；零输入和零状态响应 的求法；拉氏变换、付氏变换。 后续课程：自动控制系统、变频调速系统及应用，计算机控制系统等。 在教学过程中应力求使学生掌握自动控制系统的基本概念、基本分析与设计方法，重在 提高学生提出问题、分析问题、解决问题的能力和创新意识。要求授课教师在深刻理解教材 内容的基础上，注意前后课程的衔接及本学科的发展，及时补充新内容，使学生及时了解到 本学科的重要进展及发展动向。 本课程的教学环节包括：课堂讲授、习题课、课外作业、实验。通过本课程各个教学环 节的学习，重点培养学生对经典控制论，自动控制理论系统的掌握。注重培养学生的自学能 力、动手能力、分析问题、解决问题的能力，培养学习设计计算以及利用已掌握的知识分析 问题的能力。 计算机知识和应用是培养学生能力的重要方面，本课程要适当安排学生采用计算机仿真 （数字仿真）来模拟各种类型系统的工作，用 MATLAB 语言对系统进行计算，以及不同参数 上的 PID 调节和对系统动态特性，静态特性的影响

3.课程简介本课程的内容为经典控制理论的基础内容，其中主要包括，控制系统的数学模型，时域分析法，根轨迹分析法，频率分析法，控制系统的校正设计，以及非线性系统分析基础和采样控制系统分析基础。《自动控制原理A》课程的教学目的是使学生在理论教学与实践教学的基础上，能够从事与自动化相关的技术工作。其中包括，能够使用经典控制理论的方法完成控制系统的分析，控制系统的校正计算，自动化工程项目的参与，以及自动化工程设备的设计、制造、维护与管理等。4.课程教学改革总体设想：为解决授课学时少授课内容多的矛盾，在有限的教学时间里较好的完成授课任务，必须做到重点突出、精讲多练，尽量使用现代教学手段如多媒体教学等，在增加信息量的前提下也能保证教学质量。采用启发式教学，培养学生的自学能力，自动控制原理内容较多且繁，教学中力求把每章节的内容在结构上联系起来，系统起来。课堂上增加讨论，调动学生的学习兴趣，以及学习的主观能动性。二、大纲内容()课程理论教学第一章自动控制概论（讲课4学时）自动控制的基本方式有开环控制、闭环控制和复合控制。对于自动控制系统的基本要求指标有稳定性、稳态特性、动态特性、动态过程、稳态误差。要点：自动控制系统的基本要求和系统的组成。思考题：1、自动控制系统的基本组成。2、对自动控制系统的基本控制方式。第二章线性系统的数学模型（讲课8学时）对系统的讨论从定性到定量，建立起系统中各组成部分的数学模型：传递函数，并掌握自控原理中定量数学模型的表示法以及求一个自控系统的传递函数，并对非线性系统怎样进行线性化有一定的了解。要求理解掌握传递函数的本质，对于线性定常连续系统，怎样求一个系统的传递函数。要点：准确掌握传递函数的概念，以及系统中开环传递函数和闭环传递函数的概念；怎样由一个系统的方框图求系统的闭环传递函数。思考题：1、传递函数的意义。2、自动控制系统典型环节。第三章控制系统的时域分析（讲课10学时）了解对于线性定常连续系统的在时域上的分析的一般过程，典型输入信号的拉氏变换。一阶系统的过渡过程，掌握二阶系统的过渡过程和高阶系统的过渡过程，控制系统的稳定性

