曲阜师范大学：电子信息工程专业《自动控制原理》课程教学大纲

自动控制原理”课程教学大纲教研室主任：黄勇坚执笔人：王玉德一、课程基本信息开课单位：物理工程学院课程名称：自动控制原理课程编号：072215英文名称：AutomaticControltheory课程类型：专业基础课总学时：66理论学时：54实验学时：12学分：4开设专业：电子信息工程先修课程：电路分析、模拟电子技术、复变函数与积分运算二、课程任务目标（一）课程任务本课程是电子信息工程、通信工程专业学生的一门专业基础课程，也是工科专业学生掌握自动控制系统分析和设计的一门技术科学。自动控制原理是研究自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，其任务是研究自动控制系统中变量的运动规律和改变运动规律的可能性及途径，为建立高性能自动控制系统提供必要的理论基础。通过对本课程的学习，使学生掌握自动控制系统分析、设计的基本理论，为设计高性能的控制系统奠定理论基础。（二）课程目标在学完本课程之后，学生能够：1.应用数学工具建立自动控制系统的数学模型；2.会使用时域分析法、频域分析法和根轨迹分析法分析线性系统：3.会对系统进行校正处理，提高系统的性能指标；4.会使用描述函数法和相平面分析法分析非线性控制系统。三、教学内容和要求（一）理论教学的内容及要求第一章绪论[教学内容]

“自动控制原理”课程教学大纲 教研室主任：黄勇坚 执笔人：王玉德 一、课程基本信息 开课单位：物理工程学院 课程名称：自动控制原理 课程编号：072215 英文名称：Automatic Control theory 课程类型：专业基础课 总 学 时： 66 理论学时：54 实验学时：12 学 分：4 开设专业：电子信息工程 先修课程：电路分析、模拟电子技术、复变函数与积分运算 二、课程任务目标 （一）课程任务 本课程是电子信息工程、通信工程专业学生的一门专业基础课程，也是工科专业学生掌握自动 控制系统分析和设计的一门技术科学。自动控制原理是研究自动控制系统组成、分析和设计的一般 性理论，其任务是研究自动控制系统中变量的运动规律和改变运动规律的可能性及途径，为建立高 性能自动控制系统提供必要的理论基础。通过对本课程的学习，使学生掌握自动控制系统分析、设 计的基本理论，为设计高性能的控制系统奠定理论基础。 （二）课程目标 在学完本课程之后，学生能够： 1.应用数学工具建立自动控制系统的数学模型； 2.会使用时域分析法、频域分析法和根轨迹分析法分析线性系统； 3.会对系统进行校正处理，提高系统的性能指标； 4.会使用描述函数法和相平面分析法分析非线性控制系统。 三、教学内容和要求 （一）理论教学的内容及要求 第一章绪论 [教学内容]

系统、反馈与控制：反馈控制系统举例：反馈及前馈控制原理；自动控制发展简史：课程学习内容[教学要求]了解自动控制的发展概况，正确理解系统、反馈和控制等基本概念，掌握闭环系统的组成。[教学重点]反馈及闭环控制的概念，闭环系统的组成及对其基本要求。[教学难点]反馈及闭环控制的概念，对自动控制系统的基本要求。第二章动态系统的数学描述[教学内容]数学模型：控制系统的时域描述：S域描述：频域描述：微分方程的解以及模型转换[教学要求]学会建模方法，掌握自动控制系统的描述方法，了解模型间的转换关系。[教学重点]传递函数和频率响应的概念及数学模型的建立方法。[教学难点]系统微分方程的建立及微分方程的解第三章控制系统的数学模型[教学内容]典型环节的模型及其响应；控制系统的方框图与化简信号流程图与梅逊公式[教学要求]学会建立系统的框图模型，掌握框图模型的化简方法，会使用MASON公式求解系统的等效传递函数。[教学重点]控制系统的方框图的绘制及典型环节的响应，信号流程图与系统框图之间的转换。【教学难点]系统框图化简，梅逊公式的应用。第四章经典的控制工程数值与计算工具[教学内容]数值仿真；回路与闭环传递函数；系统零点与极点的计算：频域Nyquist方法：频域Bode方法：根轨迹法