3. 课程简介 本课程的内容为经典控制理论的基础内容，其中主要包括，控制系统的数学模型，时域 分析法，根轨迹分析法，频率分析法，控制系统的校正设计，以及非线性系统分析基础和采 样控制系统分析基础。《自动控制原理 A》课程的教学目的是使学生在理论教学与实践教学 的基础上，能够从事与自动化相关的技术工作。其中包括，能够使用经典控制理论的方法完 成控制系统的分析，控制系统的校正计算，自动化工程项目的参与，以及自动化工程设备的 设计、制造、维护与管理等。 4.课程教学改革 总体设想：为解决授课学时少授课内容多的矛盾，在有限的教学时间里较好的完成授课 任务，必须做到重点突出、精讲多练，尽量使用现代教学手段如多媒体教学等，在增加信息 量的前提下也能保证教学质量。采用启发式教学，培养学生的自学能力，自动控制原理内容 较多且繁，教学中力求把每章节的内容在结构上联系起来，系统起来。课堂上增加讨论，调 动学生的学习兴趣，以及学习的主观能动性。 二、大纲内容 ㈠ 课程理论教学 第一章 自动控制概论（讲课 4 学时） 自动控制的基本方式有开环控制、闭环控制和复合控制。对于自动控制系统的基本要 求指标有稳定性、稳态特性、动态特性、动态过程、稳态误差。 要点：自动控制系统的基本要求和系统的组成。 思考题：1、自动控制系统的基本组成。 2、对自动控制系统的基本控制方式。 第二章 线性系统的数学模型（讲课 8 学时） 对系统的讨论从定性到定量，建立起系统中各组成部分的数学模型：传递函数，并掌 握自控原理中定量数学模型的表示法以及求一个自控系统的传递函数，并对非线性系统怎样 进行线性化有一定的了解。要求理解掌握传递函数的本质，对于线性定常连续系统，怎样求 一个系统的传递函数。 要点：准确掌握传递函数的概念，以及系统中开环传递函数和闭环传递函数的概念； 怎样由一个系统的方框图求系统的闭环传递函数。 思考题：1、传递函数的意义。 2、自动控制系统典型环节。 第三章 控制系统的时域分析(讲课 10 学时) 了解对于线性定常连续系统的在时域上的分析的一般过程，典型输入信号的拉氏变换。 一阶系统的过渡过程，掌握二阶系统的过渡过程和高阶系统的过渡过程，控制系统的稳定性

分析，以及控制系统稳态误差的计算方法。掌握消除和减少稳态误差的办法以及了解用复合控制怎样可以减少系统的稳态误差。要点：①时域上描述系统动态性能的特性指标：②劳斯判据判断系统的稳定性；③稳态误差计算以及减少误差、提高控制精度的方法。思考题：1、系统稳定的意义。2、系统稳定的充要条件。第四章根轨迹法（讲课8学时）掌握绘制根轨迹的基本规则，并利用基本规则概要画出给定系统的根轨迹。并在此基础上用根轨迹法来分析系统的稳定性，动态性能的好坏和闭环主导极点在S平面上分布的关系。并掌握最小相位系统的参数根轨迹的画法。最后给出闭环极点，零点分布和控制系统性能指标之间的关系。要点：根轨迹的画法，参数根轨迹的画法，并学会用根轨迹的方法来分析控制系统，附加开环零极点对系统根轨迹的改造和对系统性能的影响。思考题：1、系统稳定与主导极点的关系。2、如何应用根轨迹法分析系统。第五章控制系统的频域分析（讲课10学时）掌握系统开环传递函数的幅相曲线和波特图，并在此基础上利用系统的幅相曲线和波特图来分析系统的稳定性一一奈氏判据，用幅数曲线和波特图来分析系统的动态性能一一控制系统的相对稳定性。掌握开环频率特性与控制系统性能的关系。要点：用频率特性的方法来分析系统的稳定性，以及相对稳定性以及开环频率特性与控制系统性能指标间的关系。思考题：1、系统频率特性的意义。2、如何应用频率特性法分析系统。第六章控制系统的综合与校正（讲课12学时）（习题课2学时）了解系统为什么需要校正，采用校正方式和方法的分类。并结合前面第三章、四章、五章对系统的分析的情况来分析控制系统的基本控制规律。掌握串联校正中的超前校正的综合过程，滞后校正的综合过程以及滞后-超前校正的综合过程，以及按系统的期望频率特性进行校正的综合过程，采用反馈校正参数的确定。要点：超前校正，滞后校正，滞后-超前校正的校正网络传递函数中零极点在S平面上分布情况以及参数结构是怎样对校正起作用的，串联校正和并联校正间的关系。思考题：1、系统校正的意义。2、PID的含义。第七章线性离散控制系统（讲课12学时）

分析，以及控制系统稳态误差的计算方法。掌握消除和减少稳态误差的办法以及了解用复合 控制怎样可以减少系统的稳态误差。 要点：①时域上描述系统动态性能的特性指标；②劳斯判据判断系统的稳定性；③稳态 误差计算以及减少误差、提高控制精度的方法。 思考题：1、系统稳定的意义。 2、系统稳定的充要条件。 第四章 根轨迹法 （讲课 8 学时） 掌握绘制根轨迹的基本规则，并利用基本规则概要画出给定系统的根轨迹。并在此基 础上用根轨迹法来分析系统的稳定性，动态性能的好坏和闭环主导极点在 S 平面上分布的 关系。并掌握最小相位系统的参数根轨迹的画法。最后给出闭环极点，零点分布和控制系统 性能指标之间的关系。 要点：根轨迹的画法，参数根轨迹的画法，并学会用根轨迹的方法来分析控制系统， 附加开环零极点对系统根轨迹的改造和对系统性能的影响。 思考题：1、系统稳定与主导极点的关系。 2、如何应用根轨迹法分析系统。 第五章 控制系统的频域分析（讲课 10 学时） 掌握系统开环传递函数的幅相曲线和波特图，并在此基础上利用系统的幅相曲线和波特 图来分析系统的稳定性──奈氏判据，用幅数曲线和波特图来分析系统的动态性能──控制 系统的相对稳定性。掌握开环频率特性与控制系统性能的关系。 要点：用频率特性的方法来分析系统的稳定性，以及相对稳定性以及开环频率特性与控 制系统性能指标间的关系。 思考题：1、系统频率特性的意义。 2、如何应用频率特性法分析系统。 第六章 控制系统的综合与校正（讲课 12 学时）（习题课 2 学时） 了解系统为什么需要校正，采用校正方式和方法的分类。并结合前面第三章、四章、 五章对系统的分析的情况来分析控制系统的基本控制规律。掌握串联校正中的超前校正的综 合过程，滞后校正的综合过程以及滞后-超前校正的综合过程，以及按系统的期望频率特性 进行校正的综合过程，采用反馈校正参数的确定。 要点：超前校正，滞后校正，滞后-超前校正的校正网络传递函数中零极点在 S 平面上 分布情况以及参数结构是怎样对校正起作用的，串联校正和并联校正间的关系。 思考题：1、系统校正的意义。 2、PID 的含义。 第七章 线性离散控制系统（讲课 12 学时）

了解离散控制系统的基本概念、离散控制系统的基本组成及其特点，了解采样过程及采样定理。掌握Z变换、Z反变换的方法、掌握脉冲传递函数的意义及求取方法；掌握离散控制系统稳态性能、稳态误差、动态性能的分析方法，掌握离散控制系统校正设计方法。要点：采样定理、Z变换、Z反变换、差分方程、脉冲传递函数、离散控制系统稳态性能、稳态误差、动态性能的分析方法。思考题：1、脉冲传递函数的意义。2、采样过程及采样定理。课程实验教学本课程实验学时共9学时，设4个实验，分别如下实验一典型环节的模拟（2学时）实验目的：1.通过搭建典型环节模拟电路，熟悉并掌握自动控制综合实验箱的使用方法。2了解并掌握各典型环节的传递函数及其特性，观察和分析各典型环节的响应曲线，掌握电路模拟方法。实验内容：1.搭建各种典型环节的模拟电路，观测并记录各种典型环节的阶跃响应曲线。2.调节模拟电路参数，研究参数变化对典型环节阶跃响应的影响。实验结果：绘出各种典型环节理想的和实测的阶跃响应曲线实验二典型系统的动态特性与稳定性测试（2学时）实验目的：1：了解掌握典型二阶系统的过阻尼、临界阻尼、欠阻尼状态：2.