系统、反馈与控制；反馈控制系统举例；反馈及前馈控制原理；自动控制发展简史；课程学习 内容 [教学要求] 了解自动控制的发展概况，正确理解系统、反馈和控制等基本概念，掌握闭环系统的组成。 [教学重点] 反馈及闭环控制的概念，闭环系统的组成及对其基本要求。 [教学难点] 反馈及闭环控制的概念，对自动控制系统的基本要求。 第二章动态系统的数学描述 [教学内容] 数学模型；控制系统的时域描述；S 域描述；频域描述；微分方程的解以及模型转换 [教学要求] 学会建模方法，掌握自动控制系统的描述方法，了解模型间的转换关系。 [教学重点] 传递函数和频率响应的概念及数学模型的建立方法。 [教学难点] 系统微分方程的建立及微分方程的解 第三章控制系统的数学模型 [教学内容] 典型环节的模型及其响应；控制系统的方框图与化简；信号流程图与梅逊公式 [教学要求] 学会建立系统的框图模型，掌握框图模型的化简方法，会使用 MASON 公式求解系统的等效传递 函数。 [教学重点] 控制系统的方框图的绘制及典型环节的响应,信号流程图与系统框图之间的转换。 [教学难点] 系统框图化简,梅逊公式的应用。 第四章经典的控制工程数值与计算工具 [教学内容] 数值仿真；回路与闭环传递函数；系统零点与极点的计算；频域 Nyquist 方法；频域 Bode 方法； 根轨迹法

[教学要求]会计算回路与闭环传递函数和系统的零极点，掌握频域Nyquist方法、频域Bode方法、根轨迹法。[学习重点]频域Nyquist方法、频域Bode法及根轨迹法分析系统：系统的零极点分布对系统性能的影响。[学习难点]频域Nyquist法及系统零极点对系统性能的影响。第五章线性定常连续时间控制系统的分析[学习内容]稳定性分析；鲁棒稳定性；系统静态特性分析；系统动态特性分析[教学要求]会分析系统的动稳态性能，会计算系统相位裕量与幅值裕量。[学习重点]控制系统动、静态特性分析；系统稳定性分析的几种方法。[学习难点]系统稳定性分析的方法对比。第六章线性定常连续时间控制系统的设计[学习内容]控制问题的一般定义：S域设计：频域描述：状态与输出反馈；内模控制系统设计[学习重点]串联超前、迟后网络的特性，串联超前、迟后校正参数确定；控制系统的状态与输出反馈。[学习难点]串联超前、迟后校正参数确定及内模控制系统的设计。第七章.离散时间控制系统分析与设计[学习内容]连续信号的离散时间表示：Z变换及其性质；动态系统的离散时间域表示：Z变换与拉普拉斯变换之间的关系；线性定常离散控制系统的Z域分析；线性定常离散控制系统的Z域设计[教学要求]学会计算离散时间系统的离散时间函数，了解离散时间系统的Z域分析分析和设计方法。[学习重点]动态系统的离散时间域表示：线性定常离散控制系统的Z域分析

[教学要求] 会计算回路与闭环传递函数和系统的零极点，掌握频域 Nyquist 方法、频域 Bode 方法、根轨迹 法。 [学习重点] 频域 Nyquist 方法、频域 Bode 法及根轨迹法分析系统；系统的零极点分布对系统性能的影响。 [学习难点] 频域 Nyquist 法及系统零极点对系统性能的影响。 第五章线性定常连续时间控制系统的分析 [学习内容] 稳定性分析；鲁棒稳定性；系统静态特性分析；系统动态特性分析 [教学要求] 会分析系统的动稳态性能，会计算系统相位裕量与幅值裕量。 [学习重点] 控制系统动、静态特性分析；系统稳定性分析的几种方法。 [学习难点] 系统稳定性分析的方法对比。 第六章线性定常连续时间控制系统的设计 [学习内容] 控制问题的一般定义；S 域设计;频域描述;状态与输出反馈;内模控制系统设计 [学习重点] 串联超前、迟后网络的特性，串联超前、迟后校正参数确定；控制系统的状态与输出反馈。 [学习难点] 串联超前、迟后校正参数确定及内模控制系统的设计。 第七章.离散时间控制系统分析与设计 [学习内容] 连续信号的离散时间表示；Z 变换及其性质；动态系统的离散时间域表示；Z 变换与拉普拉斯变 换之间的关系；线性定常离散控制系统的 Z 域分析；线性定常离散控制系统的 Z 域设计 [教学要求] 学会计算离散时间系统的离散时间函数，了解离散时间系统的 Z 域分析分析和设计方法。 [学习重点] 动态系统的离散时间域表示；线性定常离散控制系统的 Z 域分析

[学习难点]线性定常离散控制系统的Z域分析与设计。第八章.非线性控制系统分析【学习内容]非线性系统的特征：相平面分析法：描述函数法；李雅谱诺夫函数法[学习要求]掌握非线性系统的特征，学会使用描述函数法分析非线性系统，会应用李雅谱诺夫函数法分析系统稳定性，了解相平面分析法。[学习重点]李雅谱诺夫函数法、描述函数法分析非线性控制系统。[学习难点]相平面分析法分析非线性控制系统。（二）实践教学的内容及要求实验一典型环节模拟研究1.由模拟电路构建典型环节；2.观察各典型环节的阶跃响应曲线；3.分析典型环节的电路参数对系统性能的影响。实验二二阶系统瞬态响应和稳定性分析1.测量二阶系统在不同阻尼状态下的动态指标；2.分析二阶系统的参数对系统性能指标的影响。实验三三阶系统的稳定性分析与瞬态响应1.用模拟电路构建三阶系统；2.观察三阶系统在阶跃输入响应下系统的三种工作状态，记录时域响应指标。实验四控制系统频率特性分析1.测试二阶开环、闭环系统的频率特性；2.观察二阶系统的谐振频率和谐振峰值，并与理论计算值进行对比。实验五系统串联校正研究1.测量未校正系统的幅值裕量和相位裕量；2.测量已校正系统的幅值裕量和相位裕量：3.分析系统校正后系统的性能指标。实验六系统PID参数调整研究1.对二阶系统加入PID控制器，观察控制前后系统性能指标的变化；