了解掌握典型三阶系统的稳定状态、临界稳定、不稳定状态：3.研究系统参数变化对系统动态性能和稳定性的影响。实验内容：1.搭建典型二阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应M曲线的超调量“p%、峰值时间tp以及调节时间ts，研究其参数变化对典型二阶系统动态性能和稳定性的影响；2，搭建典型三阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调Mn量p%、峰值时间tp以及调节时间ts，研究其参数变化对典型三阶系统动态性能和稳定性的影响。实验结果：绘出二阶系统和三阶系统不同参数下的阶跃响应曲线，并填写相应的超调W量p%、峰值时间tp以及调节时间ts。实验三二阶系统特征参数对系统性能的影响（2学时）实验目的：1．研究二阶系统特征参量（，）对系统性能的影响；2.研究斜坡输入作用下二阶系统的静态误差

了解离散控制系统的基本概念、离散控制系统的基本组成及其特点，了解采样过程及 采样定理。掌握 Z 变换、Z 反变换的方法、掌握脉冲传递函数的意义及求取方法；掌握离散 控制系统稳态性能、稳态误差、动态性能的分析方法，掌握离散控制系统校正设计方法。 要点：采样定理、Z 变换、Z 反变换、差分方程、脉冲传递函数、离散控制系统稳态性 能、稳态误差、动态性能的分析方法。 思考题：1、脉冲传递函数的意义。 2、采样过程及采样定理。 ㈡ 课程实验教学 本课程实验学时共 9 学时，设 4 个实验，分别如下： 实验一 典型环节的模拟（2 学时） 实验目的：1．通过搭建典型环节模拟电路，熟悉并掌握自动控制综合实验箱的使用方 法。 2．了解并掌握各典型环节的传递函数及其特性，观察和分析各典型环节的响应曲线，掌握 电路模拟方法。 实验内容：1．搭建各种典型环节的模拟电路，观测并记录各种典型环节的阶跃响应曲 线。 2．调节模拟电路参数，研究参数变化对典型环节阶跃响应的影响。 实验结果：绘出各种典型环节理想的和实测的阶跃响应曲线 实验二 典型系统的动态特性与稳定性测试（2 学时） 实验目的： 1．了解掌握典型二阶系统的过阻尼、临界阻尼、欠阻尼状态； 2．了解掌握典型三阶系统的稳定状态、临界稳定、不稳定状态； 3．研究系统参数变化对系统动态性能和稳定性的影响。 实验内容： 1．搭建典型二阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应 曲线的超调量 % 、峰值时间 tp 以及调节时间 ts，研究其参数变化对典型二阶系统动态 性能和稳定性的影响； 2．搭建典型三阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调 量 % 、峰值时间 tp 以及调节时间 ts，研究其参数变化对典型三阶系统动态性能和稳定 性的影响。 实验结果： 绘出二阶系统和三阶系统不同参数下的阶跃响应曲线，并填写相应的超调 量 %、峰值时间 tp 以及调节时间 ts。 实验三 二阶系统特征参数对系统性能的影响（2 学时） 实验目的：1．研究二阶系统特征参量（ ,ξ）对系统性能的影响； 2．研究斜坡输入作用下二阶系统的静态误差