[学习难点] 线性定常离散控制系统的 Z 域分析与设计。 第八章.非线性控制系统分析 [学习内容] 非线性系统的特征；相平面分析法；描述函数法；李雅谱诺夫函数法 [学习要求] 掌握非线性系统的特征，学会使用描述函数法分析非线性系统，会应用李雅谱诺夫函数法分析 系统稳定性，了解相平面分析法。 [学习重点]李雅谱诺夫函数法、描述函数法分析非线性控制系统。 [学习难点] 相平面分析法分析非线性控制系统。 （二）实践教学的内容及要求 实验一典型环节模拟研究 1.由模拟电路构建典型环节； 2.观察各典型环节的阶跃响应曲线； 3.分析典型环节的电路参数对系统性能的影响。 实验二二阶系统瞬态响应和稳定性分析 1.测量二阶系统在不同阻尼状态下的动态指标; 2.分析二阶系统的参数对系统性能指标的影响。 实验三三阶系统的稳定性分析与瞬态响应 1.用模拟电路构建三阶系统; 2.观察三阶系统在阶跃输入响应下系统的三种工作状态，记录时域响应指标。 实验四控制系统频率特性分析 1.测试二阶开环、闭环系统的频率特性； 2.观察二阶系统的谐振频率和谐振峰值，并与理论计算值进行对比。 实验五系统串联校正研究 1.测量未校正系统的幅值裕量和相位裕量； 2.测量已校正系统的幅值裕量和相位裕量； 3.分析系统校正后系统的性能指标。 实验六系统 PID 参数调整研究 1.对二阶系统加入 PID 控制器，观察控制前后系统性能指标的变化；

2.调试PID环节的参数，观察系统指标的改变情况。四、学时分配各教学环节学时分配章次实上课小计讲授习题讨论备注验机外22第一章绪论44第二章动态系统的数学描述64第三章控制系统的数学模型第四章经典的控制工程数值与计10142算工具第五章线性定常连续时间控制系16102统的分析第六章线性定常连续时间控制系128统的设计第七章离散时间控制系统分析与66设计66第八章非线性控制系统分析6650合计2五、考核说明本课程考试方式为闭卷、笔试，成绩评定采用平时的作业、实验成绩占总评成绩的10%，期中考试占总评成绩的20%，期末考试成绩占总评成绩的70%六、主要教材及教学参考书目（一）主要教材1.袁德成、王玉德主编.自动控制原理.第一版.北京大学出版社2006..2.胡寿松主编自动控制原理（第五版).科学出版社，2013（二）主要参考书目1.李友善主编.自动控制原理（上）（修订版）.国防工业出版社19892.袁德成、王玉德主编.自动控制原理.第一版.北京大学出版社20063.胡寿松主编自动控制原理（第五版）.科学出版社，2013

2.调试 PID 环节的参数，观察系统指标的改变情况。 四、学时分配 章 次 各教学环节学时分配 小计 讲授 实 验 上 机 习题 讨论 课 外 备 注 第一章绪论 2 2 第二章动态系统的数学描述 4 4 第三章控制系统的数学模型 6 4 2 第四章经典的控制工程数值与计 算工具 14 10 2 2 第五章线性定常连续时间控制系 统的分析 16 10 4 2 第六章线性定常连续时间控制系 统的设计 12 8 4 第七章离散时间控制系统分析与 设计 6 6 第八章非线性控制系统分析 6 6 合 计 66 50 1 2 4 五、考核说明 本课程考试方式为闭卷、笔试，成绩评定采用平时的作业、实验成绩占总评成绩的 10%，期中 考试占总评成绩的 20%，期末考试成绩占总评成绩的 70% 六、主要教材及教学参考书目 （一）主要教材 1.袁德成、王玉德主编.自动控制原理.第一版.北京大学出版社 2006. 2.胡寿松主编自动控制原理(第五版).科学出版社，2013. （二）主要参考书目 1.李友善主编.自动控制原理(上)(修订版).国防工业出版社 1989. 2.袁德成、王玉德主编.自动控制原理.第一版.北京大学出版社 2006. 3.胡寿松主编自动控制原理(第五版).科学出版社，2013