实验内容：1．搭建二阶系统，将特征参量=12.5保持不变，分别测试阻尼系数不同时系统的特性：再将特征参量。=0.4保持不变，分别测试固有频率不同时系统的特性；2.测试斜坡输入作用下二阶系统的静态误差，将输入强度即斜率不变，改变开环增益；再将开环增益不变，改变输入强度即斜率。实验结果：1.讨论系统特征参量（%，）变化时对系统性能的影响。2根据电路图中的参数计算下表中的理论值，并和实测值一起填入表中。3.根据斜坡输入作用下二阶系统的静态误差实验结果填写表中。实验四开环增益与零极点对系统性能的影响（3学时）实验目的：1.研究闭环、开环零极点对系统性能的影响：2.研究开环增益对系统性能的影响。MWp%、峰值实验内容：1.搭建原始系统模拟电路，观测系统响应波形，记录超调量时间tp和调节时间ts；2.分别给原始系统在闭环和开环两种情况下加入不同零极点，观测加入后的系统响应M波形，记录超调量p%和调节时间ts；3.改变开环增益K，取值1，2，4，5，10，20等，观测系统在不同开环增益下的响M应波形，记录超调量P%和调节时间ts。实验结果：别分总结闭环极点对原始二阶系统的影响、闭环零点对原始二阶系统的影响、开环极点对原始二阶系统的影响、开环零点对原始二阶系统的影响以及开环增益K对二阶系统的影响。三、考核方式、方法考试形式采用闭卷笔试，题型有：填空、选择题、问答题、绘图题、计算题附：建议使用教材及参考书目[1】《自动控制原理》胡寿松，科学出版社，200】[2]《自动控制原理》李友善，国防工业出版社，2005[3】《自动控制理论基础》戴忠达，清华大学出版社，2005【4]《自动控制原理》张爱民，清华大学出版社，2006[5］《自动控制理论及其应用》黄坚，高等教育出版社，2009[5】《自动控制原理实验指导书》自编教材，2006

实验内容： 1．搭建二阶系统，将特征参量 ＝12.5 保持不变，分别测试阻尼系数不 同时系统的特性；再将特征参量ξ＝0.4 保持不变，分别测试固有频率 不同时系统的特 性； 2．测试斜坡输入作用下二阶系统的静态误差，将输入强度即斜率不变，改变开环增益； 再将开环增益不变，改变输入强度即斜率。 实验结果：1．讨论系统特征参量（ ，ξ）变化时对系统性能的影响。 2．根据电路图中的参数计算下表中的理论值，并和实测值一起填入表中。 3．根据斜坡输入作用下二阶系统的静态误差实验结果填写表中。 实验四 开环增益与零极点对系统性能的影响（3 学时） 实验目的：1．研究闭环、开环零极点对系统性能的影响； 2．研究开环增益对系统性能的影响。 实验内容：1．搭建原始系统模拟电路，观测系统响应波形，记录超调量 %、峰值 时间 tp 和调节时间 ts； 2．分别给原始系统在闭环和开环两种情况下加入不同零极点，观测加入后的系统响应 波形，记录超调量 %和调节时间 ts； 3．改变开环增益 K，取值 1，2，4，5，10，20 等，观测系统在不同开环增益下的响 应波形，记录超调量 %和调节时间 ts。 实验结果：别分总结闭环极点对原始二阶系统的影响、闭环零点对原始二阶系统的影 响、开环极点对原始二阶系统的影响、开环零点对原始二阶系统的影响以及开环增益 K 对 二阶系统的影响。 三、考核方式、方法 考试形式采用闭卷笔试，题型有：填空、选择题、问答题、绘图题、计算题 附：建议使用教材及参考书目 [1] 《自动控制原理》胡寿松，科学出版社，2001 [2] 《自动控制原理》李友善，国防工业出版社，2005 [3] 《自动控制理论基础》戴忠达，清华大学出版社，2005 [4] 《自动控制原理》张爱民，清华大学出版社，2006 [5] 《自动控制理论及其应用》黄坚，高等教育出版社，2009 [5] 《自动控制原理实验指导书》自编教材，2006